[論文レビュー] Investigation of the signature of lung tissue in X-ray grating-based phase-contrast imaging

Thomas Weber, Florian Bayer+9 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2012

Advanced X-ray Imaging Techniques参考文献 16被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、医用X線管を用いたタコブ・ロウ干渉計を用いて、X線回折型位相コントラスト画像法における肺組織シグネチャーを調査した。ドレッドフィールド画像は組織の粗さに感受性を示し、肺の正確な位置特定と気胸や肺浮腫などの肺疾患の早期診断を可能にし、CTスキャンへの依存を減らし、臨床前研究における被曝線量と動物の使用数を低減する可能性がある。

ABSTRACT

Purpose: Grating-based X-ray phase-contrast imaging is a promising modality increasing the soft tissue contrast in medical imaging. In this work, the signature of lung tissue in X-ray grating-based physe-contrast imaging is investigated. Methods: We used a Talbot-Lau interferometer for our investigations of two C57BL/6 mice. Both underwent projection imaging and computed tomography. Results: The results show that the three images obtained by X-ray phase-contrast imaging show complementary anatomical structures. Especially the dark field image allows a more-exact determination of the position of the lung in the chest cavity. Conclusion: Due to its sensitivity to granular structures, the dark field image may be used for the diagnosis of lung diseases in earlier stages or without a CT scan. Furthermore, X-ray phase-contrast imaging may also have great potential in the application of animal laboratory sciences to reduce the number of required animals used in long-term translational, toxicity, and regenerative medicine studies.

研究の動機と目的

• マウスの肺組織を生検で評価するため、グレーティングベース干渉計を用いたX線位相コントラストの特徴を調査すること。
• 従来の減衰ベースX線と比較して、グレーティングベース位相コントラスト画像法が、肺画像における軟部組織コントラストと解剖学的詳細をどのように向上させるかを評価すること。
• 気胸や肺浮腫などの肺病理の非侵襲的で被曝線量に配慮した診断に、ドレッドフィールドイメージングが果たす可能性を評価すること。
• 繰り返しCTスキャンを要しない体内モニタリングが可能となることから、長期間にわたる動物実験における動物使用数を削減できるかを、縦断的臨床前研究への応用を検討すること。

提案手法

• 位相コントラスト画像法に、一般医療用X線管とフラットパネル検出器を備えたタコブ・ロウ干渉計を用いた。
• 位相ステッピングを用い、アナライザー回折格子を介して、吸収、微分位相、ドレッドフィールドの3種類の画像を取得した。
• 2匹のC57BL/6マウスを用い、投影レントゲノグラフィとCTを併用して画像モodalitiesを比較した。
• 構成的距離における部分的タコブ効果を用い、サンプルからの位相シフトによって変調された周期的強度パターンを生成した。
• サンプルあり・なしの複数位相ステップで測定した強度振動から、画像量を計算した。
• 断層画像で肺の位置と形態を確認するため、CTスキャンを用いて結果を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 吸収、微分位相、ドレッドフィールドの3種類の画像が、肺組織解剖をどのように補完的に可視化するか？
• RQ2 臨床用X線環境下で、ドレッドフィールドイメージングが、肺組織の微細なアルベオール構造に基づいて、その存在を信頼性高く検出できるか？
• RQ3 グレーティングベース位相コントラスト画像法が、小型動物モデルにおける肺の位置特定と疾患診断において、CTをどの程度代替可能か？
• RQ4 この技術が、診断精度を損なわず、長期にわたる縦断的臨床前研究における動物使用数をどの程度削減できるか？

主な発見

• ドレッドフィールド画像は、肺組織の粗いアルベオール構造に起因する強力な信号を示し、周囲の軟部組織と明確に区別できた。
• 気胸の症例では、ドレッドフィールド画像が肺の体積減少と位置を明確に描写したが、吸収画像では対照がほとんど認められなかった。
• 微分位相画像は、組織の縁と軟部組織コントラストを強化し、骨信号を抑制することで、臓器の可視性を向上させた。
• 3つの画像は補完的な情報を提供した：吸収画像は骨を、微分位相画像は組織境界を、ドレッドフィールド画像は微細構造をそれぞれ示した。
• 本研究では、ドレッドフィールドイメージングを用いた1枚の投影画像で、肺の位置とサイズを正確に特定できることを示した。これは、フルCTスキャンの必要性を排除する可能性を示している。
• 結果から、本手法により、非侵襲的かつ繰り返し可能な体内モニタリングが可能となり、縦断的研究における被曝線量と動物数の削減が期待できる。