Interferometria siatkowa może umożliwić wcześniejsze wykrywanie raka piersi – Świat Fizyki

Wykazano, że badania mammograficzne zmniejszają śmiertelność z powodu raka piersi. Ale mammogramy są dalekie od doskonałości, a jedno badanie wykazało, że tylko 46% wykrytych nowotworów było prawdziwie pozytywnych, podczas gdy 22% prawdziwych przypadków raka zostało pominiętych. Problem powstaje, ponieważ tkanka miękka w piersi zapewnia ograniczony kontrast rentgenowski, a dwuwymiarowa projekcja stosowana w mammografii nie oddaje wyraźnie złożonej struktury piersi.

Dedykowana tomografia komputerowa (CT) piersi dostarcza danych objętościowych, eliminując w ten sposób wyzwania wynikające z nakładania się tkanek i kompresji piersi. Ale to nie rozwiązuje podstawowego ograniczenia kontrastu obrazowania rentgenowskiego opartego na tłumieniu. Aby przezwyciężyć to ograniczenie, naukowcy zwrócili się ku obrazowaniu rentgenowskiemu z kontrastem fazowym, technice wykorzystującej efekty załamania i interferencji do tworzenia obrazów o znacznie wyższym kontraście i rozdzielczości. Takie ulepszenia mogą pomóc w wykrywaniu guzów na wcześniejszym etapie i zwiększyć szanse na przeżycie.

Do tej pory obrazowanie rentgenowskie z kontrastem fazowym było ograniczone przez zapotrzebowanie na wysoce spójne źródła promieniowania rentgenowskiego, takie jak synchrotrony. Innym podejściem jest tomografia komputerowa z kontrastem fazowym (GI-CT) oparta na interferometrii, która działa z konwencjonalnymi lampami rentgenowskimi, ale wymaga wysokich dawek promieniowania rentgenowskiego. Teraz zespół badawczy kierowany przez Instytut Paula Scherrera (PSI) i ETH Zurich opracował technikę GI-CT, która jest bardziej wydajna niż konwencjonalna tomografia komputerowa do obrazowania piersi w warunkach zbliżonych do klinicznych,

Interferometria siatkowa (która była po raz pierwszy zademonstrowano w PSI) polega na umieszczeniu szeregu siatek dyfrakcyjnych w odstępach kilku mikrometrów między źródłem promieniowania rentgenowskiego a detektorem. Siatki wprowadzają wzór interferencyjny do wiązki promieniowania rentgenowskiego, który jest następnie zniekształcany, gdy wiązka przechodzi przez próbkę. Refrakcja na dużych strukturach powoduje przesunięcie wzoru w bok (kontrast fazowy), podczas gdy refrakcja na małych nierozdzielczych strukturach rozmywa wzór (sygnał ciemnego pola). Analiza zniekształconego wzoru daje zatem trzy potencjalne obrazy: oparte na tłumieniu, kontraście fazowym i sygnale ciemnego pola.

Ocena wydajności

Marco Stampanoniego, profesor obrazowania rentgenowskiego na ETH Zurich i kierownik grupy badawczej w PSI, wraz ze współpracownikami skonstruował system GI-CT oparty na źródle promieniowania rentgenowskiego z anodą wolframową (działający przy typowej energii CT piersi 70 kVp), detektor zliczający fotony o powierzchni aktywnej 195 x 19.2 mm oraz interferometr Talbota-Lau oparty na dostępnych na rynku siatkach o rastrze 4.2 µm.

Naukowcy wykorzystali urządzenie opisane w optyka, aby zobrazować próbkę ludzkiej piersi, przy średniej dostarczonej dawce w zakresie od 5.5 do 219 mGy. Zrekonstruowali obrazy, używając zarówno osłabienia, jak i kontrastu fazowego, i odkryli, że wizualna jakość obu kontrastów wzrasta wraz z dostarczoną dawką. Przy najniższej dawce obraz z kontrastem fazowym wydawał się gorszy od obrazu z kontrastem tłumienia; jednak przy wyższej dawce obraz PC wydawał się lepszy.

Aby skutecznie określić morfologię piersi, potrzebny jest stosunek kontrastu do szumu (CNR) wynoszący pięć między tkanką tłuszczową a gruczołową. Aby zmniejszyć CNR do tej wartości, naukowcy przefiltrowali zrekonstruowane objętości za pomocą jądra Gaussa. Dla każdego obrazu określili rozmiar jądra (dolna granica rozdzielczości) potrzebny do osiągnięcia tego CNR i niezbędną dawkę przy tej rozdzielczości.

Odkryli, że zapotrzebowanie na dawkę rosło szybciej w przypadku obrazów opartych na tłumieniu niż na fazach. Przy rozdzielczości 214 µm lub wyższej obrazy z kontrastem fazowym były ostrzejsze niż obrazy pochodzące wyłącznie z tłumienia przy tej samej dawce.

Naukowcy porównali również GI-CT z konwencjonalną tomografią komputerową opartą na tłumieniu. Chociaż GI-CT wykorzystuje tylko połowę strumienia fotonów, połączenie sygnałów tłumienia i kontrastu fazowego dostarczyło wystarczających informacji, aby zrekompensować tę utratę. „Wykazaliśmy, że dzięki refrakcji otrzymujemy więcej informacji niż tracimy, ponieważ połowa fotonów jest pochłaniana przez siatkę analizatora” — wyjaśnia główny autor Michała Rawlika.

W przypadku rozdzielczości przestrzennej lepszej niż 263 µm i dawki pochłoniętej 16 mGy (oba zakresy kliniczne) GI-CT przewyższała konwencjonalną TK. W przypadku ostrzejszych ziaren GI-CT wykazywał coraz większe korzyści, na przykład wymagając jedynie 53% dawki przy 150 µm. Celem zespołu jest zmniejszenie dawki o współczynnik od dwóch do trzech w porównaniu z konwencjonalnymi promieniami rentgenowskimi, przy zachowaniu tej samej rozdzielczości. Ponieważ czułość GI-CT jest ograniczona przez wytwarzanie siatki, ulepszenia technologii wytwarzania powinny zbliżyć GI-CT do tej granicy, a przy mniejszych odstępach siatki, być może poza nią.

Obrazowanie z kontrastem fazowym może poprawić diagnostykę raka piersi

Ponieważ w tym badaniu zbadano próbkę tkanki piersi bez guza lub mikrozwapnień, naukowcy nie uwzględnili sygnału ciemnego pola w swoich analizach. Przyszłe badania próbek patologicznych pozwolą im zbadać korzyści płynące z sygnału ciemnego pola dla CT piersi. Planują również zbadać wpływ gęstości piersi i korelację zwiększonej CNR z dokładnością diagnostyczną.

Naukowcy zauważają, że GI-CT jest kompatybilny z konwencjonalnymi tomografami komputerowymi, dzięki czemu nadaje się do powszechnego użytku w szpitalach i natychmiastowego zastosowania w dedykowanych systemach tomografii komputerowej piersi. Obecnie opracowali dwa kliniczne urządzenia badawcze oparte na przewodzie pokarmowym, w tym system mammografii 2D wyposażony w interferometr siatkowy, który jest zainstalowany w Szpitalu Uniwersyteckim w Zurychu. To urządzenie uzyskało aprobatę Swissmedic, aw tym roku planowane jest rozpoczęcie badań klinicznych. Drugi to urządzenie do tomografii komputerowej piersi z kontrastem fazowym, które zespół obecnie uruchamia w laboratorium w ETH Zurich, a zatwierdzenie urządzenia planowane jest do końca 2024 r.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Motoryzacja / pojazdy elektryczne, Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Przesunięcia bloków. Modernizacja własności offsetu środowiskowego. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/grating-interferometry-could-enable-earlier-detection-of-breast-cancer/