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Scientific Reports volume 13、記事番号: 8707 (2023) この記事を引用

353 アクセス

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

ビーム追跡 X 線位相コントラストイメージングは、プレサンプルマスクを使用して X 線を「ビームレット」に分割し、十分な解像度を持つ検出器によって検査される「シャックハルトマン」タイプのアプローチです。最終的な空間解像度はマスクの開口部のサイズによって決まりますが、この解像度レベルを達成するには、開口部のサイズと同じ増分でサンプルまたはマスクを「ステップ」する必要があります (「ディザリング」)。長い平行スリットの代わりに円形開口のアレイ（二次元位相感度も提供）を使用する場合、このステッピングを二方向に実行する必要があり、スキャン時間が大幅に長くなります。円形開口の列をオフセットすることによって得られるマスク設計を提案します。これにより、サンプルまたはマスクを一方向にのみステッピングする必要がありながら、二次元感度と等方性解像度が可能になります。特注のファントムと生物学的標本の画像を提示し、定量的位相回復と開口制限に近い空間分解能が 2 つの直交方向で得られることを実証します。

従来の X 線画像のコントラストは、物質を通過する X 線の減衰に依存します。従来の X 線コンピュータ断層撮影 (CT) は、減衰信号 1 に基づいて材料の内部構造に関する情報を 3 次元で提供します。平面 X 線 (放射線撮影) と CT はどちらも、医学や材料科学などのさまざまな用途で日常的に使用されています。ただし、サンプルが弱く減衰している場合 (生物組織など)、および/または同様の減衰を持つ複数の材料で構成されている場合、コントラストが低下します。

減衰ベースの X 線イメージングの限界を克服することは、過去数十年間にわたって広範な研究の対象となってきました。 1 つのアプローチは、X 線が物質を通過する際に経験する位相シフトを画像形成に利用することです。これにより屈折効果が生じます (屈折角は位相シフトの一次導関数に比例します 2,3)。 X 線位相コントラストイメージング (XPCI) と断層撮影 (XPC-CT) は、減衰ベースの方法に比べて多くの利点がある強力な技術です。特に、大幅に高いコントラストが可能になります4。これにより、同じ検出された X 線統計のコントラスト対ノイズ (CNR) 比が向上し、最終的には従来の X 線イメージングでは見えなかった詳細を検出できるようになり、異なる材質をより簡単に区別できるようになります。さらに、位相ベースのコントラストは高い X 線エネルギーでも維持できるため、サンプルに蓄積される線量の量が減少し 3,5、これは生物医学イメージングに特に有用な利点です。

画像形成において X 線位相を利用するイメージング技術には、伝播ベースのイメージング法 6、アナライザーベースのイメージング法 7、スペックルベースのイメージング法 8、結晶ベースの干渉法 9、格子ベースの干渉法 10、および格子ベースの非干渉法 11 が含まれます。。これらの方法では、異なる実験設定を使用して位相感度を生成し、その結果、X 線ビームの空間的および時間的コヒーレンスに関する要件が求められます。さまざまな XPCI 手法を定量的に比較するいくつかの試みが過去に行われてきました 12、13、14。

この論文の主題は、格子ベースの非干渉イメージング法です。このカテゴリの方法では、変調器、通常はサンプルの上流に交互に吸収セプタムと透過セプタムを備えたマスクを使用し、相互の重なりが無視できる程度に X 線ビームをビームレットのアレイに構造化します。サンプルの減衰と屈折は、それぞれビームレットの強度の低下と横方向のシフトにつながります。後者に対する感度は、検出器での 2 番目のマスク (エッジ照明 11)、またはビームレットを個別に分解するのに十分に小さいピクセルサイズを持つ検出器 (ビームトラッキング 15) のいずれかを使用することによって達成されます。小さなピクセルサイズの検出器の要件により視野が制限されますが、ビームトラッキングには、減衰信号と屈折信号が単一のフレームから取得されるという大きな利点があります。ここで、エッジ照明とビーム追跡の両方の検出メカニズムにより、暗視野 (小角散乱) 信号の取得も可能になることに注意してください。ただし、これは、新しいマスク設計によって可能になる一方向走査に焦点を当てているこの研究の範囲を超えていると考えられました。私たちは最初にシンクロトロン放射を使用してビーム追跡 XPCI をテストし 16、次にそれを実験室のセットアップに変換しました 15。どちらの場合も、長く平行なスリットを備えたマスクを使用して、一次元の位相感度が達成されました。この技術は、円形開口を持つマスク 19,20 を使用し、これらの進歩とシンクロトロン放射 21 およびコンパクトな実験室セットアップ 22 の両方を組み合わせることで、CT 17,18、2 次元位相感度用にさらに開発されました。十分な解像度を備えた検出器によるビームレットのアレイの直接解像度は、シャック・ハルトマン波面センサー（ただしレンズを使用する）と類似点を共有しており、実際、他のグループもさらに早い時期に同様の概念を開発したことに留意すべきである23、24。

マスクベースの方法の共通の特徴は、マスクセプタムで覆われたサンプルの部分が画像に寄与しないことですが、これは開口制限された解像度のオプションを提供するものでもあります25。このより高い解像度は、開口サイズに等しいステップでサンプル (またはマスク) をスキャンし、すべてのステップで画像を取得し、それらを再結合する「ディザリング」スキームを通じてアクセスできます。平行スリットを備えたマスクを使用する場合 (1D 構造ビーム)、ディザリングは水平方向に沿ってのみ必要です。この場合、スリットに平行な方向の位相感度が不足する。 2D 構造化ビーム (2 次元の位相感度を可能にする) では、サンプル (またはマスク) を水平方向と垂直方向の両方でステップ移動する必要があるため、大幅に大規模なサンプルステップが必要になります。そうしないと、非等方性の解像度が達成されます。完全ディザリング方式は、シンクロトロン放射 21 と実験室セットアップ 22 の両方を使用した 2D ビームトラッキング CT で研究されており、空間分解能を両方向の開口サイズ (= ディザリングステップサイズ) に等しい値まで改善するのに効果的であることが証明されています。これらの両方のケースで、2D グリッドのディザリングステップが取得されました。 CT ではディザリングプロセスを各角度に適用する必要があるため、取得時間と取得手順の複雑さの両方が増加します。

ここでは、2D グリッドでの広範なスキャンを必要とせずに、2 次元位相感度と等方性空間分解能の恩恵を受けるビーム追跡用のマスク設計を提案します。以下では、最初にこのアプローチの実装について説明し、次に特注サンプルと複雑な生物学的サンプル (ラットの心臓) の両方の平面画像と CT スキャンを示します。この最初の概念実証研究では十分に活用されていませんが、この方法により、一方向スキャンを使用しながら円形開口の 2D アレイでサンプルを完全に照明することができます。この概念は補足資料でさらに詳しく説明されています。

平面画像とCTスキャンを取得するために使用される2Dビーム追跡セットアップの概略図を図1に示します。設定の説明は「方法」セクションにあります。円形開口の 2D アレイからなるマスクが使用されました。開口部の直径は d = 19 μm、水平方向と垂直方向にそれぞれ異なる周期 ph と pv を持ちます。それぞれの方向の連続ビームレットの間隔を定義する周期は、pv = 39 μm および ph = 156 μm でした。マスク設計の詳細については、次の段落で説明します。

実験装置の概略図（縮尺は一定ではありません）。ディザリング (サンプルスキャン) の方向は、赤い破線の矢印で示されます。

ビームレット間の十分な分離が達成される限り、線源と検出器によって引き起こされるシステム全体のぼやけ Bh,v に関係なく、アパーチャ直径 d がシステム解像度の最終的な要因となります。ガウスシステムブラー Bh,v は、検出器に投影された光源分布 SWh,v を検出器の点広がり関数 PSFh,v で畳み込み、その結果得られた関数をマスク平面に逆投影することによって取得できます。

ここで、m は倍率です26。検出器におけるビームレットの効果的な分離は、検出器面まで拡大され、拡張光源および検出器 PSF の効果によって広がったビームレットの断面サイズが、対応する拡大周期 ph および pv よりも小さい場合に達成されます。 :

式から明らかなように。 (1) と (2) の場合、マスクの設計は主に、使用される特定の実験設定によって決まります。私たちの場合、水平軸と垂直軸に沿った X 線源の焦点 SWh,v は、約 10 μm の半値全幅 (FWHM) であると推定されました。検出器の PSF は、両方向に沿って 120 μm の FWHM を持つガウス分布であることが事前に測定されていました 27。マスクの倍率 m は 5.11 でした。したがって、システムのぼけ (式 (1)) は両方向で 29 μm に等しくなります。開口径 d = 19 μm が選択されました。式によると、 (2) では、マスク面まで縮小した両方向に沿ったビームレットの FWHM は 31 μm です。適切な分離を可能にするためにビームレットが垂直方向に沿ってピーク値の 10% 未満で互いに重なり合うように課すると、垂直方向に沿った 2 つの隣接する開口間の距離は少なくとも 56 μm になります。上で述べたように、ビームレットは水平方向と垂直方向に均等に広がるため、同じ分離基準が開口間の水平方向の間隔に適用されます。私たちの設計では、この「最小間隔 56 μm」の基準を、開口間の垂直方向の間隔が水平方向の間隔より小さく、開口部間の垂直方向の間隔が小さい千鳥配置設計 (開口部の列が 1 つおきに水平周期の半分のオフセット) に適用し、安全マージンを追加しました。 (a) この最初の概念実証研究のリスクを軽減し、(b) 他の光源と検出器の組み合わせでもマスクを使用できるようにします。約 40% の「安全マージン」を採用し、隣接するビームレットを 78 μm 離しました。一方向ディザリングで等方性解像度を達成するには、水平周期が垂直周期の整数倍である必要もあります。これらすべての条件を組み合わせると、pv には 39 μm、ph には 4 × pv = 156 μm が選択されます。提案された方法論の要件を満たすこのようなマスク設計の適合性は、最初にシミュレーションで調査されました。シミュレーションとその結果の説明は補足資料に記載されています。

また、上で概説した理由により、この概念実証研究のマスク設計は、垂直方向に沿った完全なサンプルカバレッジに対応していないことにも注意してください。実際、pv > d であるため、連続する開口列の間にギャップが存在します。水平方向のより大きな開口間隔を犠牲にして、垂直方向に沿ったより細かいサンプリングが可能です。これについても補足資料で詳しく説明します。

平面画像は、「方法」セクションで説明した手順に従って取得されました。取得された球の平面画像と交差したワイヤのサンプルを図 1 と 2 に示します。それぞれ2と3。これらの画像は両方とも、減衰、x 軸と y 軸に沿った屈折、および積分位相を示しています。取得した位相画像全体にわたって勾配が観察されました（背景は図2bおよび3bの画像全体で一定ではありませんでした）。これは、取得した屈折信号の小さな誤差に起因すると考えられます。これについては、このセクションの最後で説明します。

球サンプルの減衰 (a)、積分位相 (b)、x 軸に沿った屈折 (c)、および y 軸に沿った屈折 (d)。

交差ワイヤサンプルの減衰 (a)、積分位相 (b)、x 軸に沿った屈折 (c)、および y 軸に沿った屈折 (d)。

水平 (x) 方向と垂直 (y) 方向に沿った信号の等方性を調べるために、両方向に沿った減衰信号と位相信号の PMMA 球の中心を横切るプロファイルをプロットしました。これを図 4 に示します。水平方向のみのディザリングを行ったところ、水平方向、垂直方向ともに等方的な空間解像度が得られることが確認された。

PMMA 球の中心 (図 2 を参照) を横切る、x (黒い実線) および y (赤い破線) 方向に沿った減衰 (a) と積分位相 (b) のプロファイル。

吸収項 β と屈折率減少 δ は式 (1) で定義されます。 (7)、「方法」セクションで説明したように取得した 4 つの材料のうち、図 5 に報告します。位相測定の有効エネルギーは、PMMA 球、PP 球、および PTFE ワイヤについて約 19 keV と推定されます。 Munro と Olivo28 によって説明されているように、PS ワイヤの場合は 18.5 keV が平均スペクトルエネルギーとして使用されました。この同じ値を使用して取得された β 値を計算すると、不確実性の範囲内で公称値と一致する回復値が得られました。参考文献 28 では、Munro と Olivo は、吸収の有効エネルギーが位相の有効エネルギーとどのように異なるか、また両方がサンプルの厚さによってどのように変化するかについて議論しています。実際、PMMA 球、PP 球、PTFE ワイヤーの有効エネルギーは、PS ワイヤーの推定値と比較してわずかに高かった。これは、前者の吸収の増加、したがって前者によって引き起こされるビーム硬化と一致していました。ここで、位相と吸収の間の実効エネルギーの差は観察されなかったが、それは、取得されたβ値とδ値に関連する不確実性（減衰と吸収の標準偏差の伝播）よりも小さいと考えられることに注意する必要があります。画像から抽出された位相値)。

公称値とともに実験から抽出された吸収項 β (a) および屈折率減少δ (b)。

減衰チャネルと位相チャネルの両方について顆粒ファントムの再構成された軸方向、矢状方向、および冠状方向のスライスを図 6 に示します。データの取得と分析については、「方法」セクションで説明します。

減衰 (a ～ c) および位相 (e ～ g) 用の顆粒ファントムの再構成された軸方向 (a、e)、矢状方向 (b、f)、および冠状方向 (c、g) 面、および対応する線広がり関数 (i ) パネル (e、f) の x、y、z 軸に沿った対応する色の破線で示された球のエッジから抽出されました。パネル (a、e) の軸面の赤い点線を横切るプロファイルが、減衰 (d) と位相 (h) について示されています。

図6からの最初の観察は、減衰画像（図6a〜c）と比較して、位相画像（図6d〜f）の方がコントラストが高く、ノイズが比較的低いことです。減衰と位相 (図 6 に示すプロファイルに沿った) は、それぞれ 3 と 21 と計算されました。これは、PS の屈折率減少δが約 19 keV での吸収項 β よりも大きいことに起因すると考えられます。 2 番目の観察は、空間解像度が等方性であるように見えることです。実際、48 ± 4 μm、46 ± 5 μm、および 48 ± 7 μm の空間分解能 (平均 ± 標準偏差、「方法」セクションに従って計算) は、x、z、y 軸に沿った位相ボリュームから推定されました。これは、提案されたマスクが一方向ディザリングにもかかわらず等方性空間解像度を達成できることを示しています。 3 つの軸に沿った球のエッジから抽出された線像分布関数を図 6 (i) に示します。サンプル面での倍率を考慮したボクセルサイズは、47 μm × 47 μm × 47 μm でした。

等方性空間解像度を達成するための提案された方法論と、複雑な生体サンプルであるラットの心臓に対する一方向ディザリングとの互換性も調査されました。データの取得と分析については、「方法」セクションで説明します。減衰チャネルと位相チャネルの両方についてラット心臓の再構成された軸方向、矢状方向、および冠状方向のスライスを図 7 に示します。視覚的にわかるように、空間解像度は等方的であるように見えます。

減衰 (a – c) および位相 (d – f) チャネルのラット心臓の軸方向 (a、d)、矢状方向 (b、e)、冠状方向 (c、f) 面を再構成しました。

図 7 では、再構成された位相スライス全体にわたって勾配が観察され、心腔内の位相信号は臓器の外側のバックグラウンドと比較して高くなっています。これは、取得された屈折信号の小さな誤差が原因です。振動や温度変動などにより時間とともに変化するシステムコンポーネントから生じるシステムの不安定性により、マスクの水平方向および垂直方向のずれが生じる可能性があり、サンプル内の屈折によって引き起こされるビームレット位置の変動の推定に誤差が生じる可能性があります。最小二乗法によって解かれた非線形曲線フィッティングに基づく検索アルゴリズムは、システムの不安定性も考慮に入れながら、エッジ照明 X 線位相コントラスト CT29 で再構成された位相スライスの勾配アーティファクトを除去することが示されています。同様の検索アルゴリズムは、2D ビーム追跡 X 線位相コントラストイメージングおよび CT に関して将来の研究で検討される予定です。

二次元位相感度と等方性空間分解能を達成するための簡略化された方法を提案する。提案されたセットアップは、単一格子のビーム追跡 XPCI/XPC-CT システムであり、単一フレームからの減衰信号と位相信号の取得を可能にします。二次元位相感度は、円形開口の二次元アレイを備えたマスクを利用することによって達成された。等方性の空間解像度は、開口部を千鳥状に配置することによって達成されました。つまり、pv < ph の 2D グリッド内の 1 つおきの開口列に (長い) 水平周期の半分のオフセットを導入し、一方向ディザリング (水平方向に沿った) を組み合わせることによって実現されました。方向）。

提案された方法論は、当初は平面イメージングを対象として研究されました。取得された減衰、x および y に沿った屈折、および積分された位相画像には、47 × 47 μm2 サイズの正方形ピクセルがありました。減衰信号と位相信号は水平方向と垂直方向に沿って等方性であることがわかりました。画像化された材料の屈折率減少δと吸収項βの定量的検索は、多色格子ベースのX線位相コントラスト画像化システムについて以前に報告された方法に従って達成されました。ビームトラッキング CT の定量性は以前の研究ですでに実証されており 17、この主題に関する追加の文献が存在するため、これは CT 画像では繰り返されませんでした (例 30)。

その後、このシステムは XPC-CT に使用されました。顆粒ファントムを使用すると、空間分解能は x、z、y 軸に沿ってそれぞれ 48 ± 4 μm、46 ± 5 μm、48 ± 7 μm と推定され、等方性分解能が達成されたことが実証されました。減衰画像と比較して位相画像によってもたらされる利点が、CNR 値を抽出することによって定量化されて実証されました。複雑な生物学的サンプルであるラットの心臓を画像化するためのこの方法の適合性も研究されました。

要約すると、提案された方法は、単一の光学素子と一方向ディザリングを使用して、二次元位相感度と等方性空間分解能を備えたシングルショット検索を達成する可能性を提供します。式によって要約されたアプローチは次のとおりであることに注意してください。 (1) と (2) はビームレット間の最小分離を決定しますが、ビームレットの 2D 配置に関して規定的なものではないため、たとえば垂直方向に沿ったより細かいサンプリングの余地を残しておきます (たとえば、ビームレット間の垂直方向のギャップを残さないようにするため)。円形開口部）を犠牲にして、水平方向の円形開口部の間隔が大きくなります（したがって、サンプリングステップの数が増加します）。これについては、補足資料で詳しく説明します。

この方法は、2D ディザリングで必要な取得スキームよりも簡素化された取得スキームを提供し、CT のスマート取得スキーム、つまりサイクロイド CT31 と互換性があります。後者は、2D ディザリングに対応するサイクロイドスパイラル CT21 よりも実装が単純で、取得時間をさらに短縮し、ダイナミックスキャンへの道を切り開くでしょう。

セットアップの概略図を図1に示します。X線源は、Wアノードを備えたHamamatsu L12161-07マイクロフォーカス線源で、40 kVの管電圧および250 μAの管電流でスモールフォーカスモードで動作しました。これらの動作条件での公称焦点サイズは、約 10 μm FWHM と推定されました。ビームフィルターは使用されませんでした。ウォームアップ後、安定化を目的として、撮影前に X 線源を 2 時間オンのままにしました。サンプルは、回転 (モデル Q-632.930) および直線移動 (モデル Q-521.240) 用の Physik Instrumente (PI) ピエゾモーターで構成されるサンプルステージ上のソースから 16.9 cm の位置に配置されました。各方向に 1 つずつ、合計で 3 つあります。 , (水平) ディザリングを実行するための Newport リニアステージ (M-ILS150BPP) を加えた. 30 × 30 mm2 マスクをサンプルの 2.9 cm 上流に配置しました. それは水平方向に沿って 156 μm の周期を持つ 19 μm の円形開口部で構成されました垂直方向に沿って 39 μm、1 ラインおきに水平周期の半分 (つまり 78 μm) のオフセットを伴う、厚さ 1 mm のグラファイト基板上に厚さ 200 ± 20 μm の Au 層があり、Microworks GmbH によって製造されました(カールスルーエ、ドイツ) 著者の設計に準拠 (以下で詳細に説明) 検出器は、2368 (h) × 2340 (v) 50 × 50 μm2 ピクセルを備えたハママツ製 CMOS ベースのフラットパネルセンサー (モデル C9732DK) でした。コーンビームを備えた比較的厚いフラットマスクの使用によって生じる角度フィルタリングにより、15.9 (h) × 9.4 (v) mm2 の有効視野が得られました。マスクから検出器までの距離は 57.5 cm で、マスクの倍率は 5.11 となりました。検出器におけるビームレットの水平周期は 16 ピクセルでした。したがって、サンプルから検出器までの距離は 54.6 cm、サンプル倍率は 4.23 でした。

合計 2 つの平面画像とそれに続く 2 つの CT スキャンが取得されました。平面画像の 2 つのサンプルは、(1) 膜フィルムボックスに封入された直径 4 × 3.5 mm のポリスチレン (PS)、直径 4 × 3.18 mm のポリプロピレン (PP)、および直径 4 × 3.18 mm のポリメチルメタクリレート (PMMA) の球体です (参照)。 (2) 直径 2 × 1 mm のポリテトラフルオロエチレン (PTFE) ワイヤーと直径 1.6 mm の PS ロッド 2 本を交差させて配置し、膜フィルムボックスに封入 (以下、ワイヤーサンプルと呼びます) 。各サンプルについて、30 枚の暗い画像と 30 枚の平坦な画像が取得され、続いてサンプル画像が取得されました。サンプルは 4 つのディザリングステップで水平方向に沿って移動され、1 つの水平マスク期間 (156 μm) をカバーしました。サンプル対マスク倍率 1.21 を考慮すると、サンプルは 4 × 47 μm のディザリングステップで 188 μm をカバーしました。

CT スキャン用の 2 つのサンプルは、(1) 直径 10 mm のプラスチックストローに挿入された一連の直径約 3.5 mm の PS 顆粒 (以下、顆粒ファントムと呼びます)、および (2) 凍結乾燥したラットの心臓 (保存されています) でした。スキャン中は室温で)。各サンプルについて、サンプル画像の取得の前後に 30 枚の暗い画像と 30 枚の平坦な画像が取得されました。ディザリングされた CT データセットは、「ステップアンドシュート」方式で、180 度プラス円錐角 (ここでは 1.4 度に等しい) にわたってサンプルを 0.18 度ずつ回転させることによって取得された 1008 個の投影で構成されています。各角度で、サンプルは 4 × 47 μm ステップで水平にスキャンされ、各ステップで 1.2 秒の露光フレームが取得されました。これにより、CT スキャンごとに合計 4,032 フレームが発生し、合計所要時間 (ステップアンドシュートの性質から生じるオーバーヘッドを含む) は約 390 分になりました。

各フレームは最初は暗補正されていました。次に、各ビームレットのプロファイルを追跡し、サンプルによって引き起こされる変化を定量化することにより、x および y 信号に沿った減衰と屈折が各フレームから取得されました。より具体的には、サンプルがある場合とない場合のビームレットの強度、それぞれ I と I0 が定量化されました。次に、ビームレットの強度の減少は、以下によって X 線の減衰に関連付けられました。

どこ

式では、 (4) で、λ は X 線の波長、β は複素屈折率の吸収項、z は X 線ビームの伝播方向です。ビームレットの水平方向および垂直方向の変位、ΔSx および ΔSy は、それぞれ相互相関 32 に基づくサブピクセル画像レジストレーションを使用して追跡されました。これらの変位は屈折によるもので、次のような水平方向 θRx および垂直方向 θRy に沿った屈折角に関連付けられていました。

そして

各フレームからの減衰と (x および y) 屈折の取得に続いて、4 つのディザリングステップに対応する各チャネルの 4 つのフレームが、元の取得画像の 4 倍の x 方向のピクセル数を持つ単一の画像に結合されました。サンプルによって引き起こされた位相シフト Φ は、屈折角 θRx および θRx と、33 で説明されているフーリエ空間法を使用して取得されました。 Φ は、次のように屈折率の減少 δ に関係します。

ここで、k は波数です。定量分析の場合、複素屈折率の減少単位 δ と吸収項 β は次のようになります。

取得された球およびワイヤーサンプルの平面画像内の 4 つの材料について検索されました。これは、式を整理することによって減衰画像から得られました。 (4) として:

そして式を整理して位相画像から。 (6) 次のようになります。

ここで、T は X 線ビームの伝播方向に沿ったサンプルの厚さです。減衰および位相の値の平均および標準偏差 (SD) は、対応する画像内の各材料 (PP および PMMA 球、PTFE および PS ワイヤ) 内で選択された対象領域から計算されました。次に、β と δ を式 1 と 2 を使用して計算しました。 (8) と (9) は、画像から抽出された SD 値の標準的な伝播によって計算された SD を含みます。各材料について取得されたδ値（式（9）を使用）とエネルギー依存の公称値（xraylib34を使用して抽出）の比較から推定された位相測定の有効エネルギーが、多色スペクトルの代表として使用されました。そしてその後式で (8) β値を取得します。

減衰画像と位相画像の両方の CT 再構成は、ASTRA ツールボックス 36,37 を使用したコーンビーム再構成用の Feldkamp-David-Kress アルゴリズム 35 の GPU 実装を使用して実行されました。再構成された平面のピクセル面積は、サンプル平面での水平ディザリングステップ × サンプル平面でのビームレットの垂直周期、つまり 47 × 47 μm2 に等しくなります。

顆粒ファントムの再構成されたアキシャル面、サジタル面、およびコロナル面を使用して、システムの空間分解能を推定しました。空間解像度の推定値は、x、y、z 方向に沿って顆粒のエッジに誤差関数をフィッティングし、その導関数を計算して線広がり関数 (LSF) を取得し、その結果得られる半値全幅 (FWHM) を抽出することによって取得されました。 5 つの連続するエッジが各方向に適合され、平均値と SD 値が計算されました。顆粒のエッジは厳密には鋭利ではありませんが、プロファイルはその中心の CT スライスから抽出されており、全体のサイズ (直径約 3.5 mm) を考慮すると、これらの曲率は無視できる程度であると考えられることに注意してください。再構成された CT スライスの厚さ (47 μm)。

顆粒ファントムの再構成された減衰面と位相軸面も、各コントラストチャネルの CNR を定量化するために使用されました。減衰および位相プロファイルは、ラット心臓内の選択された領域から抽出されました。シグナル領域とバックグラウンド領域が特定されました。 CNR は次のように計算されました。

ここで、I は各領域の平均値、σ は SD を表します。

この研究の結果を裏付けるデータは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この研究は、AO の新興技術委員長、王立工学アカデミー、および EPSRC (助成金 EP/T005408/1) によって支援されました。 CKH は、研究フェローシップ制度に基づいて英国王立工学アカデミーによって支援されています。 SS は UKRI EPSRC 博士賞フェロー (EP/T517793/1) です。

ユニバーシティ・カレッジ・ロンドン、マレット・プレイス、ロンドン、WC1E 6BT、英国、医用物理学および生体医工学工学科

リオリウ G、ナバレッテ＝レオン C、アストルフォ A、サヴィディス S、ベイト D、エンドリッツィ M、ハーゲン CK、オリボ A

Nikon X-Tek Systems Ltd、トリング、HP23 4JX、ハーツ、英国

D.ベイト

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AO、CKH、DB が研究を発案し、研究を設計しました。 GLは測定を実施し、データ分析を実施しました。 GL は AO の支援を受けて原稿を執筆し、CKHCNL、AA、ME が画像システムを開発しました。 SS は生体サンプルを提供しました。著者全員が結果のレビューと解釈に貢献しました。著者全員が原稿をレビューしました。

G. Lioliou への通信。

DBはニコンの社員です。

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転載と許可

Lioliou, G.、Navarrete-León, C.、Astolfo, A. 他実験室ベースのビーム追跡 X 線イメージング手法で、一方向アンダーサンプリングによる 2 次元位相感度と等方性分解能を実現します。 Sci Rep 13、8707 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-35901-2

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受信日: 2023 年 2 月 20 日

受理日: 2023 年 5 月 25 日

公開日: 2023 年 5 月 29 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35901-2

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