L'introduction de détecteurs de comptage de photons dans les tomodensitomètres a ouvert la voie à l'essor de la tomodensitométrie spectrale en milieu clinique. De tels systèmes utilisent au moins deux énergies de rayons X pour créer des cartes 3D spécifiques aux matériaux. Mais comme la tomodensitométrie spectrale est basée sur l’atténuation des rayons X, elle présente un faible contraste lors de l’imagerie de matériaux faiblement absorbants tels que les tissus biologiques. En tant que tels, des agents de contraste à Z élevé sont souvent utilisés pour mettre en évidence les structures d’intérêt.
En parallèle, l’imagerie par contraste de phase aux rayons X devient de plus en plus disponible et attire de plus en plus d’attention pour les applications précliniques et cliniques. Les techniques de contraste de phase, dont beaucoup peuvent produire à la fois des cartes d'atténuation et de déphasage, offrent une meilleure visibilité des matériaux à faible Z tels que les tissus mous.
« La tomodensitométrie spectrale s'est révélée efficace dans une gamme d'applications, de la quantification des matériaux à la réduction des artefacts d'image, tandis que l'imagerie à contraste de phase offre une visualisation supérieure des tissus mous et microstructurés », explique Luca Brombal du Université de Trieste ainsi que INFN. « En nous appuyant sur ces bases, nous avons cherché à exploiter les atouts combinés des deux techniques. »
Brombal et ses collègues, également de University College London, a démontré la première intégration de la tomodensitométrie spectrale et à contraste de phase à l'aide d'une configuration tomographique d'éclairage de bord. Le projet, décrit dans Physique en médecine et biologie, impliquait le développement d'une configuration d'imagerie capable d'acquérir des données avec des propriétés à la fois spectrales et de contraste de phase, parallèlement à la mise en œuvre d'un modèle de décomposition des matériaux.
« Les avantages de l'approche spectrale combinée à contraste de phase sont la possibilité de produire simultanément trois cartes de densité de masse d'éléments ou de composés spécifiques dans l'échantillon, tout en améliorant le rapport signal/bruit, en particulier du composant des tissus mous, grâce à sensibilité de phase », explique Brombal.
Décomposition matérielle
L’équipe a utilisé une configuration à contraste de phase avec éclairage de bord, dans laquelle des masques placés de chaque côté de l’échantillon façonnent le faisceau de rayons X incident et bloquent sélectivement le détecteur. Une courbe d'éclairage de référence est créée sans échantillon en place. Une fois l’échantillon inséré, cette courbe est atténuée et déplacée latéralement, modifications qui sont ensuite utilisées pour récupérer des images d’atténuation et calculer le déphasage induit par l’échantillon.
Pour cette étude, les chercheurs ont utilisé le rayonnement synchrotron de l'installation synchrotron italienne. Elettra. Ils notent cependant que la traduction vers une configuration de laboratoire utilisant des tubes à rayons X conventionnels devrait être simple. Ils ont d’abord scanné un fantôme de test comprenant des cuvettes en plastique remplies de cinq liquides : solution de chlorure de calcium (370 et 180 mg/ml) ; Solution d'iode (50 et 10 mg/ml, similaires aux concentrations utilisées dans les produits de contraste à base d'iode) ; et de l'eau distillée.
Le système d'imagerie est basé sur un détecteur de comptage de photons doté d'un capteur au tellurure de cadmium de petits pixels (62 µm), fonctionnant en mode bicolore pour enregistrer les photons entrants dans des bacs à basse et haute énergie. Les chercheurs ont acquis des images tomographiques du fantôme, enregistrant 360 projections sur 180°, avec un temps d'exposition de 1.2 s par pas et un temps d'acquisition total de 2.9 h.
Après avoir reconstruit les volumes 3D à partir des projections d'atténuation et de phase, l'équipe a effectué une décomposition des matériaux à l'aide de trois algorithmes : une décomposition spectrale, en utilisant les reconstructions d'atténuation à basse et haute énergie comme entrées ; décomposition d'atténuation/phase, appliquée aux reconstructions de phase et d'atténuation obtenues en additionnant les classes d'énergie ; et la décomposition spectrale/phase, qui utilise des reconstructions à faible énergie, à haute énergie et en phase.
L'algorithme de décomposition spectrale/phase a présenté les meilleures performances des trois, identifiant correctement tous les matériaux sans contamination du signal entre les canaux et avec beaucoup moins de bruit que la décomposition spectrale standard, en raison du faible bruit du canal de phase d'entrée. Cet algorithme a calculé les valeurs les plus proches de la masse volumique nominale, avec des erreurs RMS de 1.1 %, 1.9 % et 3.5 % pour les solutions d'eau, d'iode et de chlorure de calcium, respectivement.
La décomposition spectrale/phase a également amélioré le rapport signal/bruit des images, d'un facteur neuf dans le canal d'eau et d'un facteur 1.3 dans les images d'iode, par rapport à la décomposition spectrale. De plus, seule la décomposition spectrale/phase a permis une quantification simultanée des trois densités de matériaux.
Démonstration biologique
Pour valider la technique à l'aide d'un échantillon biologique, les chercheurs ont imagé ex vivo une souris de laboratoire perfusée post mortem avec un agent de contraste vasculaire à base d'iode. Ils ont acquis 720 projections sur 360°, avec une durée d'exposition totale de 5.8 h et une dose de rayonnement résultante d'environ 2 Gy. Ils notent que pour l'avenir in vivo Dans certaines applications, la dose délivrée pourrait être réduite à des centaines de milligrays, en optimisant par exemple la conception du masque ou en utilisant des schémas d'acquisition plus efficaces en termes de dose.
Pour préserver les détails haute résolution, les chercheurs ont reconstruit les images d'atténuation et de phase avec un objectif de 20 µm.3 taille des voxels. Les images d'atténuation spectrale ont montré un signal provenant des os (carte du calcium) et du système vasculaire (carte de l'iode), mais aucun signal des tissus mous. La reconstruction d'entrée de phase, quant à elle, a révélé des structures de tissus mous telles que des couches cutanées et sous-cutanées et des organes internes.
La décomposition du matériau à l'aide de l'algorithme spectral/phase séparait clairement le système vasculaire et les os, sans signal de contamination, tandis que le canal de phase offrait une bonne visibilité du composant des tissus mous fixé au formol.
Établir un « Google Earth » du corps humain
La haute résolution des images d'iode et de calcium a démontré que le système peut capturer des vaisseaux sanguins inférieurs à 50 µm, ainsi que la fine structure trabéculaire de l'os. Les chercheurs ont également créé un rendu 3D de la reconstruction de l’échantillon de souris après décomposition spectrale/phase, qui visualise simultanément les tissus mous, les os et le système vasculaire.
La prochaine étape, raconte Brombal Monde de la physique, sera de traduire cette technique d'une étude de preuve de principe à des cas scientifiques plus convaincants. « Nous avons récemment lancé un nouveau projet axé sur l'application du contraste de phase spectral à la recherche ostéoarticulaire, en particulier dans le contexte de la détection de maladies telles que l'arthrose, et à l'histologie virtuelle (quantitative), fournissant potentiellement des informations complémentaires à l'analyse pathologique conventionnelle des interventions chirurgicales. échantillons de tissus.
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- La source: https://physicsworld.com/a/spectral-and-phase-contrast-ct-combine-strengths-to-enhance-x-ray-imaging/
