De introductie van detectoren voor het tellen van fotonen in CT-scanners maakte de weg vrij voor de opkomst van spectrale CT in klinische omgevingen. Dergelijke systemen maken gebruik van twee of meer röntgenenergieën om materiaalspecifieke 3D-kaarten te creëren. Maar omdat spectrale CT gebaseerd is op röntgenverzwakking, vertoont het een laag contrast bij het afbeelden van zwak absorberende materialen zoals biologische weefsels. Als zodanig worden contrastmiddelen met een hoge Z vaak gebruikt om interessante structuren te benadrukken.
Tegelijkertijd wordt röntgenfasecontrastbeeldvorming steeds breder beschikbaar en krijgt het de aandacht voor zowel preklinische als klinische toepassingen. Fasecontrasttechnieken, waarvan er vele zowel verzwakkings- als faseverschuivingskaarten kunnen produceren, bieden een betere zichtbaarheid van laag-Z-materialen zoals zachte weefsels.
“Spectrale CT is effectief gebleken in een reeks toepassingen, van materiaalkwantificering tot reductie van beeldartefacten, terwijl beeldvorming met fasecontrast superieure visualisatie biedt van zachte en microgestructureerde weefsels”, zegt Luca Brombal van het Universiteit van Triëst en INFN. “Voortbouwend op deze basis probeerden we de gecombineerde sterke punten van beide technieken te benutten.”
Brombal en collega's, ook uit University College London, demonstreerde de eerste integratie van spectrale en fasecontrast-CT met behulp van een tomografische randverlichtingsopstelling. Het project, beschreven in Physics in Medicine & Biology, omvatte de ontwikkeling van een beeldvormingsopstelling die gegevens kan verzamelen met zowel spectrale als fasecontrasteigenschappen, naast de implementatie van een materiaaldecompositiemodel.
“De voordelen van de gecombineerde spectrale fasecontrastbenadering zijn de mogelijkheid om tegelijkertijd drie massadichtheidskaarten van specifieke elementen of verbindingen in het monster te produceren, terwijl de signaal-ruisverhouding wordt verbeterd, vooral van de zachte weefselcomponent, dankzij fasegevoeligheid”, legt Brombal uit.
Materiële ontleding
Het team gebruikte een fasecontrastopstelling met randverlichting, waarbij maskers aan weerszijden van het monster de invallende röntgenbundel vormgeven en de detector selectief blokkeren. Er wordt een referentiebelichtingscurve gemaakt zonder dat er een monster aanwezig is. Zodra het monster is ingebracht, wordt deze curve verzwakt en lateraal verplaatst, veranderingen die vervolgens worden gebruikt om verzwakkingsbeelden op te halen en de door het monster geïnduceerde faseverschuiving te berekenen.
Voor deze studie gebruikten de onderzoekers synchrotronstraling van de Italiaanse synchrotronfaciliteit Elettra. Ze merken echter op dat de vertaling naar een laboratoriumopstelling met conventionele röntgenbuizen eenvoudig zou moeten zijn. Eerst scanden ze een testfantoom bestaande uit plastic cuvetten gevuld met vijf vloeistoffen: calciumchloride-oplossing (370 en 180 mg/ml); jodiumoplossing (50 en 10 mg/ml, vergelijkbaar met de concentraties die worden gebruikt in contrastmiddelen op jodiumbasis); en gedestilleerd water.
Het beeldvormingssysteem is gebaseerd op een detector voor het tellen van fotonen met een cadmiumtelluridesensor met kleine pixels (62 µm), die in tweekleurenmodus werkt om binnenkomende fotonen in bakken met lage en hoge energie vast te leggen. De onderzoekers maakten tomografische beelden van het fantoom, waarbij ze 360 projecties over 180° registreerden, met een belichtingstijd van 1.2 s per stap en een totale acquisitietijd van 2.9 uur.
Na het reconstrueren van 3D-volumes op basis van de verzwakkings- en faseprojecties, voerde het team materiële decompositie uit met behulp van drie algoritmen: spectrale decompositie, waarbij de reconstructies van lage en hoge energieverzwakking als input werden gebruikt; verzwakking/fase-ontleding, toegepast op fase- en verzwakkingsreconstructies verkregen door het optellen van de energiebakken; en spectrale/fase-ontleding, waarbij gebruik wordt gemaakt van laagenergetische, hoogenergetische en fasereconstructies.
Het spectrale/fase-ontledingsalgoritme vertoonde de beste prestaties van de drie, waarbij alle materialen correct werden geïdentificeerd zonder signaalverontreiniging over de kanalen en aanzienlijk minder ruis dan standaard spectrale ontleding, vanwege de lage ruis van het ingangsfasekanaal. Dit algoritme berekende waarden die het dichtst bij de nominale massadichtheid lagen, met RMS-fouten van respectievelijk 1.1%, 1.9% en 3.5% voor water-, jodium- en calciumchloride-oplossingen.
Spectrale/fase-ontleding verbeterde ook de signaal-ruisverhouding van de beelden, met een factor negen in het waterkanaal en een factor 1.3 in jodiumbeelden, vergeleken met spectrale ontleding. Bovendien maakte alleen de spectrale/fase-ontleding gelijktijdige kwantificering van alle drie de materiaaldichtheden mogelijk.
Biologische demonstratie
Om de techniek te valideren met behulp van een biologisch monster, maakten de onderzoekers een beeld ex vivo een laboratoriummuis die post-mortem werd geperfuseerd met een op jodium gebaseerd vasculair contrastmiddel. Ze verkregen 720 projecties over 360°, met een totale belichtingstijd van 5.8 uur en een resulterende stralingsdosis van ongeveer 2 Gy. Ze noteren dat voor de toekomst in vivo toepassingen zou de afgegeven dosis kunnen worden teruggebracht tot honderden milligrammen, door bijvoorbeeld het maskerontwerp te optimaliseren of door dosisefficiëntere acquisitieschema's te gebruiken.
Om details met een hoge resolutie te behouden, reconstrueerden de onderzoekers verzwakkings- en fasebeelden met een resolutie van 20 µm3 voxel-grootte. Spectrale verzwakkingsbeelden toonden signalen van botten (calciumkaart) en vasculatuur (jodiumkaart), maar geen signaal van zacht weefsel. De fase-invoerreconstructie onthulde ondertussen structuren van zacht weefsel, zoals huid- en onderhuidse lagen en interne organen
Materiaalafbraak met behulp van het spectrale/fase-algoritme scheidde duidelijk het vaatstelsel en de botten, zonder contaminatiesignaal, terwijl het fasekanaal een goede zichtbaarheid bood van de met formaline gefixeerde zachte weefselcomponent.
Een 'Google Earth' van het menselijk lichaam maken
De hoge resolutie van de jodium- en calciumbeelden toonde aan dat het systeem bloedvaten kleiner dan 50 µm kan vastleggen, evenals de fijne trabeculaire structuur van het bot. De onderzoekers creëerden ook een 3D-weergave van de reconstructie van het muismonster na spectrale/fase-ontbinding, die tegelijkertijd zachte weefsels, botten en bloedvaten visualiseert.
De volgende stap, vertelt Brombal Natuurkunde wereld, zal zijn om deze techniek te vertalen van een proof-of-principle-studie naar meer overtuigende wetenschappelijke gevallen. “We zijn onlangs gestart met een nieuw project dat zich richt op de toepassing van spectraal fasecontrast op osteo-articulair onderzoek, vooral in de context van de detectie van ziekten zoals artrose, en op (kwantitatieve) virtuele histologie, dat potentieel aanvullende inzichten kan opleveren naast de conventionele pathologische analyse van chirurgische ingrepen. weefselmonsters.”
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://physicsworld.com/a/spectral-and-phase-contrast-ct-combine-strengths-to-enhance-x-ray-imaging/
