Die Einführung von Photonenzähldetektoren in CT-Scannern ebnete den Weg für den Aufstieg der Spektral-CT im klinischen Umfeld. Solche Systeme nutzen zwei oder mehr Röntgenenergien, um materialspezifische 3D-Karten zu erstellen. Da die spektrale CT jedoch auf der Schwächung von Röntgenstrahlen basiert, weist sie bei der Abbildung schwach absorbierender Materialien wie biologischem Gewebe einen geringen Kontrast auf. Daher werden Kontrastmittel mit hohem Z-Wert häufig eingesetzt, um interessierende Strukturen hervorzuheben.
Parallel dazu wird die Röntgen-Phasenkontrastbildgebung zunehmend verfügbar und gewinnt sowohl für präklinische als auch für klinische Anwendungen an Bedeutung. Phasenkontrasttechniken, von denen viele sowohl Schwächungs- als auch Phasenverschiebungskarten erstellen können, bieten eine bessere Sichtbarkeit von Materialien mit niedrigem Z, wie z. B. Weichgewebe.
„Spektral-CT hat sich in einer Reihe von Anwendungen als effektiv erwiesen, von der Materialquantifizierung bis zur Reduzierung von Bildartefakten, während die Phasenkontrast-Bildgebung eine hervorragende Visualisierung von weichem und mikrostrukturiertem Gewebe bietet“, sagt er Luca Brombal von dem Universität von Triest und INFN. „Auf dieser Grundlage aufbauend versuchten wir, die kombinierten Stärken beider Techniken zu nutzen.“
Brombal und Kollegen, ebenfalls aus University College Londondemonstrierte die erste Integration von Spektral- und Phasenkontrast-CT mithilfe eines tomografischen Kantenbeleuchtungsaufbaus. Das Projekt, beschrieben in Physik in Medizin & BiologieDazu gehörte die Entwicklung eines Bildgebungsaufbaus, der Daten sowohl mit Spektral- als auch Phasenkontrasteigenschaften erfassen kann, sowie die Implementierung eines Materialzersetzungsmodells.
„Die Vorteile des kombinierten spektralen Phasenkontrast-Ansatzes liegen in der Möglichkeit, gleichzeitig drei Massendichtekarten bestimmter Elemente oder Verbindungen in der Probe zu erstellen und gleichzeitig das Signal-Rausch-Verhältnis, insbesondere der Weichteilkomponente, zu verbessern Phasenempfindlichkeit“, erklärt Brombal.
Materielle Zersetzung
Das Team verwendete einen Phasenkontrastaufbau mit Kantenbeleuchtung, bei dem auf beiden Seiten der Probe platzierte Masken den einfallenden Röntgenstrahl formen und den Detektor selektiv blockieren. Es wird eine Referenzbeleuchtungskurve erstellt, ohne dass eine Probe vorhanden ist. Sobald die Probe eingeführt wird, wird diese Kurve abgeschwächt und seitlich verschoben. Diese Änderungen werden dann verwendet, um Schwächungsbilder abzurufen und die durch die Probe verursachte Phasenverschiebung zu berechnen.
Für diese Studie nutzten die Forscher Synchrotronstrahlung aus der italienischen Synchrotronanlage Elettra. Sie stellen jedoch fest, dass die Übertragung auf einen Laboraufbau mit herkömmlichen Röntgenröhren unkompliziert sein sollte. Sie scannten zunächst ein Testphantom, das aus Plastikküvetten bestand, die mit fünf Flüssigkeiten gefüllt waren: Calciumchloridlösung (370 und 180 mg/ml); Jodlösung (50 und 10 mg/ml, ähnlich den Konzentrationen, die bei Kontrastmitteln auf Jodbasis verwendet werden); und destilliertes Wasser.
Das Bildgebungssystem basiert auf einem Photonenzähldetektor mit einem Cadmiumtellurid-Sensor mit kleinen Pixeln (62 µm), der im Zweifarbenmodus betrieben wird, um einfallende Photonen in Niedrig- und Hochenergiebehältern aufzuzeichnen. Die Forscher erstellten tomografische Bilder des Phantoms und zeichneten 360 Projektionen über 180° auf, mit einer Belichtungszeit von 1.2 s pro Schritt und einer Gesamtaufnahmezeit von 2.9 h.
Nach der Rekonstruktion von 3D-Volumina aus den Dämpfungs- und Phasenprojektionen führte das Team eine Materialzerlegung mit drei Algorithmen durch: Spektralzerlegung unter Verwendung der Rekonstruktionen der Nieder- und Hochenergie-Dämpfung als Eingaben; Dämpfungs-/Phasenzerlegung, angewendet auf Phasen- und Dämpfungsrekonstruktionen, die durch Summieren der Energieklassen erhalten werden; und Spektral-/Phasenzerlegung, die Niederenergie-, Hochenergie- und Phasenrekonstruktionen verwendet.
Der Spektral-/Phasenzerlegungsalgorithmus zeigte die beste Leistung der drei, da er alle Materialien korrekt identifizierte, ohne Signalverunreinigungen über die Kanäle hinweg und aufgrund des geringen Rauschens des Eingangsphasenkanals deutlich weniger Rauschen als die Standard-Spektralzerlegung. Dieser Algorithmus berechnete Werte, die der nominalen Massendichte am nächsten kommen, mit RMS-Fehlern von 1.1 %, 1.9 % bzw. 3.5 % für Wasser-, Jod- und Calciumchloridlösungen.
Die Spektral-/Phasenzerlegung verbesserte im Vergleich zur Spektralzerlegung auch das Signal-Rausch-Verhältnis der Bilder um den Faktor neun im Wasserkanal und um den Faktor 1.3 bei Jodbildern. Darüber hinaus ermöglichte nur die Spektral-/Phasenzerlegung die gleichzeitige Quantifizierung aller drei Materialdichten.
Biologische Demonstration
Um die Technik anhand einer biologischen Probe zu validieren, erstellten die Forscher Bilder ex vivo eine Labormaus, die postmortal mit einem Gefäßkontrastmittel auf Jodbasis perfundiert wurde. Sie erfassten 720 Projektionen über 360°, mit einer Gesamtbelichtungszeit von 5.8 Stunden und einer resultierenden Strahlendosis von rund 2 Gy. Sie nehmen dies für die Zukunft zur Kenntnis in vivo Anwendungen könnte die abgegebene Dosis auf Hunderte Milligray reduziert werden, beispielsweise durch Optimierung des Maskendesigns oder Verwendung dosiseffizienterer Erfassungsschemata.
Um hochauflösende Details zu bewahren, rekonstruierten die Forscher Dämpfungs- und Phasenbilder mit einer 20-µm-Kamera3 Voxelgröße. Spektrale Schwächungsbilder zeigten Signale von Knochen (Kalziumkarte) und Gefäßsystem (Jodkarte), aber kein Weichteilsignal. Die Phaseneingangsrekonstruktion deckte unterdessen Weichteilstrukturen wie kutane und subkutane Schichten sowie innere Organe auf
Die Materialzerlegung mithilfe des Spektral-/Phasen-Algorithmus trennte das Gefäßsystem und die Knochen klar und ohne Kontaminationssignal, während der Phasenkanal eine gute Sichtbarkeit der formalinfixierten Weichgewebekomponente ermöglichte.
Erstellung eines „Google Earth“ des menschlichen Körpers
Die hohe Auflösung der Jod- und Kalziumbilder zeigte, dass das System Blutgefäße kleiner als 50 µm sowie die feine Trabekelstruktur des Knochens erfassen kann. Die Forscher erstellten außerdem ein 3D-Rendering der Mausprobenrekonstruktion nach der Spektral-/Phasenzerlegung, das gleichzeitig Weichteile, Knochen und Gefäße visualisiert.
Der nächste Schritt, erzählt Brombal Physik-Weltwird darin bestehen, diese Technik von einer Proof-of-Principle-Studie auf überzeugendere wissenschaftliche Fälle zu übertragen. „Wir haben kürzlich ein neues Projekt gestartet, das sich auf die Anwendung des spektralen Phasenkontrasts in der osteoartikulären Forschung, insbesondere im Zusammenhang mit der Erkennung von Krankheiten wie Arthrose, und auf die (quantitative) virtuelle Histologie konzentriert und möglicherweise ergänzende Erkenntnisse neben der herkömmlichen pathologischen Analyse chirurgischer Eingriffe liefert Gewebeproben.“
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- Quelle: https://physicsworld.com/a/spectral-and-phase-contrast-ct-combine-strengths-to-enhance-x-ray-imaging/
