Компьютерная томография (КТ) уже давно является краеугольным камнем современной визуализации, предоставляя детальные 3D-изображения человеческого тела и других материалов. Однако традиционная КТ требует сотен рентгеновских проекций с разных углов, подвергая пациентов значительным дозам облучения и полагаясь на большие неподвижные системы.

Для решения этой проблемы исследователи с кафедр радиологических наук и биомедицинской инженерии Калифорнийского университета в Ирвайне недавно опубликовали исследование в журнале Science Advances , в котором они представили технологию, позволяющую получать трехмерные изображения с помощью одной рентгеновской проекции, называемую рентгеновской акустической компьютерной томографией (XACT).

Новая парадигма в визуализации
«В XACT генерируемые рентгеновскими лучами звуковые волны изменяют принцип работы рентгеновской визуализации, преобразуя рентгеновские лучи в ультразвук. Рентгеновские лучи обычно распространяются по прямым линиям, поэтому одна проекция обеспечивает только двухмерную информацию. Однако акустические сигналы, вызванные рентгеновскими лучами, распространяются в трех измерениях, что позволяет получать трехмерные изображения с помощью одной проекции», — сказал Шон Сян, доктор философии, автор-корреспондент исследования и доцент кафедр радиологических наук и биомедицинской инженерии Калифорнийского университета в Ирвайне.

XACT использует взаимодействие рентгеновских лучей и ткани для создания акустических волн, которые распространяются со скоростью 1500 метров в секунду. Эти волны улавливаются ультразвуковыми детекторами, что позволяет получать трехмерные изображения в реальном времени без необходимости механического сканирования или сложных систем гентри.

«Впервые мы доказали, что 3D-изображение можно получить с помощью одной рентгеновской проекции на основе акустического обнаружения, вызванного рентгеновским излучением, как в фантомах, так и в биологической ткани», — сказал Сыци Ван, доктор философии, первый автор исследования. Ван закончил докторскую диссертацию в Калифорнийском университете в Ирвайне в лаборатории Сяна и сейчас является научным сотрудником-постдоком в Стэнфордском университете.

«Новаторским открытием здесь является то, что можно создавать 3D-рентгеновские изображения с помощью всего одной проекции, для чего обычно требуется 600 проекций или более», — говорит Вахид Ягмай, доктор медицины, магистр наук, специалист по рентгенологии, рентгенолог Калифорнийского университета в Ирвайне и заведующий кафедрой радиологических наук Калифорнийского университета в Ирвайне, который не принимал непосредственного участия в исследовании.

Графика выше иллюстрирует, как выглядит 3D-визуализация с помощью XACT с примерами логотипа UC слева и образца кости справа. Кредит: адаптировано из Science Advances (2024). DOI: 10.1126/sciadv.ads1584

Преимущества по сравнению с традиционной КТ
Одним из наиболее существенных преимуществ XACT является его эффективность и сниженное воздействие радиации. Это делает XACT более безопасной и доступной альтернативой, особенно для таких приложений, как рутинная диагностика и скрининг рака груди. Кроме того, благодаря портативным источникам рентгеновского излучения и ультразвуковым детекторам, системы XACT обещают компактные конструкции без гентри, что позволяет получать изображения в условиях, ранее недоступных для традиционных систем КТ.

Хотя потенциал XACT огромен, текущие ограничения включают ограничения разрешения, связанные с частотой и размером ультразвуковых детекторов. Будущие усовершенствования, такие как более высокочастотные преобразователи и усовершенствованные алгоритмы реконструкции, работающие на основе глубокого обучения, могут еще больше повысить его производительность.

Переосмысление визуализации в различных областях
Возможность получения 3D-изображений из одной рентгеновской проекции позиционирует XACT как преобразующий инструмент не только для медицинской диагностики, но и для неразрушающего контроля в инженерии и материаловедении. Его инновационный подход устраняет необходимость в ротационном доступе, открывая новые возможности для визуализации в ограниченных условиях.

XACT также представляет собой скачок вперед в технологии визуализации, сочетающий в себе сниженное воздействие радиации, компактную конструкцию системы и беспрецедентную эффективность. Поскольку эта технология продолжает развиваться, она имеет потенциал переопределить медицинскую и промышленную визуализацию, приближая нас к будущему, в котором 3D-визуализация с высоким разрешением и низкой дозой облучения станет нормой в здравоохранении и за его пределами.