Införandet av fotonräknande detektorer i CT-skannrar banade vägen för uppkomsten av spektral CT i kliniska miljöer. Sådana system använder två eller flera röntgenenergier för att skapa materialspecifika 3D-kartor. Men eftersom spektral CT är baserad på röntgendämpning, uppvisar den låg kontrast vid avbildning av svagt absorberande material som biologiska vävnader. Som sådana används ofta hög-Z-kontrastmedel för att framhäva strukturer av intresse.
Parallellt blir röntgenfaskontrastavbildning mer allmänt tillgänglig och får uppmärksamhet för både prekliniska och kliniska tillämpningar. Faskontrasttekniker, av vilka många kan producera både dämpnings- och fasförskjutningskartor, erbjuder högre synlighet för material med lågt Z, såsom mjukvävnad.
"Spectral CT har visat sig vara effektiv i en rad applikationer, från materialkvantifiering till bildartefaktreduktion, medan faskontrastavbildning har överlägsen visualisering av mjuka och mikrostrukturerade vävnader", säger Luca Brombal från University of Trieste och INFN. "Med utgångspunkt från dessa grunder försökte vi utnyttja de kombinerade styrkorna hos båda teknikerna."
Brombal och kollegor, också från University College London, visade den första integrationen av spektral- och faskontrast-CT med användning av en tomografisk kantbelysningsinställning. Projektet, beskrivet i Fysik inom medicin och biologi, involverade att utveckla en bilduppsättning som kan förvärva data med både spektrala och faskontrastegenskaper, tillsammans med implementeringen av en materialnedbrytningsmodell.
”Fördelarna med den kombinerade spektrala faskontrastmetoden är möjligheten att samtidigt producera tre massdensitetskartor av specifika element eller föreningar i provet, samtidigt som man förbättrar signal-brusförhållandet, särskilt för mjukvävnadskomponenten, p.g.a. faskänslighet”, förklarar Brombal.
Materialsönderdelning
Teamet använde en faskontrastuppsättning för kantbelysning, där masker placerade på vardera sidan av provet formar den infallande röntgenstrålen och blockerar detektorn selektivt. En referensbelysningskurva skapas utan prov på plats. När provet har infogats dämpas denna kurva och förskjuts i sidled, förändringar som sedan används för att hämta dämpningsbilder och beräkna den provinducerade fasförskjutningen.
För denna studie använde forskarna synkrotronstrålning från den italienska synkrotronanläggningen Elettra. De noterar dock att översättning till en laboratorieuppställning med konventionella röntgenrör bör vara enkel. De skannade först en testfantom bestående av plastkyvetter fyllda med fem vätskor: kalciumkloridlösning (370 och 180 mg/ml); jodlösning (50 och 10 mg/ml, liknande koncentrationer som används i jodbaserade kontraster); och destillerat vatten.
Bildbehandlingssystemet är baserat på en fotonräkningsdetektor med en liten pixel (62 µm) kadmiumtelluridsensor, som drivs i tvåfärgsläge för att registrera inkommande fotoner i låg- och högenergibehållare. Forskarna skaffade tomografiska bilder av fantomet, registrerade 360 projektioner över 180°, med en exponeringstid på 1.2 s per steg och en total insamlingstid på 2.9 timmar.
Efter att ha rekonstruerat 3D-volymer från dämpnings- och fasprojektionerna utförde teamet materialnedbrytning med hjälp av tre algoritmer: spektral nedbrytning, med låg- och högenergidämpningsrekonstruktioner som indata; dämpning/fasupplösning, applicerad på fas- och dämpningsrekonstruktioner erhållna genom att summera energibehållaren; och spektral/fasupplösning, som använder lågenergi-, högenergi- och fasrekonstruktioner.
Algoritmen för spektral/fasnedbrytning uppvisade den bästa prestandan av de tre, och identifierade korrekt alla material utan signalkontamination över kanaler och betydligt mindre brus än standardspektralsönderdelning, på grund av det låga bruset i ingångsfaskanalen. Denna algoritm beräknade värden närmast den nominella massdensiteten, med RMS-fel på 1.1 %, 1.9 % och 3.5 % för vatten-, jod- respektive kalciumkloridlösningar.
Spektral/fasupplösning förbättrade också signal-brusförhållandet för bilderna, med en faktor nio i vattenkanalen och en faktor på 1.3 i jodbilder, jämfört med spektral nedbrytning. Dessutom möjliggjorde endast spektral/fasuppdelningen samtidig kvantifiering av alla tre materialdensiteter.
Biologisk demonstration
För att validera tekniken med hjälp av ett biologiskt prov avbildade forskarna ex vivo en laboratoriemus perfunderad post mortem med ett jodbaserat vaskulärt kontrastmedel. De fick 720 projektioner över 360°, med en total exponeringstid på 5.8 timmar och en resulterande stråldos på cirka 2 Gy. De noterar det för framtiden in vivo- applikationer kan den levererade dosen reduceras till hundratals milligrå, till exempel genom att optimera maskdesignen eller använda mer doseffektiva insamlingsscheman.
För att bevara högupplösta detaljer rekonstruerade forskarna dämpnings- och fasbilder med en 20 µm3 voxelstorlek. Spektrala dämpningsbilder visade signal från ben (kalciumkarta) och vaskulatur (jodkarta), men ingen mjukvävnadssignal. Fasingångsrekonstruktionen avslöjade under tiden mjukvävnadsstrukturer såsom kutana och subkutana skikt och inre organ
Materialnedbrytning med användning av spektral/fas-algoritmen separerade tydligt kärlsystemet och benen, utan någon kontamineringssignal, medan faskanalen gav god synlighet för den formalinfixerade mjukvävnadskomponenten.
Rita upp en 'Google Earth' av människokroppen
Den höga upplösningen av jod- och kalciumbilderna visade att systemet kan fånga blodkärl mindre än 50 µm, såväl som den fina trabekulära strukturen i benet. Forskarna skapade också en 3D-rendering av rekonstruktionen av musprovet efter spektral/fasupplösning, som samtidigt visualiserar mjuka vävnader, ben och kärl.
Nästa steg, berättar Brombal Fysikvärlden, kommer att vara att översätta denna teknik från en proof-of-principle-studie till mer övertygande vetenskapliga fall. "Vi startade nyligen ett nytt projekt fokuserat på tillämpningen av spektral faskontrast på osteoartikulär forskning, särskilt i samband med upptäckt av sjukdomar som artros, och på (kvantitativ) virtuell histologi, vilket potentiellt ger kompletterande insikter tillsammans med konventionell patologisk analys av kirurgisk vävnadsprover."
- SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
- Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
- PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
- Källa: https://physicsworld.com/a/spectral-and-phase-contrast-ct-combine-strengths-to-enhance-x-ray-imaging/
