JP2015509417A - デュアルエネルギマモグラフィ方法 - Google Patents
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Abstract
本発明はデュアルエネルギマモグラフィに関する。乳がんとなりうる前駆体としての微細石灰化部を早期に識別するために、本発明では、乳房の隣に、既知の濃度分布及び既知の密度分布及び既知の有効原子番号分布を有する比較パターンを配置し、異なるエネルギのもとで形成された比較パターンの複数のマモグラムに基づいて、原子番号と２つの異なる放射エネルギでの相互作用なしに乳房を通過した光子数の対数差との結合パラメータ、及び、原子番号と２つの異なる放射エネルギでの相互作用なしに乳房を通過した光子数の対数比との結合パラメータを求め、当該結合パラメータに基づいて乳房における原子番号分布乃至濃度分布を視覚表示する。
Description
本発明は、請求項１の上位概念記載のデュアルエネルギマモグラフィ方法に関する。
本発明は、医療分野、特に、乳房の良性及び悪性の疾患を診断する方法に関連する。
乳房における腫瘍の前駆体として、微細石灰化部がある。これは健常組織の有効原子番号Ｚ＝６．５〜７．５を大幅に上回る有効原子番号Ｚ＝１２〜１４を有する。微細石灰化部の存在は基本的に腫瘍の発生に対する充分な前提と捉えることができる。ただし、大きさが２００μｍを下回る微細石灰化部は、現行のＸ線撮影による乳房画像では認識されないので、特に危険である。
悪性腫瘍も同様に高い有効原子番号を有する。これは、炭素分布と酸素分布とが異なることに関係している（Antoniassi M., Conceic,a~o A.L.C.: Study of effective atomic number of breast tissues determined using the elastic to inelastic scattering ratio// Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2011, V.652, No.1, 739頁−743頁を参照）。
本発明のデュアルエネルギマモグラフィ方法によれば、微細石灰化部を従来よりも信頼性高く、より早期の疾患段階で識別できる。また、従来の診断方法に比べ、新たな腫瘍の発生をよりシャープに表示できる。
触診不能な早期の腫瘍形状を高い信頼性で診断するために、Ｘ線スクリーニングマモグラフィが行われる。この手法は、組織ごとにＸ線吸収率が異なるという作用を基礎としている。つまり、そのつど相互作用なしに乳房を通過した光子量分布が、
によって可視化される。ここで、Ｎ０は出発光子数であり、μ（Ｅ，Ｚ，ｘ）は光線に対する全吸収係数の質量係数分布であり、ただし、質量吸収係数は出発光子のエネルギと乳房部分の有効原子番号とに依存し、ρ（ｘ）は光ベクトルに沿った濃度分布であり、ｄは光ベクトルに沿った乳房密度である。なお、質量吸収係数は狭い変化領域内で有効原子番号に比例する。
このように、従来のＸ線マモグラムは、乳房における密度と濃度と有効原子番号との積の非線形分布を表している。
図１のａには、微細石灰化部を有する乳房を表した従来のマモグラムの例が示されている。
乳房における濃度の変動箇所（血管、リンパ管、良性組織など）は、マモグラムに場合によって存在する極小の微細石灰化部をしばしば覆ってしまう。コリメータが利用される場合にも、検出器はＸ線散乱光を検出するため、マモグラムでの乳房は充分にシャープには結像されない。このことは微細石灰化部の識別をさらに困難にする。確実に識別できるのは２００μｍを超える大きさの微細石灰化部のみである。これよりも小さな微細石灰化部は均質な人工検体（ファントム）としてしか認識されない。
有効原子番号分布に対するマモグラムの感度を高めるために、デュアルエネルギサブトラクションマモグラフィ（２エネルギ差分マモグラフィ）プロセスが適用される。このプロセスは多くの特許文献に開示されている（“Dual energy rapid switching imaging system”, US4541106, 1985; “Dual-energy system for quantitative radiographic imaging”, US5150394, 1992; “Dual energy x-ray imaging system and method for radiography and mammography”, US6683934, 2004）。
デュアルエネルギサブトラクションマモグラフィプロセスは、特に、文献Lewin, J.M., Isaacs, P.K, Vance, V., Larke, F.J.: Dual-energy contrast-enhanced digital subtraction mammography: Feasibility. Radiology, Vol.229. No.1, 2003, 261頁−268頁に詳しく説明されている。
このプロセスによれば、２つの異なるエネルギの出力光を用いて２つのマモグラムが形成される。その後、
として、対数化及び減算（差形成）が行われる。ここで、Ｌ，Ｈは、下方のエネルギ値と上方のエネルギ値とを表すインデクスであり、ｋα，ａαは線形係数である。
このように、デュアルエネルギサブトラクションマモグラフィは、有効原子番号と濃度との積の線形分布を視覚化するプロセスである。
図１のｂには、同じ乳房に対するサブトラクションマモグラムの例が示されている。
デュアルエネルギサブトラクションマモグラムは、散乱光が抑圧されるため、格段にシャープである。しかし、乳房の個々の部位の表示は、有効原子番号にも濃度及び密度にも依存する。よって、極小の微細石灰化部の識別はやはり困難であり、或る程度の大きさの微細石灰化部しか可視とならない。
濃度及び密度の変動がマモグラムに影響する度合を低減するために、デュアルエネルギディバイディングマモグラフィ（２エネルギ分割マモグラフィ）プロセスが提案されている（“Verfahren fuer Differenzdiagnose der Brustdruese”, RU2391909, 2008）。
当該デュアルエネルギディバイディングマモグラフィプロセスは、特に次の文献に詳しく説明されている。
１）V.A.Gorshkov, N.I.Rozhkova, S.P.Prokopenko. “Zwei-Energien-Divisions-Mammographie. Verfahren zur nichtlinearen Analyse fuer Kardiologie und Onkologie”, Physikalische Ansaetze und klinische Praxis, Ausg.2, OOO KDU Verlag, 2010 173頁−191頁
２）V.A.Gorshkov, N.I.Rozhkova, S.P.Prokopenko. “Dual-energy-dividing-mammography”, International Workshop on Digital Mammography, 2010. Girona, Spain 606頁-613頁
デュアルエネルギディバイディングマモグラフィプロセスでは、上述した対数比が
として、可視化される。ここから、上述した対数比が濃度に依存しないことがわかる。この対数比は有効原子番号分布のみによって定まるのである。
１）V.A.Gorshkov, N.I.Rozhkova, S.P.Prokopenko. “Zwei-Energien-Divisions-Mammographie. Verfahren zur nichtlinearen Analyse fuer Kardiologie und Onkologie”, Physikalische Ansaetze und klinische Praxis, Ausg.2, OOO KDU Verlag, 2010 173頁−191頁
２）V.A.Gorshkov, N.I.Rozhkova, S.P.Prokopenko. “Dual-energy-dividing-mammography”, International Workshop on Digital Mammography, 2010. Girona, Spain 606頁-613頁
デュアルエネルギディバイディングマモグラフィプロセスでは、上述した対数比が
図１のｃには、同じ乳房のディバイディングマモグラムの例が示されている。
密度及び濃度の変動は、ディバイディングマモグラムではサブトラクションマモグラムよりも不鮮明となる。実際、サブトラクションマモグラムでは、乳頭は不可視である。乳頭はきわめて小さい密度しか有さないため、ディバイディングマモグラムでは乳房とほぼ同じ光密度となってしまうのである。
また、図１のｃのマモグラムには、血管及びリンパ管及びその他の濃度変動箇所が示されている。これは、上掲の式（３）が均等なエネルギを有する光スペクトルにしか当てはまらないことに関連している。特徴光及び制動光の双方を含むＸ線管の実際のスペクトルでは、マモグラムにおける密度及び濃度の変動を抑圧することは不可能である。
乳房疾患の有効診断には、有効原子番号及び濃度及びこれらの凸結合（コンベクスコンビネーション）の視覚化が前提となる。
したがって、本発明の課題は、従来よりも小さな微細石灰化部を識別可能なデュアルエネルギマモグラフィ方法を開発することである。
この課題は請求項１記載の特徴によって解決される。
本発明では、濃度変動に対して不変の有効原子番号分布、及び、有効原子番号の変動に対して不変の濃度分布、及び、有効原子番号と濃度との凸結合の分布を有するマモグラムを取得するために、デュアルエネルギサブトラクションディバイディングマモグラフィ（２エネルギ差分分割マモグラフィ）のための方法を提案する。
本発明を以下に図示の実施例に則して詳細に説明する。
スペクトルが連続している場合、上述した対数差及び対数比の双方の数値は、一定密度での濃度及び狭い変化領域内の有効原子番号に線形に関連する。したがって、有効原子番号及び濃度の分布の可視化は、式
にしたがって可能となる。
これらの単位量の凸結合の分布は、
λ＝ｋＺｎ＋（１−ｋ）ρｎ
として定められ、ここで、ｋは係数［０≦ｋ≦１］であり、有効原子番号の正規化は
Ｚｎ＝（Ｚ−Ｚｍｉｎ）／（Ｚｍａｘ−Ｚｍｉｎ）
によって行われ、濃度の正規化は、
ρｎ＝（ρ−ρｍｉｎ）／（ρｍａｘ−ρｍｉｎ）
によって行われる。
λ＝ｋＺｎ＋（１−ｋ）ρｎ
として定められ、ここで、ｋは係数［０≦ｋ≦１］であり、有効原子番号の正規化は
Ｚｎ＝（Ｚ−Ｚｍｉｎ）／（Ｚｍａｘ−Ｚｍｉｎ）
によって行われ、濃度の正規化は、
ρｎ＝（ρ−ρｍｉｎ）／（ρｍａｘ−ρｍｉｎ）
によって行われる。
ただし、係数
を定める際に問題が発生する。これらの係数を推定するために、マモグラフィに加え、既知の濃度分布及び密度分布及び有効原子番号分布を有し、かつ、その特性値が乳房の特性曲線に類似する比較パターンが用いられる。これらの係数は２種類のエネルギで取得された比較パターンのマモグラムに基づいて定められる。
文献ＷＯ９９／４５３７１には、検査すべき人体部分の隣に比較パターンを配置して行うコンピュータトモグラフィ方法が記載されている。
有効原子番号及び濃度の分布を数値として再現すること及びその効果は、本発明の方法の主たる特徴である。
本明細書において、Ｎ，β，α，Ｚ，ρ，Ｚｎ，ρｎ，λは、相応の特性量の各値をマモグラムの検出器のｉ番目及びｊ番目のピクセルとして定める行列である。
係数
はスカラー量である。
図１のｄには、２つのマモグラムに基づく本発明のデュアルエネルギサブトラクションディバイディングマモグラフィプロセスを用いて計算された有効原子番号分布の例が示されている。２つのマモグラムはＸ線管の２つの異なるプレート電圧のもとで形成されたものである。比較パターンとして、種々の密度のアルミニウム条片（微細石灰化部のシミュレーション）を含むグラファイトプリズム（乳房組織のシミュレーション）が用いられる。
サブトラクションディバイディングマモグラムでは実際には血管乃至リンパ管は可視とならない。乳房の健常部位が同じ光密度で表示されるからである。
図２では、ａに従来のデュアルエネルギサブトラクションディバイディングマモグラムが示されており、ｂに本発明のデュアルエネルギサブトラクションディバイディングマモグラム、すなわち、有効原子番号及び濃度の分布を有するマモグラムが示されている。大きな微細石灰化部は従来のマモグラムにおいても良好に識別できる。しかし、極小の微細石灰化部はここでは不可視である。この場合、従来のサブトラクションディバイディングマモグラムでは、極小の微細石灰化部が多く集中した箇所が大きな顆粒のように見えているのである。
悪性腫瘍も微細石灰化部も、大きな有効原子番号に加え、高い濃度を有する。よって、これらの単位量（正規化値）の凸結合によりこうした影響を良好に識別できる。
図３には、識別された単位量である有効原子番号及び濃度につき、これらの凸結合を可視化することの有効性が示されている。図３から、従来のスクリーニングマモグラフィでは認識不能であり、ディバイディングマモグラフィでは認識困難であった極小の微細石灰化部が、単位量である有効原子番号及び濃度の凸結合分布において充分に有効に識別されることがわかる。
このように、サブトラクションディバイディングマモグラフィによれば、微細石灰化部の発生による乳房疾患を発生早期に認識できる。
本発明は次のようなステップで実行される。
１）マモグラフィシステムのプレート上の乳房の隣に、既知の濃度分布及び既知の密度分布及び既知の有効原子番号分布を有する比較パターンを配置する。
２）低いアノード電圧と高いアノード電圧とで２つのマモグラムを撮影する。
３）上掲の式４の係数を比較パターンに基づいて計算する。
４）乳房における有効原子番号及び濃度及びこれらの凸結合の分布を、計算された係数に基づいて視覚表示する。
１）マモグラフィシステムのプレート上の乳房の隣に、既知の濃度分布及び既知の密度分布及び既知の有効原子番号分布を有する比較パターンを配置する。
２）低いアノード電圧と高いアノード電圧とで２つのマモグラムを撮影する。
３）上掲の式４の係数を比較パターンに基づいて計算する。
４）乳房における有効原子番号及び濃度及びこれらの凸結合の分布を、計算された係数に基づいて視覚表示する。
図４には、デュアルエネルギサブトラクションディバイディングマモグラフィプロセスを実行するための動作原理が示されている。
１）マモグラフィシステムのプレート上の乳房の隣に、既知の濃度分布及び既知の密度分布及び既知の有効原子番号分布を有する比較パターンを配置する。
２）低いアノード電圧と高いアノード電圧とで２つのマモグラムを撮影する。これら２つのマモグラムを用いて、比較パターンに対して並びに低エネルギＬ及び高エネルギＨのもとでの乳房に対して、検出器で検出された光子量に対する出発光子量Ｎ０の比の分布を求める。
３）求められた分布に基づき、比較パターンに対して並びに乳房に対して、対数比及び対数差の分布を求める。
１）マモグラフィシステムのプレート上の乳房の隣に、既知の濃度分布及び既知の密度分布及び既知の有効原子番号分布を有する比較パターンを配置する。
２）低いアノード電圧と高いアノード電圧とで２つのマモグラムを撮影する。これら２つのマモグラムを用いて、比較パターンに対して並びに低エネルギＬ及び高エネルギＨのもとでの乳房に対して、検出器で検出された光子量に対する出発光子量Ｎ０の比の分布を求める。
３）求められた分布に基づき、比較パターンに対して並びに乳房に対して、対数比及び対数差の分布を求める。
５）求められた係数に基づいて、対数比β及び対数差αの分布を、有効原子番号及び濃度の分布へ変換する。
６）有効原子番号の正規化及び濃度の正規化を行う。
Ｚｎ＝（Ｚ−Ｚｍｉｎ）／（Ｚｍａｘ−Ｚｍｉｎ）
ρｎ＝（ρ−ρｍｉｎ）／（ρｍａｘ−ρｍｉｎ）
７）有効原子番号及び濃度の分布に基づいて、これらの凸結合を計算して可視化する。
λ＝ｋＺｎ＋（１−ｋ）ρｎ
文献データ
１）Antoniassi M., Conceic,a~o A.L.C.: Study of effective atomic number of breast tissues determined using the elastic to inelastic scattering ratio// Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2011. V.652. No1. P.739-743
２）Frank Carroll, M.D. et al.: Tomographic Imaging Using Monochromatic X-rays and Mosaic Crystals in the Geometry of Stationary Source, Object and Detector. Department of Radiology and Radiological Sciences, Vanderbilt University Medical Center, Nashville. TN37232-2675.
３）Johns, Paul C. et al.: Dual-Energy Mammography: Initial Experimental Results, Medical Physics, May/Jun.1985, pp297-304
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８）Verfahren zur Diagnose von Brustkrebs zur Ermittlung der Verteilung der effektiven Ordnungszahl bezogen, Patent RU2391909, 2008
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１０）ＵＳ２００９／０３０４２５３Ａ１
１１）ＷＯ０１／０４０７５４Ａ３
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３）Johns, Paul C. et al.: Dual-Energy Mammography: Initial Experimental Results, Medical Physics, May/Jun.1985, pp297-304
４）Lewin, J.M., Isaacs, P.K, Vance, V., Larke, F.J.: Dual-energy contrast-enhanced digital subtraction mammography: feasibility. Radiology, Vol.229. No.1, p261-268 (2003)
５）Lewin, J.M. et al: Clinical comparison of full-field digital mammography and screen-film mammography for detection of breast cancer, AJR Am J Roentgenol., 2002 Sep. 179(3), 671-7
６）Weigi. Hadjiiski L.M. et al.; Computer-aided detection systems for breast masses: comparison of performances on full-field digital mammograms and digitaized screen-film mammograms, Acad.Radiol., 2007 Jun. 14(6): 659-69
７）Dual energy x-ray imaging system and method for radiography and mammography, Patent US6683934A, 2004.
８）Verfahren zur Diagnose von Brustkrebs zur Ermittlung der Verteilung der effektiven Ordnungszahl bezogen, Patent RU2391909, 2008
９）ＵＳ６１７３０３４Ｂ１
１０）ＵＳ２００９／０３０４２５３Ａ１
１１）ＷＯ０１／０４０７５４Ａ３
Claims (2)
- ２つの異なる放射エネルギを用いたマモグラム形成によるデュアルエネルギマモグラフィ方法において、
乳房の隣に、既知の濃度分布及び既知の密度分布及び既知の有効原子番号分布を有する比較パターンを配置し、
異なるエネルギのもとで形成された比較パターンの複数のマモグラムに基づいて、原子番号と２つの異なる放射エネルギでの相互作用なしに前記乳房を通過した光子数の対数差との結合パラメータ、及び、原子番号と２つの異なる放射エネルギでの相互作用なしに前記乳房を通過した光子数の対数比との結合パラメータを求め、
前記結合パラメータに基づいて、前記乳房における原子番号分布を、式
ここで、Ｚは有効原子番号であり、ρは有効濃度であり、α，βは対数差α及び対数比βであり、Ｎ０は出発光子数であり、Ｎは検出された光子数であり、Ｌ，Ｈは低エネルギ及び高エネルギを表すインデクスであり、
は線形係数である、
ことを特徴とするデュアルエネルギマモグラフィ方法。 - 前記有効原子番号及び前記有効濃度の分布に基づき、凸結合を、
λ＝ｋＺｎ＋（１−ｋ）ρｎ
にしたがって計算して視覚表示し、
ここで、ｋは０＜ｋ＜１の係数であり、Ｚｎは有効原子番号の正規化値であって
Ｚｎ＝（Ｚ−Ｚｍｉｎ）／（Ｚｍａｘ−Ｚｍｉｎ）
により求められ、ρｎは有効濃度の正規化値であって
ρｎ＝（ρ−ρｍｉｎ）／（ρｍａｘ−ρｍｉｎ）
により求められ、Ｚｍｉｎ，Ｚｍａｘ，ρｍｉｎ，ρｍａｘは乳房の有効原子番号及び乳房の有効濃度の最小値及び最大値を表す、
請求項１記載のデュアルエネルギマモグラフィ方法。
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