デュアルソース光子カウント検出器（PCD）CTでのマルチコントラストイメージングの実現可能性：初期ファントム研究

目的：光子カウント検出器互換断層撮影（PCD-CT）により、ヨウ素（I）、ガドリニウム（GD）、ビスマス（BI）などの複数の同時に画像化された造影剤を分離できます。ただし、PCDは、電荷共有、Kエッジエスケープ、パルスパイルアップなど、いくつかの技術的な制限に悩まされており、マルチエネルギーデータのスペクトル分離を妥協し、マルチコントラストイメージングパフォーマンスを低下させます。この作業の目的は、同時に画像化されたI、GD、およびBIコントラスト剤の分離のためのシングルソース（SS）PCD-CTと比較して、デュアルソース（DS）PCD-CTのパフォーマンスを決定することでした。 方法：ファントム実験は、さまざまなI、GD、BI濃度のバイアルを含む全身PCD-CTおよび頭/腹部サイズのファントムの研究を使用して実施されました。DS-PCD-CTをエミュレートするために、ファントムを各スキャンに異なるチューブポテンシャルを使用してSS-PCD-CTで2回スキャンしました。低エネルギーチューブには、80 kV（エネルギー閾値= 25/50 keV）のチューブポテンシャルが使用され、高エネルギーチューブはSN140 kV（SNがスズフィルターを示します）と25/90 keVのしきい値を使用しました。同じファントムが、チェス取得モードを使用してSS-PCD-CTでもスキャンされました。チェスモードでは、マクロ検出器ピクセル内の4×4サブピクセルは、チェスボードパターンに基づいて2つのセットに分割されます。各サブピクセルセットが2つのエネルギーしきい値を持つことで、チェスモードは4つのエネルギービンデータセットを許可し、同時マルチコントラストイメージングを可能にします。この設計により、各検出器ピクセルの50％の面積のみが、事前定義されたしきい値の光子を受信するように構成されており、50％の用量利用効率につながります。この用量の非効率性を補うために、このスキャンの放射線量はDS-PCD-CTと比較して2倍になりました。140 kVのチューブの電位としきい値= 25/50/75/90 KEVが使用されました。これらの設定は、GDおよびBIのKエッジに基づいて決定され、ファントム実験およびその他の文献に基づいてI/GD/BIの良好な分化が得られることがわかりました。各スキャン（スキャンペア）から取得したエネルギービン画像を使用して、材料分解を介してI-、GD-、BI固有の画像を生成しました。既知の濃度と測定された濃度の間の根平均式エラー（RMSE）は、各シナリオについて計算されました。20 cmの水シリンダーファントムを両方のシステムでスキャンしました。これは、ノイズの大きさを評価するために使用され、I/GD/BI固有の画像のノイズパワースペクトル（NPS）が使用されました。 結果：ファントムの結果は、SS-PCD-CTと比較して、頭とボディファントムの両方の材料固有の画像のDS-PCD-CTが材料固有の画像のノイズを減少させることを示しました。SS-PCDのノイズレベルは、DS-PCDを使用して2.55から0.90 mg/ml（I）、1.97〜0.78 mg/ml（GD）、0.85〜0.74 mg/ml（BI）に減少しました。NPS分析により、両方のシステムで取得された画像のノイズテクスチャが類似していることが示されました。ボディファントムの場合、SS-PCD-CTのRMSEは、10.52から2.76 mg/mL（I）、7.90〜2.01 mg/ml（GD）、1.91〜1.16 mg/ml（Bi）にds-pcd-ctに比べて減少しました。ヘッドファントムでも同様の傾向が観察されました：RMSEは2.59（SS-PCD）から0.72（DS-PCD）mg/ml（I）、2.02〜0.58 mg/ml（GD）、および0.85〜0.57 mg/ml（BI）に減少しました。 結論：DS-PCD-CTでI、GD、およびBI材料の同時イメージングを実行する可能性を実証します。交差散乱のない状態では、DS-PCDは、チェスモードを使用したSS-PCD-CTシステムと比較して、材料濃度の定量化のためにRMSEを減少させました。

PURPOSE: Photon-counting-detector-computed tomography (PCD-CT) allows separation of multiple, simultaneously imaged contrast agents, such as iodine (I), gadolinium (Gd), and bismuth (Bi). However, PCDs suffer from several technical limitations such as charge sharing, K-edge escape, and pulse pile-up, which compromise spectral separation of multi-energy data and degrade multi-contrast imaging performance. The purpose of this work was to determine the performance of a dual-source (DS) PCD-CT relative to a single-source (SS) PCD-CT for the separation of simultaneously imaged I, Gd, and Bi contrast agents. METHODS: Phantom experiments were performed using a research whole-body PCD-CT and head/abdomen-sized phantoms containing vials of different I, Gd, Bi concentrations. To emulate a DS-PCD-CT, the phantoms were scanned twice on the SS-PCD-CT using different tube potentials for each scan. A tube potential of 80 kV (energy thresholds = 25/50 keV) was used for low-energy tube, while the high-energy tube used Sn140 kV (Sn indicates tin filter) and thresholds of 25/90 keV. The same phantoms were scanned also on the SS-PCD-CT using the chess acquisition mode. In chess mode, the 4 × 4 subpixels within a macro detector pixel are split into two sets based on a chess-board pattern. With each subpixel set having two energy thresholds, chess mode allows four energy-bin data sets, which permits simultaneous multi-contrast imaging. Because of this design, only 50% area of each detector pixel is configured to receive photons of a pre-defined threshold, leading to 50% dose utilization efficiency. To compensate for this dose inefficiency, the radiation dose for this scan was doubled compared to DS-PCD-CT. A 140 kV tube potential and thresholds = 25/50/75/90 keV were used. These settings were determined based on the K-edges of Gd, and Bi, and were found to yield good differentiation of I/Gd/Bi based on phantom experiments and other literature. The energy-bin images obtained from each scan (scan pair) were used to generate I-, Gd-, Bi-specific image via material decomposition. Root-mean-square-error (RMSE) between the known and measured concentrations was calculated for each scenario. A 20-cm water cylinder phantom was scanned on both systems, which was used for evaluating the magnitude of noise, and noise power spectra (NPS) of I/Gd/Bi-specific images. RESULTS: Phantom results showed that DS-PCD-CT reduced noise in material-specific images for both head and body phantoms compared to SS-PCD-CT. The noise level of SS-PCD was reduced from 2.55 to 0.90 mg/mL (I), 1.97 to 0.78 mg/mL (Gd), and 0.85 to 0.74 mg/mL (Bi) using DS-PCD. NPS analysis showed that the noise texture of images acquired on both systems is similar. For the body phantom, the RMSE for SS-PCD-CT was reduced relative to DS-PCD-CT from 10.52 to 2.76 mg/mL (I), 7.90 to 2.01 mg/mL (Gd), and 1.91 to 1.16 mg/mL (Bi). A similar trend was observed for the head phantom: RMSE reduced from 2.59 (SS-PCD) to 0.72 (DS-PCD) mg/mL (I), 2.02 to 0.58 mg/mL (Gd), and 0.85 to 0.57 mg/mL (Bi). CONCLUSION: We demonstrate the feasibility of performing simultaneous imaging of I, Gd, and Bi materials on DS-PCD-CT. Under the condition without cross scattering, DS-PCD reduced the RMSE for quantification of material concentration in relative to a SS-PCD-CT system using chess mode.