Nouvelles modalités d'imagerie : Scanner spectral - L Boussel, S Si Mohamed, P Douek
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Nouvelles modalités d'imagerie :
Scanner spectral
L Boussel, S Si Mohamed, P Douek
DES 2020
1
Scanner standard
• Mesure de l'atténuation globale du faisceau de rayons X émis par le tube
• Or atténuation par deux phénomènes :
• Photo-électrique
• Diffusion Compton
La formule magique ! • L'atténuation totale est la somme des deux effets : Photo-électrique et Compton ( E ) P ( E ) c ( E ) P f P ( E ) c f c ( E )
La formule magique !
• L'atténuation totale est la somme des deux effets : Photo-électrique et
Compton
( E ) P ( E ) c ( E ) P f P ( E ) c f c ( E )
(p, c) : caractéristiques du tissu
P Z eff3.8
c Z eff , is the mass density
(fp, fc): indépendant du tissu, dépend de l'énergie
f P ( E ) 1 3.2
E
f c ( E ) is the Klein-Nishina function
La formule magique ! • L'atténuation totale est la somme des deux effets : Photo-électrique et Compton ( E ) P ( E ) c ( E ) P f P ( E ) c f c ( E )
La formule magique ! • L'atténuation totale est la somme des deux effets : Photo-électrique et Compton ( E ) P ( E ) c ( E ) P f P ( E ) c f c ( E )
Double énergie
• Objectif : apporter une information spectrale supplémentaire
• Séparation hautes et basses énergies :
Calcium
Iode
• Analyser le spectre en deux parties (ex: 80 – 140 kV) :
• A l'émission : double acquisition, switch en émission, double tube
• Détecteur bi-couches (basse et haute énergies)
Double énergie
Dual Source kV Switch Dual Spin Detection Based
Un tube à 80 kV et Tube 140–80 kV 140–80 kV 120 – 140 kV
un tube à 140 kV Rémanence du Temps entre les Reconstruction
A priori détecteur a posteriori
passages
A priori
A priori
Double énergie
• Calcul pour chaque pixel de l'image des valeurs d'atténuation Photo-
électrique et Compton à partir des valeurs à bas et haut kV
( E L ) P f P ( E L ) c f c ( E L )
( E H ) P f P ( E H ) c f c ( E H )
• Recombinaison de ces valeurs pour :
• "Simuler" les images à n'importe quel niveau mono-énergétique
• Reconstruire les images par pair d'éléments (Iode/eau,
iode/calcium…) : Quantification
• Z-Effectif, densité électronique …
Double énergie
• Reconstruction mono-énergie (E) :
54 keV 70 keV 120 keVDouble énergie
• Paire de matériaux (ex: I/H2O) : « deviner » la quantité d’iode et d’eau
dans chaque pixel qui donnerait l’atténuation observée
( EL ) P f P ( EL ) c f c ( EL )
( EH ) P f P ( EH ) c f c ( EH )
( EL ) Iode Iode ( EL ) Eau Eau ( EL )
( EH ) Iode Iode ( EH ) Eau Eau ( EH )Double énergie
• Paire de matériaux (ex: I/H2O) : « deviner » la quantité d’iode et d’eau
dans chaque pixel qui donnerait l’atténuation observée
Image iode Image eau - VNCDouble énergie
• Applications :
• Interprétations des images à bas et haut keV :
• Iodine boost (bas keV) : vaisseaux, tumeurs, dose de pdc
• Réduction du beam hardening (haut keV)
• Cartographies d’iode : perfusion (EP+++)
• Virtual non contrast : Pseudo scanner sans injection
• Z effective : Place à trouver (EP ?)
Dubourg B et al. Eur Radiol. 2014 Nov;24(11):2659-68.
Almutairi A et al. PLoS One. 2015; 10(9): e0139275.Conventional
UH
Mono E
40 – 140 keVPaire Iode-Eau Z-Effectif
Double énergie
Double énergie
• Injection de 30 cc de produit de contraste
UH 50 keVDouble énergie
• Dissection : « Injection ratée »
UH 50 keVDouble énergie
• Images mono-énergétiques : amélioration des artéfacts à haute énergie
Khanduri S et al. J Clin Imaging Sci. 2017; 7: 34.Double énergie Tijssen et al Eur Radiol (2014) 24:834–840
Double énergie
Sans injection VNC après injection IRM
Gariani J, et al. J NeuroIntervent Surg 2015;0:1–5Double énergie
• VNC : Possible sous-estimation des hémorragies
Sans injection VNC après injection
Bonatti et al Eur Radiol (2017) 27:2690–2697Imagerie cardiaque et coronaire UH 45 keV Iode Z eff
Imagerie cardiaque et coronaire UH 45 keV Iode Z eff
Imagerie cardiaque et coronaire UH 45 keV Iode
Nouveaux contrastes • Recombinaison de l’effet photo-électrique et de l’effet Compton pour « créer » de nouveaux matériaux basés sur l’image Rotzinger D. et al. Jul 22, 2019. Eur Radiol.
Double énergie
• Limitations des scanners double énergie actuels :
• Résolution spatiale quasi-identique au scanner conventionnel
• Faible échantillonnage du spectre de rayons X
• Pas d'analyse du K-edgePhoton Counting
• Nouveau type de détecteur : Compter et trier chaque photon en fonction
de son énergie
X-ray photon
Cadmium-zinc-telluride (CZT)
cathode --------------------------
CZT holes
electrons
high voltage
V +++++++++ +++++ (~ 1000V)
++++
Pixellated anodes
T1 Digital counter
T2 T1
… Digital counter
Tn T2
t Digital counter
Tn
Hauteur du pulse correspondant à l'énergie du photon XPhoton Counting
• Décomposition Photo-électrique – Compton – K-edge
energy
Material Photo-electric effect
decomposition
e.g. projection based likelihood
maximization Image
Compton effect reconstruction
Compton
K-Edge
Photo-electric
K-edge contribution
Schlomka et al 2008 Phys. Med. Biol. 53 4031SPCCT : Projet
• Prototype V1 petit animal (1.8 M €, FLI) – 2014
• Projet européen H2020 – SPCCT (6 M€) – 2016
• Développement détecteur, reconstruction, post-traitement
• Développement de nouveaux agents de contraste
• Challenge technologique :
• Développement du détecteur et de l'ASIC
• Transfert rapide d'un nombre très important de données
• Complexité de la reconstruction des images
• Rapport signal sur bruit (k-edge+++)SPCCT : Objectifs
• Résolution spatiale :
• 0.5 - > 0.25 mm
• Réduction des artéfacts de blooming (eg, calcifications coronaires)
• Diminution de la dose de rayons X : Ultra-Low dose
• Résolution spectrale :
• Amélioration de la décomposition en matériaux (ou PE/Cp)
• Imagerie K-edge :
• Agent de contraste standards (Gd +++)
• Nouveaux agents de contraste (Au, Bi, Ta…) :
• Blood Pool (nanoparticules)
• Perfusion quantitative
• Agents "spécifiques"Résolution spatiale • Scan Parameter : • Scan Type: Axial (stack) • 120kVp 50mA • Rotation 1sec • Stent: Diameter 4.1mm • Reconstruction: • HU Image • Filter: Detailed • Voxel Size: 0.1 x 0.1 x 0.1 [mm] • Réduction du blooming artifact
Résolution spatiale
Standard CT SPCCT
ww2000 wl800 ww2000 wl800
ww1500 wl470 Voxel Size: 0.1 x 0.1 x 0.1 ww1500 wl470 Voxel Size: 0.1 x 0.1 x 0.1
Voxel Size: 0.1 x 0.1 x 0.1 Voxel Size: 0.1 x 0.1 x 0.1Quantification de matériaux • Quantification de matériaux k-edge (Or, Tantalum*, Gadolinium…) *Riederer I. et al. Sci Rep. 2019 Mar 27;9(1):5268.
Imagerie spécifique
Cobalt – chromium Platinum – chromium Stainless steel
Conventional HU Pt-specific k-edge Conventional HU Pt-specific k-edge Conventional HU Pt-specific k-edge
Sigovan M et al. Sci Rep. 2019 Dec 27;9(1):19850.Imagerie spécifique – In-vivo Sigovan M et al. Sci Rep. 2019 Dec 27;9(1):19850.
Angiographie spécifique (Gd) Conventional MIP Gd-Kedge MIP Negative Gd-Kedge MIP (8 sec after injection) (8 sec after injection) (8 sec after injection)
Acquisition monophasique multi-contraste Si-Mohamed S. et al. Sci Rep. 2019 Jun 11;9(1):8458.
Quantification de matériaux Si-Mohamed S. et al. Invest Radiol. 2018 Oct;53(10):629-639.
Nanoparticules - In-vivo
• Injection de nanoparticules d'or :
• Blood pool agent
• Concentration : 65 mg/mL Au
• Images à 10 et 35 minutes
Si-Mohamed S et al. Sci Rep. 2017 Jul 6;7(1):4784.Nanoparticules - In-vivo • Bio-distribution des nanoparticules d'or : Imagerie à 1 mois Si-Mohamed S et al. Sci Rep. 2017 Jul 6;7(1):4784.
Conclusion
• Le scanner double énergie permet d’ajouter une dimension spectrale au
scanner avec de nombreuses applications (vasculaire, onco, neuro…)
• Le scanner à comptage photonique va permettre d'obtenir :
• Une meilleure résolution spatiale : petites structures et diminution
des artéfacts de blooming (coronaires+++)
• Une meilleure quantification des matériaux :
• Endogènes (ex: quantification du fer : pathologies hépatiques,
hémorragies cérébrales)
• Produits de contraste :
• Perfusion quantitative (AVC, IDM, Oncologie)
• Nouveaux agents de contraste ciblés (oncologie +++)Vous pouvez aussi lire
