Dual source hybrid spectral micro-CT using an energy-integrating and a photon-counting detector.
Dual source hybrid spectral micro-CT using an energy-integrating and a photon-counting detector.
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使用能量积分和光子计数检测器的双源混合光谱微型ct。
DOI：
10.1088/1361-6560/aba8b2
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发表时间：
2020-10-21
影响因子：
3.5
通讯作者：
Badea CT
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Holbrook MD;Clark DP;Badea CT
临床前微型 CT 提供了开发新成像技术的温床，包括使用光子计数探测器 (PCD) 技术的光谱 CT。使用 PCD 的光谱成像有望将 X 射线 CT 扩展为一种功能成像模式，能够进行分子成像，同时保持 CT 作为强大的解剖成像模式的作用。然而，PCD 的实用性因光谱测量失真而受到影响，影响了材料分解的准确性。我们尝试使用我们的新型混合双源微 CT 系统来提高材料分解的准确性，该系统结合了 PCD 和能量积分探测器。对纯 PCD 和混合 CT 结果进行了比较，两者均使用我们基于分裂 Bregman 方法的迭代多通道算法进行重建，并使用秩稀疏核回归进行正则化。重建后进行多材料分解，以分离碘 (I)、金 (Au)、钆 (Gd) 和钙 (Ca)。首先在模拟中评估系统性能，然后在微型 CT 模型中评估，最后在使用基于 Au、Gd 和 I 纳米粒子 (NP) 的造影剂的转基因 p53fl/fl 小鼠癌症模型的体内实验中进行评估。我们的结果表明，仅 PCD 和混合 CT 重建在 10% MTF 下提供非常相似的空间分辨率（PCD：3.50 lp mm−1；混合：3.47 lp mm−1）以及噪声功率谱给出的噪声特性。对于材料分解，我们注意到四种基础材料的成功分离。我们发现，与相似剂量的仅 PCD 相比，混合重建在所有材料图上平均将 RMSE 降低了 37%，但在浓度精度方面没有提供太大差异。体内结果显示肿瘤中靶向的 Au 和累积的 Gd 纳米颗粒与血管内碘纳米颗粒和骨分离。混合光谱微型 CT 通过提供定量成像来测试和优化用于诊断和治疗应用的各种纳米颗粒，从而使纳米技术和癌症研究受益。
Preclinical micro-CT provides a hotbed in which to develop new imaging technologies, including spectral CT using photon counting detector (PCD) technology. Spectral imaging using PCDs promises to expand x-ray CT as a functional imaging modality, capable of molecular imaging, while maintaining CT’s role as a powerful anatomical imaging modality. However, the utility of PCDs suffers due to distorted spectral measurements, affecting the accuracy of material decomposition. We attempt to improve material decomposition accuracy using our novel hybrid dual-source micro-CT system which combines a PCD and an energy integrating detector. Comparisons are made between PCD-only and hybrid CT results, both reconstructed with our iterative, multi-channel algorithm based on the split Bregman method and regularized with rank-sparse kernel regression. Multi-material decomposition is performed post-reconstruction for separation of iodine (I), gold (Au), gadolinium (Gd), and calcium (Ca). System performance is evaluated first in simulations, then in micro-CT phantoms, and finally in an in vivo experiment with a genetically modified p53fl/fl mouse cancer model with Au, Gd, and I nanoparticle (NP)-based contrasts agents. Our results show that the PCD-only and hybrid CT reconstructions offered very similar spatial resolution at 10% MTF (PCD: 3.50 lp mm−1; hybrid: 3.47 lp mm−1) and noise characteristics given by the noise power spectrum. For material decomposition we note successful separation of the four basis materials. We found that hybrid reconstruction reduces RMSE by an average of 37% across all material maps when compared to PCD-only of similar dose but does not provide much difference in terms of concentration accuracy. The in vivo results show separation of targeted Au and accumulated Gd NPs in the tumor from intravascular iodine NPs and bone. Hybrid spectral micro-CT can benefit nanotechnology and cancer research by providing quantitative imaging to test and optimize various NPs for diagnostic and therapeutic applications.
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