Сотрудники Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ в коллаборации с учеными Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова разработали алгоритм для качественного и количественного анализа материала по К-краю поглощения для энергочувствительной компьютерной томографии.

При прохождении рентгеновского излучения сквозь объект различные материалы внутри объекта ослабляют это излучение в зависимости от их атомной структуры, плотности и от самой энергии излучения. Эти различия в ослаблении индивидуальны для каждого материала. В частности, для каждого химического элемента характерен К-край — резкое увеличение поглощения рентгеновских лучей, возникающее, когда энергия фотонов превышает энергию связи внутренней электронной оболочки атома.

Экспериментальный микротомограф

Использование детекторов счета фотонов в рентгеновской компьютерной томографии позволяет получить спектральную информацию, что делает возможным обнаружение и классификацию контрастных агентов (КА) на основе элементов с относительно высокими атомными номерами и открывает широкие перспективы для диагностики и доклинических исследований.

Критерий для распознавания КА и определения его концентрации с использованием K-края поглощения был получен в ходе исследований спектральных характеристик этих веществ. Рассматриваются варианты, когда в исследовании одновременно используется больше двух КА в широком диапазоне концентраций. Эксперимент проводился с использованием лабораторной системы микротомографа на базе детекторов Medipix3RX. В критерии используется пять энергетических порогов для определения одного вещества. В качестве КА были использованы различные лантаноиды (от La до Yb).

Разработанный учеными МГУ и ОИЯИ алгоритм способен идентифицировать и количественно оценивать искомый контрастный агент в широком диапазоне концентраций в объекте неизвестного состава, даже если в объекте содержатся другие контрастные агенты с близко расположенными K-краями.

Результаты применения разработанного алгоритма для количественного анализа КA подтвердили, что он сопоставим и даже превосходит критерии, описанные в опубликованной ранее литературе. По 3D-реконструкциям благодаря критерию были распознаны лантаноиды в концентрациях от 5 мг/мл, с линейной корреляцией между экспериментальными и расчетными концентрациями для всего оцениваемого диапазона. Это соответствует характеристикам других методов, опубликованных иными научными группами. По 2D-изображениям был достигнут нижний порог обнаружения – ниже 1 мг/мл, хотя линейность критерия при таких низких концентрациях еще нуждается в подтверждении.

Функциональность алгоритма также была протестирована на контрастных агентах в виде наночастиц на основе лантаноид-графеновых композитов и опубликовано в предыдущих совместных работах научного коллектива МГУ – ЛЯП ОИЯИ. Результаты его применения были аналогичны тем, что опубликованы в данной работе, и указывают на его способность идентифицировать конкретный КA независимо от его состава, растворителей или окружающей среды.

Новый критерий для выделения контрастного вещества и определения его концентрации с использованием K-края поглощения является перспективным благодаря своей точности и универсальности и может быть рассмотрен для практического применения в различных областях, требующих разложения материалов с использованием детекторов единичного счета фотонов.

Статья «Novel Algorithm for Qualitative and Quantitative Material Analysis by the K-Edges for Photon-Counting Computed Tomography» была опубликована в журнале Journal of Instrumentation в апреле 2024 года. Авторы: Ростислав Сотенский, Владислав Рожков, Денис Шашурин, Евгения Суслова, Георгий Шелков. Работа выполнялась в рамках проекта МГУ – ОИЯИ «Визуализация и количественный анализ высокомолекулярных биополимеров in vivo методом энергочувствительной КТ с использованием нанокомпозитных контрастирующих агентов» (профинансирован грантом РНФ 22-15-00072).