1709800854
2024-03-07 08:25:58
セットアップとジオメトリ
実験のセットアップを図に示します。 1 X線源としてモリブデンターゲットを備えた回転陽極（MicroMax HF007、株式会社リガク、東京、日本）を使用します。 変数 G(_i) は、ビーム方向の i 番目の格子を指します。 両方の実験の回折格子の詳細を表に示します。 1。 高速 CT イメージングを可能にするためにセットアップがアップグレードされたため、X 線写真および CT 測定に使用されるセットアップの形状が若干異なります。 距離とその結果の幾何学的倍率を表に示します。 2。
放射線撮影実験では、電源は 33 kVp の電圧と 24 mA の電流で動作します。 ピクセルピッチ 74.8 (upmu {hbox {m}}) および 1944 (times ) 1536 ピクセルのシンチレーションベースのエネルギー積分検出器 (Dexela 1512、PerkinElmer, Inc.、ウォルサム、米国)使用されている。 この構成でのセットアップの有効ピクセル サイズは 53.2 (upmu {hbox {m}}) です。
CT 実験では、電源の電圧は 50 kVp、電流は 24 mA に設定されます。 投影は、モジュール厚さ 500 (upmu {hbox {m}}) および 1030 (times のプロトタイプの光子計数検出器 (Santis 0808 GaAs HR、DECTRIS AG、バーデン、スイス) を使用して取得されました) 1024 ピクセル、ピッチ 75 (upmu {hbox {m}})。 セットアップの幾何学的拡大により、有効ピクセル サイズは 58 (upmu {hbox {m}}) です。 格子は、E-709.1C1L デジタル コントローラーによって制御される P-620.1CD 圧電アクチュエーターを使用して移動します (どちらも Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG、カールスルーエ、ドイツ)。
表 1 X 線写真と CT 測定にそれぞれ使用される格子のタイプ。表 2 X 線写真と CT 測定にそれぞれ使用されるセットアップ形状。
X線撮影測定プロトコル
図に示すサンプルチューブの代わりに、 1、豚の首肉が 2 枚のポリカーボネート板で固定されています。 実験を開始するには、銅棒をサンプルに挿入し、液体窒素を満たしたポリスチレンバスを使用して冷却します。 次に、格子ベースの X 線写真が一定の間隔で撮影されます。各 X 線写真は、それぞれ 6 秒の露光時間の 11 段階の段階で構成されます。 露光時間は、2 ビューデジタルマンモグラフィーの平均腺線量のオーダーで平均腺線量推定値が得られるように選択されます。37。 フレーム時間 (T_text {F}) は、アイドル時間 (検出器の T_text {I}) は無視できるほど小さくなるように選択されます。 これは、次のサブセクションで詳細に説明する CT 測定プロトコルとは異なります。 22分間に合計20枚のX線写真が撮影されます。 図の時間マーク。 2 新しい画像の取得の開始時間を指します。
CT測定プロトコル
CT スキャンでサンプルの時間の経過に伴う変化を捉えるために、Zanette らと同様の測定プロトコルが使用されます。38 使用されている。 (text {G}_1) 格子の位置を制御する圧電アクチュエータは、検出器と同期しながら、時間の経過とともにランプ状のパターンで連続的に移動します。 サンプルの 360(^circ ) 回転ごとに、検出器はそれぞれのフレーム時間 (T_text {F}) = 0.22 秒で合計 650 フレームを記録します。その結果、サンプルの全回転期間は2.4分次のラウンドからの 4 つの追加フレームが処理ステップで使用され、最後の投影が取得されます。 各フレームは、(T_text {E}) = 0.12 秒の露出時間と (T_text {I}) = 0.10 秒のアイドル時間で構成されます。 光子が記録されないアイドル時間は、4 回目の露光後に、結果として生じるモーション アーティファクトを画像化することなく、アクチュエータが元の位置に戻ることを可能にするために存在します。 各フレームには同じアイドル時間が含まれており、記録される画像の間隔が等しくなるようにします。 アイドル時間の値は、アクチュエータの最大動作速度を考慮して、できるだけ小さくなるように選択されます。 露光時間は、利用可能な画像統計と、経時的な組織の変化を解決するための高速回転の必要性との間のトレードオフとして選択されます。 2 つのアクチュエータ ランプと対応する検出器の動作を図に示します。 7。 位相格子の周期性により、ステッパー位置 #5 は位置 #0 と同じパターンを生成します。
CTスキャンに使用される測定プロトコルの図。 グラフは、サンプルが回転しているときの圧電アクチュエータの動きを経時的に示しています。 オレンジ色の点は、期間 (T_text {F}) の新しい検出器フレームの開始を示します。これは、露出時間 (T_text {E}) とアイドル時間 (T_text {私}）。 フォトンは露光時間中にのみカウントされます。 サンプルが 360(^circ ) 回転するごとに、アクチュエーターによって 130 のランプが生成されます。 5 つの連続したフレームによって提供されるステップ曲線は、後の処理ステップで 1 つの投影を計算するために使用されます。 開始点を 1 フレームずらし、連続するフレームを再度使用することにより、次の投影がスライディング ウィンドウ方式で計算されます。
記録を開始する前に、液体窒素が FalconTM チューブの上部にあるポリスチレン容器に満たされます。 次に、外径 3 mm、内径 2 mm の中空ポリテトラフルオロエチレン (PTFE) チューブを通過します。このチューブはサンプル内に配置され、液体窒素が組織に直接接触するのを防ぐために底部がシリコンで密封されています。 。 このチューブの材質は、金属ロッドで発生する縞模様のアーチファクトを避けるために選択されました。 リザーバが満たされると、後でフラットフィールド補正に使用されるビーム内にサンプルを含まないアクチュエータの完全なランプ動作を 10 回記録することによって測定が開始されます。 次に、サンプルがビーム経路内に移動され、回転が開始され、前述のように測定が実行されます。 私たちの実験では、サンプルは 360(^circ ) で 10 回連続して回転させられます。
処理
フラットフィールド補正後39、各ピクセルの測定値に対する正弦曲線の加重最小二乗フィッティングが実行され、減衰、暗視野、および位相コントラスト信号が抽出されます。 暗視野信号 D は次のように計算されます。
$$D = – log frac{{V_{{{text{sample}}}} }}{{V_{{{text{ref}}}} }}, $$
(1)
ここで、 (V_text {sample}) はビーム内にサンプルがある場合の特定のピクセルの可視度であり、 (V_text {ref}) はサンプルがない場合の可視度です。 減衰信号は、測定された光子数を可視度に置き換えることによって同様に取得されます。 CT 測定の場合、位相検索はスライディング ウィンドウ方式で実行されます。#0 ～ #4 の番号が付けられた記録された検出器フレームを使用して投影 #0 が取得され、フレーム #1 ～ #5 から次の処理された投影 #1 が生成されます。 、図に示すように。 7。 さらに、位相回復はパッチごとに実行され、パッチは中心ピクセルとその 4 つの直接隣接ピクセルで構成され、位相回復に対するノイズの影響を軽減します。40。 このステップの後、データは 5 の係数でビニングされ、新しい有効ピクセル サイズは 290 (upmu {hbox {m}}) になります。 リング アーティファクト補正は、投影空間内のすべての信号に適用されます。 暗視野信号は、ビームハードニングの影響を軽減するために、次のサブセクションで説明するように補正されます。 Allner et al. によって説明されているバイラテラル フィルター。 両方の信号に適用され、ほとんどのエッジを維持しながら、低線量により存在するノイズの量が削減されます。41。 減衰画像の場合、位相コントラスト データは追加のエッジ情報としてバイラテラル フィルター アルゴリズムに提供されます。
X線写真に使用されるエネルギー積分型検出器のセンサーは電子ノイズの影響を受けるため、フラットフィールド補正に加えて暗電流補正が適用されます。 X 線写真はビニングもフィルタリングも行われません。つまり、解像度は有効ピクセル サイズに対応します。
サンプル
レントゲン写真には、約 (8 times 4 times 3) cm の保存されていない豚の首の部分が使用されます。 内側の距離が 3 cm の 2 枚のポリカーボネート プレートで作られたホルダーを使用して、所定の位置に保持されます。 挿入された銅針の直径は 3 mm です。 図のサンプルは、針が挿入された測定位置に示されています。 8ａ．
実験に使用したサンプルの写真。 (a) X 線撮影実験に使用された、測定位置にある豚の首の部分。 挿入された銅針がサンプルの中央に見えます。 ポリカーボネート製サンプルホルダーの上にあるポリスチレン製の容器を使用して冷却します。 (b) 冷却チューブを取り外した後の CT 実験に使用された豚バラ肉の一部。 オレンジ色の矢印は、サンプルの上面部分を示します。
同様のサンプルが CT スキャン用に選択されます。保存されていない豚バラ肉を、直径 3 cm の FalconTM チューブ (Fisher Scientific GmbH、Schwerte、ドイツ) に収まるようにカットします。 それは脂肪組織と筋肉の比較的大きな部分で構成され、さらに皮膚の層も含まれます。 サンプルを図に示します。 8b.
暗視野キャリブレーション
測定値からビーム硬化によって引き起こされるスペクトル的に誘導された暗視野信号を除去するために、Pelzer et al. によって説明されているような校正が必要です。 CT測定のために実行されます42。 この目的のために、図のサンプル チューブの代わりに、厚さ 7 ～ 75 mm の範囲のさまざまなポリオキシメチレン (POM) ブロックがセットアップに配置されます。 1。 POM はサンプルの組成を模倣するように選択されており、筋肉と脂肪の 1:1 混合物に相当します。43。 露光時間 4 秒の X 線写真が厚さごとに取得され、透過率と暗視野の値が得られます。 各画像内の測定された暗視野値 D と透過値 T は、経験的関係を使用して意味され、当てはめられます。
$$begin{aligned} D = a cdot T^b, end{aligned}$$
(2)
ルックアップテーブルを取得します。 a と b はフィッティング係数で、より信頼性の高いフィッティングを行うために使用した検出器モジュールの平均を取ると、それぞれ値 1.1 と 0.33 が得られます。 これらの値は、CT スキャンの暗視野データを補正するために使用されます。43
$$begin{aligned} D^text {(SAS)} about frac{D}{D^text {(sp)}(T, varphi )}, end{aligned}$$
(3)
ここで、 (D^text {(SAS)}) は小角散乱を表す暗視野信号の成分、D は測定された暗視野信号です、 (D^text {(sp)} ) は、校正実験で決定された、スペクトル効果による暗視野です。 POM はマイクロメートル長スケールで均一であるため、強い小角散乱を引き起こしません。このため、記録されたすべての信号はビーム硬化効果から生じていると考えられます。43。 信号 (varphi ) の位相への依存性は、干渉計の (< 25%) の可視性が低いため無視されます。43。
線量計算
ブタサンプルは人間の乳房と組成が似ているため、この研究における線量は平均腺線量（MGD）として与えられます。 MGD は、Boone らによって表にまとめられた単一エネルギーの正規化された腺線量係数 DgN(E) (E は X 線エネルギー) を使用して計算されます。 さまざまな圧縮乳房の厚さに対応44。 回転アノードのスペクトルを考慮し、すべてのエネルギー ビン E を合計すると、MGD について次の式が得られます。45:
$$ {text{MGD}} = sumlimits_{E} K (E)[{text{mGy}}] cdot 0.114左[ {frac{{text{R}}}{{{text{mGy}}}}} right] cdot left( {{text{DgN}}({text{E}})left[ {frac{{text{R}}}{{{text{mGy}}}}} right]} 右）。 $$
(4)
ここで、K(E) は空気カーマ、つまり相互作用の最初のステップにおける単位質量あたりのすべての荷電粒子の運動エネルギーの総和です。 空気カーマは、臨床線量計 (Diados T60005 MAM、PTW Freiburg GmbH、フライブルク、ドイツ) をサンプル位置に配置し、すべての格子をビーム経路内に残すことによって、X 線写真と CT セットアップに対して個別に測定されます。 X線撮影実験で使用したホルダーには試料の前に厚さ5mmのポリカーボネート板が入っているため、線量計の前にもそのような板が置かれています。 FalconTM チューブの壁は比較的薄いため、線量計算では無視できると考えられます。 そのため、CT セットアップでの空気カーマ測定では、線量計の前に物体は配置されません。 結果として得られるエア カーマ値は ({0.166},upmu hbox {Gys}^{-1}) と ({0.566},upmu hbox {Gys}^{-1}) です。それぞれレントゲン写真とCTのセットアップ。 各サンプルの約半分が脂肪で構成されているため、すべての線量計算では乳腺の存在率が 50% であると仮定されます。
#組織凍結をモニタリングするための #線暗視野コンピューター断層撮影