Η εισαγωγή ανιχνευτών μέτρησης φωτονίων στους σαρωτές CT άνοιξε το δρόμο για την άνοδο της φασματικής CT σε κλινικές συνθήκες. Τέτοια συστήματα χρησιμοποιούν δύο ή περισσότερες ενέργειες ακτίνων Χ για τη δημιουργία τρισδιάστατων χαρτών ειδικά για το υλικό. Όμως, δεδομένου ότι η φασματική αξονική τομογραφία βασίζεται στην εξασθένηση των ακτίνων Χ, εμφανίζει χαμηλή αντίθεση κατά την απεικόνιση υλικών που απορροφούν ασθενώς, όπως οι βιολογικοί ιστοί. Ως εκ τούτου, οι παράγοντες αντίθεσης υψηλού Ζ χρησιμοποιούνται συχνά για να τονίσουν τις δομές που ενδιαφέρουν.
Παράλληλα, η απεικόνιση με αντίθεση φάσης με ακτίνες Χ γίνεται ευρύτερα διαθέσιμη και κερδίζει την προσοχή τόσο για προκλινικές όσο και για κλινικές εφαρμογές. Οι τεχνικές αντίθεσης φάσης, πολλές από τις οποίες μπορούν να παράγουν χάρτες εξασθένησης και μετατόπισης φάσης, προσφέρουν μεγαλύτερη ορατότητα υλικών χαμηλού Z, όπως οι μαλακοί ιστοί.
«Η φασματική αξονική τομογραφία έχει αποδειχθεί αποτελεσματική σε μια σειρά εφαρμογών, από την ποσοτικοποίηση υλικού έως τη μείωση εικόνας-τεχνουργήματος, ενώ η απεικόνιση με αντίθεση φάσης μπορεί να υπερηφανεύεται για ανώτερη οπτικοποίηση μαλακών και μικροδομημένων ιστών», λέει. Λούκα Μπρόμπαλ από το Πανεπιστήμιο της Τεργέστης και INFN. «Χτίζοντας σε αυτές τις βάσεις, επιδιώξαμε να αξιοποιήσουμε τις συνδυασμένες δυνάμεις και των δύο τεχνικών».
Brombal και συνεργάτες, επίσης από University College του Λονδίνου, έδειξε την πρώτη ενσωμάτωση φασματικής και φασματικής αντίθεσης CT χρησιμοποιώντας μια διάταξη τομογραφικού φωτισμού άκρων. Το έργο, που περιγράφεται στο Φυσική στην Ιατρική & Βιολογία, περιλάμβανε την ανάπτυξη μιας διάταξης απεικόνισης που μπορεί να αποκτήσει δεδομένα τόσο με ιδιότητες φασματικής όσο και με ιδιότητες αντίθεσης φάσης, παράλληλα με την υλοποίηση ενός μοντέλου αποσύνθεσης υλικού.
«Τα πλεονεκτήματα της συνδυασμένης προσέγγισης φασματικής αντίθεσης φάσης είναι η δυνατότητα ταυτόχρονης παραγωγής τριών χαρτών πυκνότητας μάζας συγκεκριμένων στοιχείων ή ενώσεων στο δείγμα, βελτιώνοντας παράλληλα την αναλογία σήματος προς θόρυβο, ειδικά του στοιχείου μαλακού ιστού, λόγω ευαισθησία φάσης», εξηγεί ο Brombal.
Αποσύνθεση υλικού
Η ομάδα χρησιμοποίησε μια διάταξη αντίθεσης φάσης φωτισμού άκρης, στην οποία μάσκες τοποθετημένες σε κάθε πλευρά του δείγματος διαμορφώνουν την προσπίπτουσα δέσμη ακτίνων Χ και μπλοκάρουν επιλεκτικά τον ανιχνευτή. Δημιουργείται μια καμπύλη φωτισμού αναφοράς χωρίς δείγμα στη θέση του. Μόλις εισαχθεί το δείγμα, αυτή η καμπύλη εξασθενεί και μετατοπίζεται πλευρικά, αλλαγές που στη συνέχεια χρησιμοποιούνται για την ανάκτηση εικόνων εξασθένησης και τον υπολογισμό της μετατόπισης φάσης που προκαλείται από το δείγμα.
Για αυτή τη μελέτη, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ακτινοβολία συγχρονών από την ιταλική εγκατάσταση σύγχροτρον Elettra. Σημειώνουν, ωστόσο, ότι η μετάφραση σε εργαστηριακή εγκατάσταση με χρήση συμβατικών σωλήνων ακτίνων Χ θα πρέπει να είναι απλή. Πρώτα σάρωσαν ένα δοκιμαστικό φάντασμα που περιελάμβανε πλαστικές κυψελίδες γεμάτες με πέντε υγρά: διάλυμα χλωριούχου ασβεστίου (370 και 180 mg/ml). διάλυμα ιωδίου (50 και 10 mg/ml, παρόμοιες με τις συγκεντρώσεις που χρησιμοποιούνται σε αντιθέσεις με βάση το ιώδιο). και απεσταγμένο νερό.
Το σύστημα απεικόνισης βασίζεται σε έναν ανιχνευτή μέτρησης φωτονίων με αισθητήρα τελλουρίου καδμίου μικρών εικονοστοιχείων (62 μm), ο οποίος λειτουργεί σε λειτουργία δύο χρωμάτων για την καταγραφή των εισερχόμενων φωτονίων σε κάδους χαμηλής και υψηλής ενέργειας. Οι ερευνητές απέκτησαν τομογραφικές εικόνες του φαντάσματος, καταγράφοντας 360 προβολές σε 180°, με χρόνο έκθεσης 1.2 δευτ. ανά βήμα και συνολικό χρόνο λήψης 2.9 ώρες.
Μετά την ανακατασκευή τρισδιάστατων όγκων από τις προβολές εξασθένησης και φάσης, η ομάδα πραγματοποίησε αποσύνθεση υλικού χρησιμοποιώντας τρεις αλγόριθμους: φασματική αποσύνθεση, χρησιμοποιώντας τις ανακατασκευές εξασθένησης χαμηλής και υψηλής ενέργειας ως εισόδους. εξασθένηση/αποσύνθεση φάσης, που εφαρμόζεται σε ανακατασκευές φάσης και εξασθένησης που λαμβάνονται με άθροιση των ενεργειακών κάδων. και φασματική/φασική αποσύνθεση, η οποία χρησιμοποιεί ανακατασκευές χαμηλής ενέργειας, υψηλής ενέργειας και φάσης.
Ο αλγόριθμος φασματικής/φασικής αποσύνθεσης επέδειξε την καλύτερη απόδοση από τους τρεις, αναγνωρίζοντας σωστά όλα τα υλικά χωρίς μόλυνση σήματος στα κανάλια και σημαντικά λιγότερο θόρυβο από την τυπική φασματική αποσύνθεση, λόγω του χαμηλού θορύβου του καναλιού φάσης εισόδου. Αυτός ο αλγόριθμος υπολόγισε τιμές πλησιέστερες στην ονομαστική πυκνότητα μάζας, με σφάλματα RMS 1.1%, 1.9% και 3.5% για διαλύματα νερού, ιωδίου και χλωριούχου ασβεστίου, αντίστοιχα.
Η φασματική/φασική αποσύνθεση βελτίωσε επίσης την αναλογία σήματος προς θόρυβο των εικόνων, κατά εννέα στο κανάλι νερού και κατά 1.3 στις εικόνες ιωδίου, σε σύγκριση με τη φασματική αποσύνθεση. Επιπλέον, μόνο η φασματική/φασική αποσύνθεση επέτρεψε την ταυτόχρονη ποσοτικοποίηση και των τριών πυκνοτήτων υλικών.
Βιολογική επίδειξη
Για να επικυρώσουν την τεχνική χρησιμοποιώντας ένα βιολογικό δείγμα, οι ερευνητές απεικόνισαν ex νίνο ένα εργαστηριακό ποντίκι που αιματώθηκε μετά τη σφαγή με ένα αγγειακό σκιαγραφικό με βάση το ιώδιο. Απέκτησαν 720 προβολές σε 360°, με συνολικό χρόνο έκθεσης 5.8 ώρες και προκύπτουσα δόση ακτινοβολίας περίπου 2 Gy. Το σημειώνουν για το μέλλον ίη νίνο Εφαρμογές, η χορηγούμενη δόση θα μπορούσε να μειωθεί σε εκατοντάδες milligray, βελτιστοποιώντας τον σχεδιασμό της μάσκας, για παράδειγμα, ή χρησιμοποιώντας πιο αποδοτικά ως προς τη δόση σχήματα απόκτησης.
Για να διατηρήσουν λεπτομέρειες υψηλής ανάλυσης, οι ερευνητές ανακατασκεύασαν εικόνες εξασθένησης και φάσης με 20 μm3 μέγεθος voxel. Οι εικόνες φασματικής εξασθένησης έδειξαν σήμα από οστά (χάρτης ασβεστίου) και αγγειακό σύστημα (χάρτης ιωδίου), αλλά όχι σήμα από μαλακούς ιστούς. Η ανακατασκευή εισόδου φάσης, εν τω μεταξύ, αποκάλυψε δομές μαλακών μορίων, όπως δερματικές και υποδόριες στοιβάδες και εσωτερικά όργανα
Η αποσύνθεση υλικού χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο φασματικής/φάσης διαχώρισε ξεκάθαρα τα αγγεία και τα οστά, χωρίς σήμα μόλυνσης, ενώ το κανάλι φάσης παρείχε καλή ορατότητα του συστατικού μαλακού ιστού που στερεώθηκε με φορμαλίνη.
Σχεδιάζοντας ένα «Google Earth» του ανθρώπινου σώματος
Η υψηλή ανάλυση των εικόνων ιωδίου και ασβεστίου έδειξε ότι το σύστημα μπορεί να συλλάβει αιμοφόρα αγγεία μικρότερα από 50 μm, καθώς και τη λεπτή δοκιδωτή δομή του οστού. Οι ερευνητές δημιούργησαν επίσης μια τρισδιάστατη απόδοση της ανακατασκευής του δείγματος του ποντικιού μετά από φασματική/φασική αποσύνθεση, η οποία οπτικοποιεί ταυτόχρονα τους μαλακούς ιστούς, τα οστά και τα αγγεία.
Το επόμενο βήμα, λέει ο Brombal Κόσμος Φυσικής, θα είναι η μετάφραση αυτής της τεχνικής από μια μελέτη απόδειξης αρχής σε πιο συναρπαστικές επιστημονικές περιπτώσεις. «Πρόσφατα ξεκινήσαμε ένα νέο έργο που επικεντρώνεται στην εφαρμογή της φασματικής αντίθεσης φάσης στην οστεοαρθρική έρευνα, ειδικά στο πλαίσιο της ανίχνευσης ασθενειών όπως η οστεοαρθρίτιδα, και στην (ποσοτική) εικονική ιστολογία, παρέχοντας ενδεχομένως συμπληρωματικές γνώσεις παράλληλα με τη συμβατική παθολογική ανάλυση της χειρουργικής δείγματα ιστού».
- SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
- πηγή: https://physicsworld.com/a/spectral-and-phase-contrast-ct-combine-strengths-to-enhance-x-ray-imaging/
