用于监测组织冷冻的 X 射线暗场计算机断层扫描

设置和几何形状

实验装置如图所示。 1 并使用旋转阳极（MicroMax HF007，Rigaku Corporation，日本东京）和钼靶作为 X 射线源。 变量G(_i)指的是光​​束方向上的第i个光栅。 两个实验的光栅详细信息见表 1。 用于射线照相和 CT 测量的装置的几何形状略有不同，因为对装置进行了升级以实现快速 CT 成像。 表中提供了距离和所得的几何放大倍数 2。

对于射线照相实验，源的工作电压为 33 kVp，电流为 24 mA。 基于闪烁的能量积分探测器（Dexela 1512，PerkinElmer, Inc., Waltham, United States），像素间距为 74.8 (upmu {hbox {m}}) 和 1944 (times ) 1536 像素用来。 此配置中设置的有效像素大小为 53.2 (upmu {hbox {m}})。

对于 CT 实验，源设置为 50 kVp 电压和 24 mA 电流。 使用原型光子计数探测器（Santis 0808 GaAs HR，DECTRIS AG，巴登，瑞士）获得投影，模块厚度为 500 (upmu {hbox {m}}) 和 1030 (times ) 1024 个像素，间距为 75 (upmu {hbox {m}})。 由于设置的几何放大，有效像素大小为 58 (upmu {hbox {m}})。 使用由 E-709.1C1L 数字控制器（均为 Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG，卡尔斯鲁厄，德国）控制的 P-620.1CD 压电执行器来移动光栅。

表 1 分别用于射线照片和 CT 测量的光栅类型。 表 2 分别用于射线照片和 CT 测量的设置几何形状。

射线照相测量协议

代替如图所示的样品管。 1，一块猪颈肉由两块聚碳酸酯板固定到位。 为了开始实验，将铜棒插入样品中并使用充满液氮的聚苯乙烯浴冷却。 然后定期拍摄基于光栅的射线照片：每张射线照片由 11 个相位步骤组成，每个步骤曝光时间为 6 秒。 选择曝光时间以产生与双视图数字乳房X线摄影中的平均腺体剂量大约相同的平均腺体剂量估计值37。 帧时间 (T_text {F}) 约等于曝光时间 (T_text {E} = {6} ,{hbox {s}})，因为空闲时间 (检测器的 T_text {I}) 被选择为小到可以忽略不计。 这与下一小节详细描述的 CT 测量协议不同。 22 分钟内总共拍摄了 20 张射线照片。 图中的时间标记。 2 指采集新图像的开始时间。

CT测量协议

为了在 CT 扫描中捕获样本随时间的变化，采用了类似于 Zanette 等人的测量协议。38 用来。 控制 (text {G}_1) 光栅位置的压电致动器随着时间的推移以斜坡状模式连续移动，同时与探测器同步。 样本每旋转 360(^circ )，检测器总共记录 650 帧，每帧时间为 (T_text {F}) = 0.22 s，从而产生完整的样本旋转持续时间2.4 分钟处理步骤中使用下一轮的四个附加帧来获得最后的投影。 每帧由 (T_text {E}) = 0.12 s 曝光时间和 (T_text {I}) = 0.10 s 空闲时间组成。 空闲时间（在此期间没有记录任何光子）的存在是为了允许执行器在第四次曝光后返回到其原始位置，而不会对由此产生的运动伪影进行成像。 每帧包含相同的空闲时间，以确保记录图像的间距相等。 考虑到执行器的最大运动速度，空闲时间的值选择尽可能小。 选择曝光时间是为了在可用图像统计数据和快速旋转以解决组织随时间变化的需要之间进行权衡。 两个执行器斜坡和相应的检测器动作如图 2 所示。 7。 由于相位光栅的周期性，步进器位置#5 产生与位置#0 相同的图案。

图7

CT 扫描所用测量协议的图示。 该图显示了样品旋转时压电致动器随时间的运动。 橙色点表示持续时间 (T_text {F}) 的新检测器帧的开始，它由曝光时间 (T_text {E}) 和空闲时间 (T_text {我}）。 仅在曝光时间内对光子进行计数。 样品每旋转 360(^circ ) 次，执行器就会产生 130 个斜坡。 5 个连续帧提供的步进曲线随后在处理步骤中用于计算一个投影。 通过将起点移动一帧并再次使用连续帧，以滑动窗口方式计算下一个投影。

在开始记录之前，将液氮填充到 FalconTM 管顶部的聚苯乙烯盆中。 然后流经外径为 3 mm、内径为 2 mm 的中空聚四氟乙烯 (PTFE) 管，该管放置在样品内部，底部用硅胶密封，以防止液氮与组织直接接触。 选择这种管材料是为了避免金属棒可能出现的条纹伪影。 一旦储液器被填满，通过记录致动器的 10 次完整斜坡运动来启动测量，光束中没有样品，以便稍后用于平场校正。 然后将样品移入光路，开始旋转并如前所述进行测量。 在我们的实验中，样本连续旋转10轮360(^circ )。

加工

平场校正后39，对每个像素中的测量值进行正弦曲线的加权最小二乘拟合，以提取衰减、暗场和相位对比信号。 暗场信号D计算如下

$$D = – log frac{{V_{{{text{样本}}}} }}{{V_{{{text{ref}}}} }}, $$

(1)

其中 (V_text {sample}) 是光束中有样本的给定像素的可见度，而 (V_text {ref}) 是没有样本的可见度。 通过用可见度代替测量的光子计数来类似地获得衰减信号。 对于 CT 测量，相位检索以滑动窗口方式执行：编号为 #0 到 #4 的记录探测器帧用于获得投影 #0，然后帧 #1 到 #5 产生下一个处理的投影 #1 ，如图所示 7。 相位检索另外以补丁方式执行，补丁由中心像素及其 4 个直接邻居组成，以减轻噪声对相位检索的影响40。 在此步骤之后，数据将按 5 倍进行合并，从而产生新的有效像素大小 290 (upmu {hbox {m}})。 环形伪影校正应用于投影空间中的所有信号。 如后续小节所述，对暗场信号进行校正，以减轻光束硬化的影响。 Allner 等人描述的双边滤波器。 应用于两个信号，以减少由于低剂量而存在的噪声量，同时保留大部分边缘41。 对于衰减图像，相位对比数据作为附加边缘信息提供给双边滤波算法。

由于用于射线照相的能量积分探测器的传感器受到电子噪声的影响，因此除了平场校正之外还应用暗电流校正。 放射线照片既不合并也不过滤，即分辨率对应于有效像素大小。

样品

对于射线照片，使用尺寸约为 (8 times 4 times 3) 厘米的未保存的猪颈肉。 使用由两块内部距离为 3 厘米的聚碳酸酯板制成的支架将其固定到位。 插入的铜针直径为3毫米。 图 1 中显示了样品处于插入针的测量位置。 8A。

图8

实验中使用的样品的照片。 (a) 处于测量位置的猪颈肉，用于射线照相实验。 插入的铜针在样品中间可见； 使用聚碳酸酯样品架顶部的聚苯乙烯盆进行冷却。 (b) 取出冷却管后用于 CT 实验的五花肉块。 橙色箭头表示样本的顶部部分。

选择类似的样品进行 CT 扫描：将一块未腌制的五花肉切成直径 3 厘米的 FalconTM 管（Fisher Scientific GmbH，Schwerte，德国）。 它包括相对较大的脂肪组织和肌肉部分，还包括一层皮肤。 样品如图所示。 8b.

暗场校准

为了从测量中消除由光束硬化引起的光谱感应暗场信号，需要进行 Pelzer 等人描述的校准。 用于 CT 测量42。 为此，在装置中放置了厚度范围为 7 至 75 mm 的不同聚甲醛 (POM) 块，取代了图 1 中的样品管。 1。 选择 POM 来模拟样品的成分，可与肌肉和脂肪的 1:1 混合物相媲美43。 对每个厚度获取曝光时间为 4 秒的射线照片，从而产生透射率和暗场值。 每个图像中测量的暗场值 D 和透射值 T 均使用经验关系进行表示和拟合

$$begin{对齐} D = a cdot T^b, end{对齐}$$

(2)

以获得查找表。 a和b是拟合系数，当对所使用的检测器模块进行平均时，为了更可靠的拟合，分别获得值1.1和0.33。 这些值用于校正 CT 扫描中的暗场数据43

$$begin{对齐} D^text {(SAS)} approx frac{D}{D^text {(sp)}(T, varphi )}, end{对齐}$$

(3)

其中(D^text {(SAS)})是代表小角散射的暗场信号分量，D是测量的暗场信号，(D^text {(sp)} ) 是由校准实验中确定的光谱效应引起的暗场。 由于 POM 在微米长度尺度上的均匀性，不会引起强烈的小角度散射——因此，假设所有记录的信号都源于光束硬化效应43。 由于干涉仪(< 25%)的可见度较低，忽略了对信号(varphi )相位的依赖43。

剂量计算

由于猪样本的成分与人类乳房相似，因此本研究中的剂量以平均腺体剂量（MGD）给出。 MGD 使用单能归一化腺体剂量系数 DgN(E)（其中 E 为 X 射线能量）计算，如 Boone 等人所列。 针对不同受压乳房厚度44。 考虑到旋转阳极的频谱并对所有能量仓 E 求和，得出以下 MGD 公式45：

$$ {text{MGD}} = sumlimits_{E} K (E)[{text{mGy}}] cdot 0.114左[ {frac{{text{R}}}{{{text{mGy}}}}} right] cdot left( {{text{DgN}}({text{E}})left[ {frac{{text{R}}}{{{text{mGy}}}}} right]} 正确的）。 $$

(4)

这里，K(E)是空气比释动能，即第一步相互作用中每单位质量的所有带电粒子的动能总和。 通过将临床剂量计（Diados T60005 MAM，PTW Freiburg GmbH，弗莱堡，德国）放置在样本位置并将所有光栅留在光束路径中，分别测量射线照片和 CT 设置的空气比释动能。 由于射线照相实验中使用的支架在样品前面包含一块厚度为 5 mm 的聚碳酸酯板，因此该板也放置在剂量计前面。 FalconTM 管壁相对较薄，对于剂量计算而言可以忽略不计； 因此，在 CT 设置中进行空气比释动能测量时，剂量计前面没有放置任何物体。 得到的空气比释动值是 ({0.166},upmu hbox {Gys}^{-1}) 和 ({0.566},upmu hbox {Gys}^{-1})分别是X光片和CT设置。 由于每个样本的大约一半由脂肪组成，因此所有剂量计算均假定乳腺腺体含量为 50%。

1709804510
2024-03-07 08:25:58
#用于监测组织冷冻的 #射线暗场计算机断层扫描