醫學成像技術升級！輻射劑量問題或將解決

2020-05-30 09:03:25來源：儀表網關鍵詞：醫學成像技術智慧醫療閱讀量：23915

導讀：像素探測器是以硅為探測材料的粒子徑跡探測器，是半導體探測器的一種。像素探測器的特色是其優異的空間分辨率和迅速的時間響應能力。在歐洲核子中LHC中的ATLAS探測器中，靠近束流的子探測器就是像素探測器。

　　X光透射成像/CT作為非侵入式的診斷方式，是目前醫學領域重要的臨床檢測手段。但由于電離效應X射線對于蛋白質、細胞等會造成相當程度的輻射損傷，據放射學會研究報告，每年X射線的醫學診斷就會導致相當數量的癌癥和白血病患者，因此如何降低診斷所需的劑量至關重要。而自1895年倫琴發現X射線以來，成像的方法并沒有根本上的改變，都是采用直接投影到面探測器，通過累計帶有物體信息的光子來展現出一定灰度分布的技術，因此這種方式的成像效率很低，不僅難以大幅度地降低成像所需劑量，而且分辨率受光源尺寸及探測設備分辨力的限制，成為制約傳統成像方法的兩大相互牽制的瓶頸問題。

　　劑量(dose)的概念與藥劑劑量有關，指患者一次服用的藥量。后來也泛指給患者注射的或以其他方式給以的藥量。但輻射不是一般意義上的“藥”，也很難用“給以”這個詞，而是要看“接受”或“吸收”的輻射能量。因而所謂“劑量”只是借用了這個詞，與原意差別很大。即便是在電離輻射領域對劑量一詞的解釋也有很多歧見。一方面很多科學家都認為這個詞不能算作是一個科學術語，因為他沒有確切定義；而另一方面有不得不大量地使用這個所謂不是術語的術語，因為沒有他就很難描述我們面對的課題。有鑒于此，下面不得不給劑量這個詞下一個或幾個不是定義的定義。

　　針對輻射劑量的瓶頸問題，2018年中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心光物理重點實驗室研究員吳令安和陳黎明合作，首次利用隨機調制光強度的簡單方法實現了臺面式X光“鬼”成像，這種間接的成像方式是基于光場的二階關聯，成像質量取決于探測信號的漲落而非強度的值。以此為基礎，團隊完成了單光子量級的超低劑量成像，成果發表在Optica 以后受到了廣泛關注，被Science 在深度欄目中報道。在Science的報道中，同領域的專家給予了高度評價：“如果應用于醫學成像領域，這將是一項革命性的進步”，與此同時也對該工作提出希望：“提高成像的分辨率與質量，以適應醫學成像的要求”。基于上述實際需求，物理所研究員吳令安與現上海交通大學教授陳黎明再次合作，開啟了解決成像分辨率瓶頸問題的探索。

　　像素探測器是以硅為探測材料的粒子徑跡探測器，是半導體探測器的一種。像素探測器的特色是其優異的空間分辨率和迅速的時間響應能力。在歐洲核子中LHC中的ATLAS探測器中，靠近束流的子探測器就是像素探測器。在一個2cm×6cm面積的模塊中，就有47,268個像素單元，粒子穿過任何一個像素都會被記錄下來。

　　近期研究團隊中的博士生何雨航和張艾昕(共同一作)，利用自主研制的Hadamard金掩模振幅調制板，首次實現了基于真正單像素探測器的非相干X光鬼成像。相比于隨機調制的方案，該方法利用了Hadamard矩陣的正交完備特性，因此即使在稀疏采樣下也能重構出較好的圖像。在此基礎上，通過引入壓縮感知以及卷積神經網絡對原有算法進行了升級，終利用37 μm源尺寸的X光源，在僅18.75%的采樣率下就得到了10 μm分辨率的成像結果，實現了突破源尺寸限制的超分辨成像，足以對癌變組織進行直接判斷，達到了臨床醫學精細成像的分辨率要求。在計算鬼成像的框架下，高性能的算法以及調制板的精細結構保證了超分辨下較好的圖像質量，而更低的采樣率意味著更短的曝光時間以及更低的劑量，因此有望利用該技術進一步降低劑量。整個實驗布局簡單，使用方便，單像素探測器的應用也可極大地降低成本。另一方面，應用該方法極大地降低了對放射源的空間相干性和強度的要求，可以大大推進X光鬼成像的實用化進程。

　　資料來源：百科、物理研究所

　　(原標題：醫學成像技術升級！輻射劑量問題或將解決)

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