Tek yönlü örnekleme ile 2D faz hassasiyeti ve izotropik çözünürlüğe ulaşan bir in vitro ışın izleme X-ışını görüntüleme yöntemi

2B ışın izleme ve tek yönlü frekans

Şekil 1, düzlemsel görüntü elde etme ve mikro CT taraması için kullanılan 2B ışın izleme kurulumunun şematik bir diyagramını göstermektedir; Kurulumun açıklaması “Yöntemler” bölümünde bulunabilir. İki boyutlu bir dairesel açıklık dizisinden oluşan bir maske kullanıldı. deliklerin çapı doktor = 19 µm ve farklı dönemler S_H Ve S_Beşinci sırasıyla yatay ve dikey yönde; Aralıklar, ilgili yönlerdeki ardışık demetler arasındaki boşlukla belirlendi. S_Beşinci= 39 µm f S_H= 156 mikron. Maske tasarımıyla ilgili tüm ayrıntılar bir sonraki paragrafta verilmiştir.

Maske tasarımı

Kirişler arasında yeterli ayrım sağlandığı sürece açıklık çapı doktorGenel sistem bulanıklığından bağımsız olarak, sistem sadakatinin nihai itici gücüdür. B_H, Kaynak ve dedektör nedeniyle. Gauss sistemi bulanıklığı, B_H,kaynak dağıtımını bağlayarak elde edilebilir güneybatı_{H VeBeşinci} Dedektör yayılma noktası işlevi kullanılarak dedektöre yansıtılır PSF_H,ardından ortaya çıkan işlevi maske düzeyine döndürün,

Neresi MYakınlaştırma faktörüydü²⁶. Detektördeki küçük demetlerin etkili bir şekilde ayrılması, detektör düzlemine büyütülen ve uzatılmış kaynağın ve detektör PSF’nin etkisiyle genişleyen demetlerin enine kesit boyutları karşılık gelen yükseltilmiş periyotlardan daha küçük olduğunda elde edilir. S_H Ve S_Beşinciherhangi:

Denklemlerden görülebileceği gibi. (1) ve (2), maskenin tasarımı büyük ölçüde kullanılan spesifik deney düzeneği tarafından belirlenir. Bizim durumumuzda, X-ışını kaynağının odak noktası yatay ve dikey eksenler boyuncadır, güneybatı_H,, yarı maksimumda (FWHM) tam genişlikte yaklaşık 10 µm olduğu tahmin edilmektedir. PSF detektörü, her iki yön boyunca 120 µm FWHM ile Gauss olacak şekilde önceden ölçeklendirildi.²⁷. maske yakınlaştırma faktörü, M5.11 idi. Böylece sistem bulanıklığı (denklem (1)) her iki yönde de 29 µm’dir. deliğin çapı doktor = 19 µm seçildi. Eş. (2), her iki yöndeki küçük ışınlar için FWHM, maske seviyesine şişirilmiş, 31 μm’dir. Küçük ışınların, yeterli ayrılmalarına izin vermek için dikey yön boyunca tepe değerlerinin <%10'unda birbiriyle örtüştüğünü varsayarsak, bu, dikey yön boyunca en az 56 um'lik iki bitişik yarık arasında bir mesafe ile sonuçlanır. Küçük kirişler yukarıda belirtildiği gibi yatay ve dikey yönlerde eşit olarak yayıldığından, yuvalar arasındaki yatay mesafe için aynı ayırma kriteri geçerlidir. Tasarımımızda, yuvalar arasındaki dikey ayrımın yataydan daha küçük olduğu kademeli bir tasarıma (her bir yuva sırası için yatay aralığın yarısını dengeleyerek) "minimum ayrım 56 µm" kriterini uyguladık ve (a)'ya bir güvenlik payı ekledik. ) ilk kavram kanıtlama çalışmasında riski ortadan kaldırmak Bunlar ve (b) maskeyi diğer kaynak/dedektör kombinasyonlarıyla da kullanabilmek. Bitişik demetleri 78 µm ayırarak yaklaşık %40'lık bir 'güvenlik marjı' benimsedik. Tek yönlü stabilite ile izotropik çözünürlüğe ulaşmak, yatay periyodun düşey periyodun bir tamsayı katı olmasını da gerektirir: tüm bu koşullar bir araya geldiğinde, 39 μm seçimine yol açtı. S_Beşinci ve 4 kez S_Beşinci= 156 µm l S_H. Bu maske tasarımının başlangıçta önerilen metodolojinin gerekliliklerini karşılamaya uygunluğu simülasyonlar kullanılarak araştırıldı; Simülasyonun ve sonuçlarının bir açıklaması Ek Malzemede verilmiştir.

Ayrıca, yukarıda açıklanan nedenlerden dolayı, bu kavram kanıtlama çalışmasında maske tasarımının dikey yönde tam örnek kapsamına karşılık gelmediği de belirtilmelidir, çünkü ardışık açıklık sıraları arasında zaten boşluklar vardır. S_Beşinci> doktor . Yatay yönde daha büyük açıklık aralığı pahasına dikey yönde daha ince numuneler alınabilir ve bu ayrıca Ek Malzeme’de daha ayrıntılı olarak tartışılmıştır.

düz görüntüler

“Yöntemler” bölümünde açıklanan prosedür izlenerek düzlemsel görüntüler elde edildi. Kürelerden ve çapraz tel örneklerinden elde edilen düzlemsel görüntüler, Şekiller 2’de gösterilmektedir. sırasıyla 2 ve 3. Her iki görüntü de zayıflama ve kırılma gösterir. X Ve y eksen ve entegre sahne. Alınan faz görüntüleri boyunca bir gradyan gözlemlenir (arka plan, Şekil 2b ve 3b’deki tüm görüntülerde tutarlı değildi), bu, geri alınan kırılma sinyallerindeki küçük hatalara atfedilir; Bu, bölümün sonunda tartışılmaktadır.

zayıflama (A), entegre aşama (B), boyunca kırılma X Merkez (C) ve boyunca kırılma y Merkez (doktor), örnek toplar için.

zayıflama (A), entegre aşama (B), boyunca kırılmaXMerkez (C) ve boyunca kırılmayMerkez (doktor) çapraz tel örneği için.

Yatay boyunca sinyallerin izotropik özelliklerini araştırmak için ( X ) ve dikey ( y ), her iki yön boyunca zayıflama ve faz sinyalleri için PMMA alanının merkezi boyunca profiller çizilmiştir ve Şekil 4’te gösterilmektedir. İzotropik uzamsal çözünürlüğün yatay ve dikey yönde elde edildiği, gradyanın ise yalnızca yatay yönde elde edildiği vurgulanmıştır. uygulanmıştır.

zayıflama özellikleri (A) ve entegre faz (B), PMMA küresinin merkezi boyunca (Şekil 2’de gösterilmiştir) boyunca X (siyah düz çizgi) f y(kırmızı kesikli çizgi) eğilim.

terim emilimi β ve kırılma indisini azaltın δ , Eş. (7), “Yöntemler” bölümünde açıklandığı gibi geri kazanılan dört malzemeden Şekil 5’te gösterilmektedir. Faz ölçümü için etkin enerjinin PMMA top, PP bilya ve PTFE tel için yaklaşık 19 keV ve 18.5 olduğu tahmin edilmektedir. PS kablosu için keV, Monroe ve Olivo’da açıklandığı gibi²⁸, ortalama spektral güç olarak. Bu aynı değer, neyin geri kazanıldığını hesaplamak için kullanıldı β Belirsizlikler dahilinde nominal değerlerle uyuşan alınan değerler. Ref.²⁸Monroe ve Olivo, etkili adsorpsiyon enerjisinin fazınkinden nasıl farklı olabileceğini ve her ikisinin de numune kalınlığına göre nasıl farklı olduğunu tartışıyorlar. Aslında, PMMA küresi, PP top ve PTFE telinin etkin enerjisi, PS telinin anma enerjisine kıyasla biraz daha yüksekti; Bu, öncekinin neden olduğu artan absorpsiyon ve dolayısıyla ışın sertliği ile tutarlıydı. Burada, faz ve absorpsiyon arasındaki etkin enerjide bir fark gözlemlenmese de, geri kazanılanla ilişkili belirsizlikten daha küçük olduğuna inanıldığına dikkat edilmelidir. βVe δDeğerler (görüntülerden çıkarılan zayıflama ve faz değerlerinin standart sapma yayılımı).

absorpsiyon terimi, β(A) ve kırılma indisini azaltın, δ (B) deneyden nominal değerlerle çıkarıldı.

CT tarama

Şekil 6, hem zayıflama hem de faz kanalı için tane fantomunun yeniden yapılandırılmış eksenel, sagittal ve koronal dilimlerini göstermektedir; Veri toplama ve analizi “Yöntemler” bölümünde açıklanmıştır.

yeniden yapılandırılmış eksenel (AVeH), sagital (BVeF) ve koronal (CVeG(Hafifletmek için granül hayalet uçaklar)A–C) ve faz (H–G) ve karşılık gelen çizgi yayma fonksiyonları (BEN) boyunca karşılık gelen renklerin kesikli çizgileriyle gösterilen etki alanı kenarlarından çıkarılır X Ve y Ve z panellerdeki eksenler (HVeF). Panellerin eksenel düzlemlerindeki kırmızı noktalı çizgiler aracılığıyla profiller (AVeH) hafifletmek (doktor) ve faz (H).

Şekil 6’nın ilk gözlemi, faz görüntülerinde (Şekil 6d-f) zayıflama görüntülerine (Şekil 6a-c) kıyasla daha büyük kontrast ve nispeten daha az gürültüdür, kontrast-gürültü oranı (CNR) zayıflama ve faz (Şekil 6’da gösterilen görünümler boyunca) sırasıyla 3 ve 21 olacaktır. Bu, kırılma indisindeki bir azalmaya atfedilir. δPS emilim süresinden daha yüksektir β ~19 keV’de. İkinci gözlem, uzamsal çözünürlüğün anizotropik görünmesidir. Gerçekten de, 48 ± 4 µm, 46 ± 5 µm ve 48 ± 7 µm’lik uzamsal çözünürlükler (“Yöntemler” bölümüne göre hesaplanan ortalama ± standart sapma) faz boyutundan tahmin edilmiştir. X VezVeysırasıyla, önerilen maskenin tek yönlü frekansa rağmen izotropik uzamsal çözünürlüğe ulaşma yeteneğini gösterir. Üç eksen boyunca kürenin kenarlarından çıkarılan çizgi yayılma fonksiyonları Şekil 6(i)’de gösterilmektedir. Numune düzeyinde büyütme hesaba katıldığında voksel boyutu 47 um x 47 um x 47 um idi.

Karmaşık bir biyolojik örnek olan sıçan kalbi üzerinde tek yönlü frekansla izotropik uzamsal çözünürlüğe ulaşmak için önerilen metodolojinin uyumluluğu da doğrulandı; Veri toplama ve analizi “Yöntemler” bölümünde açıklanmıştır. Sıçan kalbinin hem atenüasyon hem de faz kanalları için yeniden yapılandırılmış eksenel, sagittal ve koronal dilimleri Şekil 7’de gösterilmektedir. Görsel olarak görülebileceği gibi, uzamsal çözünürlük izotropik görünmektedir.

yeniden yapılandırılmış eksenel (AVedoktor), sagital (BVeH) ve koronal (CVeF(Hafifleştirmek için fare kalp uçakları)A–C) ve faz (doktor–F) kanallar.

Yeniden yapılandırılmış faz dilimleri boyunca gradyan, Şekil 7’de görülebilir ve kalp odacıkları içindeki faz sinyali, organ dışındaki arka plana kıyasla daha yüksekti. Bunun nedeni, alınan kırılma sinyallerindeki küçük hatalardır. Örneğin titreşimler ve/veya sıcaklık dalgalanmaları nedeniyle zamanla değişen sistem bileşenlerinden kaynaklanan sistem dengesizlikleri, örnekteki kırılmanın neden olduğu küçük ışın konumu değişiminin tahmininde hatalara yol açabilecek şekilde, maskenin yatay ve dikey kaymalarına neden olabilir. Sistem kararsızlığını da hesaba katarak en küçük kareler yöntemleriyle çözülen doğrusal olmayan eğri uyumuna dayalı alma algoritmalarının, kenar aydınlatma BT’sinin X-ışını faz kontrastındaki yeniden yapılandırılmış faz dilimlerindeki gradyan kusurlarını ortadan kaldırdığı gösterilmiştir.²⁹. Gelecekteki 2B ışın izleme, X-ışını faz kontrastlı görüntüleme ve bilgisayarlı tomografi çalışmalarında benzer alma algoritmaları dikkate alınacaktır.