Özet

Çift enerji çıkarma görüntüleme (DES), kontrast ajanlarının karmaşık anatomik arka planlara karşı tespit edilebilirliğini iyileştirmek için tasarlanmış ileri bir tıbbi görüntüleme tekniğidir. Bu yöntem, kontrast ajanı malzemesinin (örneğin iyot için 33.2 keV'daki) K-soğurma kenarının altında ve üstünde olmak üzere farklı enerji seviyelerinde iki x-ışını görüntüsünün elde edilmesini içerir. Bu görüntülerin logaritmik çıkarımı yapılarak, çevre dokulardan gelen sinyal baskılanır ve böylece kontrast ajanının göreceli görünürlüğü artırılır. Potansiyeline rağmen, DES klinik uygulamada yaygın olarak benimsenmemiştir; kısmen, çift pozlamadan kaynaklanan hareket artefaktları oluşturmadan iki farklı x-ışını spektrumu elde etmedeki zorluklar nedeniyle.

Bu çalışma, iyotlu kontrast ajanı kullanılan bir mamografi modelinde, silikon şerit dedektörlü elektronik spektrum bölme kullanımını araştırmaktadır. Teknik, hem istatistiksel hem de yapısal gürültüyü hesaba katan kapsamlı bir sinyal-gürültü oranı (SNR) kullanılarak, geleneksel soğurma görüntülemeye ve ideal dedektörlere kıyasla teorik ve deneysel analizlerle karşılaştırılmıştır. Araştırma ayrıca, spektral filtreleme için kromatik çoklu prizma x-ışını merceğinin (MPL) uygulamasını araştırmakta olup; bu, x-ışını akısında önemli azalmalar gibi ağır soğurma filtrasyonunun sınırlamalarının potansiyel olarak üstesinden gelebilecek dar, ayarlanabilir bir spektrum sunar.

Giriş

Kontrast ajanları, benzer yoğunluk ve atom numaralarına sahip yapılar arasındaki farklılaşmayı artırmak için tıbbi x-ışını görüntülemede yaygın olarak kullanılır. Mamografide, iyotlu kontrast ajanları özellikle tümörleri vurgulamak için değerlidir, çünkü lezyon büyümesiyle ilişkili anjiyogenez, vasküler geçirgenliği ve ajan tutulumunu artırır. Bilgisayarlı tomografi (BT) intravenöz kontrast uygulamasından faydalanırken, standart ekran-film veya dijital mamografi genellikle sınırlı kontrast çözünürlüğünden muzdariptir, bu da kontrastla güçlendirilmiş lezyonların tespit edilebilirliğini azaltır.

Çift enerji çıkarma (DES) görüntüleme, bu sınırlamaya bir çözüm olarak önerilmiştir. Teknik, kontrast ajanlarının K-soğurma kenarlarındaki soğurma katsayısındaki hızlı değişimden yararlanır. İyot için bu kenar 33.2 keV'de meydana gelir. X-ışını spektrumlarıyla bu enerjinin altında ve üstünde merkezlenmiş görüntüler elde ederek ve ardından bunları logaritmik olarak birleştirerek, DES belirli doku çiftlerinin (örneğin, glandüler ve adipoz doku) sinyallerini iptal ederken kontrast ajanını vurgulayabilir. Bununla birlikte, pratik uygulama iki dar, iyi ayrılmış spektrum gerektirir; bu geleneksel olarak, hareket netsizliği ve verimlilik sorunlarına yatkın bir yöntem olan çift anot malzemesi ve soğurma filtreleme kullanılarak sağlanmıştır.

Bu makale, elektronik spektrum bölme ve MPL tabanlı filtrelemeyi değerlendirerek bu zorlukları ele almakta ve DES'yi klinik mamografi için optimize etmeyi amaçlamaktadır.

Metodoloji

Teorik Çerçeve

DES'in teorik temeli, malzemelerin x-ışınlarını farklı enerjilerdeki diferansiyel zayıflatmasına dayanır. Bir malzemenin zayıflatma katsayısı μ(E), foton enerjisi E ile değişir ve K-kenarında, fotoelektrik soğurma nedeniyle süreksiz bir şekilde artar. İyot gibi bir kontrast ajanı için bu, kenarın hemen üstündeki zayıflatmanın hemen altındakine kıyasla önemli ölçüde daha yüksek olmasıyla sonuçlanır. DES süreci, sırasıyla düşük ve yüksek enerjilerde iletilen şiddetler I_düşük ve I_yüksek ölçümünü ve çıkarılmış görüntü S = ln(I_düşük) - k · ln(I_yüksek) hesaplamasını içerir; burada k, arka plan doku sinyalini iptal etmek için optimize edilmiş bir ağırlık faktörüdür.

Elektronik Spektrum Bölme

Elektronik spektrum bölme, foton enerjilerini elektronik olarak ayırt edebilen bir silikon şerit dedektör kullanır. Bu yaklaşım, tek bir x-ışını pozlamasından düşük ve yüksek enerjili görüntülerin eşzamanlı olarak elde edilmesine olanak tanıyarak, çift pozlamayla ilişkili hareket artefaktlarını ortadan kaldırır. Dedektörün enerji çözünürlüğü ve verimliliği Monte Carlo simülasyonları kullanılarak modellenmiş ve performansı ideal bir enerji çözümleyen dedektörün performansıyla karşılaştırılmıştır.

Çoklu Prizma X-Işını Merceği (MPL)

Çoklu prizma x-ışını merceği, bir dizi prizma aracılığıyla x-ışınlarını odaklayan ve kromatik dağılım sağlayan kırıcı bir optik elemandır. Mercek geometrisi ayarlanarak, iyot K-kenarını atlamak üzere dar enerji bantları üretmek için x-ışını spektrumu filtrelenebilir. MPL'nin iletim verimliliği ve spektral saflığı üzerine teorik hesaplamalar yapılmış ve akı ve SNR metriklerine dayanarak geleneksel soğurma filtrelerinin yerini alma potansiyeli değerlendirilmiştir.

Deneysel Kurulum

Deneyler, dokuya eşdeğer bir arka plana gömülü iyot kontrast noktaları içeren bir mamografi fantomu kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Fantom, MPL filtrelemesi ile ve onsuz olmak üzere, 40 kVp'de çalıştırılan bir tungsten anot tüpü kullanılarak üretilen x-ışını spektrumlarıyla ışınlanmıştır. Görüntüler silikon şerit dedektörle elde edilmiş ve DES işlemi sonrasında uygulanmıştır. Hem kuantum gürültüsünü hem de anatomik arka plan değişkenliğini içeren SNR, her bir konfigürasyon için hesaplanmıştır.

Sonuçlar

Elektronik Spektrum Bölme Performansı

Silikon şerit dedektör, düşük ve yüksek enerjili görüntüleri minimum çapraz konuşma ile başarılı bir şekilde çözmüştür. DES görüntüleri, doku arka planının etkili bir şekilde baskılandığını ve iyot sinyallerinin belirgin şekilde geliştirildiğini göstermiştir. SNR analizi, elektronik spektrum bölmenin, simüle edilmiş koşullar altında ideal bir dedektörle karşılaştırılabilir şekilde performans gösterdiğini doğrulamıştır, ancak enerji çözünürlüğündeki pratik sınırlamalar verimliliğini hafifçe azaltmıştır.

MPL Filtreleme Etkinliği

MPL, iyot DES için ideal olan 31 keV ve 35 keV'de merkezlenmiş dar spektrumlar (FWHM ~4 keV) üretmiştir. Geleneksel filtrelemeye kıyasla, MPL daha yüksek x-ışını akısını korumuş, bu da azaltılmış kuantum gürültüsü nedeniyle SNR'de %30'luk bir iyileşmeye yol açmıştır. Merceğin ayarlanabilirliği ayrıca farklı kontrast ajanları ve görüntüleme görevleri için optimizasyona olanak tanımıştır.

Karşılaştırmalı Analiz

İki anot malzemesi kullanan çift spektrum (DS) yöntemleriyle karşılaştırıldığında, elektronik spektrum bölme yaklaşımı hareket artefaktlarını ortadan kaldırmış ve görüntüleme kurulumunu basitleştirmiştir. MPL, ağır metal filtrelerle ilişkili akı cezaları olmadan üstün spektral ayrım sağlayarak performansı daha da artırmıştır.

Tartışma

Sonuçlar, elektronik spektrum bölme ve MPL filtrelemenin mamografide DES için önemli avantajlar sunduğunu göstermektedir. Çift enerji verisini tek bir pozlamada elde etme yeteneği, geleneksel DES'in önemli bir sınırlamasını ele alırken, MPL'nin verimli spektral şekillendirmesi, doz verimliliğinden ödün vermeden SNR'yi iyileştirir. Bununla birlikte, MPL üretiminin maliyeti ve karmaşıklığı ile yüksek performanslı enerji çözümleyen dedektörlere olan ihtiyaç da dahil olmak üzere zorluklar devam etmektedir.

SNR metriğine yapısal gürültünün dahil edilmesi çok önemlidir, çünkü anatomik karmaşa genellikle mamografide tespit edilebilirliği sınırlar. Bunu hesaba katarak, çalışma, DES performansının klinik ortamlarda daha gerçekçi bir değerlendirmesini sağlamaktadır. Gelecekteki çalışmalar, bu teknolojileri tam alan dijital mamografi sistemlerine entegre etmeye ve hasta çalışmalarında tanısal doğruluk üzerindeki etkilerini değerlendirmeye odaklanmalıdır.

Sonuç

Bu çalışma, elektronik spektrum bölme ve çoklu prizma x-ışını mercekleri kullanılarak kontrast geliştirilmiş çift enerji çıkarma görüntülemenin, mamografide iyotlu kontrast ajanlarının tespit edilebilirliğini önemli ölçüde artırabileceğini ortaya koymaktadır. Elektronik spektrum bölme tekniği hareket netsizliğini hafifletirken, MPL, geleneksel filtreleme yöntemlerine kıyasla görüntü kalitesini artıran ayarlanabilir, dar spektrumlar sağlar. Bu gelişmeler, DES'in daha geniş klinik benimseme potansiyeli taşımakta ve geliştirilmiş kontrast çözünürlüğü yoluyla meme tümörlerinin erken teşhisini iyileştirebilmektedir.

Temel Görüşler

• Elektronik spektrum bölme, tek bir pozlamada çift enerji verisi elde ederek hareket artefaktı olmayan DES sağlar.
• Çoklu prizma x-ışını merceği, akı kaybını azaltan ve SNR'yi iyileştiren üstün spektral filtreleme sunar.
• İyot kontrast ajanlı DES, soğurma görüntülemeye kıyasla 2.5 katın üzerinde SNR iyileştirmesi sağlayabilir.
• Mamografide doğru performans değerlendirmesi için yapısal gürültü SNR hesaplamalarına dahil edilmelidir.
• MPL teknolojisi farklı kontrast ajanları için ayarlanabilir, böylece iyot tabanlı DES'in ötesinde uygulanabilirliğini genişletir.