A introdução de detectores de contagem de fótons em tomógrafos abriu caminho para o surgimento da TC espectral em ambientes clínicos. Tais sistemas empregam duas ou mais energias de raios X para criar mapas 3D específicos do material. Mas como a TC espectral é baseada na atenuação de raios X, ela exibe baixo contraste ao gerar imagens de materiais de fraca absorção, como tecidos biológicos. Como tal, agentes de contraste de alto Z são frequentemente utilizados para destacar estruturas de interesse.
Paralelamente, a imagem com contraste de fase de raios X está se tornando mais amplamente disponível e ganhando atenção tanto para aplicações pré-clínicas quanto clínicas. Técnicas de contraste de fase, muitas das quais podem produzir mapas de atenuação e de mudança de fase, oferecem maior visibilidade de materiais de baixo Z, como tecidos moles.
“A TC espectral provou ser eficaz em uma variedade de aplicações, desde a quantificação de materiais até a redução de artefatos de imagem, enquanto a imagem com contraste de fase apresenta visualização superior de tecidos moles e microestruturados”, afirma Lucas Brombal do Universidade de Trieste e INFN. “Com base nessas bases, procuramos aproveitar os pontos fortes combinados de ambas as técnicas.”
Brombal e colegas, também de University College London, demonstraram a primeira integração de TC espectral e de contraste de fase usando uma configuração tomográfica de iluminação de borda. O projeto, descrito em Física em Medicina e Biologia, envolveu o desenvolvimento de uma configuração de imagem que pode adquirir dados com propriedades espectrais e de contraste de fase, juntamente com a implementação de um modelo de decomposição de material.
“Os benefícios da abordagem combinada de contraste de fase espectral são a possibilidade de produzir simultaneamente três mapas de densidade de massa de elementos ou compostos específicos na amostra, melhorando ao mesmo tempo a relação sinal-ruído, especialmente do componente de tecido mole, devido a sensibilidade de fase”, explica Brombal.
Decomposição de materiais
A equipe usou uma configuração de contraste de fase de iluminação de borda, na qual máscaras colocadas em cada lado da amostra moldam o feixe de raios X incidente e bloqueiam seletivamente o detector. Uma curva de iluminação de referência é criada sem nenhuma amostra colocada. Uma vez inserida a amostra, esta curva é atenuada e deslocada lateralmente, alterações que são então utilizadas para recuperar imagens de atenuação e calcular a mudança de fase induzida pela amostra.
Para este estudo, os pesquisadores empregaram radiação síncrotron da instalação síncrotron italiana Electra. Eles observam, no entanto, que a tradução para um laboratório usando tubos de raios X convencionais deve ser simples. Eles primeiro digitalizaram um simulador de teste composto por cubetas de plástico cheias de cinco líquidos: solução de cloreto de cálcio (370 e 180 mg/ml); solução de iodo (50 e 10 mg/ml, concentrações semelhantes às utilizadas em contrastes à base de iodo); e água destilada.
O sistema de imagem é baseado em um detector de contagem de fótons com um sensor de telureto de cádmio de pequeno pixel (62 µm), operado em modo bicolor para registrar fótons recebidos em compartimentos de baixa e alta energia. Os pesquisadores adquiriram imagens tomográficas do fantasma, registrando 360 projeções em 180°, com tempo de exposição de 1.2 s por etapa e tempo total de aquisição de 2.9 h.
Depois de reconstruir volumes 3D a partir das projeções de atenuação e fase, a equipe realizou a decomposição do material usando três algoritmos: decomposição espectral, usando as reconstruções de atenuação de baixa e alta energia como entradas; atenuação/decomposição de fase, aplicada às reconstruções de fase e atenuação obtidas pela soma dos compartimentos de energia; e decomposição espectral/de fase, que utiliza reconstruções de baixa energia, alta energia e de fase.
O algoritmo de decomposição espectral/fase exibiu o melhor desempenho dos três, identificando corretamente todos os materiais sem contaminação de sinal através dos canais e significativamente menos ruído do que a decomposição espectral padrão, devido ao baixo ruído do canal de fase de entrada. Este algoritmo calculou valores mais próximos da densidade nominal de massa, com erros RMS de 1.1%, 1.9% e 3.5% para soluções de água, iodo e cloreto de cálcio, respectivamente.
A decomposição espectral/fase também melhorou a relação sinal-ruído das imagens, por um fator de nove no canal de água e um fator de 1.3 nas imagens de iodo, em comparação com a decomposição espectral. Além disso, apenas a decomposição espectral/fase permitiu a quantificação simultânea de todas as três densidades do material.
Demonstração biológica
Para validar a técnica usando uma amostra biológica, os pesquisadores criaram imagens ex vivo um camundongo de laboratório perfundido post-mortem com um agente de contraste vascular à base de iodo. Eles adquiriram 720 projeções em 360°, com tempo total de exposição de 5.8 horas e dose de radiação resultante de cerca de 2 Gy. Eles observam que para o futuro in vivo aplicações, a dose administrada poderia ser reduzida para centenas de miligrays, otimizando o design da máscara, por exemplo, ou usando esquemas de aquisição mais eficientes em termos de dose.
Para preservar detalhes de alta resolução, os pesquisadores reconstruíram imagens de atenuação e fase com um sensor de 20 µm.3 tamanho do voxel. Imagens de atenuação espectral mostraram sinal dos ossos (mapa de cálcio) e vasculatura (mapa de iodo), mas nenhum sinal de tecidos moles. A reconstrução de entrada de fase, entretanto, revelou estruturas de tecidos moles, como camadas cutâneas e subcutâneas e órgãos internos
A decomposição do material usando o algoritmo espectral/fase separou claramente a vasculatura e os ossos, sem sinal de contaminação, enquanto o canal de fase proporcionou boa visibilidade do componente de tecido mole fixado em formalina.
Desenhando um ‘Google Earth’ do corpo humano
A alta resolução das imagens de iodo e cálcio demonstrou que o sistema pode capturar vasos sanguíneos menores que 50 µm, bem como a fina estrutura trabecular do osso. Os pesquisadores também criaram uma renderização 3D da reconstrução da amostra de camundongo após decomposição espectral/de fase, que visualiza simultaneamente tecidos moles, ossos e vasculatura.
O próximo passo, Brombal diz Mundo da física, será traduzir esta técnica de um estudo de prova de princípio para casos científicos mais convincentes. “Recentemente iniciamos um novo projeto focado na aplicação de contraste de fase espectral à pesquisa osteoarticular, especialmente no contexto da detecção de doenças como a osteoartrite, e à histologia virtual (quantitativa), potencialmente fornecendo insights complementares juntamente com a análise patológica convencional de cirurgias. amostras de tecido.”
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- Fonte: https://physicsworld.com/a/spectral-and-phase-contrast-ct-combine-strengths-to-enhance-x-ray-imaging/
