Gitterinterferometrie könnte eine frühere Erkennung von Brustkrebs ermöglichen – Physics World

Es hat sich gezeigt, dass das Mammographie-Screening die Sterblichkeit durch Brustkrebs senkt. Aber Mammographien sind alles andere als perfekt: Eine Studie ergab, dass nur 46 % der erkannten Krebserkrankungen tatsächlich positiv waren, während 22 % der echten Krebsfälle übersehen wurden. Das Problem entsteht, weil das Weichgewebe in der Brust nur einen begrenzten Röntgenkontrast bietet und die in der Mammographie verwendete zweidimensionale Projektion die komplexe Struktur der Brust nicht klar darstellen kann.

Eine spezielle Brust-Computertomographie (CT) liefert volumetrische Daten und beseitigt so Probleme, die durch Gewebeüberlappung und Brustkompression entstehen. Es löst jedoch nicht die grundlegende Kontrastgrenze der abschwächungsbasierten Röntgenbildgebung. Um diese Grenze zu überwinden, haben sich Forscher der Phasenkontrast-Röntgenbildgebung zugewandt, einer Technik, die Brechungs- und Interferenzeffekte ausnutzt, um Bilder mit deutlich höherem Kontrast und höherer Auflösung zu erzeugen. Solche Verbesserungen könnten dazu beitragen, Tumore in einem früheren Stadium zu erkennen und die Überlebenschancen zu verbessern.

Bisher war die Phasenkontrast-Röntgenbildgebung durch den Bedarf an hochkohärenten Röntgenquellen wie Synchrotrons eingeschränkt. Ein weiterer Ansatz ist die auf Gitterinterferometrie basierende Phasenkontrast-CT (GI-CT), die mit herkömmlichen Röntgenröhren funktioniert, aber hohe Röntgendosen erfordert. Nun hat ein Forschungsteam unter der Leitung des Paul Scherrer Instituts (PSI) und ETH Zürich hat eine GI-CT-Technik entwickelt, die für die Brustbildgebung unter nahezu klinischen Bedingungen dosiseffizienter ist als die herkömmliche CT.

Gitterinterferometrie (was war erstmals am PSI demonstriert) funktioniert durch die Platzierung einer Reihe von Beugungsgittern mit einem Linienabstand von einigen Mikrometern zwischen der Röntgenquelle und dem Detektor. Die Gitter führen ein Interferenzmuster in den Röntgenstrahl ein, das dann verzerrt wird, wenn der Strahl die Probe durchquert. Durch die Brechung an großräumigen Strukturen verschiebt sich das Muster seitlich (der Phasenkontrast), während die Brechung an kleinen, nicht auflösbaren Strukturen das Muster verwischt (das Dunkelfeldsignal). Die Analyse des verzerrten Musters liefert daher drei mögliche Bilder: basierend auf Dämpfung, Phasenkontrast und dem Dunkelfeldsignal.

Leistungsbewertung

Marco Stampanoni, Professor für Röntgenbildgebung an der ETH Zürich und Leiter der Forschungsgruppe am PSI, und Kollegen konstruierten ein GI-CT-System basierend auf einer Wolframanoden-Röntgenquelle (betrieben mit einer typischen Brust-CT-Energie von 70 kVp), ein Photonenzähldetektor mit einer aktiven Fläche von 195 x 19.2 mm und ein Talbot-Lau-Interferometer basierend auf kommerziell erhältlichen Gittern mit einem Abstand von 4.2 µm.

Die Forscher verwendeten das in beschriebene Gerät Optica, um eine menschliche Brustprobe abzubilden, mit einer durchschnittlich abgegebenen Dosis zwischen 5.5 und 219 mGy. Sie rekonstruierten Bilder unter Verwendung von Schwächung und Phasenkontrast und stellten fest, dass die visuelle Qualität beider Kontraste mit der verabreichten Dosis zunahm. Bei der niedrigsten Dosis erschien das Phasenkontrastbild schlechter als das Schwächungskontrastbild; Bei der höheren Dosis erschien das PC-Bild jedoch besser.

Um die Morphologie der Brust effektiv aufzulösen, ist ein Kontrast-Rausch-Verhältnis (CNR) von fünf zwischen Fett- und Drüsengewebe erforderlich. Um das CNR auf diesen Wert zu senken, filterten die Forscher die rekonstruierten Volumina mit einem Gaußschen Kernel. Für jedes Bild bestimmten sie die Größe des Kernels (eine untere Grenze der Auflösung), die erforderlich ist, um dieses CNR zu erreichen, sowie die erforderliche Dosis bei dieser Auflösung.

Sie fanden heraus, dass der Dosisbedarf bei abschwächungsbasierten Bildern schneller anstieg als bei phasenbasierten Bildern. Bei einer Auflösung von 214 µm oder mehr waren Phasenkontrastbilder schärfer als Bilder, die ausschließlich aus der Schwächung bei derselben Dosis stammten.

Die Forscher verglichen auch die GI-CT mit der herkömmlichen abschwächungsbasierten CT. Auch wenn die GI-CT nur die Hälfte des Photonenflusses nutzt, lieferte die Fusion der Abschwächungs- und Phasenkontrastsignale genügend Informationen, um diesen Verlust auszugleichen. „Wir haben gezeigt, dass wir durch die Brechung mehr Informationen erhalten, als wir verlieren, weil die Hälfte der Photonen vom Analysegitter absorbiert wird“, erklärt der Hauptautor Michał Rawlik.

Mit einer räumlichen Auflösung von besser als 263 µm und einer absorbierten Dosis von 16 mGy (beide innerhalb des klinischen Bereichs) übertraf die GI-CT die konventionelle CT. Bei schärferen Körnern zeigte die GI-CT einen zunehmenden Nutzen, da beispielsweise nur 53 % der Dosis bei 150 µm erforderlich waren. Ziel des Teams ist es, die Dosis im Vergleich zu herkömmlichem Röntgen bei gleichbleibender Auflösung um den Faktor zwei bis drei zu reduzieren. Da die Empfindlichkeit der GI-CT durch die Gitterherstellung eingeschränkt wird, sollten Verbesserungen in der Herstellungstechnologie die GI-CT näher an diese Grenze bringen und, bei kleineren Gitterabständen, möglicherweise darüber hinaus.

Phasenkontrastbildgebung könnte die Diagnose von Brustkrebs verbessern

Da diese Studie eine Brustgewebeprobe ohne Tumor oder Mikroverkalkungen untersuchte, bezogen die Forscher das Dunkelfeldsignal nicht in ihre Analysen ein. Zukünftige Studien an pathologischen Proben werden es ihnen ermöglichen, den Nutzen des Dunkelfeldsignals für die Brust-CT zu untersuchen. Sie planen außerdem, den Einfluss der Brustdichte zu untersuchen und zu untersuchen, wie das erhöhte CNR mit der diagnostischen Genauigkeit korreliert.

Die Forscher weisen darauf hin, dass die GI-CT mit herkömmlichen CT-Scannern kompatibel ist, wodurch sie für den breiten Einsatz in Krankenhäusern geeignet und sofort auf spezielle Brust-CT-Systeme anwendbar ist. Sie haben nun zwei klinische GI-basierte Untersuchungsgeräte entwickelt, darunter ein 2D-Mammographiesystem, das mit einem Gitterinterferometer nachgerüstet wurde und im Universitätsspital Zürich installiert ist. Dieses Gerät hat die Swissmedic-Zulassung erhalten, der Start einer klinischen Studie ist für dieses Jahr geplant. Beim anderen handelt es sich um ein Phasenkontrast-Brust-CT-Gerät, das das Team derzeit im Labor der ETH Zürich in Betrieb nimmt. Die Gerätezulassung ist für Ende 2024 geplant.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/grating-interferometry-could-enable-earlier-detection-of-breast-cancer/