X-ray Vermindering van de dosis door middel van Adaptive Exposure in Fluoroscopische Imaging

Dit experiment laat zien hoe het digitale röntgensysteem met scanstraal kan worden gebruikt om de dosis te verlagen door de blootstelling lokaal aan te passen aan de opaciteit van het object, in plaats van het uniform te belichten zoals conventioneel wordt gedaan. De eerste stap is het verkrijgen van een referentiebeeld bij de eerste passage en het definiëren van de parameters van het adaptieve blootstellingsalgoritme. De computer genereert vervolgens een nieuwe scankaart met lagere dosisvereisten, die in het systeem wordt geladen zodat een geëgaliseerd beeld kan worden verkregen.

Metingen van het dosis-oppervlakteproduct tonen aan dat adaptieve belichting leidt tot dosisbesparingen in de orde van 30%. We ontwikkelen een beeldvormingssysteem genaamd de scanning beam Digital x-ray of het SPDX-systeem, dat röntgenfluoroscopie met inverse geometrie mogelijk maakt. Het belangrijkste verschil tussen een conventioneel beeldvormingssysteem en een systeem met inverse geometrie is dat we geen röntgenbuis met één enkel brandpunt gebruiken die projecteert op een detector met een groot gezichtsveld. Onze röntgenbron bestaat uit duizenden brandpunten, waarbij elk is voorzien van een kleine photon-counting detector om een enkel beeldframe te verkrijgen.

We verkrijgen duizenden detectorbeelden, waarbij elk detectorbeeld slechts een klein deel van het inverse object weergeeft. Geometrische beeldvorming leidt tot een aanzienlijke vermindering van strooistraling in de beelden. Hierdoor kunnen we deze beelden bij een veel lagere dosis verkrijgen.

Dit is in het bijzonder voordelig voor grotere patiënten, aangezien verstrooiing schaalt met de patiëntgrootte. Bij pediatrische patiënten zijn de dosisbesparingen door vermindering van verstrooiing veel kleiner. Inverse geometrie maakt echter de implementatie mogelijk van dosisbesparende strategieën waar ook pediatrische patiënten baat bij hebben.

Inverse geometrie maakt een techniek mogelijk die wij adaptieve belichting noemen. Omdat we duizenden detectorbeelden verwerven, kunnen we de belichting in realtime aanpassen op basis van de densiteit van het belichte gebied; zo kunnen we de belichting in radiolucente gebieden verminderen en handhaven in meer opake gebieden. Hierdoor kunnen we een uniforme beeldkwaliteit in het gehele beeld bereiken en de dosis verlagen in gebieden die in conventionele systemen overbelicht raken.

Om de stralingsdosis te monitoren, wordt een dosis-oppervlakteproductmeter voor de collimator geplaatst. De patiënt of het fantoom wordt doorgaans relatief dicht bij de collimator gepositioneerd, waarbij het centrum van het beeldvolume zich op ongeveer 40 centimeter van de collimator bevindt. Vervolgens wordt de bedrijfsmodus van het systeem geselecteerd.

Typische instellingen zijn een gezichtsveld van zeven inch en een framerate van 15 frames per seconde. De piekspanning van de röntgenbron wordt ingesteld op 80 piek-kilovolt en het vermogen van de bron op 17 kilowatt. Zet vervolgens het SBDX-systeem aan en start de beeldacquisitie.

Tijdens de beeldacquisitie wordt een elektronenbundel in een rasterpatroon sequentieel over elke focuspuntpositie gescand. Bij elke focuspuntpositie raakt de elektronenbundel het transmissiedoel, waardoor röntgenstraling wordt gegenereerd. De resulterende röntgenfotonen passeren een focusserende collimator en belichten de detector.

Hierdoor wordt slechts een klein deel van het beeldvolume geprojecteerd. Tijdens de belichting legt de detector een detectorbeeld vast, dat direct in het systeemgeheugen wordt opgeslagen. Voor elke brandpuntsvlek is een belichting van maximaal acht microseconden gewenst.

Vanwege echter de thermische beperkingen van het doelwit is de maximale continue belichting één microseconde en wordt de acquisitie opgedeeld in acht incrementen van één microseconde. In totaal worden aan het einde van de beeldacquisitie gedurende ongeveer 60 milliseconden meer dan 40.000 detectorbeelden geregistreerd.

Zorg ervoor dat de meting op de dose-area productmeter wordt geregistreerd. De SBDX is intrinsiek een tomosynthesesysteem, aangezien het object vanuit elke brandpuntsvlek van de bron onder verschillende hoeken wordt belicht, waardoor elk vlak binnen het beeldvolume tussen de collator en de detector kan worden gereconstrueerd. Begin met het instellen van de beeldvorming.

Constructieparameters. Selecteer hoeveel vlakken er gereconstrueerd moeten worden en hun locatie. Voer vervolgens het algoritme voor beeldreconstructie uit.

Het algoritme verwerkt elke detectorafbeelding door eerst de detectorafbeelding te schalen voor het betreffende reconstructievlak en vervolgens de afbeelding te verschuiven op basis van de positie van de brandvlek voordat deze aan de reconstructie wordt toegevoegd. Daarna verwijdert een nabehandelingsfiltering het patroon dat is ontstaan door de verschuif- en opteloperatie. Meestal worden 32 vlakken met een tussenruimte van 0.5 millimeters gereconstrueerd in een stapel gereconstrueerde beelden.

Structuren raken in en uit focus, afhankelijk van hun afstand tot de detector. Het algoritme voor vlakselectie selecteert de structuren die in elk vlak in focus zijn, en met die informatie kan een compositiebeeld worden gevormd dat alleen structuren in focus toont. Deze 2D-afbeelding is gelijkwaardig aan afbeeldingen die met een conventioneel systeem zijn verkregen.

Het algoritme voor de vlakselectie heeft echter voor elke structuur bepaald waar deze zich bevindt ten opzichte van een collimator. Hierdoor kunnen we dit als een 3D-animatie afspelen: de opgeslagen beelden worden in de simulator voor adaptieve belichting geladen en het algoritme wordt voor elke brandpunt uitgevoerd. Het aantal fotonen in het beeld wordt vervolgens bepaald.

De beelden worden vervolgens geaccumuleerd totdat het doelaantal fotonen is bereikt, of totdat alle acht de rescans zijn toegevoegd. De output van de adaptieve expositiesimulator is een rescan-kaart die in detail aangeeft hoe vaak elke positie van de brandpuntsvlek wordt belicht. Deze kaart wordt samengevoegd met het bestand voor de modus van de operatie dat wordt gebruikt om het SBDX-systeem aan te sturen.

Nadat het bijgewerkte bestandsformaat voor de modus van de bewerking in het SBDX-systeem is geladen en de beelden zijn opgenomen, wordt de röntgenstraal nu bij de brandpuntposities aan- of uitgeschakeld volgens de re-scanmap, waardoor het totale aantal bestralingen wordt verminderd. Voer het algoritme voor beeldreconstructie uit op de nieuwe gegevens om het geëgaliseerde beeld te reconstrueren. Zorg er opnieuw voor dat de waarde van het dosis-oppervlakteproduct wordt geregistreerd; dosismetingen met de dosis-oppervlakteproductmeter toonden een dosisbesparing van 30% aan in het geëgaliseerde beeld door gebruik van het re-scanmasker. Voorlopige resultaten toonden aan dat de beeldkwaliteit gelijkwaardig is en dat het geëgaliseerde beeld visueel aantrekkelijker is dan het niet-geëgaliseerde beeld.

We onderzoeken adaptieve belichting als techniek om de dosis en fluoroscopische procedures te verminderen. De eerste resultaten tonen aan dat dosisbesparingen van ten minste 30% haalbaar zijn bij een gelijke beeldkwaliteit. We zijn momenteel bezig met de implementatie van adaptieve belichting als realtime functie.

Tijdens de beeldacquisitie zal ons algoritme automatisch drempelwaarde-bepaling uitvoeren. Daarom zullen veel van de hier getoonde stappen onzichtbaar zijn voor de gebruiker. Onze huidige resultaten zijn bemoedigend en we kijken ernaar uit om onze techniek verder te onderzoeken.

In het bijzonder zullen we in klinische studies moeten aantonen dat de diagnostische waarde van onze beelden gelijkwaardig aan of beter is dan die van conventionele beelden.