Redukcja dawki promieniowania rentgenowskiego poprzez adaptacyjną ekspozycję w obrazowaniu fluoroskopowym

Niniejszy eksperyment pokazuje, jak wykorzystać cyfrowy system rentgenowski z wiązką skanującą w celu zredukowania dawki poprzez lokalne dostosowanie ekspozycji do nieprzezroczystości obiektu, zamiast stosowania konwencjonalnego równomiernego naświetlania. Pierwszym krokiem jest wykonanie referencyjnego obrazu z pierwszej serii skanowania oraz zdefiniowanie parametrów algorytmu adaptacyjnej ekspozycji systemu. Następnie komputer generuje nową mapę skanowania z niższymi wymaganiami dotyczącymi dawki, która zostaje wczytana do systemu, co pozwala na uzyskanie obrazu o wyrównanym kontraście.

Pomiary produktu dawka-obszar wykazują, że adaptacyjna ekspozycja prowadzi do oszczędności dawki w zakresie 30%. Opracowujemy system obrazowania o nazwie skanującego wiمنى cyfrowego rentgena lub system SPDX, który umożliwia fluoroskopię rentgenowską o odwróconej geometrii. Główna różnica między konwencjonalnym systemem obrazowania a systemem o odwróconej geometrii polega na tym, że nie używamy pojedynczej lampy rentgenowskiej z jednym ogniskiem, która rzutuje obraz na detektor o dużym polu widzenia. Nasze źródło promieniowania rentgenowskiego składa się z tysięcy ognisk, z których każde jest powiązane z małym detektorem zliczającym fotony w celu uzyskania pojedynczej klatki obrazu.

Pozyskujemy tysiące obrazów detektora, przy czym każdy z nich obejmuje jedynie niewielką część obrazu odwrotnego obiektu. Geometria obrazowania prowadzi do znacznego ograniczenia rozproszenia na obrazach. Pozwala to na pozyskanie tych obrazów przy znacznie niższej dawce.

Jest to szczególnie korzystne w przypadku większych pacjentów, ponieważ poziom rozproszenia skaluje się wraz z rozmiarem pacjenta. U pacjentów pediatrycznych oszczędności dawki wynikające z redukcji rozproszenia są znacznie mniejsze. Jednakże geometria odwrócona pozwala na wdrożenie strategii oszczędzania dawki, które przynoszą korzyści również pacjentom pediatrycznym.

Geometria odwrócona umożliwia zastosowanie techniki, którą nazywamy ekspozycją adaptacyjną. Ponieważ pozyskujemy tysiące obrazów z detektora, możemy adaptować ekspozycję w czasie rzeczywistym, w zależności od gęstości naświetlanego obszaru, dzięki czemu możemy zmniejszyć ekspozycję w obszarach radiolucentnych i utrzymać ją w obszarach bardziej nieprzezroczystych (radiopackich). W ten sposób możemy uzyskać jednolity poziom jakości całego obrazu i zredukować dawkę w obszarach, które w konwencjonalnych systemach są nadmiernie naświetlone.

W celu monitorowania dawki promieniowania przed kolymatorem umieszcza się miernik produktu dawka-pole. Pacjenta lub fantom pozycjonuje się zazwyczaj stosunkowo blisko kolymatora, tak aby centrum obrazowanej objętości znajdowało się w odległości około 40 centymetrów od kolymatora. Następnie wybiera się tryb pracy systemu.

Typowe ustawienia to pole widzenia wynoszące siedem cali oraz częstotliwość klatek rzędu 15 klatek na sekundę. Napięcie szczytowe źródła promieni rentgenowskich ustawia się na 80 peak kilovolts, a moc źródła na 17 kilowatts. Następnie należy włączyć system SBDX i rozpocząć akwizycję obrazu.

Podczas akwizycji obrazu wiązka elektronów jest skanowana sekwencyjnie w sposób rastrowy do każdej pozycji punktu ogniskowego. W każdej pozycji punktu ogniskowego wiązka elektronów uderza w tarczę transmisyjną, generując promieniowanie rentgenowskie. Powstałe fotony promieniowania rentgenowskiego przechodzą przez kolimator skupiający i oświetlają detektor.

W związku z tym rzutowana jest tylko niewielka część objętości obrazowania. Podczas oświetlania detektor rejestruje obraz, który jest bezpośrednio zapisywany w pamięci systemu. Dla każdej plamki ogniskowej pożądany jest czas oświetlania do ośmiu mikrosekund.

Jednakże, ze względu na ograniczenia termiczne celu, maksymalna ciągła ekspozycja wynosi 1 µs, a akwizycja jest podzielona na osiem przyrostów o długości 1 µs. Łącznie, w ciągu około 60 ms, pod koniec akwizycji obrazu rejestrowanych jest ponad 40 000 obrazów z detektora.

Należy pamiętać o zapisaniu pomiaru na mierniku produktu dawka-pole. SBDX jest z natury systemem tomosyntezy, ponieważ obiekt jest oświetlany pod różnymi kątami z każdego ogniska źródła, co pozwala na rekonstrukcję dowolnej płaszczyzny w obrębie objętości obrazowania znajdującej się między kolimatorem a detektorem. Rozpocznij od ustawienia obrazowania.

Parametry rekonstrukcji. Wybierz liczbę płaszczyzn do zrekonstruowania oraz ich położenie. Następnie uruchom algorytm rekonstrukcji obrazu.

Algorytm przetwarza każdy obraz z detektora, najpierw skalując go dla odpowiedniej płaszczyzny rekonstrukcji, a następnie przesuwając obraz zgodnie z pozycją ogniska przed dodaniem go do rekonstrukcji. Następnie filtrowanie w procesie końcowym usuwa wzór powstały w wyniku operacji przesunięcia i dodawania. Zazwyczaj w stosie obrazów rekonstruowanych rekonstruowanych jest 32 płaszczyzny z odstępem 0,5 millimeters.

Struktury stają się ostre lub rozmyte w zależności od ich odległości od detektora. Algorytm wyboru płaszczyzny wybiera struktury, które są w ostrości w każdej płaszczyźnie; na podstawie tych informacji można utworzyć obraz kompozytowy, który pokazuje wyłącznie struktury będące w ostrości. Ten obraz 2D jest równoważny obrazom uzyskanym w konwencjonalnym systemie.

Algorytm wyboru płaszczyzny określił jednak dla każdej struktury jej położenie względem kolimatora. Pozwala to na odtworzenie procesu w formie animacji 3D: należy wczytać zapisane obrazy do symulatora adaptacyjnej ekspozycji i uruchomić algorytm dla każdego ogniska. Następnie wyznacza się liczbę fotonów na obrazie.

Obrazy są następnie akumulowane do momentu osiągnięcia docelowej liczby fotonów lub dodania wszystkich ośmiu reskanów. Wynikiem symulatora ekspozycji adaptacyjnej jest mapa reskanowania, która szczegółowo określa, ile razy każda pozycja plamki ogniskowej jest naświetlana. Mapa ta jest scalana z plikiem trybu pracy wykorzystywanym do uruchomienia systemu SBDX.

Po załadowaniu zaktualizowanego pliku trybu pracy do systemu SBDX, w przeciwieństwie do wcześniej wykonywanych obrazów, wiązka promieni rentgenowskich będzie teraz włączana lub wyłączana w pozycjach ogniska zgodnie z mapą ponownego skanowania, co ograniczy całkowitą liczbę naświetleń; następnie należy uruchomić algorytm rekonstrukcji obrazu na nowych danych, aby uzyskać obraz wyrównany. Ponownie należy upewnić się, że odczyty produktu dawka-pole zostały zarejestrowane; pomiary dawki wykonane za pomocą miernika produktu dawka-pole wykazały oszczędność dawki na poziomie 30% w obrazie wyrównanym z zastosowaniem maski ponownego skanowania. Wstępne wyniki wykazały, że jakość obrazu jest równoważna, a obraz wyrównany jest bardziej atrakcyjny wizualnie niż obraz niewyrównany.

Badamy adaptacyjną ekspozycję jako technikę redukcji dawki w procedurach fluoroskopowych. Wstępne wyniki wskazują, że możliwe jest uzyskanie oszczędności dawki na poziomie co najmniej 30% przy zachowaniu tej samej jakości obrazu. Obecnie wdrażamy adaptacyjną ekspozycję jako funkcję działającą w czasie rzeczywistym.

Podczas akwizycji obrazu nasz algorytm automatycznie przeprowadzi progowanie. W związku z tym wiele z przedstawionych tutaj kroków będzie niewidocznych dla użytkownika. Nasze obecne wyniki są obiecujące i z niecierpliwością czekamy na dalsze badanie naszej techniki.

W szczególności będziemy musieli wykazać w badaniach klinicznych, że wartość diagnostyczna naszych obrazów jest równoważna lub lepsza od konwencjonalnych obrazów.