La introducción de detectores de conteo de fotones en los escáneres de TC allanó el camino para el auge de la TC espectral en entornos clínicos. Estos sistemas emplean dos o más energías de rayos X para crear mapas 3D de materiales específicos. Pero como la TC espectral se basa en la atenuación de los rayos X, muestra un contraste bajo cuando se obtienen imágenes de materiales que absorben débilmente, como los tejidos biológicos. Como tal, a menudo se emplean agentes de contraste de alto Z para resaltar estructuras de interés.
Paralelamente, las imágenes de contraste de fase de rayos X están cada vez más disponibles y están ganando atención para aplicaciones tanto preclínicas como clínicas. Las técnicas de contraste de fase, muchas de las cuales pueden producir mapas de atenuación y de cambio de fase, ofrecen una mayor visibilidad de materiales con baja Z, como los tejidos blandos.
"La TC espectral ha demostrado ser eficaz en una variedad de aplicaciones, desde la cuantificación de materiales hasta la reducción de artefactos en imágenes, mientras que las imágenes de contraste de fase ofrecen una visualización superior de los tejidos blandos y microestructurados", dice Luca Brombal del desplegable Universidad de trieste y INFN. "A partir de estas bases, buscamos aprovechar las fortalezas combinadas de ambas técnicas".
Brombal y colegas, también de University College London, demostraron la primera integración de TC espectral y de contraste de fase utilizando una configuración tomográfica de iluminación de bordes. El proyecto, descrito en Física en Medicina y Biología, implicó el desarrollo de una configuración de imágenes que puede adquirir datos con propiedades tanto espectrales como de contraste de fase, junto con la implementación de un modelo de descomposición de materiales.
“Los beneficios del enfoque combinado de contraste de fase espectral son la posibilidad de producir simultáneamente tres mapas de densidad de masa de elementos o compuestos específicos en la muestra, al tiempo que se mejora la relación señal-ruido, especialmente del componente de tejido blando, debido a sensibilidad de fase”, explica Brombal.
Descomposición de materiales
El equipo utilizó una configuración de contraste de fase de iluminación de borde, en la que las máscaras colocadas a cada lado de la muestra dan forma al haz de rayos X incidente y bloquean selectivamente el detector. Se crea una curva de iluminación de referencia sin ninguna muestra en su lugar. Una vez que se inserta la muestra, esta curva se atenúa y se desplaza lateralmente, cambios que luego se utilizan para recuperar imágenes de atenuación y calcular el cambio de fase inducido por la muestra.
Para este estudio, los investigadores utilizaron radiación sincrotrón de la instalación de sincrotrón italiana. Elettra. Sin embargo, señalan que la traducción a una configuración de laboratorio utilizando tubos de rayos X convencionales debería ser sencilla. Primero escanearon un fantasma de prueba que incluía cubetas de plástico llenas de cinco líquidos: solución de cloruro de calcio (370 y 180 mg/ml); solución de yodo (50 y 10 mg/ml, concentraciones similares a las utilizadas en los contrastes a base de yodo); y agua destilada.
El sistema de imágenes se basa en un detector de conteo de fotones con un sensor de telururo de cadmio de píxeles pequeños (62 µm), operado en modo de dos colores para registrar los fotones entrantes en contenedores de alta y baja energía. Los investigadores adquirieron imágenes tomográficas del fantasma, registrando 360 proyecciones en 180°, con un tiempo de exposición de 1.2 s por paso y un tiempo total de adquisición de 2.9 h.
Después de reconstruir volúmenes 3D a partir de las proyecciones de atenuación y fase, el equipo realizó la descomposición del material utilizando tres algoritmos: descomposición espectral, utilizando reconstrucciones de atenuación de baja y alta energía como entradas; descomposición de atenuación/fase, aplicada a reconstrucciones de fase y atenuación obtenidas sumando los contenedores de energía; y descomposición espectral/fase, que utiliza reconstrucciones de fase y baja energía.
El algoritmo de descomposición espectral/fase exhibió el mejor rendimiento de los tres, identificando correctamente todos los materiales sin contaminación de señal en los canales y significativamente menos ruido que la descomposición espectral estándar, debido al bajo ruido del canal de fase de entrada. Este algoritmo calculó los valores más cercanos a la densidad de masa nominal, con errores RMS del 1.1%, 1.9% y 3.5% para soluciones de agua, yodo y cloruro de calcio, respectivamente.
La descomposición espectral/fase también mejoró la relación señal-ruido de las imágenes, en un factor de nueve en el canal de agua y un factor de 1.3 en las imágenes de yodo, en comparación con la descomposición espectral. Además, sólo la descomposición espectral/fase permitió la cuantificación simultánea de las tres densidades de materiales.
demostración biológica
Para validar la técnica utilizando una muestra biológica, los investigadores tomaron imágenes ex vivo un ratón de laboratorio perfundido post mortem con un agente de contraste vascular a base de yodo. Adquirieron 720 proyecciones en 360°, con un tiempo total de exposición de 5.8 h y una dosis de radiación resultante de alrededor de 2 Gy. Señalan que para el futuro in vivo En aplicaciones, la dosis administrada podría reducirse a cientos de miligrays, optimizando el diseño de la máscara, por ejemplo, o utilizando esquemas de adquisición más eficientes en dosis.
Para preservar los detalles de alta resolución, los investigadores reconstruyeron imágenes de atenuación y fase con un microscopio de 20 µm.3 tamaño del vóxel. Las imágenes de atenuación espectral mostraron señales de los huesos (mapa de calcio) y vasculatura (mapa de yodo), pero ninguna señal de los tejidos blandos. Mientras tanto, la reconstrucción de entrada de fase reveló estructuras de tejidos blandos como capas cutáneas y subcutáneas y órganos internos.
La descomposición del material utilizando el algoritmo espectral/fase separó claramente la vasculatura y los huesos, sin señal de contaminación, mientras que el canal de fase proporcionó una buena visibilidad del componente de tejido blando fijado con formalina.
Elaborando un 'Google Earth' del cuerpo humano
La alta resolución de las imágenes de yodo y calcio demostró que el sistema puede capturar vasos sanguíneos de menos de 50 µm, así como la fina estructura trabecular del hueso. Los investigadores también crearon una representación 3D de la reconstrucción de la muestra del ratón después de la descomposición espectral/de fase, que visualiza simultáneamente los tejidos blandos, los huesos y la vasculatura.
El siguiente paso, cuenta Brombal Mundo de la física, será traducir esta técnica de un estudio de prueba de principio a casos científicos más convincentes. "Recientemente iniciamos un nuevo proyecto centrado en la aplicación del contraste de fase espectral a la investigación osteoarticular, especialmente en el contexto de la detección de enfermedades como la osteoartritis, y a la histología virtual (cuantitativa), proporcionando potencialmente conocimientos complementarios junto con el análisis patológico convencional de la cirugía. muestras de tejido”.
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- Fuente: https://physicsworld.com/a/spectral-and-phase-contrast-ct-combine-strengths-to-enhance-x-ray-imaging/
