フォトンカウンティング検出器の CT スキャナーへの導入により、臨床現場でのスペクトル CT の普及への道が開かれました。このようなシステムは、3 つ以上の X 線エネルギーを使用して、材料固有の XNUMXD マップを作成します。しかし、スペクトル CT は X 線の減衰に基づいているため、生体組織などの吸収の弱い物質をイメージングする場合はコントラストが低くなります。そのため、ハイ Z 造影剤は、関心のある構造を強調するためによく使用されます。
並行して、X 線位相コントラストイメージングがより広く利用できるようになり、前臨床応用と臨床応用の両方で注目を集めています。位相コントラスト技術の多くは、減衰マップと位相シフト マップの両方を生成でき、軟組織などの低 Z 材料の視認性を高めます。
「スペクトル CT は、材料の定量化から画像アーティファクトの低減に至るまで、さまざまな用途で効果的であることが証明されています。一方、位相コントラスト イメージングは、軟組織や微細構造の組織の優れた視覚化を誇ります。」と彼は言います。 ルカ・ブロンバル トリエステ大学 & INFN。 「これらのベースに基づいて、両方の技術の強みを組み合わせて活用することを目指しました。」
ブロンバルと同僚たちも、 ユニバーシティ・カレッジ・ロンドンは、断層撮影エッジ照明セットアップを使用したスペクトル CT と位相コントラスト CT の最初の統合を実証しました。で説明されているプロジェクト 医学と生物学の物理学には、材料分解モデルの実装と並行して、スペクトル特性と位相コントラスト特性の両方を備えたデータを取得できるイメージング設定の開発が含まれていました。
「スペクトル位相コントラスト手法を組み合わせた利点は、サンプル中の特定の元素または化合物の 3 つの質量密度マップを同時に生成できると同時に、特に軟組織成分の S/N 比を改善できることです。位相感度です」とブロンバル氏は説明します。
物質の分解
研究チームは、サンプルの両側に配置されたマスクが入射 X 線ビームを成形し、検出器を選択的にブロックするエッジ照明位相コントラスト セットアップを使用しました。基準照明曲線はサンプルを配置せずに作成されます。サンプルが挿入されると、この曲線は減衰して横方向に変位し、その変化を使用して減衰画像を取得し、サンプルに起因する位相シフトを計算します。
この研究のために、研究者らはイタリアのシンクロトロン施設からのシンクロトロン放射を利用した。 エレトラ。しかし、彼らは、従来の X 線管を使用する実験室のセットアップへの変換は簡単であるはずだと指摘しています。彼らはまず、塩化カルシウム溶液 (370 および 180 mg/ml)、および塩化カルシウム溶液 (50 および 10 mg/ml) の XNUMX つの液体で満たされたプラスチック キュベットで構成されるテスト ファントムをスキャンしました。ヨウ素溶液（XNUMX および XNUMX mg/ml、ヨウ素ベースの造影剤で使用される濃度と同様）。そして蒸留水。
このイメージング システムは、小ピクセル (62 μm) テルル化カドミウム センサーを備えたフォトン カウンティング検出器に基づいており、360 カラー モードで動作して、低エネルギー ビンと高エネルギー ビンに入射するフォトンを記録します。研究者らはファントムの断層撮影画像を取得し、180°にわたる 1.2 個の投影を記録しました。露光時間は 2.9 ステップあたり XNUMX 秒、合計取得時間は XNUMX 時間でした。
減衰と位相投影から 3D ボリュームを再構成した後、チームは XNUMX つのアルゴリズムを使用してマテリアル分解を実行しました。XNUMX つは低エネルギーおよび高エネルギーの減衰再構成を入力として使用するスペクトル分解です。減衰/位相分解。エネルギー ビンを合計することによって得られる位相と減衰の再構成に適用されます。もう XNUMX つは、低エネルギー、高エネルギー、および位相の再構成を使用するスペクトル/位相分解です。
スペクトル/位相分解アルゴリズムは 1.1 つのアルゴリズムの中で最高のパフォーマンスを発揮し、入力位相チャンネルのノイズが低いため、チャンネル全体で信号の汚染がなく、標準のスペクトル分解よりもノイズが大幅に少なく、すべてのマテリアルを正確に識別しました。このアルゴリズムは、公称質量密度に最も近い値を計算し、水溶液、ヨウ素溶液、塩化カルシウム溶液の RMS 誤差はそれぞれ 1.9%、3.5%、XNUMX% でした。
また、スペクトル/位相分解では、スペクトル分解と比較して、画像の信号対雑音比が水路では 1.3 倍、ヨウ素画像では XNUMX 倍改善されました。さらに、スペクトル/位相分解のみが、XNUMX つの材料密度すべての同時定量化を可能にしました。
生物学的実証
生物学的サンプルを使用してこの技術を検証するために、研究者らは次の画像を作成しました。 生体外で 死後にヨウ素ベースの血管造影剤を灌流した実験用マウス。彼らは 720°にわたって 360 の投影を取得し、総露光時間は 5.8 時間、結果として生じる放射線量は約 2 Gy でした。彼らは将来のために次のように述べています インビボの 応用例では、マスク設計を最適化するか、より線量効率の高い取得スキームを使用することにより、照射線量を数百ミリグレイまで減らすことができます。
高解像度の詳細を保存するために、研究者らは 20 μm の減衰画像と位相画像を再構成しました。3 ボクセルサイズ。スペクトル減衰画像では、骨 (カルシウム マップ) および血管系 (ヨウ素マップ) からの信号が示されましたが、軟組織の信号は示されませんでした。一方、位相入力再構成により、皮膚層、皮下層、内臓などの軟組織構造が明らかになりました。
スペクトル/位相アルゴリズムを使用した材料分解により、汚染信号がなく血管系と骨が明確に分離され、位相チャネルによりホルマリン固定された軟組織コンポーネントの良好な可視性が得られました。
人体の「Google Earth」を描く
ヨウ素およびカルシウム画像の高解像度は、このシステムが 50 μm 未満の血管や骨の微細な小柱構造を捕捉できることを実証しました。研究者らはまた、スペクトル/位相分解後のマウスサンプル再構成の 3D レンダリングを作成しました。これにより、軟組織、骨、血管系が同時に視覚化されます。
ブロンバル氏は次のステップについてこう語る。 物理学の世界、この手法を原理実証研究から、より説得力のある科学的事例に変換することになります。 「私たちは最近、特に変形性関節症などの疾患の検出に関連した骨関節研究と、（定量的）仮想組織学へのスペクトル位相コントラストの適用に焦点を当てた新しいプロジェクトを開始しました。これにより、従来の外科手術の病理学的分析と並行して補完的な洞察が得られる可能性があります」組織標本です。」
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- 情報源： https://physicsworld.com/a/spectral-and-phase-contrast-ct-combine-strengths-to-enhance-x-ray-imaging/
