الملخص

التصوير بالطرح ثنائي الطاقة (DES) هو تقنية متقدمة للتصوير الطبي مصممة لتحسين قابلية اكتشاف عوامل التباين مقابل الخلفيات التشريحية المعقدة. تتضمن هذه الطريقة الحصول على صورتين بالأشعة السينية عند مستويات طاقة مختلفة - واحدة فوق وأخرى تحت حافة الامتصاص K لعامل التباين، مثل اليود عند 33.2 كيلو إلكترون فولت. من خلال إجراء طرح لوغاريتمي لهذه الصور، يتم كبت الإشارة من الأنسجة المحيطة، مما يعزز الرؤية النسبية لعامل التباين. على الرغم من إمكاناته، لم يتم اعتماد DES على نطاق واسع في الممارسة السريرية، ويرجع ذلك جزئيًا إلى التحديات في الحصول على طيفين مميزين للأشعة السينية دون إدخال تشوهات حركية من التعريض المزدوج.

تستكشف هذه الدراسة استخدام تقسيم الطيف الإلكتروني مع كاشف شريط السيليكون في نموذج تصوير الثدي الشعاعي مع عامل التباين المعالج باليود. تم إجراء تحليلات نظرية وتجريبية، مقارنة التقنية بالتصوير الامتصاصي التقليدي والكاشفات شبه المثالية باستخدام نسبة الإشارة إلى الضوضاء الشاملة (SNR) التي تأخذ في الاعتبار كل من الضوضاء الإحصائية والهيكلية. كما يحقق البحث في تطبيق عدسة الأشعة السينية متعددة المناشير (MPL) لتصفية الطيف، والتي توفر طيفًا ضيقًا وقابلاً للضبط يمكنه التغلب على قيود الترشيح الامتصاصي الثقيل، مثل الانخفاض الكبير في تدفق الأشعة السينية.

المقدمة

تُستخدم عوامل التباين على نطاق واسع في التصوير بالأشعة السينية الطبي لتعزيز التمايز بين الهياكل ذات الكثافات والأعداد الذرية المتشابهة. في تصوير الثدي الشعاعي، تعتبر عوامل التباين المعالجة باليود ذات قيمة خاصة لتسليط الضوء على الأورام، حيث أن تكوين الأوعية الدموية المرتبط بنمو الآفة يزيد من نفاذية الأوعية الدموية واحتباس العامل. بينما تستفيد التصوير المقطعي المحوسب (CT) من الحقن الوريدي لعامل التباين، يعاني تصوير الثدي الشعاعي القياسي بالأفلام الشاشية أو الرقمية غالبًا من دقة تباين محدودة، مما يقلل من قابلية اكتشاف الآفات المعززة بالتباين.

تم اقتراح التصوير بالطرح ثنائي الطاقة (DES) كحل لهذا القيد. تستفيد التقنية من التغير السريع في معامل الامتصاص لعوامل التباين عند حواف الامتصاص K الخاصة بها. بالنسبة لليود، تحدث هذه الحافة عند 33.2 كيلو إلكترون فولت. من خلال الحصول على صور بأطياف الأشعة السينية المتمركزة أسفل وفوق هذه الطاقة، ثم دمجها لوغاريتميًا، يمكن لـ DES إلغاء الإشارات من أزواج أنسجة محددة (مثل النسيج الغدي والدهني) مع التأكيد على عامل التباين. ومع ذلك، يتطلب التنفيذ العملي طيفين ضيقين ومنفصلين جيدًا، وهو ما تم تحقيقه تقليديًا باستخدام مواد أنود مزدوجة والترشيح الامتصاصي - وهي طريقة عرضة لعدم وضوح الحركة ومشاكل الكفاءة.

يتناول هذا البحث هذه التحديات من خلال تقييم تقسيم الطيف الإلكتروني والترشيح القائم على MPL، بهدف تحسين DES لتصوير الثدي الشعاعي السريري.

المنهجية

الإطار النظري

يستند الأساس النظري لـ DES إلى التوهين التفاضلي للأشعة السينية بواسطة المواد عند طاقات مختلفة. يختلف معامل التوهين μ(E) للمادة مع طاقة الفوتون E، وعند حافة K، يزداد بشكل غير متواصل بسبب الامتصاص الكهروضوئي. بالنسبة لعامل تباين مثل اليود، يؤدي هذا إلى توهين أعلى بكثير فوق الحافة مباشرة مقارنة بأسفلها مباشرة. تتضمن عملية DES قياس الشدات المنقولة I_low و I_high عند طاقات منخفضة وعالية على التوالي، وحساب الصورة المطروحة S = ln(I_low) - k · ln(I_high)، حيث k هو عامل ترجيح محسن لإلغاء إشارة النسيج الخلفي.

تقسيم الطيف الإلكتروني

يستخدم تقسيم الطيف الإلكتروني كاشف شريط السيليكون القادر على التمييز بين طاقات الفوتون إلكترونيًا. يسمح هذا النهج بالحصول المتزامن على صور منخفضة وعالية الطاقة من تعريض واحد للأشعة السينية، مما يلغي التشوهات الحركية المرتبطة بالتعريض المزدوج. تم نمذجة دقة الطاقة وكفاءة الكاشف باستخدام محاكاة مونت كارلو، وتمت مقارنة أدائه مع كاشف مثالي يحل الطاقة.

عدسة الأشعة السينية متعددة المناشير (MPL)

عدسة الأشعة السينية متعددة المناشير هي عنصر بصري انكساري يركز الأشعة السينية من خلال سلسلة من المناشير، مما يوفر تشتتًا لونيًا. من خلال ضبط هندسة العدسة، يمكنها تصفية طيف الأشعة السينية لإنتاج نطاقات طاقة ضيقة مصممة لتتخطى حافة اليود K. تم إجراء حسابات نظرية لكفاءة نقل MPL ونقاء الطيف، وتم تقييم إمكاناتها لتحل محل المرشحات الامتصاصية التقليدية بناءً على مقاييس التدفق وSNR.

الإعداد التجريبي

تم إجراء التجارب باستخدام نموذج تصوير الثدي الشعاعي يحتوي على بقع يود تباين مغروسة في خلفية مكافئة للأنسجة. تم تشعيع النموذج بأطياف الأشعة السينية المُنتجة باستخدام أنبوب أنود التنغستن المشغل عند 40 كيلو فولت ذروة، مع وبدون ترشيح MPL. تم الحصول على الصور باستخدام كاشف شريط السيليكون، وتم تطبيق DES بعد الاقتناء. تم حساب SNR، متضمنًا كل من الضوضاء الكمومية وتغير الخلفية التشريحية، لكل تكوين.

النتائج

أداء تقسيم الطيف الإلكتروني

تمكن كاشف شريط السيليكون بنجاح من حل صور الطاقة المنخفضة والعالية مع تداخل ضئيل. أظهرت صور DES كبتًا فعالًا للخلفية النسيجية، مع تعزيز بارز لإشارات اليود. أكد تحليل SNR أن تقسيم الطيف الإلكتروني يعمل بشكل مشابه للكاشف المثالي تحت الظروف المحاكاة، على الرغم من أن القيود العملية في دقة الطاقة قللت قليلاً من كفاءته.

فعالية ترشيح MPL

أنتجت MPL أطيافًا ضيقة (عرض كامل عند نصف القيمة القصوى ~4 كيلو إلكترون فولت) متمركزة عند 31 كيلو إلكترون فولت و 35 كيلو إلكترون فولت، مثالية لـ DES باليود. مقارنة بالترشيح التقليدي، حافظت MPL على تدفق أعلى للأشعة السينية، مما أدى إلى تحسن بنسبة 30٪ في SNR بسبب انخفاض الضوضاء الكمومية. كما سمحت قابلية ضبط العدسة بالتحسين لعوامل تباين مختلفة ومهام تصوير متنوعة.

التحليل المقارن

عند المقارنة بطرق الأطياف المزدوجة (DS) باستخدام مادتي أنود، أزال نهج تقسيم الطيف الإلكتروني التشوهات الحركية ويسر إعداد التصوير. عززت MPL الأداء further من خلال توفير فصل طيفي فائق دون عقوبات التدفق المرتبطة بمرشحات المعادن الثقيلة.

المناقشة

تظهر النتائج أن تقسيم الطيف الإلكتروني والترشيح MPL يقدمان مزايا كبيرة لـ DES في تصوير الثدي الشعاعي. إن القدرة على الحصول على بيانات الطاقة المزدوجة في تعريض واحد تعالج قيدًا رئيسيًا لـ DES التقليدي، بينما يحسن تشكيل الطيف الفعال لـ MPL SNR دون المساس بكفاءة الجرعة. ومع ذلك، لا تزال هناك تحديات، بما في ذلك تكلفة وتعقيد تصنيع MPL والحاجة إلى كاشفات عالية الأداء تحل الطاقة.

إن إدراج الضوضاء الهيكلية في مقياس SNR أمر بالغ الأهمية، حيث أن الفوضى التشريحية غالبًا ما تحد من القابلية للاكتشاف في تصوير الثدي الشعاعي. من خلال أخذ هذا في الاعتبار، تقدم الدراسة تقييمًا أكثر واقعية لأداء DES في الإعدادات السريرية. يجب أن تركز الأعمال المستقبلية على دمج هذه التقنيات في أنظمة تصوير الثدي الشعاعي الرقمية كاملة المجال وتقييم تأثيرها على دقة التشخيص في دراسات المرضى.

الخاتمة

تؤسس هذه الدراسة أن التصوير بالطرح ثنائي الطاقة المعزز بالتباين باستخدام تقسيم الطيف الإلكتروني وعدسات الأشعة السينية متعددة المناشير يمكن أن يحسن بشكل كبير قابلية اكتشاف عوامل التباين المعالجة باليود في تصوير الثدي الشعاعي. تقنية تقسيم الطيف الإلكتروني تخفف من عدم وضوح الحركة، بينما توفر MPL أطيافًا ضيقة قابلة للضبط تعزز جودة الصورة مقارنة بطرق الترشيح التقليدية. تحمل هذه التطورات وعدًا لاعتماد سريري أوسع لـ DES، مما يحتمل أن يحسن الكشف المبكر عن أورام الثدي من خلال دقة تباين محسنة.

الرؤى الرئيسية

• يتيح تقسيم الطيف الإلكتروني DES خاليًا من التشوهات الحركية من خلال الحصول على بيانات الطاقة المزدوجة في تعريض واحد.
• تقدم عدسة الأشعة السينية متعددة المناشير ترشيحًا طيفيًا فائقًا، مما يقلل من فقد التدفق ويحسن SNR.
• يمكن لـ DES مع عامل تباين اليود تحقيق تحسن في SNR يزيد عن 2.5× مقارنة بالتصوير الامتصاصي.
• يجب تضمين الضوضاء الهيكلية في حسابات SNR للتقييم الدقيق للأداء في تصوير الثدي الشعاعي.
• تقنية MPL قابلة للضبط لعوامل تباين مختلفة، مما يمتد بتطبيقاتها beyond DES القائم على اليود.