能谱和相衬 CT 结合优势增强 X 射线成像
光谱相衬断层扫描 使用三个分解通道对灌注造影剂的小鼠样本进行三维渲染：水（软组织，蓝色）、碘（脉管系统，红色）和钙（骨骼，白色）。 （礼貌：CC BY 4.0/Phys.Med.Biol.10.1088/1361-6560/ad3328）
CT 扫描仪中引入光子计数探测器为光谱 CT 在临床环境中的兴起铺平了道路。 此类系统采用两种或多种 X 射线能量来创建特定材料的 3D 贴图。 但由于能谱CT基于X射线衰减，因此在对生物组织等弱吸收材料成像时，其对比度较低。 因此，高 Z 造影剂通常用于突出显示感兴趣的结构。
与此同时，X 射线相衬成像变得越来越广泛，并受到临床前和临床应用的关注。 相衬技术（其中许多技术可以生成衰减图和相移图）可以提高软组织等低 Z 材料的可见度。
的里雅斯特大学和 INFN 的 Luca Brombal 表示：“光谱 CT 已被证明在从材料量化到图像伪影减少等一系列应用中都是有效的，而相差成像则拥有软组织和微结构组织的卓越可视化能力。” “在此基础上，我们寻求利用这两种技术的综合优势。”
Brombal 和同样来自伦敦大学学院的同事首次展示了使用断层扫描边缘照明装置将光谱和相衬 CT 集成。 该项目在《医学与生物学物理学》中进行了描述，涉及开发一种成像装置，该装置可以采集具有光谱和相衬特性的数据，同时实施材料分解模型。
“组合光谱相衬方法的好处是可以同时生成样品中特定元素或Compound的三个质量密度图，同时提高信噪比，特别是软组织成分的信噪比，因为相位灵敏度，”Brombal 解释道。
物质分解
该团队使用了边缘照明相衬装置，其中掩模放置在样品的两侧，形成入射 X 射线束并选择性地阻挡探测器。 在没有放置样品的情况下创建参考照明曲线。 一旦插入样本，该曲线就会衰减并横向移位，然后使用这些变化来检索衰减图像并计算样本引起的相移。
实验装置 Elettra 同步加速器设施的 SYRMEP 光束线实验的主要组成部分。 （礼貌：CC BY 4.0/Phys.Med.Biol.10.1088/1361-6560/ad3328）
在这项研究中，研究人员采用了来自意大利同步加速器设施 Elettra 的同步辐射。 然而，他们指出，使用传统 X 射线管转换到实验室设置应该很简单。 他们首先扫描了一个测试模型，该模型由装有五种流动性的塑料比色皿组成：氯化钙溶液（370 和 180 毫克/毫升）；氯化钙溶液（370 和 180 毫克/毫升）； 碘溶液（50 和 10 mg/ml，与碘对比剂中使用的浓度相似）； 和蒸馏水。
该成像系统基于带有小像素 (62 µm) 碲化镉传感器的光子计数探测器，以双色模式运行，记录低能和高能仓中的传入光子。 研究人员采集了体模的断层扫描图像，记录了 180° 范围内的 360 个投影，每步曝光时间为 1.2 秒，总采集时间为 2.9 小时。
从衰减和相位投影重建 3D 成交量后，团队使用三种算法进行材料分解：光谱分解，使用低能和高能衰减重建作为输入； 衰减/相位分解，应用于通过对能量仓求和获得的相位和衰减重建； 以及谱/相位分解，它使用低能量、高能量和相位重建。
光谱/相位分解算法表现出三者中的最佳性能，可以正确识别所有材料，且通道间没有信号污染，并且由于输入相位通道的噪声较低，噪声明显低于标准光谱分解。 该算法计算出的值最接近标称质量密度，对于水、碘和氯化钙溶液，RMS 误差分别为 1.1%、1.9% 和 3.5%。
与频谱分解相比，频谱/相位分解还提高了图像的信噪比，水通道中的信噪比提高了 9 倍，碘图像中的信噪比提高了 1.3 倍。 此外，只有光谱/相位分解才能同时量化所有三种材料密度。
生物演示
为了使用生物样本验证该技术，研究人员对死后灌注碘基血管造影剂的实验室小鼠进行离体成像。 他们获得了 360° 范围内的 720 个投影，总曝光时间为 5.8 小时，最终辐射剂量约为 2 Gy。 他们指出，对于未来的体内应用，通过优化掩模设计或使用剂量效率更高的采集方案，可以将传递的剂量减少到数百毫格雷。
为了保留高分辨率细节，研究人员重建了 20 µm3 体素大小的衰减和相位图像。 光谱衰减图像显示来自骨骼（钙图）和脉管系统（碘图）的信号，但没有软组织信号。 同时，相位输入重建揭示了软组织结构，例如皮肤和皮下层以及内脏器官
使用光谱/相位算法的材料分解清楚地分离了脉管系统和骨骼，没有污染信号，而相位通道提供了福尔马林固定的软组织成分的良好可视性。
高分辨率的碘和钙图像表明该系统可以捕获小于 50 µm 的血管以及骨骼的精细小梁结构。 研究人员还在光谱/相位分解后创建了小鼠样本重建的 3D 渲染，可同时可视化软组织、骨骼和脉管系统。
布朗巴尔告诉《物理世界》，下一步将是将这项技术从原理验证研究转化为更引人注目的科学案例。 “我们最近启动了一个新项目，重点关注光谱相位对比在骨关节研究中的应用，特别是在检测骨关节炎等疾病的背景下，以及（定量）虚拟组织学，可能与外科手术的传统病理分析一起提供补充见解。组织标本。”