< Terug naar vorige pagina

Project

Onderzoek naar klinische toepassingen van fase contrast beeldvorming

Talbot-Lau interferometrie (TLI) is een recente ontwikkeling dat het toelaat fase contrast metingen te doen met conventionele x-straal buizen en detectoren. Dit impliceert dat fase-contrast beeldvorming mogelijk is in een ziekenhuis en dus in principe kan gebruikt worden voor klinische doeleinden. Dit is mogelijks erg nuttig, aangezien de fase component van x-stralen gevoeliger is aan dichtheidsveranderingen in zacht weefsel dan de attenuatie component. Fase contrast kan dus een toegevoegde waarde zijn aan huidige beeldvormingstechnieken. Carestream Health ontwikkelde daarop een eigen TLI prototypesysteem, het CH-TLI systeem. Dit doctoraatswerk onderzocht het klinische potentieel van het systeem. Acquisities met TLI systemen genereren altijd drie beelden: een standaard transmissie beeld (Tr), en dan twee nieuw type beelden, een differentieel-fase (dP) beeld en een donker veld ('Dark Field') (DF) beeld. De dP en DF beelden zijn erg verschillend op vlak van fysische oorsprong met als gevolg dat ook de mogelijk toepassingen erg diverse zijn. Daarom worden hier de twee verschillende beeldvormen en hun klinisch potentieel apart besproken. Eerst worden de resultaten van dP beeldvorming besproken, nadien die van DF beeldvorming.

Uiteenlopende specimenen werden gescand, maar voor geen enkele leek dP beeldvorming een meerwaarde te bieden ten opzichte van de klassieke Tr beeldvorming. Echter, deze evaluatie is subjectief, aangezien, door de verschillende signaalvorm van de beelden, directe vergelijking, met behulp van contrast-ruis fracties, niet toepasbaar is. Daarom werd in dit werk een methode ontwikkeld om dP beeldvorming kwantitatief te vergelijken met Tr beelden. Hierbij werd detecteerbaarheid gebruikt als een maatstaf voor de prestatie. De dosis nodig om een laesie detecteerbaar te maken in een beeld (de stralingsdosisdrempel) werd bepaald via virtuele studies. Hiervoor zijn veel gesimuleerde beelden nodig. Aangezien klassieke simulatie methodes voor TLI, die gebaseerd zijn op numerieke golf propagatie algoritmes, veel rekenkracht nodig hebben (en hierdoor onpraktisch), werd  in dit werk een hybride simulatie platform ontwikkeld. Hierbij werden analytische vergelijkingen gecombineerd met experimenteel gemeten kwaliteitsparameters om op die manier realistische Tr en dP beelden te produceren. Zowel de detectie van meer algemeen beschreven toepassingen, zoals de detectie van een 4 mm grote laesie in een uniforme achtergrond, als specifieke detectie toepassingen zoals de detectie van een 5.3 mm niet-sferische laesie in een mammografische achtergrond werden bestudeerd. Deze virtuele studies bevestigden onze eerste experimentele bevindingen, dat met het huidig CH-TLI systeem, Tr beeldvorming beter presteert dan dP beeldvorming voor de meeste toepassingen. De mammografie detecteerbaarheidsstudie toonde aan dat waar overlappende weefsels de detectie in Tr beelden bemoeilijkt, dit niet zo veel invloed had voor detectie in dP beelden. Ook kan deze methode gebruikt worden om de nodige systeemkwaliteit in te schatten. Bij een toename van de systeem ‘visibiliteit`, de G1-tot-G2 afstand of de G2 frequentie, zal de signaal-ruis verhouding van het dP beeld verbeteren, zonder die van het Tr beeld sterk te beïnvloeden. Het product van deze systeem parameters (het 'visibiliteits-sensitiviteitsproduct`) schaalt daardoor met de relatieve prestatie van het dP beeld ten opzichten van het Tr beeld. Zodus kan, via de gevonden relatieve prestatie, het nodige visibiliteits-sensitiviteitsproduct worden geschat opdat dP beeldvorming een meerwaarde heeft op Tr beeldvorming voor de omschreven toepassing. Dit is enkel een benadering aangezien dezelfde vergroting, detector en focal spot eigenschappen als voor het CH-TLI systeem worden aangenomen. Met het huidige CH-TLI systeem werd geen meerwaarde gevonden voor dP beeldvorming. De detectie van kleine laesies in een gestructureerde achtergrond zoals in mammografie is de toepassing met theoretisch het grootste potentieel. Een visibiliteits-sensitiviteitsproduct 9.6 keer hoger dan dat van het huidige CH-TLI systeem is minimaal nodig opdat dP beeldvorming een toegevoegde waarde heeft voor mammografie. Zo'n waardes zijn al gepubliceerd in de literatuur [Birnbacher2016] en zijn dus realistisch om te behalen.

In tegenstelling tot dP beeldvorming, werden er potentieel interessante resultaten bekomen met DF beeldvorming. In analogie met de literatuur [Hellbach2016,Schleede2012,Yaroshenko2014] werd verbeterde visualisatie van longweefsel waargenomen. Om die reden, werd DF beeldvorming toegevoegd aan twee preklinische studies lopende in de moSAIC afdeling van de KULeuven. Één van die studies onderzocht pulmonaire aspergillus fungi in muizen. Het was voorondersteld dat de aanwezigheid van fungi in de longen zorgt voor een afname in het DF signaal. DF metingen werden gecombineerd met µCT en bioluminantie scans om de geïnfecteerde zones te identificeren en lokaliseren. De µCT en DF beelden correleerden sterk, met een signaalafname in het DF beeld ter hoogte van de besmette zones. Desondanks, bleek het moeilijk om enkel afgaand van het DF beeld conclusies te trekken over besmetting. De tweede studie onderzocht het effect van hyperoxia en prematuriteit op de alveolaire ontwikkeling van konijnen. Vroeggeboorte bij de mens en bij konijnen is gerelateerd aan het risico op onderontwikkelde alveoli, wat kan leiden tot bronchopulmonaire dysplasie. Blootstelling aan een te hoog niveau van zuurstof (hyperoxia) verhoogd deze kans verder. In de vroegere stadia van de alveolaire ontwikkeling zijn de alveoli groter en het was voorondersteld dat dit het gemeten DF signaal kan beïnvloeden. De eerste resultaten van deze studie geven aan dat DF beeldvorming het toelaat om goed ontwikkelde longen van de voldragen dieren te onderscheiden van de premature dieren, maar differentiatie tussen de hyperoxia gevallen was niet mogelijk. 

Dit onderzoek illustreert dat DF beeldvorming een veelbelovende methode is voor longbeeldvorming. Echter, de translatie van muizen naar mensen is niet vanzelfsprekend. Menselijke alveoli zijn een factor vijf groter dan die van muizen, wat het DF-signaal minder gevoelig maakt en voor een reductie in contrast zorgt. Anderzijds, is het menselijke borstdikte groter dan bij kleine dieren, zodat het globale DF contrast daardoor wel groot kan zijn en misschien zelfs gesatureerd, wat DF beeldvorming onmogelijk zou maken. Voordat een systeem ontworpen wordt voor grote dieren, is het daarom belangrijk om de gevoeligheid van DF beeldvorming voor grote dieren of mensen in benadering te bepalen. Hiervoor werd er een tweede simulatie platform ontwikkeld in deze thesis. Deze keer werden numerieke golfvoortplanting methodes gebruikt. Muizen en menselijke longen werden gemodelleerd als een volume met bollen waarbij de diameters van de bollen gelijk werden gesteld aan de respectievelijk alveoli dimensies, en het verwachte DF signaal gesimuleerd. Voor het muizenmodel werden de afstellingen van het CH-TLI systeem gebruikt. Bij het longmodel voor de mens werd de x-straal energie en de pixelgrootte aangepast aan die van standaard PA thorax radiografie. De geschatte lineaire diffusie coëfficiënt (en dus het gerelateerde DF signaal) werd 120 keer kleiner bevonden bij menselijke alveoli dan bij muizen. Maar, door de grotere PA longdikte, is het totale DF contrast bij mensen en muizen toch gelijkaardig. DF beeldvorming is dus ook beloftevol voor long beeldvorming bij mensen. De simulatie methode hier ontwikkeld, kan gebruikt worden om in de toekomst TLI systeemdimensies te optimaliseren voor specifieke long applicaties.

Ter conclusie, dit doctoraatswerk onderzocht het klinische potentieel van het CH-TLI systeem en TLI beeldvorming in het algemeen. Het dP contrast werd kwantitatief niet beter bevonden dan standaard attenuatie beeldvorming voor de meeste onderzochte toepassingen, maar mits verbeterde systeemparameters is het wel een beloftevolle techniek voor mammografie. DF beeldvorming is anderzijds wel veelbelovend, namelijk voor longbeeldvorming. Dit werk demonstreerde methodes die kunnen dienen om de haalbaarheid van toepassingen op voorhand in te schatten voor een bepaalde systeemconfiguratie. In de toekomst kunnen ze gebruikt worden om de nodige beeldkwaliteit in te schatten zodat het systeem een meerwaarde biedt voor specifieke toepassingen ten op zicht van huidige technologie\"en. De kwantitatieve aard van deze methodes laat bovendien ook toe om de simulatiestudies als basis te gebruiken in de motivatie voor het ontwikkelen van nieuwe systemen.

Datum:1 sep 2014 →  14 nov 2018
Trefwoorden:Medical Imaging, Phase-contrast x-ray imaging, Novel x-ray technologies, Talbot-Lau Interferometry
Disciplines:Laboratoriumgeneeskunde, Palliatieve zorg en zorg rond het levenseinde, Regeneratieve geneeskunde, Andere basiswetenschappen, Andere gezondheidswetenschappen, Verpleegkunde, Andere paramedische wetenschappen, Andere translationele wetenschappen, Andere medische en gezondheidswetenschappen
Project type:PhD project