透視イメージングの適応暴露によるX線の線量低減

本実験では、走査ビームデジタルX線システムを用い、従来のように均一に曝露するのではなく、対象物の不透明度に合わせて局所的に曝露を適応させることで、線量を低減する方法を示します。まず、1回目のパスでリファレンス画像を撮影し、適応曝露アルゴリズムシステムのパラメータを定義します。その後、コンピュータがより低い線量要件を持つ新しいスキャンマップを出力し、それをシステムにロードすることで、均一化された画像を取得することが可能になります。

面積線量積の測定結果から、適応的照射により30%程度の線量削減が可能であることが示されています。私たちは、逆幾何学X線透視を可能にする「走査ビームデジタルX線（SPDX）システム」と呼ばれるイメージングシステムを開発しています。従来のイメージングシステムと逆幾何学イメージングシステムの主な違いは、単一の焦点X線管を用いて広視野検出器に投影させない点にあります。本システムのX線源は数千の焦点で構成されており、それぞれが小型の光子計数検出器にコーティングされ、単一のイメージングフレームを取得します。

検出器画像は数千枚取得しますが、各画像で捉えられるのは物体反転像のごく一部のみです。ジオメトリイメージングにより、画像内の散乱が大幅に低減されます。これにより、はるかに低い線量でこれらの画像を取得することが可能になります。

これは、散乱線が患者のサイズに比例して増加するため、特に大柄な患者において有利となります。小児患者の場合、散乱線の低減による線量削減効果ははるかに小さくなります。しかし、インバースジオメトリを採用することで、小児患者にもメリットがある線量削減戦略の実施が可能になります。

逆幾何学的なアプローチにより、「適応的露光（adaptive exposure）」と呼ぶ手法が可能になります。数千枚の検出器画像を収集するため、露光領域の不透過度に応じてリアルタイムで露光量を調整でき、放射線透過性の高い領域では露光を減らし、より不透過性の高い領域では露光を維持することが可能です。これにより、画像全体で均一な画質を実現し、従来のシステムで過剰露光となる領域の被ばく線量を低減できます。

放射線量をモニタリングするため、コリメータの前面に面積線量計を配置します。通常、患者またはファントムはコリメータに比較的近くに配置し、撮像領域の中心がコリメータから約40 centimetersになるようにします。次に、システムの動作モードを選択します。

一般的な設定は、視野を7インチ、フレームレートを毎秒15フレームとします。X線源のピーク電圧を80 peak kVに、光源出力を17 kWに設定します。その後、SBDXシステムを起動し、画像取得を開始します。

画像取得の間、電子ビームはラスタ走査方式で各焦点スポット位置に順次走査されます。各焦点スポット位置において、電子ビームが透過ターゲットに衝突し、X線を発生させます。こうして生成されたX線光子はフォーカシングコリメータを通過し、検出器を照射します。

したがって、撮像体積のごく一部のみが投影されます。照明中、検出器は検出器画像を取得し、それがシステムメモリに直接保存されます。各焦点スポットにつき、最大8 µsの照明が求められます。

しかし、ターゲットの熱的制限により、最大連続露光時間は1 µsであり、データ収集は1 µsずつの8回に分割されます。合計で、約60 msの間に、画像収集の終了までに40,000枚以上の検出器画像が記録されます。

線量面積積計の測定値を必ず記録してください。SBDXは本質的にトモシンセシスシステムであり、各光源焦点スポットから異なる角度で物体が照射されるため、コリメータと検出器の間にある撮像ボリューム内の任意の平面を再構成できます。まず、撮像の設定から始めてください。

構築パラメータ。再構成する平面の数とその位置を選択してください。次に、画像再構成アルゴリズムを実行します。

このアルゴリズムは、まず各検出器画像を対応する再構成平面に合わせてスケーリングし、次に焦点スポットの位置に応じて画像をシフトさせてから再構成に加算することで、各検出器画像を処理します。次に、後処理フィルタリングによって、シフトおよび加算操作によって生じたパターンを除去します。通常、0.5 millimetersの間隔で32枚の平面が再構成され、再構成画像スタックとして保存されます。

検出器からの距離に応じて、構造物のフォーカスが合ったり外れたりします。平面選択アルゴリズムは、すべての平面でフォーカスが合っている構造物を選択し、その情報を用いて、フォーカスの合った構造物のみを表示する合成画像を形成できます。この2D画像は、従来のシステムで得られる画像と同等です。

しかしながら、平面選択アルゴリズムによって、すべての構造物がコリメータに対してどこに位置しているかが決定されています。これにより、3Dアニメーションとして再生することが可能になります。保存された画像を適応的露光シミュレーターに読み込み、各焦点スポットに対してアルゴリズムを実行します。これにより、画像内の光子数が決定されます。

その後、目標の光子数に達するか、あるいは8回すべてのリスキャンが完了するまで、画像が蓄積されます。適応的露光シミュレーターの出力は、各焦点スポットの位置が何回照射されるかを詳細に示したリスキャンマップです。このマップは、SBDXシステムを動作させるために使用される動作モードファイルに統合されます。

更新された動作モードファイルをSBDXシステムにロードした後、リスキャンマップに従って焦点スポット位置でX線ビームのオン・オフが切り替えられるため、総照射回数が削減されます。新しいデータに対して画像再構成アルゴリズムを実行し、等化画像を再構成します。ここでも、必ず線量面積積計で線量面積積の読み取り値を記録してください。リスキャンマスクを用いた等化画像では、線量面積積計による線量測定で30%の線量削減が実証されました。予備的な結果では、画質は同等であり、等化画像は非等化画像よりも視覚的な訴求力が高いことが示されました。

私たちは、被ばく線量および透視手順を削減するための手法として、適応的露出（adaptive exposure）を検討しています。初期の結果では、同等の画質を維持しつつ、少なくとも 30% の線量削減が可能であることが示されています。現在、適応的露出をリアルタイム機能として実装するプロセスを進めています。

画像取得中、当社のアルゴリズムが自動的にしきい値処理を行います。そのため、ここで示す手順の多くはユーザーには見えません。現在の結果は有望であり、今後この手法をさらに詳しく研究することを期待しています。

特に、我々の画像による診断価値が、従来の画像と同等またはそれ以上であることを臨床試験で示す必要があります。