الأشعة السينية من خلال خفض الجرعة التعرض التكيفية في التصوير جهاز أشعة

توضح هذه التجربة كيفية استخدام نظام الأشعة السينية الرقمية ذات الحزمة الماسحة لتقليل الجرعة عن طريق تكييف التعرض محلياً وفقاً لعتامة الجسم، بدلاً من تعريضه بشكل موحد كما هو متبع تقليدياً. تتمثل الخطوة الأولى في الحصول على صورة مرجعية من المسح الأول وتحديد معايير نظام خوارزمية التعرض التكيفي. يقوم الكمبيوتر بعد ذلك بإخراج خريطة مسح جديدة بمتطلبات جرعة أقل، يتم تحميلها في النظام، بحيث يمكن الحصول على صورة متوازنة.

تُظهر قياسات حاصل ضرب الجرعة في المساحة أن التعريض التكيفي يؤدي إلى توفير في الجرعة بنسبة تتراوح حول 30%. نحن نعمل على تطوير نظام تصوير يسمى الأشعة السينية الرقمية ذات الشعاع الماسح أو نظام SPDX الذي يتيح إجراء تنظير تألقي بالأشعة السينية ذو هندسة عكسية. الفرق الرئيسي بين نظام التصوير التقليدي ونظام التصوير ذو الهندسة العكسية هو أننا لا نستخدم أنبوب أشعة سينية بنقطة بؤرية واحدة يسقط على كاشف ذي مجال رؤية واسع. يتكون مصدر الأشعة السينية لدينا من آلاف النقاط البؤرية، حيث يتم تغطية كل منها بكاشف صغير لعدّ الفوتونات للحصول على إطار تصوير واحد.

نقوم بالتقاط آلاف الصور من الكاشف، حيث تعرض كل صورة جزءاً صغيراً فقط من عكس الجسم. ويؤدي التصوير الهندسي إلى تقليل التشتت في الصور بشكل كبير، مما يسمح لنا بالتقاط هذه الصور بجرعة أقل بكثير.

ويعد هذا مفيداً بشكل خاص للمرضى الأكبر حجماً، حيث يتناسب التشتت طردياً مع حجم المريض. أما في المرضى من الأطفال، فإن توفير الجرعة الناتج عن تقليل التشتت يكون أقل بكثير. ومع ذلك، تسمح الهندسة العكسية بتنفيذ استراتيجيات توفير الجرعة التي تفيد المرضى من الأطفال أيضاً.

تتيح الهندسة العكسية تقنية نطلق عليها اسم التعريض التكيفي. وبما أننا نقوم باكتساب آلاف الصور من الكاشف، يمكننا تكييف التعريض في الوقت الفعلي، بناءً على كثافة المنطقة المعرضة، بحيث يمكننا تقليل التعريض في المناطق الشفافة إشعاعياً والحفاظ على التعريض في المناطق الأكثر عتامة. وبذلك، يمكننا تحقيق جودة صورة موحدة في الصورة الإجمالية وتقليل الجرعة في المناطق التي تتعرض لتعريض مفرط في الأنظمة التقليدية.

لمراقبة جرعة الإشعاع، يتم وضع مقياس ناتج مساحة الجرعة أمام الموازى (collimator). وعادةً ما يتم وضع المريض أو الشبح (phantom) على مسافة قريبة نسبياً من الموازى، بحيث يكون مركز حجم التصوير على بُعد حوالي 40 centimeters من الموازى. بعد ذلك، يتم اختيار وضع تشغيل النظام.

تتمثل الإعدادات النموذجية في مجال رؤية يبلغ سبع بوصات ومعدل إطارات يبلغ 15 إطارًا في الثانية. ويُضبط جهد الذروة لمصدر الأشعة السينية على 80 peak kilovolts وقدرة المصدر على 17 kilowatts. ثم يتم تشغيل نظام SBDX وبدء عملية الحصول على الصور.

أثناء عملية الحصول على الصورة، يتم مسح حزمة إلكترونية تسلسلياً على كل موضع بؤري بطريقة المسح النقطي (raster). وفي كل موضع بؤري، تصطدم الحزمة الإلكترونية بالهدف الناقل وتولد الأشعة السينية. تمر فوتونات الأشعة السينية الناتجة عبر موازٍ تركيزي (focusing collimator) لتضيء الكاشف.

وبالتالي، يتم إسقاط جزء صغير فقط من حجم التصوير. وأثناء الإضاءة، يلتقط الكاشف صورة الكاشف، والتي تُخزن مباشرة في ذاكرة النظام. وبالنسبة لكل بؤرة تركيز، فإن الإضاءة المطلوبة تصل مدتها إلى ثماني ميكروثانية.

ومع ذلك، وبسبب القيود الحرارية للهدف، فإن أقصى مدة تعريض مستمر هي 1 Microsecond، ويتم تقسيم عملية الاستحواذ إلى ثماني زيادات قدر كل منها 1 Microsecond. وإجمالاً، وعلى مدار حوالي 60 milliseconds، يتم تسجيل أكثر من 40,000 صورة للكاشف عند نهاية عملية الاستحواذ على الصور.

تأكد من تسجيل القياس على مقياس ناتج مساحة الجرعة. يُعد نظام SBDX في جوهره نظام تصوير مقطعي تصنيعي (tomosynthesis)، حيث يتم إضاءة الجسم بزوايا مختلفة من كل بقعة بؤرية للمصدر، ويمكن إعادة بناء أي مستوى ضمن حجم التصوير الموجود بين المجمّع والكاشف. ابدأ بضبط التصوير.

معلمات البناء. حدد عدد المستويات المراد إعادة بنائها ومواقعها. بعد ذلك، قم بتشغيل خوارزمية إعادة بناء الصورة.

يقوم الخوارزمي بمعالجة كل صورة من صور الكاشف أولاً عن طريق تغيير مقياس صورة الكاشف لمستوى إعادة البناء المقابل، وثانياً، إزاحة الصورة وفقاً لموقع بقعة التركيز قبل إضافتها إلى عملية إعادة البناء. بعد ذلك، تعمل عملية ترشيح لاحقة على إزالة النمط الناتج عن عملية الإزاحة والإضافة. وعادةً ما يتم إعادة بناء 32 مستوى بتباعد 0.5 millimeters في مجموعة من الصور المعاد بناؤها.

تخرج التراكيب وتدخل في نطاق التركيز اعتماداً على مسافتها من الكاشف. وتعمل خوارزمية اختيار المستوى على تحديد التراكيب التي تكون في حالة تركيز في كل مستوى، ومن خلال هذه المعلومات، يمكن تكوين صورة مركبة لا تظهر سوى التراكيب الموجودة في نطاق التركيز. وتكافئ هذه الصورة ثنائية الأبعاد الصور التي يتم الحصول عليها باستخدام الأنظمة التقليدية.

ومع ذلك، فقد حددت خوارزمية اختيار المستوى موقع كل بنية بالنسبة للموازِئ. وهذا يتيح لنا عرضها كرسوم متحركة ثلاثية الأبعاد، حيث يتم تحميل الصور المحفوظة في محاكي التعريض التكيفي وتشغيل الخوارزمية لكل بؤرة تركيز، وبذلك يتم تحديد عدد الفوتونات في الصورة.

يتم بعد ذلك تجميع الصور حتى الوصول إلى العدد المستهدف من الفوتونات، أو حتى إضافة جميع عمليات إعادة المسح الثماني. وتكون مخرجات محاكي التعريض التكيفي عبارة عن خريطة إعادة مسح توضح عدد مرات إضاءة كل موضع من مواضع البؤرة. تُدمج هذه الخريطة في ملف وضع التشغيل المستخدم لتشغيل نظام SBDX.

بعد تحميل ملف وضع التشغيل المحدث في نظام SBDX، ومع التقاط الصور مسبقاً، سيتم الآن تشغيل أو إيقاف حزمة الأشعة السينية عند مواضع البؤرة وفقاً لخريطة إعادة المسح، مما يقلل من العدد الإجمالي للإشعاعات؛ ثم قم بتشغيل خوارزمية إعادة بناء الصورة على البيانات الجديدة لإعادة بناء الصورة المتساوية (equalized image). مرة أخرى، تأكد من تسجيل قراءة ناتج جرعة المنطقة، حيث أظهرت قياسات الجرعة باستخدام مقياس ناتج جرعة المنطقة توفيراً في الجرعة بنسبة 30% في الصورة المتساوية باستخدام قناع إعادة المسح. وأظهرت النتائج الأولية أن جودة الصورة مكافئة، وأن الصورة المتساوية تتمتع بجاذبية بصرية أكبر من الصورة غير المتساوية.

نحن نستكشف التعريض التكيفي كتقنية لتقليل الجرعة الإشعاعية في إجراءات التنظير التألقي. وتظهر النتائج الأولية أن تحقيق توفير في الجرعة بنسبة 30% على الأقل هو أمر ممكن مع الحفاظ على جودة صورة متساوية. ونحن حالياً في طور تنفيذ التعريض التكيفي كميزة تعمل في الوقت الفعلي.

أثناء عملية الحصول على الصور، سيقوم الخوارزمي الخاص بنا بإجراء عملية تحديد العتبة (thresholding) تلقائياً. وبناءً على ذلك، ستكون العديد من الخطوات الموضحة هنا غير مرئية للمستخدم. إن نتائجنا الحالية مشجعة، ونتطلع إلى استقصاء تقنيتنا بشكل أكبر.

وعلى وجه الخصوص، سيتعين علينا أن نثبت في التجارب السريرية أن القيمة التشخيصية لصورنا تعادل أو تفوق الصور التقليدية.