Доза рентгеновского излучения с нищетой на основе адаптивного выдержки в рентгеноскопии изображений
11 сентября 2011 г.
Мы разрабатываем динамический адаптивный метод воздействия с помощью нашего сканирующий луч цифровой рентгеновской системы. Вместо того, подвергая объекта равномерно, экспозиция адаптированы в зависимости от прозрачности объекта. Здесь мы показываем, эксперимент по антропоморфным фантом, в результате дозы экономия 30%.
В данном эксперименте демонстрируется использование цифровой рентгеновской системы со сканирующим лучом для снижения дозы облучения путем локальной адаптации экспозиции к прозрачности объекта, в отличие от традиционного равномерного облучения. На первом этапе выполняется получение первого референсного изображения и определение параметров алгоритма адаптивной экспозиции системы. Затем компьютер формирует новую карту сканирования с пониженными требованиями к дозе, которая загружается в систему для получения выровненного изображения.
Измерения произведения дозы на площадь показывают, что адаптивное облучение приводит к экономии дозы в диапазоне 30%. Мы разрабатываем систему визуализации под названием сканирующая лучевая цифровая рентгенография или система SPDX, которая обеспечивает рентгеновскую флюороскопию с обратной геометрией. Основное отличие системы визуализации с обратной геометрией от традиционной системы заключается в том, что мы не используем рентгеновскую трубку с одним фокусным пятном, которая проецирует изображение на детектор с большим полем обзора. Наш источник рентгеновского излучения состоит из тысяч фокусных пятен, каждое из которых совмещено с небольшим детектором счета фотонов для получения одного кадра изображения.
Мы получаем тысячи изображений с детектора, причем каждое изображение охватывает лишь небольшую часть инверсии объекта. Геометрия получения изображений позволяет значительно снизить уровень рассеяния на снимках. Это дает нам возможность регистрировать эти изображения при гораздо более низкой дозе облучения.
Это особенно выгодно для крупных пациентов, так как уровень рассеяния масштабируется в зависимости от размера пациента. У детей экономия дозы за счет снижения рассеяния значительно меньше. Тем не менее, обратная геометрия позволяет внедрить стратегии снижения дозы, которые приносят пользу и педиатрическим пациентам.
Инверсная геометрия позволяет реализовать метод, который мы называем адаптивной экспозицией. Поскольку мы получаем тысячи изображений с детектора, мы можем корректировать экспозицию в режиме реального времени в зависимости от плотности облучаемой области, что позволяет уменьшить экспозицию в рентгенопрозрачных зонах и сохранить её в более непрозрачных областях. Таким образом, мы можем добиться равномерного качества всего изображения и снизить дозу облучения в тех зонах, которые подвергаются избыточной экспозиции в традиционных системах.
Для мониторинга дозы облучения перед коллиматором размещают измеритель произведения дозы на площадь. Пациента или фантом обычно располагают относительно близко к коллиматору так, чтобы центр области визуализации находился примерно в 40 сантиметрах от коллиматора. Затем выбирается режим работы системы.
Типичные настройки включают поле зрения семь дюймов и частоту кадров 15 кадров в секунду. Пиковое напряжение источника рентгеновского излучения устанавливают на 80 peak kilovolts, а мощность источника — на 17 kilowatts. Затем включите систему SBDX и начните сбор изображений.
В процессе сбора изображений электронный пучок последовательно сканирует каждое положение фокусного пятна растровым способом. В каждой точке фокусировки электронный пучок попадает на передающую мишень и генерирует рентгеновское излучение. Полученные рентгеновские фотоны проходят через фокусирующий коллиматор и освещают детектор.
Таким образом, проецируется лишь небольшая часть объема визуализации. Во время освещения детектор фиксирует изображение, которое напрямую сохраняется в памяти системы. Для каждого фокального пятна требуется освещение продолжительностью до восьми микросекунд.
Однако из-за тепловых ограничений объекта максимальное время непрерывного воздействия составляет 1 мкс, и процесс сбора данных разделен на восемь интервалов по 1 мкс. В общей сложности за примерно 60 мс в конце сбора данных регистрируется более 40 000 изображений с детектора.
Обязательно зафиксируйте показание измерителя произведения дозы на площадь. SBDX по своей сути является системой томосинтеза, поскольку объект освещается под разными углами от каждого фокусного пятна источника, что позволяет реконструировать любую плоскость внутри объема визуализации, расположенную между коллиматором и детектором. Начните с настройки изображения.
Параметры построения. Выберите количество реконструируемых плоскостей и их расположение. Затем запустите алгоритм реконструкции изображения.
Алгоритм обрабатывает каждое изображение с детектора, сначала масштабируя его для соответствующей плоскости реконструкции, а затем смещая изображение в соответствии с положением фокусного пятна перед добавлением к реконструкции. Далее фильтрация на этапе постобработки удаляет паттерн, созданный операцией смещения и сложения. Обычно в стеке реконструированных изображений восстанавливаются 32 плоскости с шагом 0.5 millimeters.
Структуры становятся четкими или размытыми в зависимости от их расстояния до детектора. Алгоритм выбора плоскости определяет структуры, которые находятся в фокусе в каждой плоскости, и на основе этой информации формируется композитное изображение, на котором отображаются только четкие структуры. Это 2D-изображение эквивалентно изображениям, полученным на стандартной системе.
Тем не менее, алгоритм выбора плоскости определил положение каждой структуры относительно коллиматора. Это позволяет воспроизвести процесс в виде 3D-анимации: загрузите сохраненные изображения в симулятор адаптивной экспозиции и запустите алгоритм для каждого фокусного пятна. В результате определяется количество фотонов на изображении.
Затем изображения накапливаются до достижения целевого количества фотонов или до завершения всех восьми повторных сканирований. Результатом работы симулятора адаптивной экспозиции является карта повторного сканирования, в которой подробно указано, сколько раз освещается каждая позиция фокального пятна. Эта карта объединяется с файлом режима работы, используемым для управления системой SBDX.
После загрузки обновленного файла режима работы в систему SBDX рентгеновский луч будет включаться или выключаться в позициях фокального пятна в соответствии с картой повторного сканирования, что позволит сократить общее количество облучений при съемке изображений. Запустите алгоритм реконструкции изображений для новых данных, чтобы восстановить выровненное изображение. Также обязательно зафиксируйте показания произведения дозы на площадь; измерения с помощью дозиметра произведения дозы на площадь продемонстрировали экономию дозы в 30% для выровненного изображения при использовании маски повторного сканирования. Предварительные результаты показали, что качество изображения эквивалентно, а выровненное изображение выглядит более эстетично, чем невыровненное.
Мы изучаем адаптивную экспозицию как метод снижения дозы облучения при проведении флюороскопических процедур. Первоначальные результаты показывают, что возможно достижение экономии дозы не менее 30% при сохранении аналогичного качества изображения. В настоящее время мы внедряем адаптивную экспозицию как функцию, работающую в режиме реального времени.
В процессе получения изображений наш алгоритм будет автоматически выполнять пороговую обработку. Таким образом, многие из описанных здесь этапов будут скрыты от пользователя. Наши текущие результаты обнадеживают, и мы с нетерпением ждем возможности дальнейшего исследования данной методики.
В частности, в клинических исследованиях нам потребуется продемонстрировать, что диагностическая ценность наших изображений эквивалентна или выше, чем у стандартных изображений.
Обзор
В данном исследовании разработан метод динамического адаптивного облучения с использованием цифровой рентгеновской системы со сканирующим лучом, которая адаптирует экспозицию в зависимости от прозрачности объекта. Эксперимент на антропоморфном фантоме продемонстрировал снижение дозы облучения на 30%.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Медицинская визуализация
- Рентгеновские технологии
- Контроль дозы облучения
Теоретическая часть
- Традиционные рентгеновские системы облучают объекты равномерно, что приводит к избыточной дозе радиации.
- Визуализация с обратной геометрией снижает рассеивание, что позволяет проводить исследования при более низких дозах облучения.
- Методы адаптивного облучения позволяют повысить качество изображений при одновременном снижении радиационной нагрузки.
- Адаптация экспозиции в режиме реального времени в зависимости от непрозрачности объекта представляет собой новый подход.
Цель исследования
- Разработать цифровую рентгеновскую систему со сканирующим лучом, обеспечивающую адаптивную экспозицию.
- Продемонстрировать снижение дозы облучения при сохранении качества изображения.
- Изучить преимущества адаптивной экспозиции для различных групп пациентов.
Используемые методы
- Сбор эталонных изображений для определения параметров адаптивной экспозиции.
- Применение дозиметра произведения дозы на площадь для мониторинга дозы облучения.
- Последовательное сканирование фокальных пятен для получения рентгеновских изображений.
- Алгоритмы реконструкции изображений для создания выровненных изображений на основе данных детектора.
Основные результаты
- Адаптивная экспозиция привела к снижению дозы облучения на 30%.
- Качество изображений было эквивалентно качеству в традиционных системах.
- Эквализованные изображения выглядели более эстетично по сравнению с неэквализованными.
- Адаптация в режиме реального времени обеспечила равномерное качество изображений при различной степени непрозрачности.
Выводы
- Цифровая рентгеновская система со сканирующим лучом эффективно снижает дозу облучения за счет адаптивного экспонирования.
- Данный метод может быть полезен при обследовании пациентов с более крупным телосложением, а также в педиатрической практике.
- Дальнейшее изучение адаптивного экспонирования может улучшить методы визуализации в клинических условиях.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
Контроль дозы облучения при флюороскопической визуализации представляет собой серьезную проблему в интервенционной кардиологии, особенно для пациентов детского возраста, подвергающихся повторным процедурам. Методы адаптивной экспозиции, которые динамически модулируют выход рентгеновского излучения в зависимости от плотности тканей, позволяют снизить ненужное облучение при сохранении диагностического качества изображений. Такой подход способствует механистическому снижению рисков в доклинических и трансляционных протоколах визуализации, обеспечивая возможность проведения более безопасных и воспроизводимых лонгитюдных исследований на моделях заболеваний.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Ранний поиск и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет проводить лонгитюдную визуализацию прогрессирования заболевания на моделях мелких животных при снижении совокупной лучевой нагрузки.
- Практическая ценность: обеспечивает возможность проведения повторных сеансов визуализации, необходимых для фармакокинетических и фармакодинамических исследований, без превышения порогов безопасности.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: обеспечивает получение изображений с высоким разрешением и низкой дозой облучения для отслеживания распределения контрастного вещества в анализах проницаемости сосудов.
- Практическая ценность: повышает воспроизводимость количественных показателей визуализации за счет минимизации биологической вариабельности, вызванной дозой облучения.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: повышает достоверность прогнозов в исследованиях сердечно-сосудистой безопасности за счет обеспечения возможности серийного мониторинга сердечной функции и структурных изменений.
- Практическая ценность: снижает процент выбывания животных в токсикологических исследованиях путем минимизации влияния факторов радиационного воздействия при лонгитюдной визуализации.
Интеграция конвейера и рабочего процесса
Данный метод интегрируется в рабочие процессы по поиску новых биологических мишеней, где неинвазивная визуализация позволяет оценивать связывание с мишенью и модуляцию сигнальных путей, в частности, в моделях сердечно-сосудистых и метаболических заболеваний.
- Поисковая биология: позволяет проверять гипотезы с помощью серийной визуализации моделей заболеваний для оценки фенотипических изменений, опосредованных воздействием на мишени.
- Скрининг: обеспечивает работу систем визуализации, готовых к анализу, с постоянным низким выходом дозы для надежного количественного определения эффекта соединений.
- Аналитика: предоставляет количественные нормализованные значения интенсивности изображений, подходящие для статистического сравнения групп терапии.
- Трансляционные исследования: связывает этапы поиска и доклинических исследований, обеспечивая точность визуализации при масштабировании от грызунов до более крупных моделей.
- Корпоративное повторное использование: представляет собой платформенный метод визуализации, адаптируемый для различных терапевтических областей, где требуется продольная флюороскопическая или томосинтетическая визуализация.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышение прогностической достоверности за счет уменьшения механистической неопределенности, вызванной радиационными артефактами в лонгитюдных исследованиях.
- Операционная ценность: Стандартизация и воспроизводимость благодаря контролируемым адаптивным протоколам облучения.
- Стратегическая ценность: Оптимизация принятия решений о продолжении или прекращении исследований (go/no-go) за счет минимизации ложноположительных и ложноотрицательных результатов, вызванных дозозависимым биологическим шумом.
- Влияние на портфель проектов: Приоритизация с учетом рисков, ставшая возможной благодаря получению более чистых и транслируемых биомаркеров визуализации.
Особенности реализации
- Опыт в области медицинской физики и эксплуатации рентгеновских систем для настройки протоколов и калибровки.
- Инструментарий, включая цифровые рентгеновские системы со сканирующим лучом, адаптивным контролем экспозиции и метрологией произведения дозы на площадь.
- Межгрупповая стандартизация между подразделениями визуализации, фармакологии и токсикологии для последовательного отслеживания доз.
- Особенности адаптации для различных модельных систем, в частности, корректировка пороговых значений с учетом разной прозрачности тканей у педиатрических и взрослых аналогов.
- Практическое ограничение: текущая реализация требует взаимодействия с пользователем для адаптивного картирования экспозиции, что ограничивает пропускную способность до внедрения полной автоматизации.
