单掩模X射线相衬成像技术助力微钙化分类及乳腺癌早期检测

2026-05-07 11:18:53 unistar

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乳腺癌是全球女性发病率最高的恶性肿瘤，也是导致女性癌症死亡的主要原因之一。据报道，2020年发生了超过230万例新病例和685,000例乳腺癌死亡，其发病率呈现逐渐上升的趋势。依据当前趋势预测，仅从人口增长和老龄化的角度来考虑，预计到2040年将增长到每年超过300万例新病例和100万例死亡¹。

乳腺癌早期检测的必要性

目前，X射线吸收成像技术仍是乳腺癌检测的主要筛查工具，但对于致密乳腺等吸收弱的软组织或轻元素样本来说，通常会导致较低的成像对比度。

因此，针对乳腺癌早期病灶（如微钙化、隐匿性结节和结构扭曲等）的精细结构特征，传统X射线吸收成像技术仅根据形态特征难以可靠地区分良性和恶性乳腺癌，可能会导致漏检或者误诊。

例如，如图1所示，被诊断为浸润性导管癌的患者于1985年、1987年和1988年进行了乳腺癌筛查，在1985年早期筛查中并未明显观察到病灶区域，直到1987年结构扭曲的病灶区域（箭头区域）才逐渐显现，从而导致早期乳腺癌漏诊²。

图1 X射线吸收成像漏诊病灶示例

数据显示，早期乳腺癌5年生存率可达83.2%，晚期乳腺癌5年生存率仅20%，这说明乳腺癌早期检测及其准确性至关重要，这就要求临床亟需开发新颖的高灵敏筛查手段以突破诊断瓶颈³。

早期乳腺癌的指示性特征：微钙化

乳腺微钙化是指乳腺组织内出现的细小钙盐沉积（通常直径<0.5 mm），在X射线成像中表现为细小白色颗粒或斑点。大多数情况下微钙化是良性表现，但部分特定形态和分布的微钙化可能与早期乳腺癌相关，需结合影像学特征和临床评估综合判断。

例如，乳腺导管原位癌（Ductal Carcinoma In Situ，DCIS）是早期乳腺癌的重要影像学特征，约90%的DCIS在X射线成像上表现为微钙化。因此，具有明显特征的微钙化可以指示早期乳腺癌是否存在。

通常，乳腺微钙化主要分为两种类型：

I型微钙化：由二水草酸钙 (CaC2O4·2H2O) 组成，其为单晶结构，与乳腺癌良性病变相关，常见于乳腺良性囊肿；

II型微钙化：由羟基磷灰石钙 (Ca5(PO4)3(OH)) 组成，其为非晶体结构，与恶性病变密切相关，也可见于部分良性病变，在乳腺癌中检出率高达66%-85%，是乳腺癌的重要影像学标志。

然而，传统的乳腺X光片通常只能"看长相"（形态学特征），在X光图像中由于高X光吸收的钙化组织形成的成千上万的亮点，医生往往难以判断谁是"良民"、谁是"恶棍"，导致不少患者不得不通过侵入性活检来确认。

乳腺癌检测新方法：

单掩模相衬成像技术+先进X射线直接探测器

为了克服传统X射线吸收成像在乳腺癌早期检测中成像对比度不足的局限性，一些研究人员发现X射线相衬成像技术在改善乳腺微钙化检测和表征准确性方面具有较大前景。X射线相衬成像将物体引起的相位变化转为为探测器的强度变化，且相位变化具有更高的灵敏度，可以将吸收较弱特征结构的可检测性提高几个数量级。

清华大学王振天教授在13年前发表的文章《Non-invasive classification of microcalcifications with phase-contrast X-ray mammography》中，基于三光栅的X射线相衬成像来反映I型和II型微钙化之间的成像差异，通过一次扫描实现了两种微钙化的区分，且准确率高达100%。

然而，基于三光栅的X射线相衬成像方法仍存在一定的局限性，比如相位步进扫描导致检测时间更长，多光栅吸收损耗导致剂量需求更高且增加了系统的复杂性。

来自美国休斯顿大学的MINI DAS等人发表的这篇名为《Classifying breast cancer and microcalcifications with multi-contrast single-mask phase contrast imaging》的文章中，便提出了一种新颖的微钙化分类以及乳腺癌早期的成像方法，通过利用单掩模相衬成像技术与两种先进的高灵敏度、高分辨率X射线直接探测器（基于Medipix3的WidePIX和BrillianSe探测器）结合来实现10-50 keV能量范围内不同能量窗口下的吸收、超小角散射或暗场等多对比度成像，用于改善乳腺微钙化分类及乳腺癌的早期检测准确性。

图2单掩模相衬成像装置示意图

文章中使用的单掩模相衬成像装置如图2所示，由依次排列的X 射线源、X射线掩模、样品和探测器组成。其中，X 射线源采用多色微焦点X射线管 (Hamamatsu L8121-03)，管电位保持在55 keV，电流保持在165 µA，焦点尺寸为7 µm，并采用了两种不同的X射线直接探测器：基于Medipix3RX的混合光子计数X射线探测器-WidePIX（具有光谱分辨能力）和基于非晶硒和CMOS技术的高分辨积分式BrillianSe探测器（8 µm×8 µm像素尺寸）（如图3所示，均为众星联恒代理产品），参数规格如表1所示。

图3（a）WidePIX探测器（众星联恒合作伙伴捷克Advacam公司）（b）BrillianSe探测器（众星联恒合作伙伴加拿大KA Imaging公司）

表1 WidePIX和BrillianSe探测器主要技术规格比较

（DQE：探测量子效率）

这种简单而有效的方法能够从单次曝光中同时提取散射和衰减信息，而无需多次采集或复杂的计算方法即可实现多对比度成像，同时结构更简单。

多对比度光谱成像方法

实现乳腺微钙化准确分类

为了验证单掩模相衬成像技术与多对比度成像方法对I型和II型乳腺微钙化的准确分类，利用上述装置对草酸钙和羟基磷灰石两种材料进行分辨测试。在文章中，利用基于Medipix3RX的混合光子计数X射线探测器-WidePIX的光谱功能（通过多阈值来实现多能量窗口成像）来获取能量分辨数据，并且单次曝光的同时获得了散射和衰减的多对比度图像。

图4 草酸钙和羟基磷灰石样品散射信号（左图）和

衰减信号（右图）的光谱图像比较

（10-50 keV的八个能量区间，间隔为5 keV）

如图4所示，衰减图像（右图）显示草酸钙和羟基磷灰石在10-50 keV能量范围内的差异极小，这表明传统X射线吸收成像可能难以有效区分两种微钙化。

相比之下，散射图像（左图）在能量高于25 keV时，草酸钙显示出比羟基磷灰石更为明显的散射信号，且随着能量增加，两种材料的散射对比度差异更加明显，因此可以实现两种材料的有效区分。

这些结果都是利用WidePIX探测器的光谱功能在单掩模相衬成像装置中获得的，从探测器中获得的散射和衰减的多对比度图像中能够有效区分I型和II型乳腺微钙化的主要成分，这为乳腺微钙化的无创分类提供了一条准确的检测方法。

高空间分辨能力揭示

早期乳腺癌病灶的精细特征

Widepix探测器的光谱功能可以有效区分乳腺微钙化种类，但由于其像素尺寸较大（55 µm×55 µm），可能无法有效分辨出乳腺组织中病灶的精细结构特征。因此，作者采用高空间分辨率（8 µm×8 µm像素尺寸）的基于非晶硒和CMOS技术的积分式BrillianSe探测器来可视化乳腺组织微观结构和纹理差异，并与Widepix探测器的空间分辨能力进行对比。

如图5所示为正常乳腺组织与导管原位癌（DCIS）乳腺组织的测试样本。

图5（a）正常乳腺组织76×32×8 mm

（b）导管原位癌（DCIS）乳腺组织41×25×6 mm

图6（a）WidePIX探测器（b）BrillianSe探测器获得的正常乳腺组织与导管原位癌DCIS乳腺组织图像

WidePIX探测器和BrillianSe探测器成像结果分别如图6a和图6b所示，从图像中可以看出，WidePIX探测器可以有效捕获正常组织和DCIS组织之间的光谱差异，体现了在不同位置处厚度和密度间的对比度差异，比传统X射线探测器效果会更好，但空间细节信息仍然不够。

相反，利用BrillianSe探测器进行成像时，得益于其高空间分辨带来的相位信号增强，使得DCIS乳腺组织样本的扩散阶段图像中细微的结构与纹理信息非常明显，能够非常清晰地揭示早期乳腺癌病灶的精细特征和变化。因此，BrillianSe探测器提供的相衬增强对比度图像非常有利于识别与DCIS相关的早期乳腺癌形态学变化，可以提高早期乳腺癌诊断和表征的准确性。

未来展望：光谱分辨成像与高空间

分辨成像结合提升检测准确性

在本研究中，作者在单掩模相衬成像技术的基础上分别使用了两种新型的先进X射线直接探测器：具有光谱分辨能力的WidePIX探测器和高空间分辨的BrillianSe探测器。

WidePIX探测器是捷克Advacam公司开发的光子计数、像素化X射线探测器，在文章中，凭借其1 mm的CdTe传感器，具有很高的能量分辨率（每个能量通道约1-3 keV），通过多能量光子计数（多阈值设置）可以实现光谱成像，从而能够根据能量相关的衰减特性进行微钙化等材料的分类。

BrillianSe探测器是加拿大KA Imaging公司开发的使用非晶硒 (aSe) 作为传感器的直接转换X射线探测器，具有高空间分辨率（8 μm像素节距）与高探测量子效率（DQE），特别适合弱X射线吸收的低密度材料成像，其卓越的空间分辨率使其在相衬成像中可以提供乳腺组织的精细微观结构特征和变化。

未来，可以通过新颖的单掩模相衬成像方法将WidePIX探测器和BrillianSe探测器优势结合，Widepix探测器具有增强的光谱对比度和能量分辨能力，BrillianSe探测器具有卓越的空间分辨率和相位对比度能力，整合这两种技术将在临床环境中对微钙化的无创分类、非侵入性的早期乳腺癌检测的准确性发挥更大的作用。

参考链接

https://doi.org/10.1117/12.3049012

参考文献

1. Arnold, Melina, et al. "Current and future burden of breast cancer: Global statistics for 2020 and 2040." The breast 66 (2022): 15-23.

2. Bird, Richard E., Terry W. Wallace, and Bonnie C. Yankaskas. "Analysis of cancers missed at screening mammography." Radiology 184.3 (1992): 613-617.

3.中国抗癌协会乳腺癌专业委员会, 中华医学会肿瘤学分会乳腺肿瘤学组.中国抗癌协会乳腺癌诊治指南与规范(2024年版)[J].中国癌症杂志,2023,33(12):1092-1187.

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