التصوير المقطعي المحوسب بعدّ الفوتونات

عندما يتفاعل فوتون في كاشف الفوتونات الضوئية (PCD)، تتناسب سعة النبضة الكهربائية الناتجة تقريبًا مع طاقة الفوتون. وبمقارنة كل نبضة مُنتجة في بكسل بعتبة طاقة منخفضة مناسبة، يمكن ترشيح مساهمات الأحداث منخفضة الطاقة (الناتجة عن تفاعلات الفوتونات والضوضاء الإلكترونية ). وهذا يُزيل فعليًا مساهمات الضوضاء الإلكترونية على حساب استبعاد الفوتونات ذات الطاقة المُقاربة لمستوى الضوضاء (وهي قليلة الفائدة لأنها لا يمكن تمييزها عن عدّات الضوضاء). أما في كاشف الفوتونات الإلكتروني (EID)، فإن مساهمات الفوتونات الفردية غير معروفة. لذلك، لا يمكن تطبيق عتبة طاقة، مما يجعل هذه التقنية عُرضة للضوضاء وعوامل أخرى قد تؤثر على خطية العلاقة بين الجهد وشدة الأشعة السينية. ^{[ 10 ]}

يُتيح التخلص من التشويش الإلكتروني لتقنية عد الفوتونات (PCDs) ميزتين مقارنةً بتقنية الكشف الإلكتروني (EIDs). أولًا، يُتوقع الحصول على نسب إشارة إلى تشويش وتباين إلى تشويش أعلى عند استخدام تقنية عد الفوتونات مقارنةً بتقنية الكشف الإلكتروني. يُمكن استغلال هذه الميزة إما لتحسين جودة الصورة عند نفس مستوى التعرض للأشعة السينية، أو لتقليل جرعة الأشعة السينية للمريض مع الحفاظ على نفس جودة الصورة. ثانيًا، يصعب تصنيع كواشف تكامل الطاقة بحجم بكسل أصغر من 1×1  مم² تقريبًا دون التأثير سلبًا على كفاءة الجرعة. والسبب في ^ذلك هو ضرورة وضع طبقات عاكسة في المادة الوميضية بين البكسلات لمنع التداخل بينها، ولا يُمكن تصنيع هذه الطبقات رقيقة جدًا. إضافةً إلى ذلك، تتناسب الإشارة المقاسة طرديًا مع مساحة البكسل، بينما لا يتأثر التشويش الإلكتروني بحجم البكسل، لذا سيطغى التشويش على الإشارة المقاسة إذا كانت البكسلات صغيرة جدًا. لا تحدث هذه المشاكل في كاشف عد الفوتونات ذي عتبة الطاقة المنخفضة، والذي يُمكنه بالتالي تحقيق دقة أعلى.

بإضافة عتبات طاقة أعلى من عتبة الطاقة المنخفضة، يمكن تقسيم عداد الفوتونات (PCD) إلى عدة نطاقات طاقة منفصلة. وبذلك، يُخصص لكل فوتون مسجل نطاق طاقة محدد بناءً على طاقته، بحيث يقيس كل بكسل رسمًا بيانيًا لطيف الأشعة السينية الساقطة. توفر هذه المعلومات الطيفية مزايا عديدة مقارنةً بالطاقة المترسبة المتكاملة في كاشف الأشعة السينية الإلكتروني (EID). ^{[ 2 ]} أولًا، تُتيح تحديد التركيب المادي لكل بكسل في صورة الأشعة المقطعية المُعاد بناؤها كميًا، بدلًا من معامل التوهين الخطي المتوسط ​​المُقدَّر في فحص الأشعة المقطعية التقليدي. وقد تبيّن أن هذا التحليل القائم على أساس المواد، باستخدام نطاقي طاقة على الأقل، يُمكنه أن يُغطي جميع العناصر الموجودة في الجسم بشكل كافٍ، ويزيد من التباين بين أنواع الأنسجة. ^{[ 11 ]} علاوة على ذلك، يُمكن استخدام المعلومات الطيفية لإزالة تشوهات تصلب الحزمة . تنشأ هذه التشوهات بسبب ارتفاع التوهين الخطي لمعظم المواد عند الطاقة المنخفضة، مما يُؤدي إلى انزياح متوسط ​​طاقة طيف الأشعة السينية نحو طاقات أعلى أثناء مرور الحزمة عبر الجسم. بمقارنة نسب العدّ في نطاقات الطاقة المختلفة مع نسب العدّ في الحزمة المخففة، يمكن حساب مقدار تصلب الحزمة (صراحةً أو ضمنًا في إعادة البناء) باستخدام عداد الفوتونات. وأخيرًا، يسمح استخدام أكثر من نطاقين للطاقة بالتمييز بين العظام الكثيفة والتكلسات من جهة، والعناصر الأثقل ( كاليود أو الغادولينيوم ) المستخدمة كعوامل تباين من جهة أخرى. وهذا من شأنه أن يقلل جرعة الأشعة السينية من فحص التباين، إذ يُغني عن الحاجة إلى فحص مرجعي قبل حقن عامل التباين. مع أن التصوير المقطعي الطيفي متوفر سريريًا بالفعل في شكل ماسحات ضوئية ثنائية الطاقة، إلا أن التصوير المقطعي بعدّ الفوتونات يوفر عددًا من المزايا. إذ يمكن لعداد الفوتونات تطبيق أكثر من عتبتين للطاقة بدرجة فصل أعلى مما هو ممكن في التصوير المقطعي ثنائي الطاقة. ويترجم هذا التحسن في دقة الطاقة إلى نسبة تباين إلى ضوضاء أعلى في الصورة، لا سيما في الصور المحسّنة بالتباين والصور الانتقائية للمواد. كما يمكن إثبات أن ثلاث طاقات على الأقل ضرورية لتحليل كل من الأنسجة ووسيط التباين في آن واحد. ^{[ 12 ]} كما أن استخدام نطاقات طاقة إضافية يسمح بالتمييز بين وسائط التباين المختلفة في الوقت نفسه. ^{[ 13 ]}

على الرغم من الأبحاث المشجعة، إلا أن هناك العديد من التحديات التي حالت دون دمج عدادات الفوتونات الضوئية (PCDs) في أنظمة التصوير المقطعي المحوسب (CT) حتى وقت قريب. وتتعلق العديد من هذه التحديات بمتطلبات مواد الكاشف والإلكترونيات الناتجة عن أحجام البيانات الكبيرة ومعدلات العد العالية. فعلى سبيل المثال، قد يستقبل كل مليمتر ^مربع من كاشف التصوير المقطعي المحوسب مئات الملايين من تفاعلات الفوتونات في الثانية الواحدة أثناء عملية المسح. ^{[ 4 ]}

لتجنب التشبع في المناطق التي تقل فيها كمية المادة بين مصدر الأشعة السينية والكاشف، يجب أن يكون زمن فصل النبضة قصيرًا مقارنةً بمتوسط ​​الزمن بين تفاعلات الفوتونات في البكسل. حتى قبل التشبع، تبدأ وظائف الكاشف بالتدهور بسبب تراكم النبضات (انظر الشكل إلى اليسار)، حيث يحدث تفاعلان (أو أكثر) للفوتونات في نفس البكسل بفارق زمني كبير جدًا بحيث لا يمكن فصلهما كأحداث منفصلة. تؤدي هذه التفاعلات شبه المتزامنة إلى فقدان عدد الفوتونات وتشويه شكل النبضة، مما يؤدي إلى تحريف طيف الطاقة المسجل . ^{[ 2 ]} نتيجةً لهذه التأثيرات، تزداد متطلبات زمن الاستجابة الفيزيائية لمادة الكاشف، وكذلك متطلبات الإلكترونيات المسؤولة عن تشكيل النبضة وتجميعها وتسجيل بيانات البكسل، بشكل كبير. استخدام بكسلات أصغر في الصورة يقلل من معدل العد لكل بكسل، وبالتالي يخفف من متطلبات زمن فصل النبضة، على حساب الحاجة إلى المزيد من الإلكترونيات.

يُشكّل الترسيب الجزئي للطاقة وظهور إشارات من فوتونات منفردة في عدة بكسلات تحديًا آخر في التصوير المقطعي المحوسب باستخدام عدّ الفوتونات. ^{[ 2 ]} يُعدّ تقاسم الشحنة، حيث يحدث تفاعل بالقرب من حدود البكسل، مما يؤدي إلى مشاركة الطاقة المنبعثة بين البكسلات المجاورة وتفسيرها على أنها عدة فوتونات ذات طاقة منخفضة، أحد أسباب هذه الظاهرة (انظر الشكل على اليمين). تشمل الأسباب الأخرى انبعاث أشعة إكس K-escape وتشتت كومبتون ، حيث يؤدي الفوتون الهارب أو المتشتت إلى ترسيب جزئي للطاقة في البكسل الأساسي، وقد يتسبب في مزيد من التفاعلات في بكسلات أخرى. تحدث هذه التأثيرات أيضًا في أجهزة الكشف عن الطاقة الإلكترونية (EIDs)، لكنها تُسبب مشاكل إضافية في أجهزة الكشف عن الفوتونات (PCDs) نظرًا لأنها تُؤدي إلى تشوّه طيف الطاقة. على عكس تأثيرات التشبع والتراكم، تتفاقم المشاكل الناجمة عن الترسيب الجزئي للطاقة وتفاعل الفوتونات المتعددة مع صغر حجم البكسل. يمكن استخدام منطق مكافحة التزامن، حيث يتم جمع الأحداث المتزامنة في وحدات البكسل القريبة، لمواجهة عد نفس الفوتون في وحدات البكسل المختلفة إلى حد ما.

يتمثل التحدي الأساسي لإعادة بناء الصور المقطعية في المشكلة العكسية المتمثلة في إعادة بناء المعلومات المقطعية ثلاثية الأبعاد لحجم ما باستخدام إسقاطات ثنائية الأبعاد من زوايا مختلفة. ويمكن استخدام نفس الأساليب الأساسية المستخدمة تقليديًا لإعادة بناء الصور المقطعية دون تغيير على البيانات المُكتسبة من أجهزة الكشف عن الفوتونات. ^{[ 2 ]} ولا تتغير المناهج الهندسية والفيزيائية والرياضية الأساسية لإعادة البناء التقليدية مع طريقة الكشف الجديدة هذه. ولعلّ الطريقة الأساسية لإعادة بناء صور الأشعة المقطعية هي الإسقاط الخلفي المُصفّى. وتبقى العمليات الأكثر تعمقًا والاختيار الواسع لطرق إعادة البناء التكرارية قابلة للتطبيق تمامًا. وتتوفر العديد من المراجع حول إعادة بناء صور الأشعة المقطعية للقراء المهتمين. ^{[ 14 ]}

يُتيح الوصول إلى نطاقات طاقة متعددة إمكانيات جديدة لإعادة بناء صورة مقطعية محوسبة من الإسقاطات المُكتسبة. وأبسط هذه الإمكانيات هو معالجة كل نطاق من نطاقات الطاقة N على حدة، واستخدام طريقة إعادة بناء مقطعية محوسبة تقليدية لإعادة بناء N صورة مختلفة. ^{[ 15 ]}

كخطوة تالية لإعادة بناء متعددة الطاقة، يُمكن تحديد مكونات المادة في موقع فوكسل مُحدد من خلال مقارنة و/أو دمج شدة الصور N في هذا الموقع. ويتم ذلك عادةً بكتابة كل بكسل كمزيج خطي من M مادة أساسية ذات خصائص معروفة، مثل الماء والكالسيوم وعامل تباين مثل اليود. تُعرف هذه الطريقة بتحليل المواد القائم على الصورة. على الرغم من سهولة فهمها، إلا أن هذا النهج القائم على البكسل يعتمد بشكل كبير على دقة الطيف (أو معايرة الطيف) لبكسلات الكاشف الفردية عبر العتبات، ولا يُزيل أيًا من التشوهات الشائعة في الصورة.

خيار آخر هو إجراء تحليل المواد الأساسية مباشرةً على بيانات الإسقاط، قبل إعادة البناء. باستخدام تحليل المواد القائم على الإسقاط، يُعبَّر عن تركيب المواد الذي تقيسه بكسلات الكاشف لإسقاط معين كمزيج خطي من M مادة أساسية (مثل الأنسجة الرخوة والعظام وعامل التباين). يُحدد هذا المزيج من مخطط توزيع الطاقة المسجل ، على سبيل المثال من خلال تقدير الاحتمالية القصوى. ^{[ 12 ]} ثم تُجرى عملية إعادة البناء بشكل منفصل لكل مادة أساسية، مما ينتج عنه M صورة أساسية مُعاد بناؤها.

ثمة خيار ثالث يتمثل في استخدام إعادة بناء أحادية الخطوة، حيث يتم تحليل أساس المادة بالتزامن مع إعادة بناء الصورة. إلا أن هذا النهج لا يتوافق مع خوارزميات إعادة البناء المستخدمة في أنظمة التصوير المقطعي المحوسب السريرية الحالية. لذا، يلزم استخدام خوارزميات تكرارية جديدة خاصة بالتصوير المقطعي المحوسب القائم على عد الفوتونات.

وقد قدمت الأبحاث في مجال التعلم العميق أيضًا إمكانيات إجراء تحليل المواد باستخدام الشبكات العصبية الالتفافية . ^{[ 16 ]}