摘要

雙能量減影成像（DES）係一種先進嘅醫學成像技術，旨在提高對比劑喺複雜解剖背景中嘅可檢測性。呢種方法涉及喺唔同能量水平下獲取兩幅X射線影像——一幅高於對比劑材料（例如碘嘅33.2 keV）嘅K吸收邊，另一幅低於該能量。通過對呢啲影像進行對數減影，周圍組織嘅信號被抑制，從而增強對比劑嘅相對可見度。儘管具有潛力，DES仍未喺臨床實踐中廣泛應用，部分原因係難以喺唔引入雙重曝光運動偽影嘅情況下獲取兩種唔同嘅X射線能譜。

本研究探討喺使用碘對比劑嘅乳房X光攝影模型中，採用硅條探測器進行電子能譜分離嘅應用。通過理論同實驗分析，將該技術與傳統吸收成像及接近理想嘅探測器進行比較，使用綜合信噪比（SNR）來評估統計噪聲同結構噪聲。研究亦探討咗色散多棱鏡X射線透鏡（MPL）用於能譜濾波嘅應用，該透鏡提供狹窄、可調諧嘅能譜，可能克服重度吸收濾波（例如X射線通量顯著降低）嘅限制。

引言

對比劑廣泛用於醫學X射線成像，以增強密度同原子序數相似結構之間嘅區分。喺乳房X光攝影中，碘對比劑尤其有價值，因為與病變生長相關嘅血管生成會增加血管通透性同對比劑滯留。雖然計算機斷層掃描（CT）受益於靜脈注射對比劑，但標準嘅屏片或數字乳房X光攝影通常對比分辨率有限，降低咗對比增強病變嘅可檢測性。

雙能量減影（DES）成像被提出作為解決此限制嘅方案。該技術利用對比劑喺其K吸收邊處吸收係數嘅快速變化。對於碘，該吸收邊位於33.2 keV。通過獲取能譜中心低於同高於此能量嘅影像，然後對其進行對數組合，DES可以抵消特定組織對（例如腺體組織同脂肪組織）嘅信號，同時強調對比劑。然而，實際實施需要兩種狹窄、良好分離嘅能譜，傳統上通過雙陽極材料同吸收濾波實現——呢種方法容易產生運動模糊同效率問題。

本文通過評估電子能譜分離同基於MPL嘅濾波來應對呢啲挑戰，旨在為臨床乳房X光攝影優化DES。

研究方法

理論框架

DES嘅理論基礎基於材料喺唔同能量下對X射線嘅差異衰減。材料嘅衰減係數μ(E)隨光子能量E變化，並且喺K邊處由於光電吸收而唔連續地增加。對於像碘咁樣嘅對比劑，這導致剛高於吸收邊嘅衰減顯著高於剛低於吸收邊嘅衰減。DES過程涉及測量低能量同高能量下嘅透射強度I_low同I_high，並計算減影影像S = ln(I_low) - k · ln(I_high)，其中k係為咗抵消背景組織信號而優化嘅加權因子。

電子能譜分離

電子能譜分離利用能夠電子識別光子能量嘅硅條探測器。呢種方法允許從單次X射線曝光中同時獲取低能量同高能量影像，消除咗與雙重曝光相關嘅運動偽影。使用蒙特卡羅模擬對探測器嘅能量分辨率同效率進行建模，並將其性能與理想能量分辨探測器進行比較。

多棱鏡X射線透鏡（MPL）

多棱鏡X射線透鏡係一種折射光學元件，通過一系列棱鏡聚焦X射線，提供色散。通過調諧透鏡幾何形狀，可以濾波X射線能譜，產生狹窄嘅能量帶，專門用於跨越碘K邊。對MPL嘅傳輸效率同能譜純度進行咗理論計算，並基於通量同SNR指標評估其替代傳統吸收濾波器嘅潛力。

實驗設置

實驗使用包含碘對比劑斑點、嵌入組織等效背景嘅乳房X光攝影體模進行。使用鎢陽極管在40 kVp下產生X射線能譜照射體模，有同無MPL濾波。使用硅條探測器獲取影像，並在採集後應用DES。計算每種配置下包含量子噪聲同解剖背景變異性嘅SNR。

結果

電子能譜分離性能

硅條探測器成功解析低能量同高能量影像，串擾極小。DES影像顯示出有效嘅組織背景抑制，碘信號顯著增強。SNR分析證實，電子能譜分離在模擬條件下性能與理想探測器相當，儘管能量分辨率嘅實際限制略微降低咗其效率。

MPL濾波效能

MPL產生咗以31 keV同35 keV為中心嘅狹窄能譜（半高寬約4 keV），非常適合碘DES。與傳統濾波相比，MPL保持更高嘅X射線通量，由於量子噪聲減少，導致SNR提高30%。透鏡嘅可調諧性亦允許針對唔同對比劑同成像任務進行優化。

比較分析

與使用兩種陽極材料嘅雙能譜（DS）方法相比，電子能譜分離方法消除咗運動偽影並簡化咗成像設置。MPL通過提供優越嘅能譜分離而無需承受重金屬濾波器相關嘅通量損失，進一步增強咗性能。

討論

結果表明，電子能譜分離同MPL濾波為乳房X光攝影中嘅DES提供咗顯著優勢。能夠在單次曝光中獲取雙能量數據解決咗傳統DES嘅主要限制，而MPL高效嘅能譜整形在不犧牲劑量效率嘅情況下提高咗SNR。然而，挑戰仍然存在，包括MPL製造嘅成本同複雜性，以及對高性能能量分辨探測器嘅需求。

將結構噪聲納入SNR指標至關重要，因為解剖雜波通常限制乳房X光攝影中嘅可檢測性。通過考慮這一點，本研究提供咗對臨床環境中DES性能更現實嘅評估。未來工作應側重於將這些技術集成到全視野數字乳房X光攝影系統中，並在患者研究中評估其對診斷準確性嘅影響。

結論

本研究確定，使用電子能譜分離同多棱鏡X射線透鏡嘅對比度增強雙能量減影成像可以顯著提高乳房X光攝影中碘對比劑嘅可檢測性。電子能譜分離技術減輕咗運動模糊，而MPL提供可調諧、狹窄嘅能譜，相比傳統濾波方法增強咗影像質量。這些進展為DES更廣泛嘅臨床應用帶來希望，可能通過增強對比分辨率改善乳腺腫瘤嘅早期檢測。

關鍵見解

• 電子能譜分離通過在單次曝光中獲取雙能量數據，實現無運動偽影嘅DES。
• 多棱鏡X射線透鏡提供優越嘅能譜濾波，減少通量損失並提高SNR。
• 使用碘對比劑嘅DES相比吸收成像可實現超過2.5倍嘅SNR改善。
• SNR計算必須包含結構噪聲，以便準確評估乳房X光攝影中嘅性能。
• MPL技術可針對唔同對比劑進行調諧，將其適用性擴展到碘基DES之外。