光子計数マンモグラフィー

光子計数マンモグラフィーは2003年に商業的に導入され、医療用X線画像診断における光子計数検出器技術の最初の広く利用可能な応用でした。[ 1 ]光子計数マンモグラフィーは、従来の技術と比較して線量効率を改善し、[ 2 ]スペクトル画像診断を可能にします。

背景

X線イメージング用の従来の検出器はエネルギー積分型、すなわち、一定の時間間隔にわたるすべての光子相互作用が積分される。一方、光子計数検出器は、単一光子イベントを登録できるほど高速である。光子計数検出器は数十年前から核医学で使用されているが、透過型イメージングへの導入は比較的遅れており、その主な理由は、光子計数検出器の主な課題の1つであるパルスパイルアップと呼ばれる望ましくない状態につながる高線量率のことである。この理由もあって、最初で現在（2020年）唯一の広く利用可能な光子計数X線イメージングモダリティはマンモグラフィーシステムである。マンモグラフィーは高い空間分解能を必要とするため、検出器要素が小さくなり、したがってカウントレートが比較的低くなる。[ 1 ] MicroDoseマンモグラフィーシステムは、 2003年にSectra Mameaによって導入され、2011年にPhilipsによって買収された。

MicroDoseシステムは、対象物全体を走査して画像を取得する、マルチスリット構成のシリコンストリップ検出器アレイをベースとしています。[ 1 ]光子が検出器内で相互作用すると、電荷が放出され、センサー上の電極によって収集されます。電極は、特定用途向け集積回路（ASIC）内の並列チャネルに接続されています。各チャネルは増幅器とシェーパーで構成され、電荷を入射光子のエネルギーに比例した振幅を持つパルスに変換します。このパルスの高さは、一般にエネルギー閾値と呼ばれるコンパレータによって測定され、その後に続く対応するカウンタによって測定されます。カウンタは、特定のエネルギーウィンドウ内のすべてのイベントの合計を記録し、一般にエネルギービンと呼ばれます。最も低い閾値は、電子ノイズがカウントされるのを防ぐため、予想される入射スペクトルよりも低く設定されます。MicroDose検出器のエネルギー分解能は、20～40 keVの範囲で2.0～2.3 keVの標準偏差です。[ 1 ]

検出器材料としてのシリコンの利点には、高い電荷収集効率、高品質高純度材料の入手しやすさ、半導体業界主導による確立された試験および組み立て方法などがある。主な課題はシリコンの検出効率が比較的低いことであるが、MicroDose システムではシリコン ウェーハを端に向けて配置することでこの課題に対処している。[ 1 ]いくつかの研究グループおよび民間企業は、センサー材料としてカドミウム–亜鉛テルル化物 (CZT) を研究している。[ 3 ] CZT は原子番号が大きいためシリコンよりも吸収が大きくなるが、K 蛍光収量が高いためスペクトル応答が低下し、クロストークが生じる。[ 4 ]また、これらの材料のマクロサイズの結晶の製造には実用上の課題があり、結晶には一般に格子欠陥や不純物があり、それが電荷トラッピングを引き起こし、電荷収集効率を制限する。[ 5 ] [ 6 ]ガリウムヒ素[ 7 ]やガス検出器[ 8 ]などの他の固体材料は、現在のところ臨床応用には程遠い。

臨床応用

投与効率の向上

光子計数マンモグラフィは、従来の技術と同等の画質を維持しながら患者の被ばく線量を低減、あるいは同等の被ばく線量で画質を向上させることを可能にします。ドイツのノルトライン＝ヴェストファーレン州におけるマンモグラフィ検診プログラムにおける州全体の平均と光子計数マンモグラフィを比較した研究では、従来の技術の40%の被ばく線量で診断性能がわずかに向上したことが報告されています。[ 2 ]

従来の技術と比較した光子計数マンモグラフィーの線量効率の向上は、主に以下の理由により実現されます。

  • 電子ノイズの除去：低エネルギー閾値を予想される入射スペクトルの下に置くことで、電子ノイズがカウントされるのを防ぎます。[ 1 ]しかし、電子ノイズは依然としてパルス高に加算され、ある程度エネルギー分解能に影響を与えます。
  • 光子の均等重み付け：エネルギー積分型検出器は、検出器内でより多くの電荷が放出されるため、本質的に高エネルギー光子に高い重み付けを割り当てます。低エネルギー光子はより多くのコントラスト情報を持つため、この重み付けは最適な重み付けとは逆になります。一方、光子計数型検出器は、本質的にすべての光子に均等に重み付けを行うため、より最適な重み付けとなります。[ 9 ]
  • 散乱光除去：光子計数型マンモグラフィシステムはスリット走査方式を採用しています。この検出器は多数の細い線で構成されており、対象物を走査して画像を取得します。検出器には、患者前後の対応するコリメータが装備されており、これにより受光角を最小限に抑えながら一次光子を完全に検出することができます。[ 10 ]従来の検出器に用いられる散乱光除去グリッドは、散乱光除去と一次光子の検出の間でトレードオフの関係にあります。スリット走査構成は光子計数型検出器の本質的な要素ではありませんが、大規模な電子回路を搭載するためのスペースを確保する上で実用的となることがよくあります。

エネルギー重み付け

光子計数検出器に固有の光子の均等加重により、エネルギー積分型検出器に比べて線量効率が改善されるとはいえ、低エネルギー光子の加重を高めることが一般的に最適である。これは、光電効果が支配的で吸収端から離れると光子エネルギーの増加とともにX線コントラストが低下するためであり、これは造影剤を使用しないマンモグラフィーにも当てはまる。光子計数検出器は入射光子のエネルギーを測定できるため、特定の撮影ケースに最適な加重が可能になる。一般にエネルギー加重と呼ばれるこの技術は、Cahnらによってマンモグラフィー用途に初めて開発された。[ 9 ]無限エネルギー分解能の限界では、エネルギー加重によって光子の均等加重に比べてCNRが約10%向上するが、 [ 9 ]現実的なエネルギー分解能の研究では、CNRが数パーセント向上すると報告されている。[ 11 ]臨床応用における最初の結果はBerglundらによって報告された。臨床画像のCNRを2.2～5.2％改善することができ、これはCNRを一定にした場合、4.5％～11％の範囲で潜在的な線量低減が可能になることを意味している。[ 12 ]

物質分解とK端イメージング

光子計数検出器は入射光子のエネルギースペクトルを測定することができ、この技術は広くスペクトルイメージングと呼ばれています。マンモグラフィのエネルギーにおける2つの主要なX線相互作用効果、すなわち光電効果とコンプトン散乱は、それぞれ異なるエネルギー依存性と物質依存性を持つため、スペクトル情報は対象物の組成に関する定量的な情報を抽出するのに利用できます。いわゆる物質分解は、乳房密度の測定、[ 13 ]、病変の視認性向上、[ 11 ] 、病変の特徴づけ、[ 14 ]、乳房成分の減衰測定[ 15 ] 、 [ 16 ]などの目的で研究されてきました。

高原子番号造影剤は、対象物にエネルギー依存性を付加し、軟部組織から分離することが可能です。これはKエッジイメージングと呼ばれることが多いです。光子計数マンモグラフィーでは、造影増強イメージングは​​ヨウ素イメージングに重点が置かれてきました。[ 17 ] [ 18 ]

トモシンセシス

光子計数型乳房トモシンセシスはプロトタイプ段階まで開発されている。[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]トモシンセシスは多数の低線量投影に依存するため、従来のマンモグラフィよりも電子ノイズの影響が大きく、そのため電子ノイズを除去した光子計数型検出器は、従来のマンモグラフィよりも線量効率を潜在的に大きく改善できるため有益である。さらに、従来の散乱線除去グリッドに基づく散乱線除去はさまざまな投影角度で実装するのが難しいため、スリットスキャン法はさらなる利点をもたらすと期待されている。しかし、スリットスキャン型トモシンセシスでは既存システムを大幅に変更する必要があり、これまでのところこの技術は広範囲に臨床応用されていない。光子計数型トモシンセシス用に調査されているスペクトルイメージングの用途には、乳房密度測定、[ 22 ] 、[ 23 ]、およびヨウ素Kエッジイメージングがある。[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]

位相コントラストイメージング

光子計数マンモグラフィの一部の実装におけるスリットスキャン構造は、格子ベースの位相コントラストイメージングの実装に利点をもたらす。[ 27 ]ファントム研究[ 28 ]および前臨床イメージング[ 29 ]がこの技術を用いて実施されており、初期の有望な結果が報告されている。光子計数検出器のスペクトル分解能は、位相コントラストイメージング装置のコヒーレンス要件を低減する可能性がある。[ 30 ]

参考文献

  1. ^ a b c d e f Fredenberg E, Lundqvist M, Cederström B, Åslund M, Danielsson M (2010). 「光子計数シリコンストリップ検出器のエネルギー分解能」 .核物理学研究における計測機器と方法 A セクション：加速器、分光計、検出器および関連機器. 613 (1): 156– 162. arXiv : 2101.07789 . Bibcode : 2010NIMPA.613..156F . doi : 10.1016/j.nima.2009.10.152 . ISSN  0168-9002 . S2CID  121348971 .
  2. ^ a b Weigel S, Berkemeyer S, Girnus R, Sommer A, Lenzen H, Heindel W (2014年5月). 「光子計数法を用いたデジタルマンモグラフィスクリーニング：低い平均乳腺線量で高い診断性能を実現できるか？」 . Radiology . 271 (2): 345–55 . doi : 10.1148/radiol.13131181 . PMID 24495234 . 
  3. ^ Iwanczyk JS, Nygård E, Meirav O, Arenson J, Barber WC, Hartsough NE, et al. (2009). 「X線イメージングのための光子計数型エネルギー分散型検出器アレイ」 . IEEE Transactions on Nuclear Science . 56 (3): 535– 542. Bibcode : 2009ITNS...56..535I . doi : 10.1109/TNS.2009.2013709 . PMC 2777741. PMID 19920884 .  
  4. ^ Shikhaliev PM, Fritz SG, Chapman JW (2009年11月). 「光子計数による多エネルギーX線イメージング：特性X線が検出器性能に与える影響」. Medical Physics . 36 (11): 5107–19 . Bibcode : 2009MedPh..36.5107S . doi : 10.1118/1.3245875 . PMID 19994521 . 
  5. ^ Knoll GF (2000).放射線の検出と測定. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-07338-3。
  6. ^ Szeles C, Soldner SA, Vydrin S, Graves J, Bale DS (2008). 「分光X線イメージング用CdZnTe半導体検出器」. IEEE Transactions on Nuclear Science . 55 (1): 572– 582. Bibcode : 2008ITNS...55..572S . doi : 10.1109/TNS.2007.914034 . ISSN 0018-9499 . S2CID 43453671 .  
  7. ^ Amendolia SR, Bisogni MG, Delogu P, Fantacci ME, Paternoster G, Rosso V, Stefanini A (2009年4月). 「GaAs X線検出器に結合した単一光子計数ピクセルアレイに基づくマンモグラフィシステムの特性評価」. Medical Physics . 36 (4): 1330–9 . Bibcode : 2009MedPh..36.1330A . doi : 10.1118/1.3097284 . PMID 19472640 . 
  8. ^ Thunberg SJ, Adelow L, Blom O, Coster A, Egerstrom J, Eklund M, et al. (2004-05-06). Yaffe MJ, Flynn MJ (編). 「光子計数イメージングによるマンモグラフィの線量低減」. Medical Imaging 2004: Physics of Medical Imaging . 5368. International Society for Optics and Photonics: 457– 465. Bibcode : 2004SPIE.5368..457T . doi : 10.1117/12.530649 . S2CID 72756191 . 
  9. ^ a b c Cahn RN, Cederström B, Danielsson M, Hall A, Lundqvist M, Nygren D (1999年12月). 「マンモグラフィーにおけるX線エネルギー加重に対する検出量子効率の依存性」. Medical Physics . 26 (12): 2680–3 . Bibcode : 1999MedPh..26.2680C . doi : 10.1118/1.598807 . PMID 10619253 . 
  10. ^ Aslund M, Cederström B, Lundqvist M, Danielsson M (2006年4月). 「マルチスリットデジタルマンモグラフィーにおける散乱線除去」. Medical Physics . 33 (4): 933–40 . Bibcode : 2006MedPh..33..933A . doi : 10.1118/1.2179122 . PMID 16696469 . 
  11. ^ a b Fredenberg E, Åslund M, Cederström B, Lundqvist M, Danielsson M (2010). 「スペクトルマンモグラフィシステムのオブザーバーモデル最適化」. Medical Imaging 2010: Physics of Medical Imaging . 7622. International Society for Optics and Photonics: 762210. arXiv : 2101.09440 . Bibcode : 2010SPIE.7622E..10F . doi : 10.1117/12.845480 . S2CID 121950145 . 
  12. ^ Berglund J, Johansson H, Lundqvist M, Cederström B, Fredenberg E (2014年10月). 「エネルギー加重法は臨床現場における線量効率を向上させる：スペクトル光子計数マンモグラフィシステムへの実装」 . Journal of Medical Imaging . 1 (3) 031003. doi : 10.1117/1.JMI.1.3.031003 . PMC 4478791. PMID 26158045 .  
  13. ^ Ding H, Molloi S (2012年8月). 「走査型マルチスリット光子計数検出器に基づくスペクトルマンモグラフィーによる乳腺密度の定量化：実現可能性調査」 . Physics in Medicine and Biology . 57 (15): 4719– 4738. Bibcode : 2012PMB....57.4719D . doi : 10.1088/ 0031-9155 /57/15/4719 . PMC 3478949. PMID 22771941 .  
  14. ^ Ghammraoui B, Glick SJ (2017年6月). 「光子計数スペクトルマンモグラフィーを用いた乳房微小石灰化の分類の実現可能性の調査：シミュレーション研究」. Medical Physics . 44 (6): 2304– 2311. Bibcode : 2017MedPh..44.2304G . doi : 10.1002/mp.12230 . PMID 28332199. S2CID 38228845 .  
  15. ^ Berggren K, Eriksson M, Hall P, Wallis MG, Fredenberg E (2018年10月). 「スペクトルマンモグラフィーを用いた乳房皮膚の実効原子番号の生体内測定」 . Physics in Medicine and Biology . 63 (21): 215023. Bibcode : 2018PMB....63u5023B . doi : 10.1088/1361-6560/aae78c . PMID 30375362 . 
  16. ^ Fredenberg E, Willsher P, Moa E, Dance DR, Young KC, Wallis MG (2018年11月). 「スペクトルイメージングによる乳房組織X線減衰の測定：新鮮組織および固定組織、正常組織および悪性組織」. Physics in Medicine and Biology . 63 (23): 235003. arXiv : 2101.02755 . Bibcode : 2018PMB....63w5003F . doi : 10.1088/1361-6560/aaea83 . PMID : 30465547. S2CID : 53717425 .  
  17. ^ Ding H, Molloi S (2017年8月). 「光子計数検出器に基づく定量的造影増強スペクトルマンモグラフィー：実現可能性研究」 . Medical Physics . 44 (8): 3939– 3951. Bibcode : 2017MedPh..44.3939D . doi : 10.1002/mp.12296 . PMC 5553693. PMID 28432828 .  
  18. ^ Fredenberg E, Hemmendorff M, Cederström B, Aslund M, Danielsson M (2010年5月). 「光子計数検出器を用いた造影スペクトルマンモグラフィー」. Medical Physics . 37 (5): 2017– 2029. arXiv : 2101.07787 . Bibcode : 2010MedPh..37.2017F . doi : 10.1118 / 1.3371689 . PMID 20527535. S2CID 31601055 .  
  19. ^ Wallis MG, Moa E, Zanca F, Leifland K, Danielsson M (2012年3月). 「2視点および1視点トモシンセシスとフルフィールドデジタルマンモグラフィの比較：高解像度X線画像観察者研究」. Radiology . 262 (3): 788– 796. doi : 10.1148/radiol.11103514 . PMID 22274840 . 
  20. ^ Berggren K, Cederström B, Lundqvist M, Fredenberg E (2018年10月). 「スリットスキャン乳房トモシンセシスにおけるシフトバリアント画質のカスケードシステム解析」. Medical Physics . 45 (10): 4392– 4401. Bibcode : 2018MedPh..45.4392B . doi : 10.1002 / mp.13116 . PMID 30091470. S2CID 51941096 .  
  21. ^ Maidment AD, Ullberg C, Lindman K, Adelöw L, Egerström J, Eklund M, et al. (2006-03-02). Flynn MJ, Hsieh J (編). 「光子計数型乳房トモシンセシス画像システムの評価」 . Medical Imaging 2006: Physics of Medical Imaging . 6142. SPIE: 89– 99. Bibcode : 2006SPIE.6142...89M . doi : 10.1117/12.654651 . S2CID 173179592 . 
  22. ^ Fredenberg E, Berggren K, Bartels M, Erhard K (2016). 「スペクトル光子計数トモシンセシスを用いた体積乳房密度測定：最初の臨床結果」. Tingberg A, Lång K, Timberg P (編).乳房イメージング. コンピュータサイエンス講義ノート. 第9699巻. 出版社: Springer International Publishing. pp.  576– 584. arXiv : 2101.02758 . doi : 10.1007/978-3-319-41546-8_72 . ISBN 978-3-319-41546-8. S2CID  1257696 .
  23. ^ Cederström B, Fredenberg E, Berggren K, Erhard K, Danielsson M, Wallis M (2017). Flohr TG, Lo JY, Schmidt GT (編). 「分光光子計数トモシンセシスにおける病変の特徴づけ」. Medical Imaging 2017: Physics of Medical Imaging . 10132 . International Society for Optics and Photonics: 1013205. arXiv : 2102.00175 . Bibcode : 2017SPIE10132E..05C . doi : 10.1117/12.2253966 . S2CID 125903314 . 
  24. ^ Schmitzberger FF, Fallenberg EM, Lawaczeck R, Hemmendorff M, Moa E, Danielsson M, et al. (2011年5月). 「スペクトルイメージングを用いた低線量光子計数造影トモシンセシスの開発」. Radiology . 259 (2): 558– 564. doi : 10.1148/radiol.11101682 . PMID 21330558 . 
  25. ^ Carton AK, Ullberg C, Lindman K, Acciavatti R, Francke T, Maidment AD (2010年11月). 「光子計数型デジタル乳房トモシンセシスシステムにおけるデュアルエネルギー造影剤増強技術の最適化：I. 理論モデル」 . Medical Physics . 37 (11): 5896– 5907. Bibcode : 2010MedPh..37.5896C . doi : 10.1118 / 1.3490556 . PMC 3188980. PMID 21158302 .  
  26. ^ Carton AK, Ullberg C, Maidment AD (2010年11月). 「光子計数型デジタル乳房トモシンセシスシステムにおけるデュアルエネルギー造影剤増強技術の最適化：II. 実験的検証」 . Medical Physics . 37 (11): 5908– 5913. Bibcode : 2010MedPh..37.5908C . doi : 10.1118/1.3488889 . PMC 3188981. PMID 21158303 .  
  27. ^ Fredenberg E, Danielsson M, Stayman JW, Siewerdsen JH, Aslund M (2012年9月). 「線形システムアプローチを用いた光子計数微分位相コントラストイメージングにおける理想観察者検出能」 . Medical Physics . 39 (9): 5317–35 . Bibcode : 2012MedPh..39.5317F . doi : 10.1118/1.4739195 . PMC 3427340. PMID 22957600 .  
  28. ^ Koehler T, Daerr H, Martens G, Kuhn N, Löscher S, van Stevendaal U, Roessl E (2015年4月). 「スリットスキャン微分X線位相コントラストマンモグラフィー：概念実証実験研究」 . Medical Physics . 42 (4): 1959–65 . Bibcode : 2015MedPh..42.1959K . doi : 10.1118/1.4914420 . PMID 25832086 . 
  29. ^ Arboleda C, Wang Z, Jefimovs K, Koehler T, Van Stevendaal U, Kuhn N, et al. (2020年3月). 「臨床用格子干渉計マンモグラフィーに向けて」 .欧州放射線学. 30 (3): 1419– 1425. doi : 10.1007/s00330-019-06362- x . PMC 7033145. PMID 31440834 .  
  30. ^ Fredenberg E, Roessl E, Koehler T, van Stevendaal U, Schulze-Wenck I, Wieberneit N, et al. (2012-02-23). 「光子計数スペクトル位相コントラストマンモグラフィー」. Pelc NJ, Nishikawa RM, Whiting BR (編). Medical Imaging 2012: Physics of Medical Imaging . Vol. 8313. サンディエゴ, カリフォルニア州, 米国. pp. 83130F. arXiv : 2101.09660 . doi : 10.1117/12.910615 . S2CID 121130207 . {{cite book}}: CS1 メンテナンス: 場所の発行元が見つかりません (リンク)
「 https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Photon-counting_mammography&oldid=1326901861」より取得