微分位相コントラストCTにおけるイメージングパフォーマンスの特性化と比較したCT：ノイズ等価量子NEQ（k）のスペクトル

目的：微分位相コントラストCT（DPC-CT）は、従来の減衰ベースのCTのコントラスト感度を改善するための新しい技術として浮上しています。空間周波数の関数としてのノイズ等価量子、つまりノイズ等価量子NEQ（k）のスペクトルは、イメージングシステムの信号およびノイズ伝達特性の決定的な指標です。この作業では、DPC-CTのNEQ（k）の機能形式を導き出します。システムモデリング、分析、およびコンピューターシミュレーションを介して、導出されたNEQ（k）を評価および検証し、従来の減衰ベースのCTのそれと比較します。 方法：DPC-CTは、X線チューブと格子を使用して実装されています。X線の伝播とデータ収集は、フレネルとフーリエ分析を通じてモデル化およびシミュレートされます。単色X線源（30 keV）は、散布およびビーム硬化によって引き起こされるシステムの欠陥と干渉を除外すると想定されていますが、360°のフルスキャンは、ノイズランダム性を破壊する可能性のある重み制度を回避するためにデータ収集で実行されます。適切なアップサンプリングが実装され、X線ビームの伝播をそれぞれ周期8および4μmで格付けG（1）とG（2）を介してシミュレートしますが、干渉距離は193.6 mm（タルボット距離の1〜16）です。データ収集用の検出器セルの寸法は、それぞれ32×32、64×64、96×96、および128×128μm（2）であり、データ収集における40.96×40.96 mm（2）の視野に対応しています。エアファントムが使用され、ノイズパワースペクトルNP（k）、ノイズ等価量子NEQ（k）のスペクトル、および探偵量子効率DQE（k）を取得します。直径5.1 mmの円筒形の水ファントムと複雑な屈折係数n = 1-Δ +Iβ= 1 -2.5604×10（-7） + I1.2353×10（-10）は、エッジ伝達関数を測定するために空気に配置されます。DPC-CTと従来の減衰ベースのCTの両方のラインスプレッド関数、および変調伝達関数MTF（k）。X線フラックスは、投影ごとに5×10（6）光子cm（2）に設定され、ポアソン分布を観察します。これは、前臨床アプリケーションのマイクロCTのものと一致しています。それぞれ128×128マトリックスの約360領域を使用して、2Dフーリエ変換を介してNP（k）を計算するために使用されます。この領域では、ノイズでのエイリアシングを避けるために適切なゼロパディングが実行されます。 結果：予備データは、DPC-CTが従来の減衰ベースのCTに匹敵する信号転送特性[MTF（k）]を持っていることを示しています。一方、ノイズパワースペクトルNP（k）に根本的な違いが存在しますが（dpc-ctの特性1 ∕ | k |が従来の減衰ベースのCTで| k |）neq（k）とdqe（k）DPC-CTおよび従来の減衰ベースのCTの原則として同一です。 結論：理想的なオブザーバー研究の枠組みの下で、DPC-CTの関節信号と騒音伝達特性NEQ（k）および探偵量子効率DQE（k）は、従来の減衰ベースのCTのそれと本質的に同じです。この論文で報告されている調査結果は、将来の広範な前臨床および臨床アプリケーションのDPC-CTの研究、開発、パフォーマンスの最適化に関する洞察に富んだガイドラインを提供する可能性があります。

PURPOSE: Differential phase contrast CT (DPC-CT) is emerging as a new technology to improve the contrast sensitivity of conventional attenuation-based CT. The noise equivalent quanta as a function over spatial frequency, i.e., the spectrum of noise equivalent quanta NEQ(k), is a decisive indicator of the signal and noise transfer properties of an imaging system. In this work, we derive the functional form of NEQ(k) in DPC-CT. Via system modeling, analysis, and computer simulation, we evaluate and verify the derived NEQ(k) and compare it with that of the conventional attenuation-based CT. METHODS: The DPC-CT is implemented with x-ray tube and gratings. The x-ray propagation and data acquisition are modeled and simulated through Fresnel and Fourier analysis. A monochromatic x-ray source (30 keV) is assumed to exclude any system imperfection and interference caused by scatter and beam hardening, while a 360° full scan is carried out in data acquisition to avoid any weighting scheme that may disrupt noise randomness. Adequate upsampling is implemented to simulate the x-ray beam's propagation through the gratings G(1) and G(2) with periods 8 and 4 μm, respectively, while the intergrating distance is 193.6 mm (1∕16 of the Talbot distance). The dimensions of the detector cell for data acquisition are 32 × 32, 64 × 64, 96 × 96, and 128 × 128 μm(2), respectively, corresponding to a 40.96 × 40.96 mm(2) field of view in data acquisition. An air phantom is employed to obtain the noise power spectrum NPS(k), spectrum of noise equivalent quanta NEQ(k), and detective quantum efficiency DQE(k). A cylindrical water phantom at 5.1 mm diameter and complex refraction coefficient n = 1 - δ + iβ = 1 -2.5604 × 10(-7) + i1.2353 × 10(-10) is placed in air to measure the edge transfer function, line spread function and then modulation transfer function MTF(k), of both DPC-CT and the conventional attenuation-based CT. The x-ray flux is set at 5 × 10(6) photon∕cm(2) per projection and observes the Poisson distribution, which is consistent with that of a micro-CT for preclinical applications. Approximately 360 regions, each at 128 × 128 matrix, are used to calculate the NPS(k) via 2D Fourier transform, in which adequate zero padding is carried out to avoid aliasing in noise. RESULTS: The preliminary data show that the DPC-CT possesses a signal transfer property [MTF(k)] comparable to that of the conventional attenuation-based CT. Meanwhile, though there exists a radical difference in their noise power spectrum NPS(k) (trait 1∕|k| in DPC-CT but |k| in the conventional attenuation-based CT) the NEQ(k) and DQE(k) of DPC-CT and the conventional attenuation-based CT are in principle identical. CONCLUSIONS: Under the framework of ideal observer study, the joint signal and noise transfer property NEQ(k) and detective quantum efficiency DQE(k) of DPC-CT are essentially the same as those of the conventional attenuation-based CT. The findings reported in this paper may provide insightful guidelines on the research, development, and performance optimization of DPC-CT for extensive preclinical and clinical applications in the future.