Аннотация

Двухэнергетическая субтракционная визуализация (ДЭС) — это передовая методика медицинской визуализации, предназначенная для улучшения обнаруживаемости контрастных веществ на фоне сложных анатомических структур. Этот метод предполагает получение двух рентгеновских изображений на разных уровнях энергии — одно выше и одно ниже K-края поглощения материала контрастного вещества, такого как йод при 33,2 кэВ. Путем логарифмического вычитания этих изображений сигнал от окружающих тканей подавляется, тем самым усиливая относительную видимость контрастного вещества. Несмотря на свой потенциал, ДЭС не получила широкого распространения в клинической практике, отчасти из-за сложностей получения двух различных рентгеновских спектров без внесения артефактов движения от двойного облучения.

В данном исследовании изучается использование электронного разделения спектра с кремниевым полосовым детектором в маммографической модели с йодсодержащим контрастным веществом. Проводятся теоретический и экспериментальный анализы, сравнивающие методику с традиционной абсорбционной визуализацией и почти идеальными детекторами с использованием комплексного отношения сигнал-шум (ОСШ), учитывающего как статистический, так и структурный шум. Исследование также изучает применение хроматической многопризменной рентгеновской линзы (МПЛ) для спектральной фильтрации, которая обеспечивает узкий, настраиваемый спектр, потенциально способный преодолеть ограничения тяжелой абсорбционной фильтрации, такие как значительное снижение рентгеновского потока.

Введение

Контрастные вещества широко используются в медицинской рентгеновской визуализации для улучшения дифференциации между структурами со схожими плотностями и атомными номерами. В маммографии йодсодержащие контрастные вещества особенно ценны для выделения опухолей, поскольку ангиогенез, связанный с ростом поражения, увеличивает сосудистую проницаемость и удержание вещества. В то время как компьютерная томография (КТ) выигрывает от внутривенного введения контраста, стандартная экранно-пленочная или цифровая маммография часто страдает от ограниченного контрастного разрешения, снижая обнаруживаемость контрастно-усиленных поражений.

Двухэнергетическая субтракционная (ДЭС) визуализация была предложена в качестве решения этой проблемы. Методика использует резкое изменение коэффициента поглощения контрастных веществ на их K-краях поглощения. Для йода этот край находится на 33,2 кэВ. Получая изображения с рентгеновскими спектрами, центрированными ниже и выше этой энергии, а затем комбинируя их логарифмически, ДЭС может подавить сигналы от определенных пар тканей (например, железистой и жировой ткани), одновременно подчеркивая контрастное вещество. Однако практическая реализация требует двух узких, хорошо разделенных спектров, что традиционно достигалось с использованием двойных анодных материалов и абсорбционной фильтрации — метода, склонного к нерезкости из-за движения и проблемам с эффективностью.

Данная статья решает эти проблемы путем оценки электронного разделения спектра и фильтрации на основе МПЛ, с целью оптимизации ДЭС для клинической маммографии.

Методология

Теоретическая основа

Теоретическая основа ДЭС основана на дифференциальном ослаблении рентгеновских лучей материалами при разных энергиях. Коэффициент ослабления μ(E) материала изменяется с энергией фотона E, и на K-крае он скачкообразно увеличивается из-за фотоэлектрического поглощения. Для контрастного вещества, такого как йод, это приводит к значительно более высокому ослаблению чуть выше края по сравнению с чуть ниже него. Процесс ДЭС включает измерение прошедших интенсивностей I_низк и I_высок при низкой и высокой энергиях соответственно и вычисление вычитаемого изображения S = ln(I_низк) - k · ln(I_высок), где k — весовой коэффициент, оптимизированный для подавления сигнала фоновой ткани.

Электронное разделение спектра

Электронное разделение спектра использует кремниевый полосовой детектор, способный электронно дискриминировать энергии фотонов. Этот подход позволяет одновременно получать изображения низкой и высокой энергии от одного рентгеновского облучения, устраняя артефакты движения, связанные с двойным облучением. Энергетическое разрешение и эффективность детектора моделировались с помощью Монте-Карло симуляций, и его производительность сравнивалась с производительностью идеального энерго-разрешающего детектора.

Многопризменная рентгеновская линза (МПЛ)

Многопризменная рентгеновская линза — это рефракционный оптический элемент, который фокусирует рентгеновские лучи через серию призм, обеспечивая хроматическую дисперсию. Настраивая геометрию линзы, можно фильтровать рентгеновский спектр для получения узких энергетических полос, настроенных на охват K-края йода. Были выполнены теоретические расчеты эффективности пропускания и спектральной чистоты МПЛ, и ее потенциал для замены традиционных абсорбционных фильтров был оценен на основе метрик потока и ОСШ.

Экспериментальная установка

Эксперименты проводились с использованием маммографического фантома, содержащего пятна йодного контраста, встроенные в ткане-эквивалентный фон. Фантом облучался рентгеновскими спектрами, сгенерированными с помощью трубки с вольфрамовым анодом, работающей при 40 кВп, с фильтрацией МПЛ и без нее. Изображения получались с помощью кремниевого полосового детектора, и ДЭС применялась после получения. ОСШ, включающее как квантовый шум, так и вариабельность анатомического фона, рассчитывалось для каждой конфигурации.

Результаты

Производительность электронного разделения спектра

Кремниевый полосовой детектор успешно разрешал изображения низкой и высокой энергии с минимальными перекрестными помехами. Изображения ДЭС показали эффективное подавление тканевого фона с заметно усиленными сигналами йода. Анализ ОСШ подтвердил, что электронное разделение спектра работает сравнимо с идеальным детектором в смоделированных условиях, хотя практические ограничения в энергетическом разрешении незначительно снизили его эффективность.

Эффективность фильтрации МПЛ

МПЛ производила узкие спектры (ПШП ~4 кэВ), центрированные на 31 кэВ и 35 кэВ, что идеально для йодной ДЭС. По сравнению с традиционной фильтрацией, МПЛ поддерживала более высокий рентгеновский поток, что привело к 30% улучшению ОСШ из-за сниженного квантового шума. Настраиваемость линзы также позволила оптимизировать ее для различных контрастных веществ и задач визуализации.

Сравнительный анализ

При сравнении с методами двойных спектров (ДС), использующими два анодных материала, подход с электронным разделением спектра устранил артефакты движения и упростил установку для визуализации. МПЛ дополнительно улучшила производительность, обеспечивая превосходное спектральное разделение без потерь потока, связанных с тяжелыми металлическими фильтрами.

Обсуждение

Результаты демонстрируют, что электронное разделение спектра и фильтрация МПЛ предлагают значительные преимущества для ДЭС в маммографии. Возможность получать двухэнергетические данные за одно облучение решает основное ограничение традиционной ДЭС, в то время как эффективное спектральное формирование МПЛ улучшает ОСШ без компромисса в эффективности дозы. Однако остаются проблемы, включая стоимость и сложность изготовления МПЛ и необходимость в высокопроизводительных энерго-разрешающих детекторах.

Включение структурного шума в метрику ОСШ имеет crucialное значение, поскольку анатомический беспорядок часто ограничивает обнаруживаемость в маммографии. Учитывая это, исследование предоставляет более реалистичную оценку производительности ДЭС в клинических условиях. Будущая работа должна быть сосредоточена на интеграции этих технологий в системы полноразмерной цифровой маммографии и оценке их влияния на диагностическую точность в исследованиях с пациентами.

Заключение

Данное исследование устанавливает, что контрастно-усиленная двухэнергетическая субтракционная визуализация с использованием электронного разделения спектра и многопризменных рентгеновских линз может значительно улучшить обнаруживаемость йодсодержащих контрастных веществ в маммографии. Методика электронного разделения спектра снижает нерезкость от движения, в то время как МПЛ обеспечивает настраиваемые, узкие спектры, которые улучшают качество изображения по сравнению с традиционными методами фильтрации. Эти достижения обещают более широкое клиническое внедрение ДЭС, потенциально улучшая раннее выявление опухолей молочной железы за счет улучшенного контрастного разрешения.

Ключевые выводы

• Электронное разделение спектра позволяет проводить ДЭС без артефактов движения, получая двухэнергетические данные за одно облучение.
• Многопризменная рентгеновская линза предлагает превосходную спектральную фильтрацию, снижая потери потока и улучшая ОСШ.
• ДЭС с йодным контрастным веществом может достичь улучшения ОСШ более чем в 2,5 раза по сравнению с абсорбционной визуализацией.
• Структурный шум должен быть включен в расчеты ОСШ для точной оценки производительности в маммографии.
• Технология МПЛ настраивается для различных контрастных веществ, расширяя ее применимость за пределы йодной ДЭС.