קרני ה-X באמצעות הפחתת מינון חשיפה מסתגלת בתחום ההדמיה fluoroscopic
11 בספטמבר 2011
אנחנו מפתחים טכניקה דינמי חשיפה אדפטיבית באמצעות סריקה קרן שלנו דיגיטלי רנטגן המערכת. במקום לחשוף את אובייקט אחיד, החשיפה מותאם בהתאם אטימות של האובייקט. כאן אנו מציגים ניסוי רפאים אנתרופומורפי שהביאו להצלת מנה של 30%.
ניסוי זה מדגים כיצד להשתמש במערכת רנטגן דיגיטלית בעלת קרן סורקת כדי לחסוך במינון, על ידי התאמה מקומית של החשיפה לעובי (אטיות) האובייקט, במקום חשיפה אחידה כפי שנעשה באופן קונבנציונלי. השלב הראשון הוא רכישת תמונת ייחוס בסריקה ראשונה והגדרת הפרמטרים של מערכת אלגוריתם החשיפה האדפטיבית. לאחר מכן, המחשב מפיק מפת סריקה חדשה עם דרישות מינון נמוכות יותר, אשר נטענת למערכת, כך שניתן יהיה לרכוש תמונה מאוזנת.
מדידות של מכפלת המינון בשטח (dose area product) מראות כי חשיפה אדפטיבית מובילה לחיסכון במינון בטווח של 30%. אנו מפתחים מערכת דימות הנקראת קרן סורקת של רנטגן דיגיטלי, או מערכת SPDX, המאפשרת פלואורוסקופיה של רנטגן בגיאומטריה הפוכה. ההבדל העיקרי בין מערכת דימות קונבנציונלית למערכת בגיאומטריה הפוכה הוא שאיננו משתמשים במקור רנטגן בעל נקודת מוקד אחת המקרין על גלאי בעל שדה ראייה רחב. מקור הרנטגן שלנו מורכב מאלפי נקודות מוקד, כאשר כל אחת מהן מצופה בגלאי קטן לספירת פוטונים כדי לרכוש פריים דימוי בודד.
אנו רוכשים אלפי תמונות גלאי, כאשר כל תמונת גלאי מציגה רק חלק קטן מההיפוך של האובייקט. דימוי גיאומטרי מוביל להפחתה משמעותית של פיזור בתמונות. דבר זה מאפשר לנו לרכוש תמונות אלו במינון נמוך בהרבה.
דבר זה יתרון מיוחד עבור מטופלים גדולים יותר, שכן הפיזור עולה עם גודל המטופל. במטופלים פדיאטריים, החיסכון במינון כתוצאה מהפחתת הפיזור הוא פחות משמעותי. עם זאת, גאומטריה הפוכה מאפשרת יישום של אסטרטגיות לחיסכון במינון המועילות גם למטופלים פדיאטריים.
גיאומטריה הפוכה מאפשרת טכניקה שאותה אנו מכנים חשיפה אדפטיבית. כיוון שאנו רוכשים אלפי תמונות גלאי, אנו יכולים להתאים את החשיפה בזמן אמת, בהתאם לצפיפות של האזור החשוף, כך שנוכל להפחית את החשיפה באזורים רדיולוצנטיים ולשמר את החשיפה באזורים אטומים (OPAC) יותר. לפיכך, אנו יכולים להשיג איכות תמונה אחידה בתמונה הכוללת ולהפחית את המינון באזורים שחשופים באופן יתר במערכות קונבנציונליות.
כדי לנטר את מנת הקרינה, מוצב מד מכפלת מינון בשטח (dose area product meter) לפני הקולמטור. המטופל או הפנטום ממוקמים בדרך כלל קרוב יחסית לקולמטור, כאשר מרכז נפח הדימות נמצא במרחק של כ-40 centimeters מהקולמטור. לאחר מכן, נבחר מצב ההפעלה של המערכת.
הגדרות טיפוסיות הן שדה ראייה של שבעה אינצ'ים וקצב פריימים של 15 פריימים לשנייה. מתח השיא של מקור ה-X-ray מוגדר ל-80 peak kilovolts והספק המקור ל-17 kilowatts. לאחר מכן, הפעל את מערכת ה-SBDX והתחל ברכישת תמונה.
במהלך רכישת התמונה, קרן אלקטרונים סורקת באופן סדרתי כל מיקום של נקודת מוקד בשיטת סריקה (raster). בכל מיקום של נקודת מוקד, קרן האלקטרונים פוגעת במטרה העבירה ומייצרת קרני x. פוטוני ה-x שנוצרו עוברים דרך קולמטור מיקוד ומאירים את הגלאי.
לפיכך, רק חלק קטן מנפח ההדמיה מושלך. במהלך ההארה, הגלאי רושם תמונת גלאי, השמורה ישירות בזיכרון המערכת. עבור כל נקודת מוקד, נדרשת הארה של עד שמונה מיקרו-שניות.
עם זאת, בשל מגבלות תרמיות של המטרה, החשיפה הרציפה המקסימלית היא 1 µs, והרכישה מחולקת לשמונה מקטעים של 1 µs. בסך הכל, לאורך כ-60 milliseconds, נרשמות למעלה מ-40,000 תמונות גלאי בסיום רכישת התמונות.
הקפידו לרשום את המדידה במד תוצר שטח המינון (dose area product meter). ה-SBDX הוא במהותו מערכת טומוסינתזה, מאחר שהאובייקט מואר מזוויות שונות מכל נקודת מוקד של המקור, ניתן לשחזר כל מישור בתוך נפח ההדמיה הממוקם בין הקולטור לגלאי. התחילו בהגדרת ההדמיה.
פרמטרי בנייה. בחרו כמה מישורים לשחזר ואת מיקומם. לאחר מכן, הפעילו את אלגוריתם שחזור התמונה.
האלגוריתם מעבד כל תמונת גלאי תחילה על ידי התאמת קנה המידה (scaling) של תמונת הגלאי עבור מישור השחזור הרלוונטי, ושנית, על ידי הזזת התמונה בהתאם למיקום מוקד הקרינה (focal spot) לפני הוספתה לשחזור. לאחר מכן, סינון בשלב עיבוד המשנה (post-process filtering) מסיר את התבנית שנוצרה כתוצאה מפעולת ההזזה וההוספה. בדרך כלל, 32 מישורים במרווחים של 0.5 millimeters משוחזרים במערך של תמונות משוחזרות.
מבנים נכנסים ויוצאים ממיקוד בהתאם למרחקם מהגלאי. אלגוריתם בחירת המישור בוחר את המבנים שנמצאים במיקוד בכל מישור, ובאמצעות מידע זה ניתן להרכיב תמונה מרוכבת המציגה רק מבנים שנמצאים במיקוד. תמונה דו-ממדית זו שקולה לתמונות המתקבלות במערכת קונבנציונלית.
עם זאת, אלגוריתם בחירת המישור קבע עבור כל מבנה היכן הוא נמצא ביחס לקולמטור. הדבר מאפשר לנו להציג זאת כהנמשה בתלת-ממד, לטעון את התמונות השמורות לסימולטור החשיפה האדפטיבי ולהריץ את האלגוריתם עבור כל מוקד מיקוד. מספר הפוטונים בתמונה נקבע.
לאחר מכן, התמונות נצברות עד להגעה למספר הפוטונים המטרה, או עד להוספת כל שמונת הסריקות החוזרות. הפלט של סימולטור החשיפה האדפטיבי הוא מפת סריקה חוזרת המפרטת כמה פעמים כל מיקום של נקודת מוקד מואר. מפה זו ממוזגת לקובץ מצב הפעולה המשמש להרצת מערכת ה-SBDX.
לאחר טעינת קובץ מצב ההפעלה המעודכן למערכת ה-SBDX, ורק לאחר לקיחת התמונות, קרן הרנטגן תופעל או תכבה במיקומי מוקד הפוקוס בהתאם למפת הסריקה החוזרת (re-scan map), ובכך יופחת מספר ההארה הכולל; הרץ את אלגוריתם שחזור התמונה על הנתונים החדשים כדי לשחזר את התמונה המאוזנת. שוב, הקפד להקליט את קריאת מכשיר ה-dose area product; מדידות מינון באמצעות מד ה-dose area product הראו חיסכון במינון של 30% בתמונה המאוזנת בעזרת מסכת הסריקה החוזרת. תוצאות ראשוניות הראו כי איכות התמונה שקולה וכי לתמונה המאוזנת מראה ויזואלי מושך יותר מאשר לתמונה שאינה מאוזנת.
אנו בוחנים חשיפה אדפטיבית (adaptive exposure) כטכניקה להפחתת המינון וקיצור הליכים פלואורוסקופיים. תוצאות ראשוניות מראות כי חיסכון במינון של לפחות 30% הוא בר השגה תוך שמירה על איכות תמונה שווה. אנו נמצאים בתהליך של הטמעת החשיפה האדפטיבית כמאפיין בזמן אמת.
במהלך רכישת התמונה, האלגוריתם שלנו יבצע סף (thresholding) באופן אוטומטי. לפיכך, רבים מהשלבים המוצגים כאן לא יהיו גלויים למשתמש. התוצאות הנוכחיות שלנו מעודדות ואנו מצפים לבחון את הטכניקה שלנו בהרחבה.
בפרט, נצטרך להוכיח בניסויים קליניים כי הערך האבחנתי של הדימות שלנו שווה או טוב יותר מדימות קונבנציונלית.
סקירה כללית
מחקר זה מפתח טכניקה של חשיפה דינמית אדפטיבית המשתמשת במערכת רנטגן דיגיטלית בעלת קרן סורקת, אשר מתאימה את החשיפה על בסיס עכירות האובייקט. הניסוי שבוצע על פנטום אנתרופומורפי הדגים חיסכון של 30% במינון.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- דימות רפואי
- טכנולוגיית רנטגן
- ניהול מנת רדיאציה
רקע
- מערכות רנטגן קונבנציונליות מקרינות עצמים באופן אחיד, מה שמוביל למנת קרינה מיותרת.
- דימות גיאומטריה הפוכה (Inverse geometry imaging) מפחית פיזור, ובכך מאפשר דימות במינון נמוך יותר.
- טכניקות חשיפה אדפטיביות יכולות לשפר את איכות התמונה תוך מזעור החשיפה לקרינה.
- התאמה בזמן אמת של החשיפה בהתבסס על עמימות העצם היא גישה חדשנית.
מטרת המחקר
- פיתוח מערכת רנטגן דיגיטלית עם קרן סורקת המאפשרת חשיפה אדפטיבית.
- הדגמת חיסכון במינון תוך שמירה על איכות התמונה.
- בחינת היתרונות של חשיפה אדפטיבית באוכלוסיות מטופלים שונות.
שיטות שהשתמשו בהן
- רכישת תמונות ייחוס להגדרת פרמטרי חשיפה אדפטיביים.
- הטמעה של מד מכפלה של מנת קרינה ושטח (DAP) לניטור מנת הקרינה.
- סריקה רצפית של נקודות מוקד ליצירת תמונות רנטגן.
- אלגוריתמי שחזור תמונה ליצירת תמונות מנורמליות מנתוני הגלאי.
תוצאות עיקריות
- חשיפה אדפטיבית הובילה להפחתה של 30% במינון הקרינה.
- איכות התמונה הייתה שקולה לזו של מערכות קונבנציונליות.
- תמונות שעברו השוואה (equalized) הראו מראה ויזואלי משופר בהשוואה לתמונות שלא עברו השוואה.
- התאמה בזמן אמת אפשרה איכות תמונה אחידה על פני עמימויות משתנות.
מסקנות
- מערכת ה-X-ray הדיגיטלית עם קרן סריקה מפחיתה ביעילות את מנת הקרינה באמצעות חשיפה אדפטיבית.
- טכניקה זו עשויה להועיל למטופלים גדולים יותר ולאוכלוסיות פדיאטריות.
- בחינה מעמיקה יותר של חשיפה אדפטיבית עשויה לשפר את שיטות ההדמיה במסגרות קליניות.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
ניהול מנת חישיפה לקרינה בדימות פלואורוסקופי מהווה אתגר קריטי בקרדיולוגיה התערבותית, ובמיוחד עבור אוכלוסיות פדיאטריות העוברות פרוצדורות חוזרות. טכניקות חשיפה אדפטיביות, המודולות באופן דינמי את פלט קרני ה-X בהתבסס על עכירות הרקמה, מציעות דרך להפחית חשיפה מיותרת תוך שמירה על איכות התמונה האבחנתית. גישה זו תומכת בהפחתת סיכונים מכניסטית בתהליכי עבודה של דימות פרה-קליני וטרנסלציונלי, על ידי מתן אפשרות למחקרים לונגיטודינליים בטוחים וחוזרים במודלים של מחלות.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר דימות אורך של התקדמות מחלה במודלים של בעלי חיים קטנים עם הפחתה בעומס הקרינה המצטבר.
- ערך תפעולי: תומך במפגשי דימות חוזרים הנדרשים למחקרי פרמקוקינטיקה ופרמקודינמיקה מבלי לחרוג מספי סף הבטיחות.
סריקה ופיתוח בדיקות
- ערך מדעי: מאפשר דימוי ברזולוציה גבוהה ובמינון נמוך למעקב אחר התהלוכיות של חומרי ניגוד בבדיקות של חדירות כלי דם.
- ערך תפעולי: משפר את השחזוריות בנקודות קצה של דימוי כמותי על ידי מזעור השונות הביולוגית הנגרמת מהמינון.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: משפר את רמת הביטחון החיזויית במחקרי בטיחות קרדיווסקולרית על ידי מתן אפשרות לניטור סדרתי של תפקוד הלב ושינויים מבניים.
- ערך תפעולי: מפחית את שיעור הנשירה במחקרי רעילות על ידי צמצום גורמים מבלבלים המושרים על ידי קרינה בדימות אורכי.
שילוב תהליכי עבודה (Workflow) וצינורות עיבוד (Pipeline)
הטכניקה משתלבת בתהליכי עבודה של ביולוגיה של גילוי, שבהם דימות לא פולשני מספק מידע על מעורבות המטרה (target engagement) ומודיולציה של מסלולים, בייחוד במודלים של מחלות קרדיווסקולריות ומטבוליות.
- ביולוגיה של גילוי: תומכת בבדיקת השערות באמצעות דימוג סדרתי של מודלים של מחלות להערכת שינויים פנוטיפיים המתווכים על ידי המטרה.
- סריקה: מאפשרת מערכות דימוג מוכנות לבדיקה עם פלט עקבי במינון נמוך לצורך כימות אמין של השפעת תרכובות.
- אנליטיקה: מספקת עוצמות תמונה כמותיות ונורמליזציה המתאימות להשוואה סטטיסטית בין קבוצות טיפול.
- מחקר טרנסלציונלי: מגשר בין שלבי הגילוי והשלבים הפרה-קליניים על ידי שמירה על נאמנות הדימוג במעבר בין מינים, ממכרסמים למודלים גדולים יותר.
- שימוש חוזר ארגוני: מייצג מודליות דימוג בעלת יכולות פלטפורמה הניתנת להתאמה למספר תחומים טיפוליים הדורשים דימוג פלואורוסקופי או טומוסינתטי לאורך זמן.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: ביטחון ניבוי באמצעות הפחתת עמימות מכניסטית הנובעת מארטפקטים של קרינה במחקרים ארוכי טווח.
- ערך תפעולי: סטנדרטיזציה ושחזוריות באמצעות פרוטוקולי חשיפה מבוקרים ואדפטיביים.
- ערך אסטרטגי: שיפור בקבלת החלטות לגבי המשך הניסוי (go/no-go) על ידי מזעור תוצאות חיוביות/שליליות שגויות הנובעות מרעש ביולוגי תלוי-מינון.
- השפעה על פורטפוליו: תיעדוף מותאם סיכונים המאפשר שימוש בביומרקרי דימוג נקיים ובעלי יכולת תרגום גבוהה יותר.
שיקולי יישום
- מומחיות בפיזיקה רפואית ובתפעול מערכות רנטגן לצורך הגדרת פרוטוקולים וכיול.
- מכשור הכולל מערכות רנטגן דיגיטליות בעלות קרן סורקת עם בקרת חשיפה אדפטיבית ומדידת מכפלת מינון-שטח (dose area product).
- סטנדרטיזציה בין-צוותית בין יחידות הדימות, הפרמקולוגיה והטוקסיקולוגיה למעקב עקבי אחר המינון.
- שיקולי התאמה בין מערכות מודלים, ובמיוחד התאמת ספים עבור עכוריות רקמה משתנה באנלוגים של ילדים לעומת מבוגרים.
- מגבלה מעשית: היישום הנוכחי דורש אינטראקציית משתמש עבור מיפוי חשיפה אדפטיבי, מה שמגביל את התפוקה עד להשגת אוטומציה מלאה.
