数字乳腺X线摄影中抗散射栅格的优化：基于蒙特卡洛模拟的比较研究

《Radiation Measurements》：Optimization of Anti-Scatter Grids for Digital Mammography: A Comparative Study Using Monte Carlo Simulations

抗散射栅格优化设计通过蒙特卡洛模拟评估铜、金、铅三种材料在数字乳腺摄影中的性能，重点改善信号噪声比提升因子（SIF=1.09）和散射比（SPR=0.06），铜栅格在35线/cm、3:1网格比下综合表现最佳，同时提升对比噪声比（CNR≈23.29）。

　　本研究聚焦于数字乳腺摄影（Digital Mammography, DM）系统中反散射网格的设计优化问题，旨在通过提升信号与噪声比改善因子（Signal-to-Noise Ratio Improvement Factor, SIF）和降低散射与主射比（Scatter-to-Primary Ratio, SPR），寻找最有效的网格设计方案。乳腺癌是全球女性中最常见的癌症之一，早期发现和治疗对于提高生存率至关重要。作为乳腺癌筛查的黄金标准，乳腺摄影因其在早期病变检测中的高灵敏度以及在临床中的广泛应用而占据重要地位。然而，这一技术也存在一些显著的局限性，其中散射辐射的干扰是一个关键问题。散射辐射不仅会降低图像对比度，还可能增加患者的辐射剂量，从而影响诊断的准确性。

为了应对这一挑战，反散射网格被广泛应用于乳腺摄影系统中，其设计对散射辐射的抑制和主射光子的传输具有重要影响。反散射网格通常分为线性网格和蜂窝网格两种类型，而根据X射线束的对齐方式，还可分为聚焦网格和平行网格。聚焦网格的结构设计使得其在倾斜角度下能更有效地传输主射光子，而平行网格则在主射光子的垂直方向上具有更高的传输效率。此外，反散射网格的参数设置，如网格比（Grid Ratio, GR）、条纹频率（Strip Frequency）以及隔板厚度（Septal Thickness）等，对图像质量、辐射剂量和散射控制都起着决定性作用。

在本研究中，采用Geant4这一基于C++的蒙特卡洛工具包，对乳腺摄影系统和乳腺模型进行了仿真。Geant4因其在粒子输运物理、复杂相互作用建模以及可视化工具方面的强大功能，尤其适用于低能粒子在乳腺摄影中的模拟。通过模拟，我们构建了450种不同的蜂窝反散射网格配置，涵盖了铜、金和铅三种材料，并对这些配置的网格比、条纹频率等参数进行了系统分析。研究重点在于评估这些参数对散射与主射比（SPR）、信号与噪声比改善因子（SIF）以及主射和散射光子的传输率（T_p 和 T_s）的影响。

在模拟过程中，我们还生成了合成乳腺摄影图像，并基于这些图像计算了对比度与噪声比（Contrast-to-Noise Ratio, CNR）。CNR作为衡量图像质量的一个重要指标，其定义为局部信号与背景均值的差异与背景噪声的比值。通过这一指标，我们能够评估不同网格设计对图像中病变可见性的提升效果。研究表明，铜网格在较低的网格比和条纹频率下表现出更高的SIF和主射传输率（T_p），这表明其在减少散射辐射的同时，仍能保持良好的图像质量。然而，金网格在CNR方面表现最佳，其值约为23.29，表明在某些情况下，金材料可能更适合提高图像对比度。

尽管铅网格在整体的散射和主射传输指标上略优于金网格，但其在CNR方面的表现并不突出。这说明，不同材料的反散射网格在散射控制和图像质量之间存在不同的权衡关系。例如，铜网格虽然在某些参数设置下表现优于金和铅，但其在CNR方面的表现并不如金网格。因此，研究结果表明，优化反散射网格的设计需要在多个参数之间进行权衡，以实现最佳的图像质量和辐射剂量控制。

此外，研究还指出，目前大多数乳腺摄影系统采用的网格比为5:1或6:1，条纹频率约为30 lines/cm。这些网格配置能够将SPR降低至0.1–0.2之间，从而显著减少散射对图像质量的影响。然而，这一做法会导致主射光子的传输率下降，即主射传输率（T_p）约为0.6–0.8，这表明使用反散射网格会增加患者接受的辐射剂量。因此，优化网格设计不仅需要考虑散射控制的效果，还需要关注如何在不显著增加患者辐射剂量的前提下，提升图像质量。

本研究在方法上具有显著的创新性，因为它系统地分析了三种材料（铜、金和铅）在不同网格参数下的表现，涵盖了450种不同的配置，这远超以往的研究规模。以往的许多研究主要集中在少数几种特定材料和设计上，而本研究则通过更广泛的参数分析，揭示了材料选择与设计之间的相互作用关系，以及这些关系如何共同影响散射控制和图像质量。通过这一系统性的分析，我们能够更全面地理解不同网格设计的优缺点，并为未来的临床应用提供更科学的依据。

在实际应用中，反散射网格的设计对乳腺摄影系统的性能具有决定性影响。例如，某些研究表明，蜂窝网格在图像质量方面优于线性网格，但其可能带来更高的“Bucky因子”，即在使用网格时，为了维持相同的图像质量，所需增加的辐射剂量。因此，这一因素在实际应用中需要引起重视，特别是在考虑患者辐射剂量和图像质量之间的平衡时。然而，为了达到有效的噪声等效量子（Effective Noise Equivalent Quanta, eNEQ），线性网格系统通常需要更高的平均腺体剂量（Mean Glandular Dose, MGD），这可能会增加患者的辐射暴露风险。

因此，本研究不仅关注了反散射网格在散射控制方面的性能，还特别关注了其对图像质量的提升效果。通过综合分析信号与噪声比改善因子（SIF）和对比度与噪声比（CNR）等指标，我们能够更全面地评估不同网格设计的优劣。例如，铜网格在较低的网格比和条纹频率下表现出更高的SIF和主射传输率（T_p），这表明其在减少散射辐射的同时，仍能保持良好的图像质量。然而，金网格在CNR方面表现最佳，这表明其在某些情况下可能更适合提高图像对比度。

此外，研究还强调了在乳腺摄影系统中使用反散射网格的重要性。由于散射辐射对图像质量的显著影响，使用反散射网格是提高诊断准确性的关键手段之一。通过优化网格设计，可以有效减少散射辐射的干扰，同时维持主射光子的传输效率，从而在不增加患者辐射剂量的前提下，提高图像质量。这不仅有助于提高乳腺癌的早期诊断率，还能降低患者的辐射暴露风险，提高乳腺摄影的安全性。

综上所述，本研究通过系统性的仿真和分析，揭示了不同材料和参数设置下的反散射网格设计对散射控制和图像质量的影响。铜、金和铅三种材料在不同的网格参数下表现出不同的性能特征，这为未来的临床应用提供了重要的参考。通过这一研究，我们能够更好地理解如何在实际应用中优化反散射网格的设计，以实现最佳的图像质量和患者辐射剂量控制。这一成果不仅对乳腺摄影技术的发展具有重要意义，也为其他医学影像技术提供了有益的借鉴。