Résumé

L'imagerie par soustraction double énergie (DES) est une technique d'imagerie médicale avancée conçue pour améliorer la détectabilité des agents de contraste sur des fonds anatomiques complexes. Cette méthode implique l'acquisition de deux images radiographiques à différents niveaux d'énergie—l'une au-dessus et l'autre en dessous du seuil d'absorption K du matériau de l'agent de contraste, tel que l'iode à 33,2 keV. En effectuant une soustraction logarithmique de ces images, le signal des tissus environnants est supprimé, améliorant ainsi la visibilité relative de l'agent de contraste. Malgré son potentiel, la DES n'a pas été largement adoptée en pratique clinique, en partie à cause des difficultés à obtenir deux spectres de rayons X distincts sans introduire d'artefacts de mouvement dus à des doubles expositions.

Cette étude explore l'utilisation du fractionnement électronique du spectre avec un détecteur à bandes de silicium dans un modèle de mammographie avec un agent de contraste iodé. Des analyses théoriques et expérimentales sont menées, comparant la technique à l'imagerie par absorption conventionnelle et à des détecteurs quasi-idéaux en utilisant un rapport signal-sur-bruit (SNR) complet qui prend en compte à la fois le bruit statistique et structurel. La recherche étudie également l'application d'une lentille multi-prismes à rayons X (MPL) chromatique pour le filtrage spectral, qui offre un spectre étroit et accordable pouvant potentiellement surmonter les limitations de la filtration par absorption lourde, telle que des réductions significatives du flux de rayons X.

Introduction

Les agents de contraste sont largement utilisés en imagerie radiographique médicale pour améliorer la différenciation entre des structures de densités et de numéros atomiques similaires. En mammographie, les agents de contraste iodés sont particulièrement précieux pour mettre en évidence les tumeurs, car l'angiogenèse associée à la croissance des lésions augmente la perméabilité vasculaire et la rétention de l'agent. Alors que la tomodensitométrie (CT) bénéficie de l'administration intraveineuse de contraste, la mammographie standard sur film écran ou numérique souffre souvent d'une résolution de contraste limitée, réduisant la détectabilité des lésions rehaussées par contraste.

L'imagerie par soustraction double énergie (DES) a été proposée comme une solution à cette limitation. La technique exploite le changement rapide du coefficient d'absorption des agents de contraste au niveau de leurs seuils d'absorption K. Pour l'iode, ce seuil se situe à 33,2 keV. En acquérant des images avec des spectres de rayons X centrés en dessous et au-dessus de cette énergie, puis en les combinant logarithmiquement, la DES peut annuler les signaux de paires de tissus spécifiques (par exemple, le tissu glandulaire et le tissu adipeux) tout en mettant en évidence l'agent de contraste. Cependant, la mise en œuvre pratique nécessite deux spectres étroits et bien séparés, ce qui a traditionnellement été réalisé en utilisant des matériaux d'anode doubles et une filtration par absorption—une méthode sujette au flou de mouvement et à des problèmes d'efficacité.

Cet article aborde ces défis en évaluant le fractionnement électronique du spectre et le filtrage basé sur MPL, visant à optimiser la DES pour la mammographie clinique.

Méthodologie

Cadre Théorique

Le fondement théorique de la DES est basé sur l'atténuation différentielle des rayons X par les matériaux à différentes énergies. Le coefficient d'atténuation μ(E) d'un matériau varie avec l'énergie des photons E, et au niveau du seuil K, il augmente de manière discontinue en raison de l'absorption photodélectrique. Pour un agent de contraste comme l'iode, cela se traduit par une atténuation significativement plus élevée juste au-dessus du seuil par rapport à juste en dessous. Le processus DES implique de mesurer les intensités transmises I_bas et I_haut aux énergies basse et haute, respectivement, et de calculer l'image soustraite S = ln(I_bas) - k · ln(I_haut), où k est un facteur de pondération optimisé pour annuler le signal du tissu de fond.

Fractionnement Électronique du Spectre

Le fractionnement électronique du spectre utilise un détecteur à bandes de silicium capable de discriminer électroniquement les énergies des photons. Cette approche permet l'acquisition simultanée d'images à basse et haute énergie à partir d'une seule exposition aux rayons X, éliminant les artefacts de mouvement associés aux doubles expositions. La résolution énergétique et l'efficacité du détecteur ont été modélisées à l'aide de simulations Monte Carlo, et ses performances ont été comparées à celles d'un détecteur idéal à résolution d'énergie.

Lentille Multi-Prismes à Rayons X (MPL)

La lentille multi-prismes à rayons X est un élément optique réfractif qui focalise les rayons X à travers une série de prismes, fournissant une dispersion chromatique. En ajustant la géométrie de la lentille, elle peut filtrer le spectre des rayons X pour produire des bandes d'énergie étroites adaptées pour enjamber le seuil K de l'iode. Des calculs théoriques de l'efficacité de transmission et de la pureté spectrale de la MPL ont été effectués, et son potentiel à remplacer les filtres d'absorption conventionnels a été évalué sur la base des métriques de flux et de SNR.

Configuration Expérimentale

Des expériences ont été menées en utilisant un fantôme de mammographie contenant des spots de contraste à l'iode intégrés dans un fond équivalent tissulaire. Le fantôme a été irradié avec des spectres de rayons X générés en utilisant un tube à anode de tungstène fonctionnant à 40 kVp, avec et sans filtrage MPL. Les images ont été acquises avec le détecteur à bandes de silicium, et la DES a été appliquée après acquisition. Le SNR, incorporant à la fois le bruit quantique et la variabilité du fond anatomique, a été calculé pour chaque configuration.

Résultats

Performance du Fractionnement Électronique du Spectre

Le détecteur à bandes de silicium a résolu avec succès les images à basse et haute énergie avec un diaphonie minimal. Les images DES ont montré une suppression efficace du fond tissulaire, avec les signaux d'iode nettement améliorés. L'analyse du SNR a confirmé que le fractionnement électronique du spectre performe de manière comparable à un détecteur idéal dans des conditions simulées, bien que des limitations pratiques en résolution énergétique aient légèrement réduit son efficacité.

Efficacité du Filtrage MPL

La MPL a produit des spectres étroits (FWHM ~4 keV) centrés à 31 keV et 35 keV, idéaux pour la DES à l'iode. Par rapport à la filtration conventionnelle, la MPL a maintenu un flux de rayons X plus élevé, conduisant à une amélioration de 30 % du SNR due à la réduction du bruit quantique. L'accordabilité de la lentille a également permis l'optimisation pour différents agents de contraste et tâches d'imagerie.

Analyse Comparative

Lorsqu'elle est comparée aux méthodes à double spectre (DS) utilisant deux matériaux d'anode, l'approche par fractionnement électronique du spectre a éliminé les artefacts de mouvement et simplifié la configuration d'imagerie. La MPL a encore amélioré les performances en fournissant une séparation spectrale supérieure sans les pénalités de flux associées aux filtres en métal lourd.

Discussion

Les résultats démontrent que le fractionnement électronique du spectre et le filtrage MPL offrent des avantages significatifs pour la DES en mammographie. La capacité à acquérir des données double énergie en une seule exposition répond à une limitation majeure de la DES traditionnelle, tandis que la mise en forme spectrale efficace de la MPL améliore le SNR sans compromettre l'efficacité de la dose. Cependant, des défis subsistent, notamment le coût et la complexité de la fabrication des MPL et le besoin de détecteurs à résolution d'énergie haute performance.

L'inclusion du bruit structurel dans la métrique SNR est cruciale, car l'encombrement anatomique limite souvent la détectabilité en mammographie. En en tenant compte, l'étude fournit une évaluation plus réaliste des performances de la DES en milieu clinique. Les travaux futurs devraient se concentrer sur l'intégration de ces technologies dans les systèmes de mammographie numérique plein champ et sur l'évaluation de leur impact sur la précision diagnostique dans des études sur des patients.

Conclusion

Cette étude établit que l'imagerie par soustraction double énergie améliorée par contraste utilisant le fractionnement électronique du spectre et les lentilles multi-prismes à rayons X peut significativement améliorer la détectabilité des agents de contraste iodés en mammographie. La technique de fractionnement électronique du spectre atténue le flou de mouvement, tandis que la MPL fournit des spectres étroits et accordables qui améliorent la qualité d'image par rapport aux méthodes de filtration conventionnelles. Ces avancées promettent une adoption clinique plus large de la DES, améliorant potentiellement la détection précoce des tumeurs du sein grâce à une résolution de contraste améliorée.

Points Clés

• Le fractionnement électronique du spectre permet une DES sans artefact de mouvement en acquérant des données double énergie en une seule exposition.
• La lentille multi-prismes à rayons X offre un filtrage spectral supérieur, réduisant la perte de flux et améliorant le SNR.
• La DES avec agent de contraste iodé peut atteindre une amélioration du SNR de plus de 2,5× par rapport à l'imagerie par absorption.
• Le bruit structurel doit être inclus dans les calculs de SNR pour une évaluation précise des performances en mammographie.
• La technologie MPL est accordable pour différents agents de contraste, étendant son applicabilité au-delà de la DES basée sur l'iode.