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Mamografía de conteo de fotones

La mamografía por conteo de fotones se introdujo comercialmente en 2003 y fue la primera aplicación ampliamente disponible de la tecnología de detector de conteo de fotones en imágenes médicas de rayos X. [1] La mamografía por conteo de fotones mejora la eficiencia de la dosis en comparación con las tecnologías convencionales, [2] y permite la obtención de imágenes espectrales .

Fondo

Los detectores convencionales para la obtención de imágenes de rayos X son de integración de energía, es decir, se integran todas las interacciones de fotones durante un cierto intervalo de tiempo. Los detectores de conteo de fotones, por otro lado, son lo suficientemente rápidos como para registrar eventos de un solo fotón. Los detectores de conteo de fotones se han utilizado en medicina nuclear durante décadas, pero su introducción en la obtención de imágenes de transmisión fue relativamente tardía, principalmente como resultado del mayor flujo que conduce a una condición no deseada llamada acumulación de pulsos, que es uno de los principales desafíos para los detectores de conteo de fotones. En parte por esta razón, la primera, y hasta la fecha (2020) única, modalidad de obtención de imágenes de rayos X de conteo de fotones ampliamente disponible es un sistema de mamografía; la mamografía requiere una alta resolución espacial, lo que da como resultado elementos detectores pequeños y, por lo tanto, tasas de conteo relativamente bajas. [1] El sistema de mamografía MicroDose fue introducido por Sectra Mamea en 2003 y adquirido por Philips en 2011.

El sistema MicroDose se basa en una serie de detectores de tiras de silicio en una configuración de múltiples ranuras que se escanean a través del objeto para adquirir una imagen. [1] Cuando un fotón interactúa en el detector, se libera carga y es recogida por electrodos en el sensor. Los electrodos están conectados a canales paralelos en un circuito integrado específico de la aplicación (ASIC). Cada canal comprende un amplificador y un modelador, que convierten la carga en un pulso con una amplitud proporcional a la energía del fotón que incide. Esta altura del pulso se mide mediante comparadores, generalmente denominados umbrales de energía, que son seguidos por los contadores correspondientes. Los contadores registran la suma de todos los eventos dentro de una ventana de energía específica y generalmente se denominan contenedores de energía. El umbral más bajo se coloca por debajo del espectro incidente esperado para evitar que se cuente el ruido electrónico. La resolución de energía del detector MicroDose varía de 2,0 a 2,3 keV de desviación estándar en el rango de 20 a 40 keV. [1]

Las ventajas del silicio como material detector incluyen una alta eficiencia de recolección de carga, una disponibilidad inmediata de material de alta pureza y alta calidad, y métodos establecidos para pruebas y ensamblaje impulsados ​​por la industria de semiconductores. El principal desafío es la eficiencia de detección relativamente baja del silicio, que en el sistema MicroDose se soluciona colocando las obleas de silicio de canto. [1] Varios grupos de investigación y compañías comerciales están investigando el telururo de cadmio-zinc (CZT) como material para sensores. [3] El mayor número atómico del CZT da como resultado una mayor absorción que el silicio, pero el mayor rendimiento de fluorescencia K degrada la respuesta espectral y conduce a diafonía. [4] Además, la fabricación de cristales de tamaño macro de estos materiales plantea desafíos prácticos, y los cristales generalmente sufren defectos de red e impurezas que conducen al atrapamiento de carga, lo que limita la eficiencia de recolección de carga, [5] y puede causar efectos de polarización a largo plazo. [6] Otros materiales de estado sólido, como el arseniuro de galio, [7] y los detectores de gas, [8] están actualmente bastante lejos de su implementación clínica.

Aplicaciones clínicas

Eficiencia de dosis mejorada

La mamografía por conteo de fotones permite reducir la dosis que recibe el paciente y, al mismo tiempo, mantener la calidad de la imagen a la par con las tecnologías convencionales o, equivalentemente, mejorar la calidad de la imagen con una dosis equivalente. Un estudio que comparó la mamografía por conteo de fotones con el promedio estatal del programa de detección mamográfica de Renania del Norte-Westfalia en Alemania informó una mejora leve en el rendimiento diagnóstico con una dosis que era el 40% de la de las tecnologías convencionales. [2]

La mejora de la eficiencia de la dosis en la mamografía de conteo de fotones en comparación con las tecnologías convencionales se debe principalmente a:

Ponderación energética

Aunque la ponderación igual de los fotones, intrínseca a los detectores de conteo de fotones, mejora la eficiencia de la dosis en comparación con los detectores de integración de energía, una ponderación más alta de los fotones de baja energía es generalmente óptima porque el contraste de rayos X cae con el aumento de la energía del fotón cuando el efecto fotoeléctrico domina y se aleja de cualquier borde de absorción, lo que es válido para la mamografía sin agentes de contraste . Los detectores de conteo de fotones permiten medir la energía de los fotones incidentes y, por lo tanto, permiten una ponderación óptima para un caso de imagen determinado. Esta técnica, generalmente conocida como ponderación de energía, fue iniciada para aplicaciones de mamografía por Cahn et al. [9] En el límite de la resolución de energía infinita, la ponderación de energía da como resultado una mejora de CNR de aproximadamente el 10% en comparación con la ponderación igual de fotones, [9] mientras que los estudios con resolución de energía realista informan mejoras de CNR de un pequeño porcentaje. [11] Los primeros resultados en la aplicación clínica fueron informados por Berglund et al. que fue capaz de mejorar el CNR de las imágenes clínicas en un 2,2-5,2%, lo que se traduce en una reducción potencial de la dosis a un CNR constante en el rango de 4,5%-11%. [12]

Descomposición de materiales e imágenes de borde K

Los detectores de conteo de fotones pueden medir el espectro de energía de los fotones incidentes, una técnica ampliamente conocida como imágenes espectrales . La información espectral se puede utilizar para extraer información cuantitativa sobre la composición del objeto porque los dos efectos de interacción de rayos X dominantes en energías mamográficas, el efecto fotoeléctrico y la dispersión Compton, tienen diferentes dependencias de energía y material. La denominada descomposición del material se ha investigado para medir la densidad mamaria , [13] mejorar la visibilidad de las lesiones, [11] caracterizar las lesiones, [14] y medir la atenuación de los componentes mamarios. [15] [16]

Los agentes de contraste de alto número atómico agregan dependencias energéticas adicionales al objeto y se pueden separar del tejido blando, lo que a menudo se conoce como imágenes de borde K. En la mamografía de conteo de fotones, las imágenes mejoradas con contraste se han centrado en las imágenes con yodo. [17] [18]

Tomosíntesis

La tomosíntesis de mama por conteo de fotones se ha desarrollado hasta un estado de prototipo. [19] [20] [21] La tomosíntesis se basa en una serie de proyecciones de baja dosis, lo que hace que la influencia del ruido electrónico sea mayor que para la mamografía convencional, y los detectores de conteo de fotones con rechazo de ruido electrónico son, por lo tanto, beneficiosos con mejoras potencialmente mayores en la eficiencia de la dosis que para la mamografía convencional. Además, se espera que la técnica de escaneo de hendidura proporcione un beneficio adicional porque el rechazo de dispersión basado en rejillas antidispersión convencionales es difícil de implementar en una variedad de ángulos de proyección. Sin embargo, la tomosíntesis de escaneo de hendidura requiere modificaciones más grandes de los sistemas existentes, y la técnica hasta ahora no se ha aplicado en un uso clínico generalizado. Las aplicaciones de imágenes espectrales que se han investigado para la tomosíntesis por conteo de fotones incluyen la medición de la densidad mamaria , [22] la caracterización de lesiones, [23] y la obtención de imágenes de borde K con yodo. [24] [25] [26]

Imágenes de contraste de fase

La geometría de escaneo por rendija de algunas implementaciones de mamografía de conteo de fotones ofrece ventajas para la implementación de imágenes de contraste de fase basadas en rejilla . [27] Se han realizado estudios de fantasmas [28] e imágenes preclínicas [29] con esta técnica y se han informado resultados iniciales prometedores. La resolución espectral de los detectores de conteo de fotones se puede utilizar potencialmente para reducir los requisitos de coherencia de las configuraciones de imágenes de contraste de fase. [30]

Referencias

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