सारांश

द्वि-ऊर्जा व्यवकलन इमेजिंग (DES) एक उन्नत चिकित्सा इमेजिंग तकनीक है जिसे जटिल शारीरिक पृष्ठभूमि के विरुद्ध कंट्रास्ट एजेंटों की पहचान क्षमता में सुधार के लिए डिज़ाइन किया गया है। इस विधि में विभिन्न ऊर्जा स्तरों पर दो एक्स-रे छवियों का अधिग्रहण शामिल है - एक कंट्रास्ट एजेंट सामग्री, जैसे कि आयोडीन 33.2 keV पर, के K-अवशोषण किनारे के ऊपर और एक नीचे। इन छवियों के लघुगणकीय व्यवकलन द्वारा, आसपास के ऊतकों से संकेत दबा दिया जाता है, जिससे कंट्रास्ट एजेंट की सापेक्ष दृश्यता बढ़ जाती है। अपनी संभावना के बावजूद, DES को नैदानिक अभ्यास में व्यापक रूप से नहीं अपनाया गया है, आंशिक रूप से दोहरे एक्सपोजर से गति आर्टिफैक्ट्स को पेश किए बिना दो अलग-अलग एक्स-रे स्पेक्ट्रा प्राप्त करने में चुनौतियों के कारण।

यह अध्ययन आयोडीनयुक्त कंट्रास्ट एजेंट के साथ मैमोग्राफी मॉडल में सिलिकॉन-स्ट्रिप डिटेक्टर के साथ इलेक्ट्रॉनिक स्पेक्ट्रम-विभाजन के उपयोग की खोज करता है। सैद्धांतिक और प्रायोगिक विश्लेषण किए जाते हैं, तकनीक की तुलना पारंपरिक अवशोषण इमेजिंग और एक व्यापक सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात (SNR) का उपयोग करने वाले निकट-आदर्श डिटेक्टरों से की जाती है जो सांख्यिकीय और संरचनात्मक दोनों प्रकार के शोर को ध्यान में रखता है। शोध स्पेक्ट्रमल फिल्टरिंग के लिए एक क्रोमैटिक बहु-प्रिज्म एक्स-रे लेंस (MPL) के अनुप्रयोग की भी जांच करता है, जो एक संकीर्ण, समंजनयोग्य स्पेक्ट्रम प्रदान करता है जो भारी अवशोषण निस्यंदन की सीमाओं, जैसे कि एक्स-रे फ्लक्स में महत्वपूर्ण कमी, को संभावित रूप से दूर कर सकता है।

परिचय

समान घनत्व और परमाणु संख्या वाली संरचनाओं के बीच अंतर को बढ़ाने के लिए चिकित्सा एक्स-रे इमेजिंग में कंट्रास्ट एजेंटों का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। मैमोग्राफी में, आयोडीनयुक्त कंट्रास्ट एजेंट ट्यूमर को उजागर करने के लिए विशेष रूप से मूल्यवान हैं, क्योंकि घाव वृद्धि से जुड़े एंजियोजेनेसिस संवहनी पारगम्यता और एजेंट प्रतिधारण को बढ़ाते हैं। जबकि कंप्यूटेड टोमोग्राफी (CT) अंतःशिरा कंट्रास्ट प्रशासन से लाभान्वित होती है, मानक स्क्रीन-फिल्म या डिजिटल मैमोग्राफी अक्सर सीमित कंट्रास्ट रिज़ॉल्यूशन से ग्रस्त होती है, जिससे कंट्रास्ट-वर्धित घावों की पहचान क्षमता कम हो जाती है।

इस सीमा के समाधान के रूप में द्वि-ऊर्जा व्यवकलन (DES) इमेजिंग प्रस्तावित की गई है। यह तकनीक कंट्रास्ट एजेंटों के अवशोषण गुणांक में उनके K-अवशोषण किनारों पर तीव्र परिवर्तन का लाभ उठाती है। आयोडीन के लिए, यह किनारा 33.2 keV पर होता है। इस ऊर्जा के नीचे और ऊपर केंद्रित एक्स-रे स्पेक्ट्रा के साथ छवियों को प्राप्त करके, और फिर उन्हें लघुगणकीय रूप से संयोजित करके, DES विशिष्ट ऊतक जोड़े (जैसे, ग्रंथियों और वसा ऊतक) के संकेतों को रद्द कर सकती है जबकि कंट्रास्ट एजेंट पर जोर देती है। हालाँकि, व्यावहारिक कार्यान्वयन के लिए दो संकीर्ण, अच्छी तरह से अलग किए गए स्पेक्ट्रा की आवश्यकता होती है, जिसे परंपरागत रूप से दोहरे एनोड सामग्रियों और अवशोषण निस्यंदन का उपयोग करके प्राप्त किया गया है - एक ऐसी विधि जो गति अस्पष्टता और दक्षता मुद्दों के प्रति अतिसंवेदनशील है।

यह पत्र इन चुनौतियों को इलेक्ट्रॉनिक स्पेक्ट्रम-विभाजन और एमपीएल-आधारित निस्यंदन का मूल्यांकन करके संबोधित करता है, जिसका लक्ष्य नैदानिक मैमोग्राफी के लिए DES को अनुकूलित करना है।

कार्यप्रणाली

सैद्धांतिक ढांचा

DES की सैद्धांतिक नींव विभिन्न ऊर्जाओं पर पदार्थों द्वारा एक्स-रे के विभेदक क्षीणन पर आधारित है। किसी पदार्थ का क्षीणन गुणांक μ(E) फोटॉन ऊर्जा E के साथ बदलता रहता है, और K-किनारे पर, फोटोइलेक्ट्रिक अवशोषण के कारण यह असतत रूप से बढ़ जाता है। आयोडीन जैसे कंट्रास्ट एजेंट के लिए, इसके परिणामस्वरूप किनारे के ठीक ऊपर की तुलना में ठीक नीचे काफी अधिक क्षीणन होता है। DES प्रक्रिया में क्रमशः कम और उच्च ऊर्जाओं पर प्रेषित तीव्रताओं I_low और I_high को मापना और व्यवकलित छवि S = ln(I_low) - k · ln(I_high) की गणना करना शामिल है, जहाँ k एक भारण कारक है जिसे पृष्ठभूमि ऊतक संकेत को रद्द करने के लिए अनुकूलित किया जाता है।

इलेक्ट्रॉनिक स्पेक्ट्रम-विभाजन

इलेक्ट्रॉनिक स्पेक्ट्रम-विभाजन एक सिलिकॉन-स्ट्रिप डिटेक्टर का उपयोग करता है जो फोटॉन ऊर्जाओं को इलेक्ट्रॉनिक रूप से विभेदित करने में सक्षम है। यह दृष्टिकोण एक एकल एक्स-रे एक्सपोजर से कम और उच्च ऊर्जा छवियों का एक साथ अधिग्रहण करने की अनुमति देता है, जिससे दोहरे एक्सपोजर से जुड़े गति आर्टिफैक्ट्स समाप्त हो जाते हैं। डिटेक्टर की ऊर्जा रिज़ॉल्यूशन और दक्षता को मोंटे कार्लो सिमुलेशन का उपयोग करके मॉडल किया गया था, और इसके प्रदर्शन की तुलना एक आदर्श ऊर्जा-विभेदक डिटेक्टर से की गई थी।

बहु-प्रिज्म एक्स-रे लेंस (MPL)

बहु-प्रिज्म एक्स-रे लेंस एक अपवर्तक प्रकाशिक तत्व है जो प्रिज्म की एक श्रृंखला के माध्यम से एक्स-रे को केंद्रित करता है, जिससे क्रोमैटिक विसर्जन प्रदान होता है। लेंस ज्यामिति को समंजित करके, यह एक्स-रे स्पेक्ट्रम को फ़िल्टर कर सकता है ताकि आयोडीन K-किनारे को अलग करने के लिए तैयार संकीर्ण ऊर्जा बैंड उत्पन्न किए जा सकें। MPL की संचरण दक्षता और स्पेक्ट्रमल शुद्धता की सैद्धांतिक गणना की गई, और फ्लक्स और SNR मेट्रिक्स के आधार पर पारंपरिक अवशोषण फिल्टरों को बदलने की इसकी क्षमता का आकलन किया गया।

प्रायोगिक सेटअप

प्रयोग एक मैमोग्राफी फैंटम का उपयोग करके किए गए, जिसमें ऊतक-समतुल्य पृष्ठभूमि में एम्बेडेड आयोडीन कंट्रास्ट स्पॉट शामिल थे। फैंटम को 40 kVp पर संचालित टंगस्टन एनोड ट्यूब का उपयोग करके उत्पन्न एक्स-रे स्पेक्ट्रा के साथ विकिरणित किया गया, MPL फिल्टरिंग के साथ और बिना। छवियों को सिलिकॉन-स्ट्रिप डिटेक्टर के साथ अधिग्रहित किया गया, और DES को अधिग्रहण के बाद लागू किया गया। SNR, जिसमें क्वांटम शोर और शारीरिक पृष्ठभूमि परिवर्तनशीलता दोनों शामिल हैं, की गणना प्रत्येक विन्यास के लिए की गई।

परिणाम

इलेक्ट्रॉनिक स्पेक्ट्रम-विभाजन प्रदर्शन

सिलिकॉन-स्ट्रिप डिटेक्टर ने न्यूनतम क्रॉस-टॉक के साथ सफलतापूर्वक कम और उच्च ऊर्जा छवियों को हल किया। DES छवियों ने ऊतक पृष्ठभूमि के प्रभावी दमन को दिखाया, जिसमें आयोडीन संकेत प्रमुख रूप से बढ़े हुए थे। SNR विश्लेषण ने पुष्टि की कि इलेक्ट्रॉनिक स्पेक्ट्रम-विभाजन सिम्युलेटेड परिस्थितियों में एक आदर्श डिटेक्टर के बराबर प्रदर्शन करता है, हालांकि ऊर्जा रिज़ॉल्यूशन में व्यावहारिक सीमाओं ने इसकी दक्षता को थोड़ा कम कर दिया।

MPL फिल्टरिंग प्रभावकारिता

MPL ने 31 keV और 35 keV पर केंद्रित संकीर्ण स्पेक्ट्रा (FWHM ~4 keV) उत्पन्न किए, जो आयोडीन DES के लिए आदर्श हैं। पारंपरिक निस्यंदन की तुलना में, MPL ने उच्च एक्स-रे फ्लक्स बनाए रखा, जिससे क्वांटम शोर में कमी के कारण SNR में 30% सुधार हुआ। लेंस की समंजनशीलता ने विभिन्न कंट्रास्ट एजेंटों और इमेजिंग कार्यों के लिए अनुकूलन की भी अनुमति दी।

तुलनात्मक विश्लेषण

जब दो एनोड सामग्रियों का उपयोग करने वाली द्वि-स्पेक्ट्रा (DS) विधियों से तुलना की गई, तो इलेक्ट्रॉनिक स्पेक्ट्रम-विभाजन दृष्टिकोण ने गति आर्टिफैक्ट्स को समाप्त कर दिया और इमेजिंग सेटअप को सरल बना दिया। MPL ने भारी धातु फिल्टरों से जुड़े फ्लक्स दंड के बिना श्रेष्ठ स्पेक्ट्रमल पृथक्करण प्रदान करके प्रदर्शन को और बढ़ाया।

चर्चा

परिणाम प्रदर्शित करते हैं कि इलेक्ट्रॉनिक स्पेक्ट्रम-विभाजन और MPL फिल्टरिंग मैमोग्राफी में DES के लिए महत्वपूर्ण लाभ प्रदान करते हैं। एक एकल एक्सपोजर में द्वि-ऊर्जा डेटा प्राप्त करने की क्षमता पारंपरिक DES की एक प्रमुख सीमा को संबोधित करती है, जबकि MPL की कुशल स्पेक्ट्रमल आकार देने से खुराक दक्षता से समझौता किए बिना SNR में सुधार होता है। हालाँकि, चुनौतियाँ बनी रहती हैं, जिनमें MPL निर्माण की लागत और जटिलता और उच्च-प्रदर्शन ऊर्जा-विभेदक डिटेक्टरों की आवश्यकता शामिल है।

SNR मेट्रिक में संरचनात्मक शोर को शामिल करना महत्वपूर्ण है, क्योंकि शारीरिक अव्यवस्था अक्सर मैमोग्राफी में पहचान क्षमता को सीमित करती है। इसे ध्यान में रखते हुए, अध्ययन नैदानिक सेटिंग्स में DES प्रदर्शन का अधिक यथार्थवादी मूल्यांकन प्रदान करता है। भविष्य के कार्य को इन प्रौद्योगिकियों को पूर्ण-क्षेत्र डिजिटल मैमोग्राफी प्रणालियों में एकीकृत करने और रोगी अध्ययनों में नैदानिक सटीकता पर उनके प्रभाव का मूल्यांकन करने पर केंद्रित होना चाहिए।

निष्कर्ष

यह अध्ययन स्थापित करता है कि इलेक्ट्रॉनिक स्पेक्ट्रम-विभाजन और बहु-प्रिज्म एक्स-रे लेंस का उपयोग करके कंट्रास्ट-वर्धित द्वि-ऊर्जा व्यवकलन इमेजिंग मैमोग्राफी में आयोडीनयुक्त कंट्रास्ट एजेंटों की पहचान क्षमता में काफी सुधार कर सकती है। इलेक्ट्रॉनिक स्पेक्ट्रम-विभाजन तकनीक गति अस्पष्टता को कम करती है, जबकि MPL पारंपरिक निस्यंदन विधियों की तुलना में छवि गुणवत्ता को बढ़ाने वाले समंजनयोग्य, संकीर्ण स्पेक्ट्रा प्रदान करता है। ये प्रगति DES के व्यापक नैदानिक अपनाने की संभावना रखती है, संभावित रूप से बेहतर कंट्रास्ट रिज़ॉल्यूशन के माध्यम से स्तन ट्यूमर के शीघ्र पता लगाने में सुधार करती है।

मुख्य अंतर्दृष्टि

• इलेक्ट्रॉनिक स्पेक्ट्रम-विभाजन एक एकल एक्सपोजर में द्वि-ऊर्जा डेटा प्राप्त करके गति-आर्टिफैक्ट-मुक्त DES सक्षम बनाता है।
• बहु-प्रिज्म एक्स-रे लेंस श्रेष्ठ स्पेक्ट्रमल फिल्टरिंग प्रदान करता है, जिससे फ्लक्स हानि कम होती है और SNR में सुधार होता है।
• आयोडीन कंट्रास्ट एजेंट के साथ DES अवशोषण इमेजिंग की तुलना में 2.5× से अधिक SNR सुधार प्राप्त कर सकता है।
• मैमोग्राफी में सटीक प्रदर्शन मूल्यांकन के लिए संरचनात्मक शोर को SNR गणना में शामिल किया जाना चाहिए।
• MPL प्रौद्योगिकी विभिन्न कंट्रास्ट एजेंटों के लिए समंजनयोग्य है, जिससे इसकी प्रयोज्यता आयोडीन-आधारित DES से परे बढ़ जाती है।