Việc đưa máy dò đếm photon vào máy chụp CT đã mở đường cho sự phát triển của CT quang phổ trong môi trường lâm sàng. Những hệ thống như vậy sử dụng hai hoặc nhiều năng lượng tia X để tạo ra các bản đồ 3D dành riêng cho vật liệu. Nhưng vì CT quang phổ dựa trên sự suy giảm tia X nên nó có độ tương phản thấp khi chụp ảnh các vật liệu hấp thụ yếu như mô sinh học. Do đó, chất tương phản Z cao thường được sử dụng để làm nổi bật các cấu trúc quan tâm.
Song song đó, hình ảnh tương phản pha tia X đang trở nên phổ biến rộng rãi hơn và thu hút được sự chú ý cho cả ứng dụng tiền lâm sàng và lâm sàng. Các kỹ thuật tương phản pha, nhiều kỹ thuật trong số đó có thể tạo ra cả bản đồ suy giảm và dịch pha, mang lại khả năng hiển thị cao hơn cho các vật liệu có Z thấp như mô mềm.
“CT quang phổ đã được chứng minh là có hiệu quả trong một loạt ứng dụng, từ định lượng vật liệu đến giảm hiện tượng giả hình ảnh, trong khi hình ảnh tương phản pha có khả năng hiển thị vượt trội các mô mềm và mô có cấu trúc vi mô,” cho biết Luca Brombal từ Đại học Trieste và INFN. “Dựa trên những cơ sở này, chúng tôi đã tìm cách tận dụng sức mạnh tổng hợp của cả hai kỹ thuật.”
Brombal và các đồng nghiệp cũng đến từ Đại học London, đã chứng minh sự tích hợp đầu tiên của CT tương phản pha và quang phổ bằng cách sử dụng thiết lập chiếu sáng cạnh chụp cắt lớp. Dự án, được mô tả trong Vật lý trong Y học & Sinh học, liên quan đến việc phát triển một thiết lập hình ảnh có thể thu được dữ liệu với cả đặc tính quang phổ và độ tương phản pha, cùng với việc triển khai mô hình phân hủy vật liệu.
“Lợi ích của phương pháp tương phản pha quang phổ kết hợp là khả năng tạo ra đồng thời ba bản đồ mật độ khối lượng của các nguyên tố hoặc hợp chất cụ thể trong mẫu, đồng thời cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu, đặc biệt là của thành phần mô mềm, do độ nhạy pha,” Brombal giải thích.
Phân hủy vật liệu
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng một thiết lập tương phản pha chiếu sáng cạnh, trong đó mặt nạ đặt hai bên mẫu định hình chùm tia X tới và chặn có chọn lọc máy dò. Đường cong chiếu sáng tham chiếu được tạo ra khi không có mẫu tại chỗ. Sau khi mẫu được đưa vào, đường cong này bị suy giảm và dịch chuyển sang một bên, những thay đổi sau đó được sử dụng để truy xuất hình ảnh suy giảm và tính toán độ lệch pha do mẫu gây ra.
Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng bức xạ synchrotron từ cơ sở synchrotron của Ý Electra. Tuy nhiên, họ lưu ý rằng việc chuyển sang bố trí phòng thí nghiệm sử dụng ống tia X thông thường sẽ đơn giản. Đầu tiên, họ quét một bóng ma thử nghiệm bao gồm các cuvet nhựa chứa đầy năm chất lỏng: dung dịch canxi clorua (370 và 180 mg/ml); dung dịch iốt (50 và 10 mg/ml, tương tự như nồng độ được sử dụng trong thuốc cản quang gốc iốt); và nước cất.
Hệ thống hình ảnh dựa trên máy dò đếm photon với cảm biến cadmium Telluride pixel nhỏ (62 µm), hoạt động ở chế độ hai màu để ghi lại các photon tới trong các thùng năng lượng thấp và năng lượng cao. Các nhà nghiên cứu đã thu được hình ảnh chụp cắt lớp của bóng ma, ghi lại 360 hình chiếu trên 180°, với thời gian phơi sáng là 1.2 giây mỗi bước và tổng thời gian thu là 2.9 giờ.
Sau khi tái tạo các khối 3D từ các phép chiếu suy giảm và pha, nhóm đã thực hiện phân rã vật liệu bằng ba thuật toán: phân rã quang phổ, sử dụng các tái tạo suy giảm năng lượng thấp và năng lượng cao làm đầu vào; sự suy giảm/phân rã pha, áp dụng cho việc tái tạo pha và sự suy giảm thu được bằng cách tính tổng các thùng năng lượng; và phân hủy quang phổ/pha, sử dụng sự tái tạo pha và năng lượng thấp, năng lượng cao.
Thuật toán phân rã phổ/pha thể hiện hiệu suất tốt nhất trong cả ba thuật toán, xác định chính xác tất cả các vật liệu không bị nhiễu tín hiệu trên các kênh và ít nhiễu hơn đáng kể so với phân tách phổ tiêu chuẩn, do độ nhiễu thấp của kênh pha đầu vào. Thuật toán này tính toán các giá trị gần nhất với mật độ khối lượng danh nghĩa, với sai số RMS lần lượt là 1.1%, 1.9% và 3.5% đối với dung dịch nước, iốt và canxi clorua.
Phân rã quang phổ/pha cũng cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu của hình ảnh, theo hệ số 1.3 trong kênh nước và hệ số XNUMX trong hình ảnh iốt, so với phân hủy quang phổ. Ngoài ra, chỉ có phân tách phổ/pha mới cho phép định lượng đồng thời cả ba mật độ vật liệu.
Trình diễn sinh học
Để xác nhận kỹ thuật sử dụng mẫu sinh học, các nhà nghiên cứu đã chụp ảnh ex vivo một con chuột trong phòng thí nghiệm được tưới máu sau khi chết bằng chất tương phản mạch máu gốc iốt. Họ thu được 720 hình chiếu trên 360°, với tổng thời gian phơi sáng là 5.8 giờ và liều bức xạ đạt được là khoảng 2 Gy. Họ lưu ý rằng trong tương lai trong cơ thể các ứng dụng, liều được cung cấp có thể giảm xuống hàng trăm miligam, chẳng hạn như bằng cách tối ưu hóa thiết kế mặt nạ hoặc sử dụng các sơ đồ thu nhận liều lượng hiệu quả hơn.
Để duy trì các chi tiết có độ phân giải cao, các nhà nghiên cứu đã tái tạo lại hình ảnh suy giảm và pha với độ phân giải 20 µm.3 kích thước voxel. Hình ảnh suy giảm quang phổ cho thấy tín hiệu từ xương (bản đồ canxi) và mạch máu (bản đồ iốt), nhưng không có tín hiệu mô mềm. Trong khi đó, quá trình tái tạo đầu vào theo giai đoạn cho thấy các cấu trúc mô mềm như lớp da, lớp dưới da và các cơ quan nội tạng
Phân hủy vật liệu bằng thuật toán quang phổ/pha phân tách rõ ràng mạch máu và xương, không có tín hiệu ô nhiễm, trong khi kênh pha cung cấp khả năng hiển thị tốt về thành phần mô mềm cố định bằng formalin.
Vẽ lên một “Google Earth” của cơ thể con người
Độ phân giải cao của hình ảnh iốt và canxi chứng tỏ rằng hệ thống có thể chụp được các mạch máu nhỏ hơn 50 µm, cũng như cấu trúc phân tử mịn của xương. Các nhà nghiên cứu cũng tạo ra một bản dựng 3D tái tạo mẫu chuột sau khi phân hủy quang phổ/pha, đồng thời hiển thị các mô mềm, xương và mạch máu.
Bước tiếp theo, Brombal kể Thế giới vật lý, sẽ chuyển kỹ thuật này từ một nghiên cứu chứng minh nguyên tắc sang các trường hợp khoa học hấp dẫn hơn. “Gần đây, chúng tôi đã bắt đầu một dự án mới tập trung vào ứng dụng quang phổ tương phản pha cho nghiên cứu về xương khớp, đặc biệt là trong bối cảnh phát hiện các bệnh như viêm xương khớp và mô học ảo (định lượng), có khả năng cung cấp những hiểu biết bổ sung cùng với phân tích bệnh lý thông thường của phẫu thuật. mẫu mô.”
- Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
- PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
- Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
- PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
- nguồn: https://physicsworld.com/a/spectral-and-phase-contrast-ct-combine-strengths-to-enhance-x-ray-imaging/
