基于碳纳米管射线源的静态数字乳腺成像系统优化设计

发布时间：2020-07-14 07:27

【摘要】：乳腺癌是威胁着全世界女性健康的一大疾病,有效的乳腺成像方法能有效地辅助医生对乳腺疾病进行早期诊断,所以对乳腺成像方法的研究一直是医学健康领域的研究热点。静态数字乳腺层析成像(Static Digital Breast Tomosynthesis,s-DBT)是一种在数字乳腺层析成像(Digital Breast Tomosynthesis,DBT)基础上通过对X射线源进行改进以实现静态成像的新的乳腺成像方法。本文以提高s-DBT系统成像质量为目的,在s-DBT系统1.0基础上,通过对碳纳米管X射线源电子枪结构与电参数进行优化,对控制系统进行完善来提高系统成像空间分辨率与对比度。首先,根据s-DBT系统的成像原理分析系统成像质量的影响因素,确定针对碳纳米管电子枪的电子通过率与产生的阳极焦斑大小进行电子枪结构与电参数优化,并对优化后的电子枪进行控制系统完善。其次,根据碳纳米管X射线源特性与电子场发射理论,提出通过利用增加辅助电极(聚焦极)的方法优化电子枪结构,改变电场分布从而使碳纳米管场发射电子束聚焦,增大电子通过率、减小阳极焦斑大小,最终达到提高X射线强度、提高成像质量的目的;利用Xenos三维电磁场仿真分析模块建立碳纳米管电子枪三维模型,基于电子枪模型进行电磁场分析,分析阴-栅间距、栅极厚度、聚焦极电压等参数对场发射电流与电子束轨迹的影响,将焦斑收缩率仿真分析值缩小至原电子枪的1/6,得到了60%以上的电子通过率仿真分析值,为优化X线光管的电子枪结构与电参数提供依据。然后,根据电子枪聚焦极电压的性质与范围,结合s-DBT系统的实时控制要求,利用CompactRIO嵌入式控制器与LabVIEW开发平台对聚焦极控制系统进行设计,包括系统的软、硬件及交互界面设计。设计完成后对其监控的准确性与实时性进行了验证,实验表明其对高压电源的电压控制的相对误差小于0.5%。最后,对优化后的系统进行管电流测试,并进行系统成像实验。实验结果表明电子枪优化后最大电子通过率由低于20%提升至50%以上。实验过程中,利用不同的模体对成像质量分别进行了定量与定性测试,得到了空间分辨率为0.133mm的乳腺模体图像。对优化前后成像质量进行了对比,结果表明系统优化后成像空间分辨率与对比度均得到提高,在一定程度上实现了成像质量的优化。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH77;O613.71;TB383.1
【图文】：

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一种高密度腺体组织，对射线极为敏感，当受检者接受的辐射高的二次伤害风险[7]。腺层析成像（DigitalBreastTomosynthesis，DBT）是一种基于数新型乳腺三维成像技术，其利用小角度的 X 线束从不同角度照角度的断层影像信息，通过计算机处理得到分辨率较高的断层图描时单个 X 射线源围绕受照体在一定角度范围内旋转，由探测的投影数据。DBT 成像扫描示意图如图 1-1 所示，其中乳腺模组织结构与组成相似的用于实验研究的体模，DBT扫描时利用与压迫板将乳腺挤压均匀至与探测器平行的平面。与 DM 相比，叠影像的干扰，更好地利用组织结构的三维几何特性，得到更加误诊与漏诊现象，降低患者的召回率，减小因多次复查和照射量风险。与 CT 相比，DBT 属于小角度范围成像（一般为 30°~5度扫描相比，DBT 成像所需曝光时间短，受检者所承受的射线低[8]，其在乳腺癌检测方面具有很大的研究价值与潜力。

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图 1-2 s-DBT 成像扫描示意图BT 的不同在于其 X 射线源及扫描方式。现有的 DBT、X 线摄影技术采用的发射源均为传统的热电子发射 X 射线源，而 s-DBT管场发射 X 射线源。与热电子发射 X 射线源相比，碳纳米管场有结构紧凑、高时间分辨率、可编程式发射等优势[5]。热电子发过加热特定金属材料，使其中的电子通过获得外界能量来克服出而产生电子束，存在工作温度高、功耗大等缺点[11]。场发射则来降低材料表面势垒的高度并减小其宽度，使得电子逸出。理论密度可以远大于热发射等其他发射形式所产生的电流密度[12]。管 X 射线源阵列成像的 s-DBT 系统与使用单个传统热电子发射T 系统相比，具有以下优势：紧凑、易小型化。热电子射线源因热阴极体积较大、工作温度高、小型化与阵列扫描；而碳纳米管 X 射线源的工作温度低、相应易于实现小型化与集成化；

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Otto zhou 团队在 Hologic Selenia DBT 系统的基础上，将传统发射射线源用碳纳米管 X 射线源替代，首次实现了静态数字乳腺层析成1-4 为 Otto zhou 团队研发的 s-DBT 系统与 Hologic Selenia DBT 系统。由 Otto zhou 团队组装的第二台静态数字乳腺机在北卡罗来纳大学附属，2013 年 12 月，对第一例病人进行了乳腺扫描图像采集。s-DBT 系统了因射线源旋转造成的伪影、减少了扫描时间[20]。

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