Спектральная и фазово-контрастная КТ объединяют свои преимущества для улучшения рентгеновских изображений

Спектральная и фазово-контрастная КТ объединяют свои преимущества для улучшения рентгеновских изображений

Отметка времени: 15 апреля 2024 г., 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="Спектральная фазоконтрастная томография Трехмерная визуализация образца мыши, подвергнутого контрастной перфузии, с использованием трех каналов разложения: вода (мягкие ткани, синий), йод (сосудистая сеть, красный) и кальций (кости, белый). (С разрешения: CC BY 4.0/Phys. Med. Биол. 10.1088/1361-6560/ad3328)» title=»Нажмите, чтобы открыть изображение во всплывающем окне» href=»https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/spectral-and-phase-contrast-ct- объединить-сильные-для-улучшения-рентгеновского-изображения-физики-мира.jpg»>Спектральная фазоконтрастная томография
Спектральная фазоконтрастная томография Трехмерная визуализация образца мыши, подвергнутого контрастной перфузии, с использованием трех каналов разложения: вода (мягкие ткани, синий), йод (сосудистая сеть, красный) и кальций (кости, белый). (С разрешения: CC BY 4.0/Phys. Med. Биол. 10.1088/1361-6560/ad3328)

Внедрение детекторов подсчета фотонов в компьютерные томографы проложило путь к распространению спектральной компьютерной томографии в клинических условиях. Такие системы используют две или более энергии рентгеновского излучения для создания трехмерных карт конкретного материала. Но поскольку спектральная КТ основана на ослаблении рентгеновских лучей, она демонстрирует низкий контраст при визуализации слабопоглощающих материалов, таких как биологические ткани. Таким образом, контрастные вещества с высоким Z часто используются для выделения интересующих структур.

Параллельно с этим рентгеновская фазово-контрастная визуализация становится все более доступной и привлекает внимание как к доклиническим, так и к клиническим применениям. Методы фазового контраста, многие из которых могут создавать карты как затухания, так и фазового сдвига, обеспечивают более высокую видимость материалов с низким Z, таких как мягкие ткани.

«Спектральная КТ доказала свою эффективность в ряде применений: от количественной оценки материала до уменьшения артефактов изображения, в то время как фазово-контрастная визуализация может похвастаться превосходной визуализацией мягких и микроструктурированных тканей», — говорит Лука Бромбаль из Университет Триеста и ИНФН. «Опираясь на эту основу, мы стремились использовать преимущества обоих методов».

Бромбал и его коллеги, также из University College London, продемонстрировал первую интеграцию спектральной и фазоконтрастной КТ с использованием томографической установки краевой подсветки. Проект, описанный в Физика в медицине и биологии, включая разработку установки визуализации, которая может собирать данные как со спектральными, так и с фазово-контрастными свойствами, а также с реализацией модели разложения материала.

«Преимуществом комбинированного метода спектрально-фазового контраста является возможность одновременно создавать три карты массовой плотности конкретных элементов или соединений в образце, одновременно улучшая соотношение сигнал/шум, особенно мягкотканного компонента, благодаря фазовая чувствительность», — объясняет Бромбаль.

Разложение материала

Команда использовала фазово-контрастную установку с краевым освещением, в которой маски, расположенные по обе стороны от образца, формируют падающий рентгеновский луч и избирательно блокируют детектор. Эталонная кривая освещенности создается без образца. После введения образца эта кривая ослабляется и смещается вбок, эти изменения затем используются для получения изображений затухания и расчета фазового сдвига, вызванного образцом.

<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="Экспериментальная установка Основные компоненты эксперимента на канале SYRMEP синхротронной установки Elettra. (С разрешения: CC BY 4.0/Phys. Med. Биол. 10.1088/1361-6560/ad3328)» title=»Нажмите, чтобы открыть изображение во всплывающем окне» href=»https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/spectral-and-phase-contrast-ct- объединить-сильные-для-улучшения-рентгеновских-изображений-физики-мир-1.jpg»>Экспериментальная установка на синхротронной установке «Элеттра».
Экспериментальная установка Основные компоненты эксперимента на канале SYRMEP синхротронной установки Elettra. (С разрешения: CC BY 4.0/Phys. Med. Биол. 10.1088/1361-6560/ad3328)

Для этого исследования исследователи использовали синхротронное излучение итальянской синхротронной установки. Elettra. Однако они отмечают, что перенос в лабораторную установку с использованием обычных рентгеновских трубок должен быть простым. Сначала они просканировали тестовый фантом, состоящий из пластиковых кювет, наполненных пятью жидкостями: раствором хлорида кальция (370 и 180 мг/мл); раствор йода (50 и 10 мг/мл, аналогичен концентрациям, используемым в контрастах на основе йода); и дистиллированная вода.

Система визуализации основана на детекторе счета фотонов с мелкопиксельным (62 мкм) сенсором из теллурида кадмия, работающим в двухцветном режиме для регистрации приходящих фотонов в бункерах низкой и высокой энергии. Исследователи получили томографические изображения фантома, записав 360 проекций на 180°, со временем экспозиции 1.2 с на шаг и общим временем съемки 2.9 часа.

После реконструкции трехмерных объемов по проекциям затухания и фазы команда выполнила разложение материала, используя три алгоритма: спектральное разложение, используя реконструкции затухания с низкой и высокой энергией в качестве входных данных; разложение затухания/фазы, применяемое к реконструкциям фазы и затухания, полученным путем суммирования энергетических элементов; и спектрально-фазовое разложение, в котором используются низкоэнергетические, высокоэнергетические и фазовые реконструкции.

Алгоритм спектрально-фазового разложения показал лучшую производительность из трех, правильно идентифицируя все материалы без искажения сигнала по каналам и значительно меньше шума, чем стандартное спектральное разложение, благодаря низкому шуму входного фазового канала. Этот алгоритм вычислил значения, наиболее близкие к номинальной массовой плотности, со среднеквадратичными ошибками 1.1%, 1.9% и 3.5% для воды, растворов йода и хлорида кальция соответственно.

Спектрально-фазовое разложение также улучшило соотношение сигнал/шум изображений в девять раз для канала воды и в 1.3 раза для изображений йода по сравнению со спектральным разложением. Кроме того, только спектрально-фазовое разложение позволило одновременно определить плотность всех трех материалов.

Биологическая демонстрация

Чтобы проверить метод с использованием биологического образца, исследователи сфотографировали бывших естественных условиях лабораторной мыши после смерти перфузировали сосудистый контрастный агент на основе йода. Они получили 720 проекций на 360° с общим временем воздействия 5.8 часа и полученной дозой радиации около 2 Гр. Они отмечают, что на будущее в естественных условиях В приложениях доставляемую дозу можно снизить до сотен миллигрей, например, за счет оптимизации конструкции маски или использования более эффективных схем сбора данных.

Чтобы сохранить детали высокого разрешения, исследователи реконструировали изображения затухания и фазы с помощью 20-микронного микроскопа.3 размер воксела. Изображения спектрального затухания показали сигнал от костей (карта кальция) и сосудистой сети (карта йода), но не сигнал мягких тканей. Тем временем реконструкция фазового входа выявила структуры мягких тканей, такие как кожный и подкожный слои, а также внутренние органы.

Разложение материала с использованием спектрально-фазового алгоритма четко разделяло сосудистую систему и кости без сигнала загрязнения, в то время как фазовый канал обеспечивал хорошую видимость фиксированного формалином компонента мягких тканей.

Высокое разрешение изображений йода и кальция продемонстрировало, что система может захватывать кровеносные сосуды размером менее 50 мкм, а также тонкую трабекулярную структуру кости. Исследователи также создали 3D-рендеринг реконструкции образца мыши после спектрального/фазового разложения, который одновременно визуализирует мягкие ткани, кости и сосудистую сеть.

Следующий шаг, рассказывает Бромбаль Мир физики, будет заключаться в том, чтобы перевести эту технику из исследования, подтверждающего принцип, в более убедительные научные случаи. «Недавно мы начали новый проект, направленный на применение спектрального фазового контраста в остеоартикулярных исследованиях, особенно в контексте выявления таких заболеваний, как остеоартрит, и в (количественной) виртуальной гистологии, потенциально предоставляя дополнительную информацию наряду с традиционным патологоанатомическим анализом хирургических вмешательств. образцы тканей».

Отметка времени:

Больше от Мир физики