Настройка и геометрия
Экспериментальная установка показана на рис. 1 и использует вращающийся анод (MicroMax HF007, Rigaku Corporation, Токио, Япония) с молибденовой мишенью в качестве источника рентгеновского излучения. Переменные G(_i) относятся к i-й решетке по направлению луча. Решетки для обоих экспериментов подробно описаны в Таблице 1. Геометрия установок, используемых для рентгенограмм и КТ-измерений, немного различается из-за модернизации установки, позволяющей получать быстрые КТ-изображения. Расстояния и результирующие геометрические увеличения представлены в таблице 2.
Для рентгенографического эксперимента источник работает при напряжении 33 кВпик и токе 24 мА. Сцинтилляционный энергоинтегрирующий детектор (Dexela 1512, PerkinElmer, Inc., Уолтем, США) с шагом пикселя 74,8 (upmu {hbox {m}}) и 1944 (times ) 1536 пикселей. используется. Эффективный размер пикселя установки в этой конфигурации составляет 53,2 (upmu {hbox {m}}).
Для эксперимента с трансформатором тока источник настроен на напряжение 50 кВпик и ток 24 мА. Проекции получены с использованием прототипа детектора счета фотонов (Santis 0808 GaAs HR, DECTRIS AG, Баден, Швейцария) с толщиной модуля 500 (upmu {hbox {m}}) и 1030 (times ) 1024 пикселя с шагом 75 (upmu {hbox {m}}). Из-за геометрического увеличения установки эффективный размер пикселя составляет 58 (upmu {hbox {m}}. Решетка перемещается с помощью пьезоэлектрического привода P-620.1CD, управляемого цифровым контроллером E-709.1C1L (оба Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, Карлсруэ, Германия).
Таблица 1. Типы решеток, используемые для рентгенограмм и КТ-измерений соответственно. Таблица 2. Геометрия установки, используемая для рентгенограмм и КТ-измерений соответственно.
Протокол измерений рентгенографии
Вместо пробирки для образца, показанной на рис. 1, кусок свиной шеи удерживается на месте двумя пластинами из поликарбоната. Для начала эксперимента в образец вставляют медный стержень и охлаждают его с помощью полистироловой ванны, наполненной жидким азотом. Затем через регулярные промежутки времени делаются рентгенограммы на основе решетки: каждая рентгенограмма состоит из 11 фазовых этапов по 6 секунд экспозиции каждый. Время воздействия выбирается таким образом, чтобы получить оценку средней дозы в железах порядка средней дозы в железах при цифровой маммографии в двух проекциях37. Время кадра (T_text {F}) примерно равно времени экспозиции (T_text {E} = {6} ,{hbox {s}}), поскольку время простоя ( T_text {I}) детектора выбрано пренебрежимо малым. Это отличается от протокола измерения ТТ, подробно описанного в следующем подразделе. Всего делается 20 рентгенограмм в течение 22 минут. Временные отметки на рис. 2 относятся к моменту начала получения нового изображения.
Протокол измерения ТТ
Чтобы зафиксировать изменения образца с течением времени при компьютерной томографии, используется протокол измерений, аналогичный протоколу Zanette et al.38. Пьезоэлектрический привод, который управляет положением решетки (text {G}_1), непрерывно перемещается по наклонной схеме с течением времени, синхронизируясь с детектором. За 360(^circ ) вращения образца детектор записывает в общей сложности 650 кадров со временем кадра (T_text {F}) = 0,22 с каждый, в результате чего полная продолжительность вращения образца составляет 2,4 мин. Четыре дополнительных кадра из следующего раунда используются на этапе обработки для получения последней проекции. Каждый кадр состоит из времени экспозиции (T_text{E}) = 0,12 с и времени простоя (T_text {I}) = 0,10 с. Время простоя, в течение которого фотоны не записываются, позволяет приводу вернуться в исходное положение после четвертого воздействия, не отображая результирующие артефакты движения. Каждый кадр содержит одинаковое время простоя, чтобы обеспечить равный интервал между записываемыми изображениями. Величина времени простоя выбирается минимально возможной с учетом максимальной скорости движения исполнительного механизма. Время экспозиции выбирается как компромисс между доступной статистикой изображения и необходимостью быстрого вращения для разрешения изменений тканей с течением времени. Два линейного изменения исполнительного механизма и соответствующие действия детектора показаны на рис. 7. Из-за периодичности фазовой решетки положение шагового двигателя №5 создает ту же картину, что и положение №0.
Рисунок 7
Иллюстрация протокола измерений, используемого для компьютерной томографии. На графике показано движение пьезоэлектрического привода во времени при вращении образца. Оранжевая точка указывает на начало нового кадра детектора продолжительностью (T_text {F}), который состоит из времени воздействия (T_text {E}) и времени простоя (T_text { Я}). Фотоны подсчитываются только во время экспозиции. На 360(^круг) вращения образца привод производит 130 наклонов. Ступенчатая кривая, полученная из 5 последовательных кадров, позже используется на этапе обработки для расчета одной проекции. Путем смещения начальной точки на один кадр и повторного использования последовательных кадров следующая проекция рассчитывается в режиме скользящего окна.
Перед началом записи жидкий азот заливается в полистироловый резервуар в верхней части трубки FalconTM. Затем он протекает через полую трубку из политетрафторэтилена (ПТФЭ) с внешним диаметром 3 мм и внутренним диаметром 2 мм, которая помещается внутри образца и герметизируется снизу силиконом, чтобы предотвратить прямой контакт жидкого азота с тканью. . Этот материал трубки был выбран во избежание образования полос, которые могут возникнуть при использовании металлического стержня. После заполнения резервуара измерение начинается с регистрации 10 полных перемещений привода без образца в луче, который впоследствии будет использоваться для коррекции плоского поля. Затем образец перемещается на путь луча, начинается вращение и измерение выполняется, как описано ранее. В нашем эксперименте образец непрерывно вращался в течение 10 оборотов на 360°(^circ).
Обработка
После коррекции плоского поля39 выполняется взвешенная аппроксимация синусоидальных кривых по методу наименьших квадратов измерениям в каждом пикселе для извлечения сигналов затухания, темного поля и фазового контраста. Сигнал темного поля D рассчитывается как
$$D = – log frac{{V_{{{text{sample}}}} }}{{V_{{{text{ref}}}} }}, $$
(1)
где (V_text {sample}) — видимость в данном пикселе с образцом в луче и (V_text {ref}) — видимость без образца. Сигнал ослабления получается аналогичным образом путем замены измеренных значений количества фотонов на значения видимости. Для измерений КТ восстановление фазы выполняется в режиме скользящего окна: записанные кадры детектора с номерами от 0 до 4 используются для получения проекции № 0, затем кадры с № 1 по № 5 дают следующую обработанную проекцию № 1. , как показано на рис. 7. Восстановление фазы дополнительно выполняется по кусочкам, причем патчи состоят из центрального пикселя и его 4 прямых соседей, чтобы смягчить влияние шума на поиск фазы40. После этого шага данные группируются с коэффициентом 5, в результате чего новый эффективный размер пикселя равен 290 (upmu {hbox {m}}. Коррекция кольцевых артефактов применяется ко всем сигналам в пространстве проекции. Сигнал темного поля корректируется, как описано в следующем подразделе, чтобы смягчить эффекты ужесточения луча. Двусторонний фильтр, описанный Allner et al. применяется к обоим сигналам, чтобы уменьшить количество присутствующего шума из-за низкой дозы, сохраняя при этом большую часть фронтов41. Для изображения затухания данные фазового контраста передаются алгоритму двустороннего фильтра в качестве дополнительной информации о границах.
Поскольку на датчик энергоинтегрирующего детектора, используемого для рентгенограмм, влияет электронный шум, в дополнение к коррекции плоского поля применяется коррекция темнового тока. Рентгенограммы не группируются и не фильтруются, т. е. разрешение соответствует эффективному размеру пикселя.
Образцы
Для рентгенограмм используют несконсервированный кусок свиной шеи размером примерно 1(8х4х3) см. Он удерживается с помощью держателя из двух пластин поликарбоната с внутренним расстоянием 3 см. Вставленная медная игла имеет диаметр 3 мм. Образец показан в положении измерения с вставленной иглой на рис. 8а.
Рисунок 8
Фотографии образцов, использованных в экспериментах. (а) Кусок свиной шеи в положении измерения, использованный для рентгенографического эксперимента. Вставленная медная игла видна в середине образца; он охлаждается с помощью резервуара из полистирола, установленного на держателе образца из поликарбоната. (б) Кусок свиной грудинки, использованный для эксперимента КТ после удаления охлаждающей трубки. Оранжевая стрелка указывает на верхнюю часть образца.
Для компьютерной томографии выбирают аналогичный образец: кусок несконсервированной свиной грудинки разрезают так, чтобы он помещался в пробирку FalconTM (Fisher Scientific GmbH, Шверте, Германия) диаметром 3 см. Он включает сравнительно большие участки жировой ткани и мышц, а также слой кожи. Образец показан на рис. 8б.
Калибровка темного поля
Чтобы удалить из измерений спектрально-индуцированный сигнал темного поля, вызванный усилением луча, калибровка, как описано Pelzer et al. выполняется для измерений КТ42. Для этого в установку помещаются различные блоки полиоксиметилена (ПОМ) толщиной от 7 до 75 мм, заменяющие трубку для образца на рис. 1. ПОМ выбран так, чтобы имитировать состав образца и сравним с 1: 1-смесь мышц и жира43. Рентгенограммы с временем экспозиции 4 с получают для каждой толщины, что дает значение пропускания и темного поля. Измеренные значения темного поля D и значения пропускания T на каждом изображении рассчитаны и подогнаны с использованием эмпирического соотношения
$$begin{aligned} D = a cdot T^b, end{aligned}$$
(2)
чтобы получить справочную таблицу. a и b — коэффициенты подгонки, для которых значения 1,1 и 0,33 получают соответственно при усреднении по используемому модулю детектора для более надежной подгонки. Эти значения используются для коррекции данных темного поля на компьютерной томографии с использованием43
$$begin{aligned} D^text {(SAS)} approx frac{D}{D^text {(sp)}(T, varphi )}, end{aligned}$$
(3)
где (D^text {(SAS)}) — компонент темнопольного сигнала, представляющий малоугловое рассеяние, а D — измеренный темнопольный сигнал, (D^text {(sp)} ) — темное поле из-за спектральных эффектов, определенное в калибровочном эксперименте. Из-за однородности ПОМ на микрометровых масштабах он не вызывает сильного малоуглового рассеяния — по этой причине предполагается, что весь зарегистрированный сигнал обусловлен эффектами усиления луча43. Зависимостью от фазы сигнала (varphi) пренебрегаем из-за малой заметности (< 25%) интерферометра43.
Расчет дозы
Поскольку образец свиньи по составу аналогичен человеческой груди, доза в этой работе дается как средняя доза для желез (МГД). MGD рассчитывается с использованием моноэнергетических нормализованных коэффициентов дозы для желез DgN(E) (где E – энергия рентгеновского излучения), как указано в таблице Boone et al. для различной толщины сжатой груди44. Принимая во внимание спектр вращающегося анода и суммируя по всем энергетическим элементам E, это приводит к следующей формуле для MGD45:
$$ {text{MGD}} = sumlimits_{E} K (E)[{text{mGy}}] cdot 0.114влево[ {frac{{text{R}}}{{{text{mGy}}}}} right] cdot left( {{text{DgN}}({text{E}})left[ {frac{{text{R}}}{{{text{mGy}}}}} right]} верно). $$
(4)
Здесь K(E) — воздушная керма, полная сумма кинетической энергии всех заряженных частиц на единицу массы на первом этапе взаимодействия. Керму воздуха измеряют отдельно для рентгенограммы и установки КТ, помещая клинический дозиметр (Diados T60005 MAM, PTW Freiburg GmbH, Фрайбург, Германия) в положение образца и оставляя все решетки на пути луча. Поскольку держатель, используемый в рентгенографическом эксперименте, содержит перед образцом пластину из поликарбоната толщиной 5 мм, такую пластину устанавливают и перед дозиметром. Сравнительно тонкие стенки трубки FalconTM не учитываются при расчете дозы; поэтому перед дозиметром для измерения кермы воздуха в установке CT не размещается никакой предмет. Результирующие значения воздушной кермы составляют ({0.166},upmu hbox {Gys}^{-1}) и ({0.566},upmu hbox {Gys}^{-1}) для рентгенограмма и установка КТ соответственно. Для всех расчетов дозы предполагается, что железистость молочной железы равна 50%, поскольку примерно половина каждого образца состоит из жира.
2024-03-07 08:25:58
1709803902
#Рентгеновская #темнопольная #компьютерная #томография #для #мониторинга #замораживания #тканей
