چکیده

تصویربرداری تفاضلی انرژی دوگانه (DES) یک تکنیک پیشرفته تصویربرداری پزشکی است که برای بهبود قابلیت تشخیص مواد حاجب در برابر زمینه‌های آناتومیکی پیچیده طراحی شده است. این روش شامل اخذ دو تصویر پرتو ایکس در سطوح انرژی مختلف - یکی بالاتر و یکی پایین‌تر از لبه جذب K ماده حاجب، مانند ید در 33.2 کیلو الکترون‌ولت - می‌باشد. با انجام تفریق لگاریتمی این تصاویر، سیگنال حاصل از بافت‌های اطراف سرکوب شده و در نتیجه دید نسبی ماده حاجب بهبود می‌یابد. علیرغم پتانسیل آن، DES به طور گسترده در عمل بالینی مورد استفاده قرار نگرفته است که بخشی از آن به دلیل چالش‌های موجود در به دست آوردن دو طیف متمایز پرتو ایکس بدون ایجاد آرتیفکت‌های حرکتی ناشی از نوردهی دوگانه است.

این مطالعه استفاده از تقسیم طیف الکترونیکی با یک آشکارساز نوار سیلیکونی را در یک مدل ماموگرافی با ماده حاجب یددار بررسی می‌کند. تحلیل‌های نظری و تجربی انجام شده و این تکنیک با تصویربرداری جذبی متعارف و آشکارسازهای نزدیک به ایده‌آل با استفاده از یک نسبت سیگنال به نویز (SNR) جامع که هر دو نویز آماری و ساختاری را در نظر می‌گیرد، مقایسه می‌شود. این پژوهش همچنین کاربرد یک لنز پرتو ایکس چند منشوری (MPL) رنگی برای فیلتر کردن طیف را بررسی می‌کند که یک طیف باریک و قابل تنظیم ارائه می‌دهد و به طور بالقوه می‌تواند محدودیت‌های فیلتراسیون جذبی سنگین، مانند کاهش قابل توجه شار پرتو ایکس را برطرف کند.

مقدمه

مواد حاجب به طور گسترده در تصویربرداری پزشکی با پرتو ایکس برای بهبود تمایز بین ساختارهایی با چگالی و اعداد اتمی مشابه استفاده می‌شوند. در ماموگرافی، مواد حاجب یددار به ویژه برای برجسته‌سازی تومورها ارزشمند هستند، زیرا رگزایی مرتبط با رشد ضایعه، نفوذپذیری عروقی و حفظ ماده حاجب را افزایش می‌دهد. در حالی که توموگرافی کامپیوتری (CT) از تزریق داخل وریدی ماده حاجب بهره می‌برد، ماموگرافی استاندارد صفحه-فیلم یا دیجیتال اغلب از وضوح کنتراست محدود رنج برده که باعث کاهش قابلیت تشخیص ضایعات بهبود یافته با کنتراست می‌شود.

تصویربرداری تفاضلی انرژی دوگانه (DES) به عنوان راه‌حلی برای این محدودیت پیشنهاد شده است. این تکنیک از تغییر سریع ضریب جذب مواد حاجب در لبه‌های جذب K آنها بهره می‌برد. برای ید، این لبه در 33.2 کیلو الکترون‌ولت رخ می‌دهد. با اخذ تصاویر با طیف‌های پرتو ایکس متمرکز در زیر و بالای این انرژی، و سپس ترکیب لگاریتمی آنها، DES می‌تواند سیگنال‌های حاصل از جفت بافت‌های خاص (مانند بافت غده‌ای و چربی) را حذف کند در حالی که ماده حاجب را برجسته می‌سازد. با این حال، پیاده‌سازی عملی به دو طیف باریک و به خوبی جدا شده نیاز دارد که به طور سنتی با استفاده از مواد آند دوگانه و فیلتراسیون جذبی - روشی مستعد ناواضحی حرکتی و مسائل کارایی - به دست می‌آید.

این مقاله با ارزیابی تقسیم طیف الکترونیکی و فیلتراسیون مبتنی بر MPL، به این چالش‌ها پرداخته و هدف آن بهینه‌سازی DES برای ماموگرافی بالینی است.

روش‌شناسی

چارچوب نظری

پایه نظری DES بر اساس تضعیف تفاضلی پرتوهای ایکس توسط مواد در انرژی‌های مختلف است. ضریب تضعیف μ(E) یک ماده با انرژی فوتون E تغییر می‌کند و در لبه K، به دلیل جذب فوتوالکتریک به طور ناپیوسته افزایش می‌یابد. برای یک ماده حاجب مانند ید، این امر منجر به تضعیف به طور قابل توجهی بالاتر درست بالای لبه در مقایسه با درست زیر آن می‌شود. فرآیند DES شامل اندازه‌گیری شدت‌های عبوری I_low و I_high به ترتیب در انرژی‌های پایین و بالا، و محاسبه تصویر تفاضلی S = ln(I_low) - k · ln(I_high) است، که در آن k یک فاکتور وزنی است که برای حذف سیگنال بافت زمینه بهینه شده است.

تقسیم طیف الکترونیکی

لنز پرتو ایکس چند منشوری (MPL)

لنز پرتو ایکس چند منشوری یک المان نوری انکساری است که پرتوهای ایکس را از طریق یک سری منشورها متمرکز می‌کند و پراکندگی رنگی ارائه می‌دهد. با تنظیم هندسه لنز، می‌توان طیف پرتو ایکس را برای تولید باندهای انرژی باریک که برای قرارگیری در دو طرف لبه K ید طراحی شده‌اند، فیلتر کرد. محاسبات نظری کارایی انتقال و خلوص طیفی MPL انجام شد و پتانسیل آن برای جایگزینی فیلترهای جذبی متعارف بر اساس معیارهای شار و SNR ارزیابی شد.

راه‌اندازی تجربی

آزمایش‌ها با استفاده یک فانتوم ماموگرافی حاوی نقاط کنتراست ید جاسازی شده در یک زمینه معادل بافت انجام شد. فانتوم با طیف‌های پرتو ایکس تولید شده با استفاده از یک لوله آند تنگستن که در 40 کیلوولت پیک کار می‌کرد، با و بدون فیلتر کردن MPL پرتودهی شد. تصاویر با آشکارساز نوار سیلیکونی اخذ شد و DES پس از اخذ اعمال گردید. SNR، که شامل هر دو نویز کوانتومی و تغییرپذیری زمینه آناتومیکی است، برای هر پیکربندی محاسبه شد.

نتایج

عملکرد تقسیم طیف الکترونیکی

آشکارساز نوار سیلیکونی با موفقیت تصاویر انرژی پایین و بالا را با حداقل تداخل تفکیک کرد. تصاویر DES سرکوب مؤثر زمینه بافت را نشان دادند و سیگنال‌های ید به طور برجسته‌ای بهبود یافتند. تحلیل SNR تأیید کرد که تقسیم طیف الکترونیکی تحت شرایط شبیه‌سازی شده عملکردی قابل مقایسه با یک آشکارساز ایده‌آل دارد، اگرچه محدودیت‌های عملی در وضوح انرژی کارایی آن را کمی کاهش داد.

کارایی فیلتر کردن MPL

MPL طیف‌های باریکی (FWHM ~4 کیلو الکترون‌ولت) را در مرکز 31 کیلو الکترون‌ولت و 35 کیلو الکترون‌ولت تولید کرد که برای DES ید ایده‌آل است. در مقایسه با فیلتراسیون متعارف، MPL شار پرتو ایکس بالاتری را حفظ کرد که منجر به بهبود 30٪ در SNR به دلیل کاهش نویز کوانتومی شد. قابلیت تنظیم لنز همچنین بهینه‌سازی برای مواد حاجب مختلف و وظایف تصویربرداری را ممکن ساخت.

تحلیل مقایسه‌ای

هنگام مقایسه با روش‌های طیف دوگانه (DS) با استفاده از دو ماده آند، روش تقسیم طیف الکترونیکی آرتیفکت‌های حرکتی را حذف کرد و راه‌اندازی تصویربرداری را ساده‌سازی نمود. MPL با ارائه جداسازی طیفی برتر بدون جریمه‌های شار مرتبط با فیلترهای فلزی سنگین، عملکرد را بیشتر بهبود بخشید.

بحث

نتایج نشان می‌دهد که تقسیم طیف الکترونیکی و فیلتر کردن MPL مزایای قابل توجهی برای DES در ماموگرافی ارائه می‌دهند. توانایی اخذ داده انرژی دوگانه در یک نوردهی واحد، یک محدودیت اصلی DES سنتی را برطرف می‌کند، در حالی که شکل‌دهی کارآمد طیفی MPL، SNR را بدون به خطر انداختن کارایی دوز بهبود می‌بخشد. با این حال، چالش‌هایی از جمله هزینه و پیچیدگی ساخت MPL و نیاز به آشکارسازهای با کارایی بالا با قابلیت تفکیک انرژی باقی می‌ماند.

شامل کردن نویز ساختاری در متریک SNR بسیار مهم است، زیرا اغلب شلوغی آناتومیکی قابلیت تشخیص را در ماموگرافی محدود می‌کند. با در نظر گرفتن این موضوع، مطالعه ارزیابی واقع‌بینانه‌تری از عملکرد DES در محیط‌های بالینی ارائه می‌دهد. کار آینده باید بر ادغام این فناوری‌ها در سیستم‌های ماموگرافی دیجیتال تمام میدانی و ارزیابی تأثیر آنها بر دقت تشخیصی در مطالعات بیمار متمرکز شود.

نتیجه‌گیری

این مطالعه ثابت می‌کند که تصویربرداری تفاضلی انرژی دوگانه با بهبود کنتراست با استفاده از تقسیم طیف الکترونیکی و لنزهای پرتو ایکس چند منشوری می‌تواند به طور قابل توجهی قابلیت تشخیص مواد حاجب یددار در ماموگرافی را بهبود بخشد. تکنیک تقسیم طیف الکترونیکی ناواضحی حرکتی را کاهش می‌دهد، در حالی که MPL طیف‌های باریک و قابل تنظیمی ارائه می‌دهد که کیفیت تصویر را در مقایسه با روش‌های فیلتراسیون متعارف بهبود می‌بخشد. این پیشرفت‌ها نوید پذیرش بالینی گسترده‌تر DES را داده و به طور بالقوه تشخیص زودهنگام تومورهای پستان را از طریق وضوح کنتراست بهبود یافته ممکن می‌سازد.

بینش‌های کلیدی

• تقسیم طیف الکترونیکی با اخذ داده انرژی دوگانه در یک نوردهی واحد، DES بدون آرتیفکت حرکتی را ممکن می‌سازد.
• لنز پرتو ایکس چند منشوری فیلتر کردن طیفی برتری ارائه می‌دهد که کاهش شار را به حداقل رسانده و SNR را بهبود می‌بخشد.
• DES با ماده حاجب ید می‌تواند به بهبود بیش از 2.5 برابری SNR در مقایسه با تصویربرداری جذبی دست یابد.
• نویز ساختاری باید در محاسبات SNR برای ارزیابی عملکرد دقیق در ماموگرافی گنجانده شود.
• فناوری MPL برای مواد حاجب مختلف قابل تنظیم است که کاربرد آن را فراتر از DES مبتنی بر ید گسترش می‌دهد.