Spektri- ja vaihekontrasti-CT yhdistävät vahvuudet ja tehostavat röntgenkuvausta – Physics World

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/spectral-and-phase-contrast-ct-combine-strengths-to-enhance-x-ray-imaging-physics-world.jpg" data-caption="Spektrifaasikontrastitomografia Kontrastiperfusoidun hiirinäytteen kolmiulotteinen renderöinti käyttämällä kolmea hajoamiskanavaa: vettä (pehmytkudokset, sininen), jodia (verisuoniston, punainen) ja kalsiumia (luut, valkoinen). (Kohtelias: CC BY 4.0/Phys. Med. Biol. 10.1088/1361-6560/ad3328)” title=”Click to open image in popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/spectral-and-phase-contrast-ct-combine-strengths-to-enhance-x-ray-imaging-physics-world.jpg”>

Fotonienlaskentailmaisimien käyttöönotto TT-skannereissa tasoitti tietä spektri-CT:n nousulle kliinisissä olosuhteissa. Tällaiset järjestelmät käyttävät kahta tai useampaa röntgenenergiaa materiaalikohtaisten 3D-karttojen luomiseen. Mutta koska spektraalinen CT perustuu röntgensäteen vaimenemiseen, sen kontrasti on alhainen kuvattaessa heikosti absorboivia materiaaleja, kuten biologisia kudoksia. Sellaisenaan korkean Z-kontrastiaineita käytetään usein korostamaan kiinnostavia rakenteita.

Samanaikaisesti röntgenfaasikontrastikuvantaminen on yleistymässä ja saamassa huomiota sekä prekliinisissä että kliinisissä sovelluksissa. Vaihekontrastitekniikat, joista monet voivat tuottaa sekä vaimennus- että vaihesiirtokarttoja, tarjoavat paremman näkyvyyden matala-Z-materiaaleille, kuten pehmytkudoksille.

"Spektraalinen CT on osoittautunut tehokkaaksi useissa sovelluksissa materiaalin kvantifioinnista kuvan artefaktien vähentämiseen, kun taas vaihekontrastikuvaus tarjoaa erinomaisen visualisoinnin pehmeistä ja mikrorakenteisista kudoksista", sanoo Luca Brombal mistä Triesten yliopisto ja INFN. "Näiden perusteiden pohjalta pyrimme hyödyntämään molempien tekniikoiden yhteisiä vahvuuksia."

Brombal ja kollegat, myös kotoisin University College London, osoitti spektri- ja vaihekontrasti-CT:n ensimmäisen integroinnin käyttämällä tomografista reunavalaistusasetusta. Projekti, kuvattu kohdassa Fysiikka lääketieteessä ja biologiassa, sisälsi kuvantamisjärjestelmän kehittämisen, joka voi hankkia dataa, jolla on sekä spektri- että vaihekontrastiominaisuuksia, sekä materiaalin hajoamismallin toteuttaminen.

"Yhdistetyn spektrin vaihekontrastilähestymistavan etuja ovat mahdollisuus tuottaa samanaikaisesti kolme massatiheyskarttaa tietyistä näytteen alkuaineista tai yhdisteistä ja samalla parantaa signaali-kohinasuhdetta, erityisesti pehmytkudoskomponentin, johtuen vaiheherkkyys", Brombal selittää.

Materiaalin hajoaminen

Tiimi käytti reunavalaistuksen vaihekontrastiasetusta, jossa näytteen kummallekin puolelle sijoitetut maskit muotoilevat tulevan röntgensäteen ja estävät selektiivisesti ilmaisimen. Referenssivalaistuskäyrä luodaan ilman näytettä. Kun näyte on lisätty, tämä käyrä vaimenee ja siirtyy sivusuunnassa. Muutoksia käytetään sitten vaimennuskuvien hakemiseen ja näytteen aiheuttaman vaihesiirron laskemiseen.

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/spectral-and-phase-contrast-ct-combine-strengths-to-enhance-x-ray-imaging-physics-world-1.jpg" data-caption="Kokeellinen asennus Kokeen pääkomponentit Elettran synkrotronilaitoksen SYRMEP-keilalinjalla. (Kohtelias: CC BY 4.0/Phys. Med. Biol. 10.1088/1361-6560/ad3328)” title=”Click to open image in popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/spectral-and-phase-contrast-ct-combine-strengths-to-enhance-x-ray-imaging-physics-world-1.jpg”>

Tässä tutkimuksessa tutkijat käyttivät italialaisen synkrotronilaitoksen synkrotronisäteilyä ELETTRA. He huomauttavat kuitenkin, että tavanomaisia ​​röntgenputkia käyttävien laboratorioasetelmien kääntämisen pitäisi olla yksinkertaista. He skannasivat ensin testifantomia, joka käsitti muovikyvetit, jotka oli täytetty viidellä nesteellä: kalsiumkloridiliuos (370 ja 180 mg/ml); jodiliuos (50 ja 10 mg/ml, samanlaiset kuin jodipohjaisissa kontrasteissa käytetyt pitoisuudet); ja tislattua vettä.

Kuvausjärjestelmä perustuu fotoneja laskevaan ilmaisimeen, jossa on pienipikselinen (62 µm) kadmiumtelluridianturi, joka toimii kaksivärisessä tilassa sisääntulevien fotonien tallentamiseksi matala- ja korkeaenergiasiiloihin. Tutkijat hankkivat tomografisia kuvia haamusta, jotka tallensivat 360 projektiota yli 180°, valotusaika 1.2 s askelta kohti ja kokonaiskuvausaika 2.9 tuntia.

Rekonstruoituaan 3D-tilavuuksia vaimennus- ja vaiheprojektioista, ryhmä suoritti materiaalin hajotuksen käyttämällä kolmea algoritmia: spektrihajotus, käyttämällä matalan ja korkean energian vaimennusrekonstruktioita syötteinä; vaimennus/vaihehajotus, jota sovelletaan vaihe- ja vaimennusrekonstruktioihin, jotka on saatu summaamalla energiasiilot; ja spektri/faasihajotus, jossa käytetään matalan energian, korkean energian ja vaiheiden rekonstruktioita.

Spektri/vaihehajotusalgoritmi osoitti parhaan suorituskyvyn kolmesta, tunnistaen oikein kaikki materiaalit ilman signaalikontaminaatiota kanavien välillä ja huomattavasti vähemmän kohinaa kuin tavallinen spektrihajotus, johtuen tulovaihekanavan alhaisesta kohinasta. Tämä algoritmi laski arvot, jotka ovat lähinnä nimellismassatiheyttä, ja RMS-virheet olivat 1.1 %, 1.9 % ja 3.5 % vesi-, jodi- ja kalsiumkloridiliuoksille, vastaavasti.

Spektri/faasihajotelma paransi myös kuvien signaali-kohinasuhdetta yhdeksänkertaisesti vesikanavassa ja kertoimella 1.3 jodikuvissa verrattuna spektrihajoamiseen. Lisäksi vain spektri/faasihajotus mahdollisti kaikkien kolmen materiaalitiheyden samanaikaisen kvantifioinnin.

Biologinen esittely

Tutkijat kuvasivat tekniikan validoimiseksi biologisen näytteen avulla ex vivo laboratoriohiiri, joka on perfusoitu post mortem jodipohjaisella verisuonten varjoaineella. He saivat 720 projektiota yli 360°, joiden kokonaisaltistusaika oli 5.8 tuntia ja säteilyannos noin 2 Gy. He huomauttavat sen tulevaisuutta varten in vivo sovelluksissa annosteltua annosta voitaisiin pienentää satoihin milligrayin esimerkiksi optimoimalla maskin suunnittelua tai käyttämällä annostehokkaampia hankintamenetelmiä.

Korkean resoluution yksityiskohtien säilyttämiseksi tutkijat rekonstruoivat vaimennus- ja vaihekuvat 20 µm³ vokselin koko. Spektrivaimennuskuvat osoittivat signaalia luista (kalsiumkartta) ja verisuonista (jodikartta), mutta ei pehmytkudossignaalia. Vaihetulon rekonstruktio paljasti puolestaan ​​pehmytkudosrakenteet, kuten ihon ja ihonalaiset kerrokset ja sisäelimet

Materiaalin hajoaminen spektri/faasi-algoritmia käyttäen erotti selvästi verisuoniston ja luut ilman kontaminaatiosignaalia, kun taas vaihekanava tarjosi hyvän näkyvyyden formaliinilla kiinnitetylle pehmytkudoskomponentille.

"Google Earthin" piirtäminen ihmiskehosta

Jodi- ja kalsiumkuvien korkea resoluutio osoitti, että järjestelmä pystyy vangitsemaan alle 50 µm:n verisuonia sekä luun hienon trabekulaarisen rakenteen. Tutkijat loivat myös 3D-mallinnuksen hiiren näytteen rekonstruktiosta spektri/faasihajoamisen jälkeen, mikä visualisoi samanaikaisesti pehmytkudokset, luut ja verisuoniston.

Seuraava askel, Brombal kertoo Fysiikan maailma, tulee kääntämään tämä tekniikka periaatteen todistamisesta vakuuttavammiksi tieteellisiksi tapauksiksi. ”Aloitimme äskettäin uuden projektin, joka keskittyi spektrisen vaihekontrastin soveltamiseen niveltutkimukseen, erityisesti sairauksien, kuten nivelrikon, havaitsemisen yhteydessä ja (kvantitatiiviseen) virtuaaliseen histologiaan. kudosnäytteitä."

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/spectral-and-phase-contrast-ct-combine-strengths-to-enhance-x-ray-imaging/