CT ספקטרלי וניגודיות פאזה משלבים עוצמות לשיפור הדמיית רנטגן - עולם הפיזיקה

<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="טומוגרפיה ספקטרלית של ניגודיות פאזה עיבוד תלת מימדי של דגימת עכבר מבולבלת בניגוד באמצעות שלוש ערוצי פירוק: מים (רקמות רכות, כחול), יוד (וסקולטורה, אדום) וסידן (עצמות, לבן). (באדיבות: CC BY 4.0/פיז. מד. ביול. 10.1088/1361-6560/ad3328)” title=”לחץ כדי לפתוח תמונה בפופאפ” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/spectral-and-phase-contrast-ct- combine-powers-to-enhance-x-ray-imaging-physics-world.jpg”>

הכנסתם של גלאי ספירת פוטון לסורקי CT סללה את הדרך לעליית ה-CT הספקטרלי במסגרות קליניות. מערכות כאלה משתמשות בשתי אנרגיות רנטגן או יותר כדי ליצור מפות תלת מימד ספציפיות לחומר. אבל מכיוון ש-CT ספקטרלי מבוסס על הנחתה של קרני רנטגן, הוא מפגין ניגודיות נמוכה בעת הדמיה של חומרים בעלי קליטה חלשה כגון רקמות ביולוגיות. ככזה, חומרי ניגוד גבוה Z משמשים לעתים קרובות כדי להדגיש מבנים של עניין.

במקביל, הדמיית ניגודיות פאזה של קרני רנטגן הופכת לזמינה יותר וזוכה לתשומת לב גם ליישומים פרה-קליניים וגם ליישומים קליניים. טכניקות של ניגודיות פאזה, שרבות מהן יכולות לייצר מפות הנחתה והזזת פאזה, מציעות נראות גבוהה יותר של חומרים בעלי Z נמוך כגון רקמות רכות.

"ספקטרל CT הוכח כיעיל במגוון יישומים, מכימות חומר וכלה בהפחתת תמונה, בעוד שהדמיית ניגודיות פאזה מתהדרת בהדמיה מעולה של רקמות רכות ומיקרו-מבנה", אומר לוקה ברומבאל מ אוניברסיטת טרייסטה ו INFN. "בהתבסס על הבסיסים הללו, ביקשנו למנף את החוזקות המשולבות של שתי הטכניקות."

ברומבל ועמיתיו, גם מ אוניברסיטת קולג 'בלונדון, הדגים את האינטגרציה הראשונה של CT ספקטרלי וניגודיות פאזה באמצעות מערך תאורת קצה טומוגרפית. הפרויקט, המתואר ב פיזיקה ברפואה וביולוגיה, כרוך בפיתוח מערך הדמיה שיכול לרכוש נתונים עם תכונות ספקטרליות וניגודיות פאזה, לצד יישום של מודל פירוק חומר.

"היתרונות של הגישה המשולבת של ניגודיות הפאזה הספקטרלית הם האפשרות לייצר בו-זמנית שלוש מפות צפיפות מסה של יסודות או תרכובות ספציפיות בדגימה, תוך שיפור יחס האות לרעש, במיוחד של רכיב הרקמות הרכות, בשל רגישות לשלב", מסביר ברומבאל.

פירוק חומר

הצוות השתמש במערך ניגודיות פאזה של תאורת קצה, שבה מסכות שהונחו משני צדי הדגימה מעצבות את קרן הרנטגן המתרחשת וחוסמות באופן סלקטיבי את הגלאי. נוצרת עקומת תאורה ייחוס ללא מדגם במקום. ברגע שהדגימה מוכנסת, עקומה זו מוחלשת ותזוזה לרוחב, שינויים המשמשים לאחר מכן כדי לאחזר תמונות הנחתה ולחשב את שינוי הפאזה המושרה על ידי הדגימה.

<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="הגדרה נסיונית המרכיבים העיקריים של הניסוי בקו קרן ה-SYRMEP של מתקן סינכרוטרון אלטרה. (באדיבות: CC BY 4.0/פיז. מד. ביול. 10.1088/1361-6560/ad3328)” title=”לחץ כדי לפתוח תמונה בפופאפ” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/spectral-and-phase-contrast-ct- combine-powers-to-enhance-x-ray-imaging-physics-world-1.jpg”>

לצורך מחקר זה, החוקרים השתמשו בקרינת סינכרוטרונים ממתקן הסינכרוטרונים האיטלקי אלקטרה. עם זאת, הם מציינים שתרגום למערך מעבדה באמצעות צינורות רנטגן קונבנציונליים צריך להיות פשוט. תחילה הם סרקו פנטום בדיקה הכולל קובטות פלסטיק מלאות בחמישה נוזלים: תמיסת סידן כלורי (370 ו-180 מ"ג/מ"ל); תמיסת יוד (50 ו-10 מ"ג/מ"ל, בדומה לריכוזים המשמשים בניגודים מבוססי יוד); ומים מזוקקים.

מערכת ההדמיה מבוססת על גלאי ספירת פוטונים עם חיישן קדמיום טלורידי קטן (62 מיקרומטר), המופעל במצב דו-צבעוני כדי להקליט פוטונים נכנסים בפחי אנרגיה נמוכה וגבוהה. החוקרים רכשו תמונות טומוגרפיות של הפנטום, והקליטו 360 הקרנות מעל 180°, עם זמן חשיפה של 1.2 שניות לכל צעד וזמן רכישה כולל של 2.9 שעות.

לאחר שחזור נפחים תלת-ממדיים מהשלכות ההנחתה והפאזה, הצוות ביצע פירוק חומר באמצעות שלושה אלגוריתמים: פירוק ספקטרלי, תוך שימוש בשחזורי הנחתה באנרגיה נמוכה וגבוהה בתור תשומות; הנחתה/פירוק שלב, מיושם על שחזורי פאזה והנחתה המתקבלים על ידי סיכום פחי האנרגיה; ופירוק ספקטרלי/פאזה, המשתמש בשחזורי אנרגיה נמוכה, אנרגיה גבוהה ושחזור פאזה.

אלגוריתם הפירוק הספקטרלי/פאזי הציג את הביצועים הטובים ביותר מבין השלושה, זיהה נכון את כל החומרים ללא זיהום אות על פני ערוצים ופחות רעש משמעותית מהפירוק הספקטרלי הסטנדרטי, בשל הרעש הנמוך של ערוץ פאזת הכניסה. אלגוריתם זה חישב את הערכים הקרובים ביותר לצפיפות המסה הנומינלית, עם שגיאות RMS של 1.1%, 1.9% ו-3.5% עבור תמיסות מים, יוד וסידן כלורי, בהתאמה.

פירוק ספקטרלי/פאזה שיפר גם את יחס האות לרעש של התמונות, בפקטור של תשע בתעלת המים ובפקטור של 1.3 בתמונות יוד, בהשוואה לפירוק ספקטרלי. בנוסף, רק הפירוק הספקטרלי/פאזי איפשר כימות בו-זמנית של כל שלושת צפיפות החומר.

הדגמה ביולוגית

כדי לאמת את הטכניקה באמצעות דגימה ביולוגית, החוקרים צילמו לשעבר vivo עכבר מעבדה מפוזר לאחר המוות עם חומר ניגוד כלי דם על בסיס יוד. הם רכשו 720 תחזיות מעל 360°, עם זמן חשיפה כולל של 5.8 שעות וכתוצאה מכך מנת קרינה של כ-2 Gy. הם מציינים את זה לעתיד in vivo יישומים ניתן להפחית את המינון הנמסר למאות מילי-אפור, על ידי אופטימיזציה של עיצוב המסכה, למשל, או שימוש בסכימות רכישה יעילות יותר.

כדי לשמר פרטים ברזולוציה גבוהה, החוקרים שיחזרו תמונות הנחתה ופאזה עם 20 מיקרומטר³ גודל ווקסל. תמונות הנחתה ספקטרליות הראו אות מעצמות (מפת סידן) ומוסקולטורה (מפת יוד), אך ללא אות של רקמה רכה. שחזור קלט הפאזה, בינתיים, חשף מבנים של רקמות רכות כגון שכבות עוריות ותת עוריות ואיברים פנימיים

פירוק חומר באמצעות אלגוריתם הספקטרל/פאזה הפריד בבירור בין כלי הדם והעצמות, ללא אות זיהום, בעוד שתעלת הפאזה סיפקה נראות טובה של רכיב הרקמות הרכות המקובעות בפורמלין.

יצירת 'Google Earth' של גוף האדם

הרזולוציה הגבוהה של תמונות היוד והסידן הוכיחה שהמערכת יכולה ללכוד כלי דם קטנים מ-50 מיקרומטר, כמו גם את המבנה הטרבקולרי העדין של העצם. החוקרים יצרו גם עיבוד תלת-ממדי של שחזור דגימת העכבר לאחר פירוק ספקטרלי/פאזה, המדמיין בו-זמנית רקמות רכות, עצמות וכלי דם.

השלב הבא, מספר ברומבאל עולם הפיזיקה, יהיה לתרגם טכניקה זו ממחקר הוכחת עקרונות למקרים מדעיים משכנעים יותר. "לאחרונה התחלנו פרויקט חדש המתמקד ביישום של ניגודיות פאזה ספקטרלית למחקר אוסטיאוארטיקולרי, במיוחד בהקשר של גילוי מחלות כמו דלקת מפרקים ניוונית, ולהיסטולוגיה וירטואלית (כמותית), שעשויה לספק תובנות משלימות לצד ניתוח פתולוגי קונבנציונלי של ניתוחים. דגימות רקמה."

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/spectral-and-phase-contrast-ct-combine-strengths-to-enhance-x-ray-imaging/