L'introduzione dei rilevatori di conteggio dei fotoni negli scanner TC ha aperto la strada all'aumento della TC spettrale in ambito clinico. Tali sistemi utilizzano due o più energie di raggi X per creare mappe 3D specifiche del materiale. Ma poiché la TC spettrale si basa sull’attenuazione dei raggi X, mostra un basso contrasto quando si esegue l’imaging di materiali debolmente assorbenti come i tessuti biologici. Pertanto, gli agenti di contrasto ad alto Z vengono spesso utilizzati per evidenziare le strutture di interesse.
Parallelamente, l’imaging a contrasto di fase a raggi X sta diventando sempre più ampiamente disponibile e guadagnando attenzione sia per le applicazioni precliniche che cliniche. Le tecniche di contrasto di fase, molte delle quali possono produrre sia mappe di attenuazione che di sfasamento, offrono una maggiore visibilità dei materiali a Z basso come i tessuti molli.
"La TC spettrale si è dimostrata efficace in una vasta gamma di applicazioni, dalla quantificazione dei materiali alla riduzione degli artefatti, mentre l'imaging a contrasto di fase vanta una visualizzazione superiore dei tessuti molli e microstrutturati", afferma Luca Brombal dal Università di Trieste ed L'INFN. “Costruendo su queste basi, abbiamo cercato di sfruttare i punti di forza combinati di entrambe le tecniche”.
Brombal e colleghi, anche da University College London, hanno dimostrato la prima integrazione della TC spettrale e a contrasto di fase utilizzando una configurazione di illuminazione dei bordi tomografica. Il progetto, descritto in Fisica in Medicina e Biologia, ha coinvolto lo sviluppo di un'impostazione di imaging in grado di acquisire dati con proprietà sia spettrali che di contrasto di fase, insieme all'implementazione di un modello di decomposizione del materiale.
“I vantaggi dell’approccio combinato spettrale a contrasto di fase consistono nella possibilità di produrre simultaneamente tre mappe di densità di massa di elementi o composti specifici nel campione, migliorando al contempo il rapporto segnale-rumore, in particolare della componente dei tessuti molli, grazie alla sensibilità alla fase”, spiega Brombal.
Decomposizione materiale
Il team ha utilizzato una configurazione a contrasto di fase con illuminazione dei bordi, in cui le maschere posizionate su entrambi i lati del campione modellano il fascio di raggi X incidente e bloccano selettivamente il rilevatore. Viene creata una curva di illuminazione di riferimento senza campione in posizione. Una volta inserito il campione, questa curva viene attenuata e spostata lateralmente, modifiche che vengono poi utilizzate per recuperare immagini di attenuazione e calcolare lo sfasamento indotto dal campione.
Per questo studio, i ricercatori hanno utilizzato la radiazione di sincrotrone proveniente dall'impianto di sincrotrone italiano Elettra. Notano, tuttavia, che la conversione in una configurazione di laboratorio che utilizza tubi a raggi X convenzionali dovrebbe essere semplice. Per prima cosa hanno scansionato un fantoccio di prova comprendente cuvette di plastica riempite con cinque liquidi: soluzione di cloruro di calcio (370 e 180 mg/ml); soluzione di iodio (50 e 10 mg/ml, concentrazioni simili a quelle utilizzate nei mezzi di contrasto a base di iodio); e acqua distillata.
Il sistema di imaging si basa su un rilevatore di conteggio di fotoni con un sensore al tellururo di cadmio a pixel piccoli (62 µm), gestito in modalità a due colori per registrare i fotoni in arrivo nei contenitori a bassa e alta energia. I ricercatori hanno acquisito immagini tomografiche del fantoccio, registrando 360 proiezioni su 180°, con un tempo di esposizione di 1.2 s per passaggio e un tempo di acquisizione totale di 2.9 ore.
Dopo aver ricostruito i volumi 3D dall'attenuazione e dalle proiezioni di fase, il team ha eseguito la decomposizione del materiale utilizzando tre algoritmi: decomposizione spettrale, utilizzando come input le ricostruzioni dell'attenuazione a bassa e alta energia; attenuazione/decomposizione di fase, applicata a ricostruzioni di fase e attenuazione ottenute sommando i contenitori di energia; e decomposizione spettrale/fase, che utilizza ricostruzioni di fase e a bassa energia, ad alta energia.
L'algoritmo di decomposizione spettrale/fase ha mostrato le migliori prestazioni dei tre, identificando correttamente tutti i materiali senza contaminazione del segnale attraverso i canali e con un rumore significativamente inferiore rispetto alla decomposizione spettrale standard, grazie al basso rumore del canale di fase di ingresso. Questo algoritmo ha calcolato i valori più vicini alla densità di massa nominale, con errori RMS dell'1.1%, 1.9% e 3.5% rispettivamente per le soluzioni di acqua, iodio e cloruro di calcio.
La decomposizione spettrale/fase ha inoltre migliorato il rapporto segnale/rumore delle immagini, di un fattore pari a nove nel canale dell'acqua e di un fattore pari a 1.3 nelle immagini con iodio, rispetto alla decomposizione spettrale. Inoltre, solo la decomposizione spettrale/di fase ha consentito la quantificazione simultanea di tutte e tre le densità del materiale.
Dimostrazione biologica
Per convalidare la tecnica utilizzando un campione biologico, i ricercatori hanno effettuato un'immagine ex vivo un topo da laboratorio perfuso post mortem con un mezzo di contrasto vascolare a base di iodio. Hanno acquisito 720 proiezioni su 360°, con un tempo di esposizione totale di 5.8 ore e una dose di radiazioni risultante di circa 2 Gy. Lo notano per il futuro in vivo applicazioni la dose erogata potrebbe essere ridotta a centinaia di milligray, ottimizzando il design della maschera, ad esempio, o utilizzando schemi di acquisizione più efficienti in termini di dose.
Per preservare i dettagli ad alta risoluzione, i ricercatori hanno ricostruito le immagini di attenuazione e fase con un 20 µm3 dimensione dei voxel. Le immagini di attenuazione spettrale mostravano il segnale proveniente dalle ossa (mappa del calcio) e dal sistema vascolare (mappa dello iodio), ma nessun segnale dai tessuti molli. La ricostruzione in fase iniziale, nel frattempo, ha rivelato strutture dei tessuti molli come strati cutanei e sottocutanei e organi interni
La decomposizione del materiale utilizzando l'algoritmo spettrale/fase separava chiaramente il sistema vascolare e le ossa, senza segnali di contaminazione, mentre il canale di fase forniva una buona visibilità della componente dei tessuti molli fissata in formalina.
Elaborazione di un "Google Earth" del corpo umano
L'elevata risoluzione delle immagini di iodio e calcio ha dimostrato che il sistema può catturare vasi sanguigni inferiori a 50 µm, nonché la sottile struttura trabecolare dell'osso. I ricercatori hanno anche creato un rendering 3D della ricostruzione del campione murino dopo la decomposizione spettrale/di fase, che visualizza simultaneamente i tessuti molli, le ossa e il sistema vascolare.
Il prossimo passo, racconta Brombal Mondo della fisica, sarà quello di tradurre questa tecnica da uno studio di prova di principio a casi scientifici più convincenti. “Abbiamo recentemente avviato un nuovo progetto focalizzato sull’applicazione del contrasto di fase spettrale alla ricerca osteoarticolare, in particolare nel contesto del rilevamento di malattie come l’osteoartrosi, e all’istologia virtuale (quantitativa), fornendo potenzialmente approfondimenti complementari insieme all’analisi patologica convenzionale delle procedure chirurgiche. campioni di tessuto."
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- Fonte: https://physicsworld.com/a/spectral-and-phase-contrast-ct-combine-strengths-to-enhance-x-ray-imaging/
