Spectral photon-counting CT in cardiovascular imaging
CT penghitungan foton spektral dalam pencitraan kardiovaskular
TINJAUAN TEKNIS
Detektor pengintegrasian energi konvensional memiliki lapisan yang terbuat dari bahan scintillator, yang menyerap foton sinar-X yang datang dan mengubah energinya menjadi cahaya tampak. Foton cahaya tampak dikumpulkan oleh sensor cahaya semikonduktor, di mana foton tersebut memunculkan sinyal listrik yang diukur secara elektronik.
Sebaliknya, PCD tidak memiliki lapisan yang berkilauan, tetapi foton sinar-x berinteraksi secara langsung dengan bahan semikonduktor yang terbuat dari cadmium telluride, cadmium zinc telluride, atau silikon. Setiap kali foton sinar-x berinteraksi dengan bahan detektor, pulsa listrik pendek dihasilkan dan didaftarkan oleh elektronik pembacaan detektor.
Dengan menghitung jumlah pulsa tersebut, detektor dapat mengukur jumlah foton sinar-x yang berinteraksi. Selain itu, PCD biasanya membandingkan amplitudo setiap pulsa ke beberapa tingkat ambang elektronik, yang memungkinkan untuk mengurutkan interaksi foton sinar-x yang terdaftar ke dalam beberapa tempat energi, tergantung pada energinya.
Berbeda dengan detektor pengintegrasian energi konvensional, yang hanya mampu mengukur jumlah total energi dalam foton sinar-x yang terdaftar selama interval waktu tertentu, PCD dapat menghitung jumlah total foton sinar-x dan memberikan informasi terperinci tentang distribusi energinya. Karena informasi tambahan ini, PCD menjanjikan peningkatan rasio kontras terhadap derau dan kemampuan diskriminasi energi.
Gambaran umum mengenai aspek teknis spesifik dari CT penghitungan foton (PCCT) dengan tingkat kebaruan
ASPEK TEKNIS KHUSUS DAN IMPLIKASI KHUSUS - PENCITRAAN RESOLUSI TINGGI
TEKNOLOGI
Resolusi spasial CT pada dasarnya dibatasi oleh ukuran titik fokus dan ukuran elemen detektor. Untuk detektor pengintegrasian energi, ukuran elemen terkecil dibatasi oleh kebutuhan untuk memisahkan elemen detektor yang bersebelahan dengan lapisan pemantul untuk meminimalkan tumpang-tindih cahaya tampak di antara elemen yang bersebelahan. Lapisan-lapisan ini tidak dapat dibuat terlalu tipis, karena hal ini akan menyebabkan pembicaraan silang foton dan menurunkan kualitas gambar, dan jika ukuran elemennya kecil, pemantul menyebabkan penurunan fraksi area detektor yang peka terhadap sinar-x. Dengan ukuran elemen sekecil itu, ukuran titik fokus tabung sinar-x menjadi faktor pembatas, yang berarti bahwa perbaikan lebih lanjut dari tabung sinar-x diperlukan untuk memanfaatkan sepenuhnya resolusi spasial yang lebih tinggi yang disediakan oleh PCD. Salah satu pilihannya adalah menggunakan kernel rekonstruksi yang disesuaikan dan lebih tajam yang menggunakan resolusi spasial yang lebih tinggi.
IMPLIKASI KINIS
Skenario klinis yang membutuhkan peningkatan resolusi spasial sangat banyak.
Metode yang lebih baru dan menjanjikan seperti CT-based fractional flow reserve (CT-FFR) juga bergantung pada segmentasi yang valid dari lumen pembuluh darah koroner dan secara teoritis akan mendapatkan manfaat dari peningkatan resolusi spasial. Hasil dari prototipe perangkat EID resolusi tinggi menjanjikan untuk evaluasi stenosis koroner.
Contoh akuisisi CT penghitungan foton resolusi sangat tinggi (PCCT).
KETERANGAN :
Panel A: Phantom performa resolusi CT yang menunjukkan kemampuan resolusi superior dari sistem prototipe PCCT seluruh tubuh dengan FOV penuh (50 cm)
Panel B: Jantung kadaver manusia dipindai dengan energy integrating de- tector (EID) dan PCCT dalam mode resolusi sangat tinggi dengan menggunakan dosis radiasi yang setara (Siemens Healthineers, Forchheim, Jerman). Pemindaian EID menunjukkan k a l s i f i k a s i arteri koroner yang mekar secara klasik, sebuah artefak yang berasal dari resolusi terbatas yang umumnya memengaruhi evaluasi stenosis CT dalam praktik klinis. Pemindaian resolusi tinggi menunjukkan demarkasi kalsifikasi arteri koroner yang jauh lebih baik dengan pembengkakan yang jauh lebih sedikit.
Panel C: Pemindaian stent koroner (diameter dalam 1,5 mm) ditampilkan dengan PCCT menggunakan mode resolusi standar dan mode resolusi sangat tinggi (proyeksi intensitas maksimum melintang, memanjang, dan membujur).
Struts stent dapat dibedakan dengan lebih baik pada pemindaian resolusi ultra
tinggi yang mengindikasikan evaluasi stent yang berpotensi lebih baik pada aplikasi klinis di masa depan.
- Karakteristik kebisingan yang lebih baik
Teknologi
Pada detektor pengintegrasian energi konvensional, setiap foton sinar-x yang terdaftar berkontribusi ke sinyal yang diukur dengan jumlah yang sebanding dengan energinya, sehingga pelemahan yang ditampilkan dalam gambar yang dihasilkan, didominasi oleh energi tertinggi yang ada dalam spektrum tabung sinar-x. Hal ini tidak optimal dari sudut pandang rasio kontras terhadap noise, karena kontras terbesar di antara bahan yang berbeda ditemukan pada energi sinar-X yang rendah.
PCD dapat mengatasi masalah ini dengan menggunakan ambang batas elektronik untuk membuang sinyal yang berasal dari derau elektronik, yang memiliki amplitudo rendah, dan hanya menghitung pulsa yang memiliki amplitudo lebih tinggi daripada ambang batas dan oleh karena itu berasal dari deteksi foton yang sebenarnya. Oleh karena itu, PCCT dapat memungkinkan pencitraan yang lebih baik dalam situasi yang memerlukan dosis yang sangat rendah, seperti pencitraan pediatrik dan pemeriksaan skrining
Implikasi klinis
Mengurangi kebisingan pada akuisisi dosis rendah akan menguntungkan pasien yang menjalani CT kardiovaskular. Performa PCCT yang sangat baik dengan tingkat kebisingan yang rendah akan secara signifikan mengurangi dosis radiasi yang diperlukan untuk mendapatkan informasi dan hal ini dapat mungkin bersamaan dengan terapi profilaksis baru- semakin meningkatkan nilai pencitraan skor kalsium. Selain pengurangan dosis, sifat noise yang dioptimalkan pada gambar PCCT dapat memungkinkan untuk merekonstruksi gambar skor kalsium koroner dengan ketebalan sekuens yang lebih kecil.
- Kemampuan multi-energi
Teknologi
Kemampuan PCD untuk menyortir foton sinar-X yang terdaftar ke dalam tempat energi yang berbeda berdasarkan tinggi denyutnya, daripada mengukur energi total sebagai detektor pengintegrasian energi, memungkinkannya untuk mengukur distribusi energi sinar-X yang ditransmisikan melalui pasien.
Dengan teknologi spektral PCCT, seseorang dapat memperoleh informasi tentang komposisi unsur suatu objek dengan mengukur pelemahan sinar-X spesifik material yang bergantung pada energi dalam dua atau lebih rezim energi yang berbeda. Pengukuran tersebut mencerminkan perbedaan interaksi material dengan foton berenergi rendah dan tinggi serta perubahan yang dihasilkan dalam hamburan Compton dan efek fotolistrik. DECT sudah menjadi
alat klinis yang mapan. Karena DECT memperoleh data dalam dua rezim energi, DECT mampu memisahkan satu zat kontras, misalnya yodium, dari latar belakang, tetapi tidak dapat membedakan dua bahan kontras dengan nomor atom yang tinggi (Z tinggi).
Implikasi klinis
Peningkatan kualitas gambar secara umum dan penerapan energi ganda
PCCT akan menyamai atau melampaui manfaat yang telah ditunjukkan untuk pencitraan energi ganda pada CT kardiovaskular sekaligus menyelesaikan trade-off yang sering kali harus dilakukan dengan detektor konvensional. PCCT telah terbukti memiliki kinerja spektral yang sangat baik.
Hal ini menghasilkan peningkatan rasio signal-to-noise pada pemindaian dengan peningkatan yodium yang dapat diterjemahkan ke dalam studi angiografi dengan dosis kontras yang lebih rendah yang berguna bagi pasien dengan penurunan fungsi ginjal yang parah
Aplikasi multi-energi
Terdapat beberapa level di mana pencitraan multi-energi dapat memberikan manfaat. Hal ini termasuk tuntutan teknis yang menguntungkan kualitas gambar dan aplikasi multi-kontras.
Pengurangan artefak
Algoritme rekonstruksi multi-energi telah dikembangkan untuk mengurangi artefak logam yang sebagian besar akan dihargai dalam pencitraan berbagai gangguan kardiovaskular seperti katup jantung, alat pacu jantung/defibrilator, atau alat bantu gagal jantung tingkat lanjut.
Pencitraan multi-material.
Pencitraan spektral juga memungkinkan pemetaan multi-material yang merupakan aplikasi baru dalam CT dan cakupan penggunaan klinisnya.
Pencitraan multi-material menjanjikan untuk mencitrakan bahan kontras yang berbeda, baik untuk mencitrakan titik waktu yang berbeda dalam distribusi kontras. Peluang dalam pencitraan CT ini tidak hanya menghasilkan pengurangan paparan radiasi, tetapi juga penyelarasan spasial berbasis elemen detektor di antara fase kontras.
akuisisi CT penghitungan foton multi-material dan multi-energi (PCCT).
KETERANGAN :
Panel A (Philips Healthcare, Best, Belanda), kiri: Beberapa kompartemen dari model cetak 3D dari aneurisma aorta yang
diintervensi diisi dengan cairan yang mengandung konsentrasi yodium, gadolinium dan kalsium yang berbeda-beda. Pemindaian detektor pengintegrasian energi (EID) ditampilkan di bagian tengah. Bagian kanan menunjukkan penguraian material menggunakan PCCT.
Endoleak stent aorta secara diagnostik menantang dan pencitraan material multi energi/multi kontras berbasis PCCT di masa depan dapat membantu untuk diagnosis pada kasus-kasus tertentu.
Panel B (Siemens Healthineers, Forchheim, Jerman): Gambar vaskular dari hati model hewan setelah embolisasi dengan manik- manik yang mengandung bismut dan yodium. Gambar non spektral terlihat di sisi kiri. Di sisi kanan, dekomposisi material dari manik- manik bismut yang diembolisasi (biru) dan manik-manik yodium (merah) ditampilkan. Perhatikan resolusi tinggi dari gambar
dekomposisi material (gambar disediakan oleh Amir Pourmorteza).
Agen kontras berbasis non-iodin baru di masa depan mungkin bermanfaat untuk pencitraan vaskular.
Panel C (gambar milik Fredrik Gro€nberg): Spesimen jantung manusia yang dipotong dicitrakan dengan prototipe PCCT berbasis silikon. Kiri: Gambar monoenergetik sintetis pada 70 keV. Tengah:
Detail yang menunjukkan pembuluh darah dengan kalsifikasi dan zat kontras beryodium. Kanan: Gambar terurai yang menunjukkan kalsium (hijau) dan yodium (merah). Hal ini menunjukkan kemampuan PCCT untuk mengukur yodium dan kalsium secara independen, tanpa mengasumsikan campuran pengawet volume.
Keterbatasan saat ini.
Secara umum, sebelum PCCT dapat diterapkan secara klinis, beberapa tantangan perlu diatasi. Menunjukkan bahwa PCCT akan memberikan informasi tambahan yang bermakna secara klinis dalam banyak kasus, tetapi yang terpenting, PCCT harus setidaknya menyamai kinerja CT generasi saat ini dalam berbagai macam tugas untuk penggunaan klinis secara umum, tetapi evaluasi klinis penuh PCCT untuk aplikasi kardiovaskular belum dapat dilakukan karena ketiadaan gerbang jantung pada prototipe awal.
Pemeliharaan dan kalibrasi prototipe sistem PCCT saat ini membutuhkan lebih banyak perhatian dibandingkan dengan EID dan tidak jelas sejauh mana hal ini dapat diatasi dengan produksi industri. PCCT memberikan pencitraan resolusi tinggi tetapi resolusi temporal dibatasi oleh kecepatan rotasi gantry. Ukuran titik fokus merupakan masalah tambahan, khususnya pada arus tabung yang tinggi yang diperlukan untuk pencitraan yang cepat.
Saat ini tidak jelas berapa resolusi maksimum yang dapat dicapai secara realistis pada objek bergerak seperti koroner.
RINGKASAN DAN KESIMPULAN
penggunaan pencitraan DECT dan dapat membantu dalam berbagai kondisi kardiovaskular termasuk endoleak stent endovaskular dan emboli paru. Karena potensi pencitraan multi-energi untuk secara signifikan mengurangi artefak logam, PCCT sangat cocok untuk mencitrakan katup prostetik dengan manfaat klinis langsung. Yang terpenting, PCCT diharapkan dapat memungkinkan penilaian kalsium dengan dosis yang sangat rendah dengan kemungkinan implikasi yang luas untuk penggunaan alat yang sangat prognostik ini.
Pencitraan dengan resolusi spasial yang tinggi yang tersedia pada semua pemindaian akan menjadi kenyataan dengan PCD dan hal ini berpotensi untuk meningkatkan pencitraan arteri koroner secara signifikan jika kita dapat mempertahankan resolusi temporal
Kombinasi resolusi spasial yang tinggi, noise yang rendah, dan kemampuan multi energi bersama dengan algoritme rekonstruksi canggih yang akan menjadi kunci untuk mengeksploitasi data tambahan ini mungkin memiliki potensi kinerja terobosan yang sesungguhnya dan dapat - sekali lagi - mengubah cakupan dan kemampuan klinis CT kardiovaskular.
