數(shù)字乳腺體層成像控制系統(tǒng)的研發(fā).pdf

1、乳腺癌是嚴(yán)重威脅女性健康的疾病之一，全世界每年新增乳腺癌患者數(shù)量高達(dá)120萬，每年有40萬人死于乳腺癌。并且乳腺癌患病人口還在以每年2％～3％的速度遞增。乳腺癌的發(fā)病率在全身惡性腫瘤中占7％～10％。近年來我國的乳腺癌患病率逐年增高，而且發(fā)病年齡有年輕化的趨勢。研究顯示，乳腺癌的預(yù)后效果主要與病變大小以及病理分期等密切相關(guān)。乳腺癌的病變越小，病理分期越早，其預(yù)后效果就越好。故此盡早診斷、及早治療是提高乳腺癌預(yù)后效果和降低乳腺癌病死率的重

2、要手段。
　　乳腺X射線攝影是檢出乳腺腫瘤的有效方法之一，也是目前公認(rèn)的乳腺癌首選檢查方式，對預(yù)防和治療乳腺癌有著重要的意義，特別是對早期乳腺癌的診斷更具優(yōu)勢。40多年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，乳腺X射線的發(fā)展經(jīng)歷了膠片乳腺攝影(Film Mammography，F(xiàn)M)、數(shù)字乳腺攝影(DigitalMammography，DM)、全數(shù)字化乳腺攝影（Full Field Digital Mammography，F(xiàn)FDM）

3、和數(shù)字乳腺體層成像(Digital Breast Tomosynthesis，DBT)幾個(gè)發(fā)展階段。
　　70年代法國人首創(chuàng)膠片X射線鉬靶乳腺攝影，這種傳統(tǒng)的X射線診查方法以較高的組織分辨率被稱作乳腺首選影像學(xué)檢查方法。然而，其不足之處在于對于靠近胸壁的病變，特別是致密型乳腺中的小病灶容易發(fā)生漏診，膠片成像的圖像對比度不夠高，加之膠片的噪聲等原因?qū)е氯橄侔┑脑缙谠\斷往往產(chǎn)生一定的漏診。
　　全數(shù)字化乳腺攝影是當(dāng)前普遍應(yīng)用的X

4、射線攝影技術(shù)。該技術(shù)克服了膠片屏幕式攝影對比度有限、探測率低、高噪音等缺點(diǎn)，將圖像質(zhì)量、對比度進(jìn)行了較大的提高。同時(shí)還縮短了檢查時(shí)間，降低了受檢者的重復(fù)檢查率，提高了檢查舒適度。FFDM的出現(xiàn)一定程度上提高了乳腺X攝影的成像質(zhì)量。
　　然而，不論是傳統(tǒng)的FM、DM還是FFDM都是依賴二維的投影圖像，二維的特性導(dǎo)致其對于致密型的乳腺和重疊乳腺組織的成像產(chǎn)生了一定的局限性。
　　1972年Grant首次提出數(shù)字合成X射線體層成像

5、(Digital Tomosynthesis，DTS)的概念，它在傳統(tǒng)體層攝影幾何原理的基礎(chǔ)上結(jié)合了現(xiàn)代數(shù)字圖像處理技術(shù)，通過對有限范圍內(nèi)幾個(gè)不同角度的投影數(shù)據(jù)的采集進(jìn)行回顧性的重建物體體層圖像。這種有限角度和有限范圍的圖像采集方式與需要完整采集360度范圍內(nèi)投影數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)斷層掃描(Computed Tomography，CT)相比，更適合對口腔、乳腺、關(guān)節(jié)等不方便或難以進(jìn)行360度全角度掃描的特殊部位進(jìn)行投影和斷層成像。在DTS成像

6、技術(shù)和平板探測器技術(shù)的基礎(chǔ)上，數(shù)字乳腺三維體層成像技術(shù)誕生了。
　　DBT成像系統(tǒng)在采集圖像時(shí)首先對乳腺進(jìn)行壓迫，采集過程中探測器保持靜止，X射線球管圍繞乳腺旋轉(zhuǎn)一定角度，并在旋轉(zhuǎn)過程中出束，探測器同步采集投影數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)通過回顧性重建一系列高分辨率的與探測器平面平行的乳腺任意深度體層影像。DBT技術(shù)較好地彌補(bǔ)了致密型乳腺FFDM成像的不足，使得在傳統(tǒng)X射線攝影中被遮蓋的病灶得以顯示。DBT的出現(xiàn)有效提高了乳腺X射線圖像的清晰度，

7、特別是在組織邊緣輪廓和微小鈣化點(diǎn)的成像方面更具優(yōu)勢，因而大幅度的提高了乳腺癌的病灶檢出率。
　　目前，國內(nèi)乳腺X射線診斷主要還是依賴FFDM，為了盡早將DBT成像系統(tǒng)應(yīng)用到我國乳腺癌診斷，提高國內(nèi)乳腺癌早期診斷率，本文對DBT控制系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)。
　　首先，介紹了DBT控制系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)，包含該系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的具體功能及原理，系統(tǒng)總體框架;其次，從硬件設(shè)計(jì)方面詳細(xì)分析了DBT控制系統(tǒng)中涉及到的系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)、影像鏈控制設(shè)計(jì)、電

8、機(jī)控制設(shè)計(jì)、壓迫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、CAN總線通信設(shè)計(jì)等;再次，從軟件設(shè)計(jì)方面展開了DBT控制系統(tǒng)中開機(jī)初始化、圖像采集、壓迫控制等重要環(huán)節(jié)的控制流程和控制時(shí)序等。具體內(nèi)容如下:
　　硬件方面，本DBT控制系統(tǒng)主要由高壓發(fā)生器、X射線球管、平板探測器、C臂電機(jī)、TOMO臂電機(jī)、壓迫電機(jī)、推桿電機(jī)、濾線柵、準(zhǔn)直器等組成。為了便于開發(fā)和方便控制，本系統(tǒng)采取多控制板聯(lián)合控制并通過CAN總線實(shí)時(shí)通信的方式分5個(gè)部分進(jìn)行研發(fā)。
　　硬件設(shè)計(jì)

9、的第一部分為系統(tǒng)電源部分。為了保障控制系統(tǒng)其余部分的正常運(yùn)行，系統(tǒng)電源部分作為一個(gè)單獨(dú)的部分首先進(jìn)行開發(fā)。經(jīng)過對系統(tǒng)各部件的功率、電壓評(píng)估最終確定整機(jī)最大功率6500W，經(jīng)過對220V市電隔離、濾波、變壓、整流后提供220V交流輸出，24V直流輸出和12V直流輸出等分別供高壓發(fā)生器、探測器、電機(jī)、控制板等使用。第二部分為影像鏈控制部分。影像鏈主要由高壓發(fā)生器、X射線球管、平板探測器等構(gòu)成，由影像鏈控制板進(jìn)行統(tǒng)一控制，主要實(shí)現(xiàn)高壓發(fā)生器、

10、探測器和曝光等控制功能。影像鏈控制板以及本系統(tǒng)其余控制板的主控芯片都選取片上資源豐富、性能優(yōu)良的ARM芯片。為了保證控制的穩(wěn)定和控制單元與受控單元的良好隔離，ARM芯片的對外控制信號(hào)皆通過工作頻率約3kHz的高速光電耦合隔離器隔離后進(jìn)行輸出。第三部分為電機(jī)及其控制部分。該部分由C臂電機(jī)、TOMO臂電機(jī)以及限位開關(guān)、光電傳感器、光柵盤等構(gòu)成，并由電機(jī)控制板統(tǒng)一控制。限位開關(guān)、光電傳感器和光柵盤等用于精確定位電機(jī)旋轉(zhuǎn)位置。電機(jī)控制板根據(jù)影像

11、鏈控制板下達(dá)的圖像采集命令控制C臂電機(jī)和TOMO臂電機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而配合影像鏈控制板一起實(shí)現(xiàn)對投影數(shù)據(jù)的采集。第四部分為壓迫設(shè)備及其控制部分。該部分由壓迫電機(jī)、壓力傳感器、位移傳感器、觸摸屏等組成，并由壓迫控制板統(tǒng)一控制。這一部分實(shí)現(xiàn)的功能是對乳腺進(jìn)行壓迫并實(shí)時(shí)對壓迫力度、壓迫厚度等信息進(jìn)行采集和反饋。第五部分為控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network，CAN)總線控制部分。這一部分由嵌入到各控制板中的CAN總線模

12、塊和CAN總線計(jì)算機(jī)連接器及其線纜等組成。它為系統(tǒng)中涉及到CAN總線通信的控制板、電機(jī)、計(jì)算機(jī)、準(zhǔn)直器等每個(gè)部件都提供了唯一的CAN總線ID，保證了整個(gè)DBT控制系統(tǒng)信息交互的穩(wěn)定和可靠。
　　軟件方面，本文主要針對決定成像質(zhì)量的關(guān)鍵部分進(jìn)行了闡述。本控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)普通曝光模式下的單張圖像采集和自動(dòng)曝光(Automatic ExposureControl，AEC)下的TOMO投影數(shù)據(jù)采集。針對這兩種曝光模式的圖像采集以及開機(jī)初始

13、化、壓迫控制，本文共分四個(gè)部分進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)論述。
　　軟件設(shè)計(jì)的第一部分為開機(jī)初始化設(shè)計(jì)。這一部分主要實(shí)現(xiàn)的是在系統(tǒng)上電后對高壓發(fā)生器、探測器、電機(jī)等進(jìn)行初始化，并將初始化過程和系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)時(shí)更新到人機(jī)交互界面。第二部分為普通曝光模式下的單張圖像采集軟件設(shè)計(jì)。這一部分主要實(shí)現(xiàn)在普通曝光模式下單張圖像采集的軟件控制。第三部分為AEC曝光模式下的TOMO投影數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)。這一部分主要實(shí)現(xiàn)在智能AEC曝光模式下的有限角度投影數(shù)據(jù)采集的