Spektral- og fasekontrast-CT kombinerer styrker for å forbedre røntgenbilder – Physics World

Spektral- og fasekontrast-CT kombinerer styrker for å forbedre røntgenbilder – Physics World

Tidsstempel: 15. april 2024 4:55

<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="Spektral fase-kontrast tomografi Tredimensjonal gjengivelse av en kontrastperfusert museprøve ved bruk av tre nedbrytningskanaler: vann (mykt vev, blått), jod (vaskulatur, rødt) og kalsium (bein, hvitt). (Med tillatelse: CC BY 4.0/Fys. Med. Biol. 10.1088/1361-6560/ad3328)” title=”Klikk for å åpne bildet i 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”>Spektral fase-kontrast tomografi
Spektral fase-kontrast tomografi Tredimensjonal gjengivelse av en kontrastperfusert museprøve ved bruk av tre nedbrytningskanaler: vann (mykt vev, blått), jod (vaskulatur, rødt) og kalsium (bein, hvitt). (Med tillatelse: CC BY 4.0/Fys. Med. Biol. 10.1088/1361-6560/ad3328)

Innføringen av foton-telledetektorer i CT-skannere banet vei for fremveksten av spektral CT i kliniske omgivelser. Slike systemer bruker to eller flere røntgenenergier for å lage materialspesifikke 3D-kart. Men siden spektral CT er basert på røntgendemping, viser den lav kontrast ved avbildning av svakt absorberende materialer som biologisk vev. Som sådan brukes høy-Z-kontrastmidler ofte for å fremheve strukturer av interesse.

Parallelt blir røntgenfasekontrastavbildning mer tilgjengelig og får oppmerksomhet for både prekliniske og kliniske anvendelser. Fasekontrastteknikker, hvorav mange kan produsere både dempnings- og faseforskyvningskart, gir høyere synlighet av lav-Z-materialer som bløtvev.

"Spectral CT har vist seg effektiv i en rekke bruksområder, fra materialkvantifisering til bildeartefaktreduksjon, mens fasekontrastavbildning har overlegen visualisering av mykt og mikrostrukturert vev," sier Luca Brombal fra Universitetet i Trieste og INFN. "Ved å bygge på disse basene prøvde vi å utnytte de kombinerte styrkene til begge teknikkene."

Brombal og kolleger, også fra University College London, demonstrerte den første integrasjonen av spektral- og fasekontrast-CT ved bruk av et tomografisk kantbelysningsoppsett. Prosjektet, beskrevet i Fysikk i medisin og biologi, involverte å utvikle et bildeoppsett som kan innhente data med både spektral- og fasekontrastegenskaper, sammen med implementeringen av en materialnedbrytningsmodell.

«Fordelene med den kombinerte spektrale fase-kontrast-tilnærmingen er muligheten til samtidig å produsere tre massetetthetskart av spesifikke elementer eller forbindelser i prøven, samtidig som man forbedrer signal-til-støy-forholdet, spesielt av bløtvevskomponenten, pga. fasefølsomhet,” forklarer Brombal.

Materialnedbrytning

Teamet brukte et kantbelysningsfasekontrastoppsett, der masker plassert på hver side av prøven former den innfallende røntgenstrålen og blokkerer detektoren selektivt. En referansebelysningskurve opprettes uten prøve på plass. Når prøven er satt inn, dempes denne kurven og forskyves sideveis, endringer som deretter brukes til å hente dempningsbilder og beregne prøveindusert faseskift.

<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="Eksperimentelt oppsett Hovedkomponentene i eksperimentet ved Elettra synkrotronanleggets SYRMEP-strålelinje. (Med tillatelse: CC BY 4.0/Fys. Med. Biol. 10.1088/1361-6560/ad3328)” title=”Klikk for å åpne bildet i 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”>Eksperimentell oppsett ved Elettra synkrotronanlegg
Eksperimentelt oppsett Hovedkomponentene i eksperimentet ved Elettra synkrotronanleggets SYRMEP-strålelinje. (Med tillatelse: CC BY 4.0/Fys. Med. Biol. 10.1088/1361-6560/ad3328)

For denne studien brukte forskerne synkrotronstråling fra det italienske synkrotronanlegget Electra. De bemerker imidlertid at oversettelse til et laboratorieoppsett ved bruk av konvensjonelle røntgenrør bør være enkel. De skannet først et testfantom bestående av plastkyvetter fylt med fem væsker: kalsiumkloridløsning (370 og 180 mg/ml); jodløsning (50 og 10 mg/ml, tilsvarende konsentrasjoner brukt i jodbaserte kontraster); og destillert vann.

Bildesystemet er basert på en foton-telledetektor med en liten piksel (62 µm) kadmiumtelluridsensor, operert i tofargemodus for å registrere innkommende fotoner i lav- og høyenergibeholdere. Forskerne skaffet tomografiske bilder av fantomet, registrerte 360 ​​projeksjoner over 180°, med en eksponeringstid på 1.2 s per trinn og en total opptakstid på 2.9 timer.

Etter å ha rekonstruert 3D-volumer fra dempnings- og faseprojeksjonene, utførte teamet materialdekomponering ved hjelp av tre algoritmer: spektral dekomponering, ved å bruke lav- og høyenergidempningsrekonstruksjonene som input; dempning/fasedekomponering, brukt på fase- og dempningsrekonstruksjoner oppnådd ved å summere energibeholderne; og spektral/fasedekomponering, som bruker lavenergi-, høyenergi- og faserekonstruksjoner.

Spektral-/fasedekomponeringsalgoritmen viste den beste ytelsen av de tre, og identifiserte korrekt alle materialer uten signalforurensning på tvers av kanaler og betydelig mindre støy enn standard spektral dekomponering, på grunn av den lave støyen til inngangsfasekanalen. Denne algoritmen beregnet verdier nærmest den nominelle massetettheten, med RMS-feil på 1.1 %, 1.9 % og 3.5 % for henholdsvis vann-, jod- og kalsiumkloridløsninger.

Spektral-/fasedekomponering forbedret også signal-til-støy-forholdet til bildene, med en faktor på ni i vannkanalen og en faktor på 1.3 i jodbilder, sammenlignet med spektral dekomponering. I tillegg var det bare spektral-/fasedekomponeringen som muliggjorde samtidig kvantifisering av alle tre materialtetthetene.

Biologisk demonstrasjon

For å validere teknikken ved hjelp av en biologisk prøve, avbildet forskerne ex vivo en laboratoriemus perfundert post mortem med et jodbasert vaskulært kontrastmiddel. De oppnådde 720 projeksjoner over 360°, med en total eksponeringstid på 5.8 timer og en resulterende stråledose på rundt 2 Gy. De bemerker det for fremtiden in vivo applikasjoner kan den leverte dosen reduseres til hundrevis av milligrå, for eksempel ved å optimalisere maskedesignet, eller ved å bruke mer doseeffektive innsamlingsopplegg.

For å bevare høyoppløselige detaljer, rekonstruerte forskerne dempnings- og fasebilder med en 20 µm3 voxel størrelse. Spektraldempningsbilder viste signal fra bein (kalsiumkart) og vaskulatur (jodkart), men ingen bløtvevssignal. Faseinngangsrekonstruksjonen avslørte i mellomtiden bløtvevsstrukturer som kutane og subkutane lag og indre organer

Materialnedbrytning ved bruk av spektral/fasealgoritmen skilte tydelig vaskulatur og bein, uten forurensningssignal, mens fasekanalen ga god synlighet av den formalinfikserte bløtvevskomponenten.

Den høye oppløsningen av jod- og kalsiumbildene demonstrerte at systemet kan fange blodårer mindre enn 50 µm, så vel som den fine trabekulære strukturen til beinet. Forskerne laget også en 3D-gjengivelse av rekonstruksjonen av museprøven etter spektral-/fasedekomponering, som samtidig visualiserer bløtvev, bein og vaskulatur.

Neste steg, forteller Brombal Fysikkens verden, vil være å oversette denne teknikken fra en proof-of-principle-studie til mer overbevisende vitenskapelige tilfeller. "Vi startet nylig et nytt prosjekt fokusert på anvendelsen av spektral fasekontrast til osteoartikulær forskning, spesielt i sammenheng med påvisning av sykdommer som slitasjegikt, og til (kvantitativ) virtuell histologi, som potensielt gir komplementær innsikt sammen med konvensjonell patologisk analyse av kirurgisk vevsprøver."

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden