Abstrak

Pengimejan penolakan dual tenaga (DES) adalah teknik pengimejan perubatan termaju yang direka untuk meningkatkan kebolehkesanan agen kontras terhadap latar belakang anatomi yang kompleks. Kaedah ini melibatkan pemerolehan dua imej sinar-x pada tahap tenaga yang berbeza—satu di atas dan satu di bawah pinggir penyerapan-K bahan agen kontras, seperti iodin pada 33.2 keV. Dengan melakukan penolakan logaritma imej-imej ini, isyarat dari tisu sekeliling ditekan, seterusnya meningkatkan keterlihatan relatif agen kontras. Walaupun berpotensi, DES tidak diterima pakai secara meluas dalam amalan klinikal, sebahagiannya disebabkan oleh cabaran dalam mendapatkan dua spektrum sinar-x yang berbeza tanpa memperkenalkan artefak gerakan dari pendedahan berganda.

Kajian ini meneroka penggunaan pembahagian spektrum elektronik dengan pengesan jalur silikon dalam model mamografi dengan agen kontras beriodin. Analisis teori dan eksperimen dijalankan, membandingkan teknik ini dengan pengimejan penyerapan konvensional dan pengesan hampir ideal menggunakan nisbah isyarat-kepada-hingar (SNR) komprehensif yang mengambil kira kedua-dua hingar statistik dan struktur. Penyelidikan ini juga menyiasat aplikasi kanta sinar-x pelbagai prisma (MPL) kromatik untuk penapisan spektrum, yang menawarkan spektrum sempit dan boleh dilaras yang berpotensi mengatasi batasan penapisan penyerapan berat, seperti pengurangan ketara dalam fluks sinar-x.

Pengenalan

Agen kontras digunakan secara meluas dalam pengimejan sinar-x perubatan untuk meningkatkan pembezaan antara struktur dengan ketumpatan dan nombor atom yang serupa. Dalam mamografi, agen kontras beriodin amat berharga untuk menyerlahkan tumor, kerana angiogenesis yang dikaitkan dengan pertumbuhan lesi meningkatkan kebolehtelapan vaskular dan pengekalan agen. Walaupun tomografi berkomputer (CT) mendapat manfaat daripada pemberian kontras intravena, mamografi skrin-filem atau digital piawai sering mengalami resolusi kontras yang terhad, mengurangkan kebolehkesanan lesi yang dipertingkatkan kontras.

Pengimejan penolakan dual tenaga (DES) telah dicadangkan sebagai penyelesaian kepada batasan ini. Teknik ini memanfaatkan perubahan pantas dalam pekali penyerapan agen kontras pada pinggir penyerapan-K mereka. Untuk iodin, pinggir ini berlaku pada 33.2 keV. Dengan memperoleh imej dengan spektrum sinar-x berpusat di bawah dan di atas tenaga ini, dan kemudian menggabungkannya secara logaritma, DES boleh membatalkan isyarat dari pasangan tisu tertentu (contohnya, tisu kelenjar dan adipose) sambil menekankan agen kontras. Walau bagaimanapun, pelaksanaan praktikal memerlukan dua spektrum sempit yang terpisah dengan baik, yang secara tradisinya dicapai menggunakan bahan anod berganda dan penapisan penyerapan—kaedah yang terdedah kepada ketidakjelasan gerakan dan isu kecekapan.

Kertas ini menangani cabaran ini dengan menilai pembahagian spektrum elektronik dan penapisan berasaskan MPL, bertujuan untuk mengoptimumkan DES untuk mamografi klinikal.

Metodologi

Kerangka Teori

Asas teori DES adalah berdasarkan pelemahan pembezaan sinar-x oleh bahan pada tenaga yang berbeza. Pekali pelemahan μ(E) bahan berbeza dengan tenaga foton E, dan pada pinggir-K, ia meningkat secara tidak selanjar disebabkan oleh penyerapan fotoelektrik. Untuk agen kontras seperti iodin, ini mengakibatkan pelemahan yang jauh lebih tinggi tepat di atas pinggir berbanding tepat di bawahnya. Proses DES melibatkan pengukuran keamatan yang dihantar I_rendah dan I_tinggi pada tenaga rendah dan tinggi masing-masing, dan mengira imej tolak S = ln(I_rendah) - k · ln(I_tinggi), di mana k adalah faktor pemberat yang dioptimumkan untuk membatalkan isyarat tisu latar belakang.

Pembahagian Spektrum Elektronik

Pembahagian spektrum elektronik menggunakan pengesan jalur silikon yang mampu membezakan tenaga foton secara elektronik. Pendekatan ini membolehkan pemerolehan serentak imej tenaga rendah dan tinggi dari satu pendedahan sinar-x, menghapuskan artefak gerakan yang dikaitkan dengan pendedahan berganda. Resolusi tenaga dan kecekapan pengesan dimodelkan menggunakan simulasi Monte Carlo, dan prestasinya dibandingkan dengan pengesan penyelesaian tenaga ideal.

Kanta Sinar-X Pelbagai Prisma (MPL)

Kanta sinar-x pelbagai prisma adalah elemen optik refraktif yang memfokuskan sinar-x melalui satu siri prisma, menyediakan penyebaran kromatik. Dengan melaraskan geometri kanta, ia boleh menapis spektrum sinar-x untuk menghasilkan jalur tenaga sempit yang disesuaikan untuk merangkumi pinggir-K iodin. Pengiraan teori kecekapan penghantaran dan ketulenan spektrum MPL dilakukan, dan potensinya untuk menggantikan penapis penyerapan konvensional dinilai berdasarkan metrik fluks dan SNR.

Persediaan Eksperimen

Eksperimen dijalankan menggunakan fantom mamografi yang mengandungi tompok kontras iodin tertanam dalam latar belakang setara tisu. Fantom disinari dengan spektrum sinar-x yang dihasilkan menggunakan tiub anod tungsten yang dikendalikan pada 40 kVp, dengan dan tanpa penapisan MPL. Imej diperoleh dengan pengesan jalur silikon, dan DES digunakan selepas pemerolehan. SNR, yang menggabungkan kedua-dua hingar kuantum dan kebolehubahan latar belakang anatomi, dikira untuk setiap konfigurasi.

Keputusan

Prestasi Pembahagian Spektrum Elektronik

Pengesan jalur silikon berjaya menyelesaikan imej tenaga rendah dan tinggi dengan silang-bicara minimum. Imej DES menunjukkan penindasan berkesan latar belakang tisu, dengan isyarat iodin dipertingkatkan dengan ketara. Analisis SNR mengesahkan bahawa pembahagian spektrum elektronik berprestasi setanding dengan pengesan ideal di bawah keadaan simulasi, walaupun batasan praktikal dalam resolusi tenaga sedikit mengurangkan kecekapannya.

Keberkesanan Penapisan MPL

MPL menghasilkan spektrum sempit (FWHM ~4 keV) berpusat pada 31 keV dan 35 keV, ideal untuk DES iodin. Berbanding penapisan konvensional, MPL mengekalkan fluks sinar-x yang lebih tinggi, membawa kepada peningkatan 30% dalam SNR disebabkan oleh pengurangan hingar kuantum. Kebolehlarasan kanta juga membolehkan pengoptimuman untuk agen kontras dan tugas pengimejan yang berbeza.

Analisis Perbandingan

Apabila dibandingkan dengan kaedah spektrum-dual (DS) menggunakan dua bahan anod, pendekatan pembahagian spektrum elektronik menghapuskan artefak gerakan dan memudahkan persediaan pengimejan. MPL seterusnya meningkatkan prestasi dengan menyediakan pemisahan spektrum yang unggul tanpa penalti fluks yang dikaitkan dengan penapis logam berat.

Perbincangan

Keputusan menunjukkan bahawa pembahagian spektrum elektronik dan penapisan MPL menawarkan kelebihan ketara untuk DES dalam mamografi. Keupayaan untuk memperoleh data dual tenaga dalam satu pendedahan menangani batasan utama DES tradisional, sementara pembentukan spektrum cekap MPL meningkatkan SNR tanpa menjejaskan kecekapan dos. Walau bagaimanapun, cabaran masih wujud, termasuk kos dan kerumitan fabrikasi MPL dan keperluan untuk pengesan penyelesaian tenaga berprestasi tinggi.

Penyertaan hingar struktur dalam metrik SNR adalah penting, kerana kekacauan anatomi sering menghadkan kebolehkesanan dalam mamografi. Dengan mengambil kira ini, kajian ini memberikan penilaian yang lebih realistik tentang prestasi DES dalam tetapan klinikal. Kerja masa depan harus memberi tumpuan kepada mengintegrasikan teknologi ini ke dalam sistem mamografi digital medan penuh dan menilai kesannya terhadap ketepatan diagnostik dalam kajian pesakit.

Kesimpulan

Kajian ini menetapkan bahawa pengimejan penolakan dual tenaga dipertingkatkan kontras menggunakan pembahagian spektrum elektronik dan kanta sinar-x pelbagai prisma dapat meningkatkan dengan ketara kebolehkesanan agen kontras beriodin dalam mamografi. Teknik pembahagian spektrum elektronik mengurangkan ketidakjelasan gerakan, sementara MPL menyediakan spektrum sempit yang boleh dilaras yang meningkatkan kualiti imej berbanding kaedah penapisan konvensional. Kemajuan ini menjanjikan penerimaan klinikal DES yang lebih meluas, berpotensi meningkatkan pengesanan awal tumor payudara melalui resolusi kontras yang dipertingkatkan.

Pengetahuan Utama

• Pembahagian spektrum elektronik membolehkan DES bebas artefak gerakan dengan memperoleh data dual tenaga dalam satu pendedahan.
• Kanta sinar-x pelbagai prisma menawarkan penapisan spektrum yang unggul, mengurangkan kehilangan fluks dan meningkatkan SNR.
• DES dengan agen kontras iodin boleh mencapai peningkatan SNR lebih 2.5× berbanding pengimejan penyerapan.
• Hingar struktur mesti dimasukkan dalam pengiraan SNR untuk penilaian prestasi yang tepat dalam mamografi.
• Teknologi MPL boleh dilaras untuk agen kontras yang berbeza, melanjutkan kebolehgunaannya melangkaui DES berasaskan iodin.