Summary
نحن نعمل على تطوير تقنية ديناميكية التكيف التعرض لدينا المسح باستخدام أشعة السينية الرقمية النظام. بدلا من تعريض كائن موحد ، هو تكييف التعرض اعتمادا على غموض الكائن. هنا نعرض تجربة على مجسم الوهمية التي أسفرت عن إنقاذ 30 ٪ من الجرعة.
Abstract
وتستخدم الأشعة السينية على نطاق واسع لتوجيه فلووروسكبي الصورة أثناء تدخل القلب. ومع ذلك ، يمكن جرعة الاشعاع في هذه الإجراءات أن تكون عالية ، وهذا هو مصدر قلق كبير ، لا سيما في التطبيقات الخاصة بالأطفال. إجراءات طب الأطفال في العام أكثر تعقيدا بكثير من تلك التي أجريت على البالغين ، وبالتالي هي في المتوسط 4-8 مرات أطول 1. وعلاوة على ذلك ، يمكن للأطفال الخضوع تصل إلى 10 إجراءات جهاز أشعة في سن 10 ، وثبت لديهم خطر أعلى ثلاثة أضعاف الإصابة بسرطان قاتل طوال حياتهم من عامة السكان 2،3.
لقد أظهرنا أنه يمكن تخفيض جرعة الاشعاع بشكل ملحوظ في عمليات القلب الكبار باستخدام شعاع لدينا المسح بالأشعة السينية الرقمية (SBDX) نظام 4 -- نظام التصوير جهاز أشعة أن توظف الهندسة العكسية التصوير 5،6 (الشكل 1 ، وفيلم 1 الشكل 2). بدلا من بقعة واحدة وتنسيق موسعة للكشف عن استخدامها كما هو الحال في النظم التقليدية ، ونهجنا تستخدم موسع للأشعة السينية مصدر التنسيق مع بقع متعددة تركز على كشف الصغيرة. لدينا مصدر للأشعة السينية وتتألف من شعاع الالكترون المسح نورانية بالتسلسل حتى 9000 نقطة بؤرية المواقف. كل بقعة تنسيق المشاريع على جزء صغير من حجم التصوير على كاشف. على النقيض من النظام التقليدي حيث يتوقع مباشرة على الصورة النهائية للكشف عن وSBDX يستخدم خوارزمية مخصصة لإعادة بناء الصورة النهائية من الصور للكشف عن 9000.
لتطبيقات للأطفال ، ومن المتوقع تحقيق وفورات الجرعة مع نظام SBDX أن يكون أصغر مما كان عليه في إجراءات الكبار. ومع ذلك ، فإن النظام يسمح لتحقيق وفورات SBDX جرعة إضافية من خلال تنفيذ الكتروني تقنية التعرض التكيفية. المفتاح إلى هذا الأسلوب هو الأسلوب شعاع المسح المتعدد للنظام SBDX : بدلا من تعريض كل جزء من الصورة مع جرعة الاشعاع نفسه ، فإننا يمكن أن تختلف بشكل حيوي التعرض اعتمادا على غموض هذه المنطقة عرضة للخطر. ولذلك ، فإننا يمكن أن تقلل بشكل كبير من التعرض في المناطق شعاعيا والحفاظ على التعرض في مناطق أكثر غموضا. في تنفيذنا الحالي ، تعرض على التكيف يتطلب تفاعل المستخدم (الشكل 3). ومع ذلك ، في المستقبل ، وسوف تعرض على التكيف يكون الوقت الحقيقي ، وأوتوماتيكية بالكامل.
لقد أجرينا التجارب الوهمية مع مجسم وبالمقارنة مع قياس الجرعات الإشعاعية ، ودون التعرض للتكيف لاستعمال منتوج منطقة الجرعة (DAP) متر. في التجربة المعروضة هنا ، نجد تخفيض جرعة من 30 ٪.
Protocol
1. إعداد النظام
- تأسيس لصورة شبحية في isocenter (أي 40 سم من ميزاء).
- انشاء عداد لقياس DAP الأشعة السينية جرعة امام ميزاء (الشكل 4).
- السلطة على النظام SBDX.
- تحديد وضع نظام التشغيل. نحن نستخدم حاليا 7 "مجال الرؤية (FOV) مع معدل الإطار 15FPS. يتم تعيين ذروة مصدر الأشعة السينية ل80kVp الجهد في السلطة 9kW مصدر الأشعة السينية.
2. الحصول على البيانات
- بدء الحصول على البيانات من الكمبيوتر التحكم. خلال الحصول على البيانات ، يتم حفظ الصور في ذاكرة كاشف النظام. الخطوات التالية تحدث في نظام SBDX :
- شعاع الالكترون بمسح كل موقف نقطة بؤرية بالتسلسل بطريقة النقطية (الشكل 5).
- شعاع الالكترون يضرب الهدف نقل ويولد الأشعة السينية (الفيلم 2).
- في كل موقف نقطة بؤرية ، والأشعة السينية للكشف عن الفوتونات تضيء باستخدام ميزاء التركيز ، وبالتالي إسقاط جزء صغير من حجم التصوير على كاشف.
- لكل موقف نقطة بؤرية ، وكاشف يخلق صورة واحدة للكشف ، والتي يتم تخزينها مباشرة في ذاكرة النظام.
- وضع عملية مختارة من 7 ''15FPS يوفر 71x71 النقاط البؤرية. هو موقف كل بقعة مضيئة لتنسيق ما مجموعه 8 ميكرو ثانية. ولا بد من كسر الوقت التعرض زيادات تصل الى 1 ميكرو ثانية بسبب القيود الحرارية للهدف الأشعة السينية. وبالتالي ، فإن شعاع الضوء على هدف في كل موقف نقطة بؤرية لل1 ميكرو ثانية وينتقل إلى موقف نقطة بؤرية المقبل. في وقت لاحق ، هو إعادة النظر في كل بقعة التنسيق لاستكمال التعرض مايكروثانية 8. كما يتم إنشاء صورة واحدة للكشف عن كل بقعة الإضاءة المحورية ، وهناك ما مجموعه 40328 كاشف الصور التي يتم الحصول عليها وتخزينها في الذاكرة في حوالي 60ms.
3. صورة إعادة الإعمار
- وهذا بحد ذاته SBDX نظام tomosynthesis ، كما هو مضيئة الكائن تحت زوايا مختلفة من المصدر. ويمكن بناؤها داخل الطائرة أي حجم التصوير الواقعة بين ميزاء وكاشف. الخطوات التالية لتوضيح كيف يتم بناؤها من الصور الجزئية في الطائرات الفردية ، أو في صورة مركب أو طائرة المحدد. سيكون في الخطوات السريرية أن يؤديها النظام SBDX 3،2-3،4 في الوقت الحقيقي.
- حدد المعلمات التعمير الصورة على جهاز محاكاة إعادة الإعمار.
- تشغيل خوارزمية إعادة إنشاء الصور. خلال إعادة الإعمار صورة الخوارزمية بتنفيذ الخطوات التالية :
- قراءة كل صورة كاشف الفردية.
- مقياس للكشف عن الصور لتتناسب مع حجم الطائرة لإعادة بناء.
- تحويل الصور وفقا لاتصالها بقعة موقع مصدر وإضافتها إلى الطائرة إعادة الإعمار (الفيلم 3).
- تكرار الماضي خطوتين لكل موقع نقطة بؤرية.
- تنفيذ معالجة تصفية آخر لإزالة نمط التي أوجدتها عملية التحول.
- في هذه النقطة ، يتم بناؤها طائرة واحدة (الشكل 6) ، وتشريح هدفنا واضح.
- إذا طلبت ، تشغيل الخوارزمية لخلق صورة الطائرة المحدد. الخوارزمية بتنفيذ الخطوات التالية :
- وتتكرر نقطة ل3.2.1 3.2.6 لإنشاء 32 طائرات اللازمة للصورة الطائرة المحدد. الطائرات عادة ما يكون لها من التباعد 0.5 ملم (4 الفيلم ، والفيلم الشكل 7 5).
- لكل جزء من الصورة ، يتم تحديد الطائرة التي تحتوي على الكائن في التركيز على أن تكون جزءا من صورة طائرة النهائي المحدد (الشكل (8) والفيلم 6).
- إذا لزم الأمر ، إعادة شبح لوضع القلب في مركز مجال الرؤية.
- تنفيذ الخطوة 2،1-3،3 حتى يتم وضعها بشكل صحيح الوهمية داخل مجال الرؤية.
- تسجيل المنتج منطقة جرعة من متر DAP لهذه الصورة غير التعادل.
4. ملف جديد لعملية وضع جيل التعرض التكيفية
- تحميل الصور كاشف المكتسبة سابقا في جهاز محاكاة التعرض التكيفية.
- حدد خوارزمية التعرض التكيف المعلمات.
- تشغيل جهاز محاكاة التعرض التكيفية. جهاز محاكاة بتنفيذ الخطوات التالية :
- يتم تحديد العدد المستهدف من الفوتونات لكل صورة كاشف يستند على عتبة المستخدم المحدد.
- لكل موقف نقطة بؤرية ، يتحدد عدد من الفوتونات في الصورة كاشف. ويتم تجميع الصور التي كشف عن هذا الموقف نقطة بؤرية حتى يتم التوصل إما العدد المستهدف من الفوتونات أو الحد الأقصى من ثمانية rescans الشكل (9).
- ونتيجة لذلك نحصل على خريطة إعادة تفحص تفاصيل عن عدد المرات هو موقف كل بقعة مضيئة التنسيق (شكل 10).
- يتم دمج الخريطة مع عملية إعادة تفحص ملف الوضع الذي يستخدم لتشغيل نظام SBDX.
5. وتعادل صورة اكتساب
- تحميل وضع عملية تحديث الملف إلىSBDX النظام.
- بدء الحصول على البيانات من الكمبيوتر التحكم. يتم تنفيذ الحصول على البيانات كما هو مفصل في ل2.1.1 2.1.5. على النقيض من اقتناء السابقة ، يتم تشغيل شعاع الأشعة السينية أو إيقاف تشغيله في مواقف نقطة بؤرية وفقا لإعادة تفحص الخريطة لدينا. ومجموع عدد أصغر من إضاءات في اقتناء القياسية ، يتم تقليل جرعة الأشعة السينية.
- تسجيل المنتج منطقة جرعة تقاس متر DAP.
- تشغيل خوارزمية إعادة الإعمار الصورة على البيانات التي حصل عليها حديثا التعادل على النحو المفصل في 3،2-3،4.
- يتم عرض الصورة أعيد بناؤها التعادل (الشكل 11).
6. تحليل البيانات
- مقارنة قياس جرعة للصور غير التعادل والصور التعادل.
- ملاحظة الفرق بين الصور التي أعيد بناؤها وغير التعادل التعادل.
7. ممثل النتائج :
الرقم (8) والرقم 11 تظهر المقارنة بين صورة وصورة معيار التعادل. قياسات الجرعة مع متر DAP يبرهن على وجود جرعة من توفير 30 ٪ في صورة التعادل باستخدام قناع إعادة تفحص مبين في الشكل 10.
بالإضافة إلى ذلك ، تكافؤ هو وسيلة فعالة جدا لضغط مجموعة ديناميكية ، وإعطاء مظهر أكثر متعة من الصورة دون الحاجة لتجهيز آخر.
كما هو مبين ، يمكن استخدام معادلة الترشيح لحفظ الجرعة. ومع ذلك ، يمكن أيضا معادلة يمكن استخدامها لتحسين جودة الصورة من خلال مطابقة جرعة الاشعاع في صورة غير التعادل عن طريق زيادة مصادر الطاقة. بهذه الطريقة ، والمناطق المظلمة من صورة تلقي المزيد من الفوتونات ، مما أدى إلى تخفيض الضوضاء الصورة.
الشكل 1. النظام التقليدي فلووروسكبي ألف النظام التقليدي لديه بقعة واحدة محورية الأشعة السينية للكشف عن المصدر ومنطقة واسعة. يتم وضع المريض على مقربة من كاشف.
الشكل 2. SBDX النظام. SBDX النظام يعمل في الهندسة العكسية. شعاع المسح الكبير للأشعة السينية للكشف عن مصدر يضيء مساحة صغيرة. يتم وضع المريض بعيدا عن كاشف.
الشكل 3. الرسم البياني للحصول على البيانات. 1) يكتسب صورة غير التعادل للالوهمية. 2) يتم استخراج البيانات من مجموعة من الأقراص. 3) التعرض الخوارزمية على التكيف تأخذ هذه البيانات كمدخلات لإنشاء التعرض أو إعادة تفحص قناع. 4) يتم الجمع بين القناع إعادة تفحص مع وضع التشغيل الأصلي في مصدر الكمبيوتر التحكم. 5) يتم الحصول على صورة من شبح التعادل نفسه وتخزينها في الصفيف القرص. 6) يتم استخراج غير التعادل وتعادل مجموعات البيانات من الصفيف القرص ، وبرنامج اعادة الاعمار صورة يعيد الطائرات المختلفة لكل مجموعة البيانات. 7) كل الصور هي الإخراج من برنامج اعادة الاعمار. 8) يتم عرض كل من الصور.
الشكل 4. يتم وضع برنامج إعداد النظام. شبح على طاولة المريض في isocenter بين مصدر الأشعة السينية للكشف عن و. يتم وضع المنتج منطقة متر بين جرعة الأشعة السينية المصدر والوهمية.
الشكل 5. مصدر الأشعة السينية يتم توليد شعاع الإلكترون الإلكترون عن طريق البندقية ويفحص كل ثقب من ميزاء بطريقة النقطية. بدءا من جانب واحد من ميزاء ، شعاع يفحص كل ثقب بالتسلسل. في نهاية الصف ، يتم تشغيل وإيقاف شعاع المتمركزة في بداية الصف التالي ، وبدأت عملية المسح لهذا الصف. بهذه الطريقة شعاع الالكترون بمسح ميزاء بأكمله ، يتم فحص 71 بنسبة 71 الثقوب ثماني مرات في 60ms تقريبا.
الشكل 6. صورة مجددة القياسية. أعيد بناؤها من الصور الوهمية لدينا عرض مجسم القلب مع الشرايين التاجية ميودن. لقد التقطت الصورة في FOV ''7 و 15FPS ، وأعيد بناؤها في طائرة واحدة من الهدف 45cm الأشعة السينية.
الشكل 7. طائرة متعددة إعادة الإعمار. تمثيل طائرات مختلفة بناؤها بين ميزاء وكاشف لل. المخاريط الزرقاء توضح كيفية backprojected الصور للكشف عن الطائرات في إعادة الإعمار.
الشكل 8. طائرة مختارة الصورة. هذه الصورة هي تركيبة من 32 طائرة. على النقيض من الشكل (6) ، لا مكان فيها إلا للسفن على selecteد الطائرة هي في التركيز ، كل التركيز في السفينة.
الرقم 9. خطوات الترشيح تكافؤ وكما هو تفحص ميزاء (أعلى) ، وكاشف يحصل على نسبة الاعتماد متفاوتة اعتمادا على غموض الكائن (القاع). يتم فحص كل ثقب ميزاء تصل إلى ثماني مرات (ثمانية rescans). على إعادة تفحص أولا ، هي مضيئة النقاط البؤرية بالتتابع على التوالي ، بدءا من اليسار ، ويتم قياس تدفق لكل حفرة. على إعادة تفحص المقبل ، يتم تكرار إنارة ابتداء من بداية الصف. من أجل كل نقطة بؤرية ، تضاف التهم الى القيمة السابقة. إذا كان العدد الإجمالي للتهم يتجاوز عتبة تعيين في السابق ، لن يكون هذا الثقب مضيئة على إعادة تفحص التالية. في التنفيذ الحالي يتم تنفيذ هذه العملية حاليا ، ويؤدي إلى خلق قناع إعادة تفحص هذا لاحقا وسوف تستخدم للحصول على صورة التعادل.
الرقم 10. إعادة تفحص الخريطة التي تم إنشاؤها بواسطة خوارزمية الترشيح تكافؤ كل بكسل من هذه الصورة تمثل واحدة من نقطة بؤرية ميزاء. ولذلك كانت الصورة 71x71 بكسل. مستوى الرمادية من كل بكسل يمثل عدد لإعادة تفحص تلك البقعة المحورية من الصفر (أسود) إلى ثمانية (بيضاء). نلاحظ أنه في الجزء الأيمن من الصورة ، وعدد من إعادة تفحص منخفضة جدا. ونتيجة لذلك ، وسوف يضاء كل من هذه النقاط المحورية مرة واحدة فقط أو مرتين. هذه المنطقة يناظر الرئة منطقة ميدان صورتنا بناؤها (الشكل 6) ، حيث هو مشبع تقريبا صورة بسبب امتصاص الأشعة السينية المنخفضة لهذه المنطقة.
الرقم 11. صورة مختارة الطائرة التعادل. هذه الصورة هي ناتج الخوارزمية إعادة الإعمار بعد التعرض التكيفية. وقد اكتسبت هذه الصورة مع وضع التشغيل نفسه (7) "15FPS كصورة قياسية (الشكل 8) ، ولكن مع تعرض على التكيف على أساس تمكين قناع تفحص الرقم 10 ، والصورة أكثر تجانسا من حيث الكثافة ، وبالتالي السفن تظهر في أعلى النقيض من ذلك ، ولا سيما في المناطق المظلمة وعلى الجانب الأيمن من الصورة ، لم يعد هناك تشبع في مجال الرئة.
الفيلم 1. الرسوم المتحركة لنظام SBDX. SBDX النظام يعمل في الهندسة العكسية. شعاع المسح الكبير للأشعة السينية للكشف عن مصدر يضيء مساحة صغيرة. يتم وضع المريض بعيدا عن كاشف. انقر هنا لمشاهدة الفيلم.
الفيلم 2. الأشعة السينية جيل ، وفي كل بقعة بؤرية ، شعاع الالكترون يضرب الهدف التنغستن وتتولد الأشعة السينية. ويركز ميزاء شعاع الأشعة السينية للكشف عن اتجاه. انقر هنا لمشاهدة الفيلم.
فيلم 3. الصور المتحركة إعادة الإعمار ، وهذا يمثل الحركة في عملية إعادة بناء الصورة النهائية باستخدام الصور كاشف. من أجل كل نقطة بؤرية للميزاء (أسفل اليسار) ، ومن المتوقع الكشف عن الصورة المطابقة (أعلى اليسار) على الطائرة لإعادة بناء (يمين). في هذه الرسوم المتحركة التي نمثلها ثلاث طائرات التي يجري بناؤها على مسافات مختلفة من مصدر الأشعة السينية. انقر هنا لمشاهدة الفيلم.
الفيلم 4. اختيار الطائرة. SBDX النظام هو نظام التصوير tomosynthesis. يمكن اختيار الطائرة من أجل إعادة بنائها وتصور من قبل المستخدم. انقر هنا لمشاهدة الفيلم.
الفيلم 5. إعادة طائرة متعددة للرسوم المتحركة ، وهذا الفيديو يظهر طائرات مختلفة في زيادة المسافة من ميزاء. ولا سيما ، في الشرايين التاجية ميودن الدخول والخروج من التركيز اعتمادا على مواقعها الفعلية. انقر هنا لمشاهدة الفيلم.
فيلم 6. 3D طائرة مختارة الرسوم المتحركة. التصور 3D طائرات التنسيق إعادة بنائها. ونقلت طائرات التنسيق أكثر مع زيادة العمق. انقر هنا لمشاهدة الفيلم.
Discussion
علينا أن نظهر أن الوفورات جرعة ممكنة تستخدم تقنية تكافؤ. في هذه الورقة نعرض فقط كيفية تطبيق أسلوبنا ، ودون مناقشة الآثار المترتبة على جودة الصورة. ومع ذلك ، فمن المهم أن نلاحظ أن هدفنا هو الحفاظ على الهدف إشارة إلى نسبة الضوضاء في الصور التعادل. الافتراض الأساسي هو أنه في الصور غير وتعادل ، في إشارة إلى نسبة الضوضاء إلى حد كبير من المنظمات غير موحدة. على وجه الخصوص ، مجالات مثل مجال مشرق الرئة يحمل أعلى نسبة إشارة إلى الضوضاء مما هو ضروري لتنفيذ المهمة التشخيص. معادلة تسمح لنا أدنى إشارة إلى نسبة الضوضاء في هذه المجالات والحفاظ على إشارة إلى نسب الضوضاء في المناطق الداكنة من الصورة. ونحن حاليا دراسات لقياس أداء الضوضاء للتحقق من صحة نهجنا. النتائج الاولية تظهر ان جرعة وفورات في حدود 30 ٪ قابلة للتحقيق في إشارة إلى ما يعادل نسبة الضوضاء في المناطق المظلمة من الصورة 7 ، 8.
وقد تم التعرف على إمكانات الترشيح تكافؤ في الأدبيات العلمية لسنوات عديدة. تشارك تطبيقات ومع ذلك ، حتى الآن عن نشر مصاريع ميكانيكية أو المرشحات ، وتعوق بشكل كبير في جدوى هذا النهج 9،10. هنا نظهر يمكن أن تستند على نهج تكافؤ إلكترونية بالكامل ، والتغلب على المشاكل مع تطبيقات الميكانيكية.
في النظام SBDX السريرية ، سيتم تنفيذ معظم الخطوات المقدمة هنا في الأجهزة وسوف يتم تنفيذها في الوقت الحقيقي خلال الحصول على البيانات. سوف الخوارزمية تكافؤ تشغيل في الوقت الحقيقي ، وسيتم التعادل الصورة المعروضة افتراضيا. سوف الخوارزمية التكيف حيوي المعلمات وفقا لهذا الموضوع يجري تصويره ، على اقتراح من هذا الموضوع ، والموقف العملاقة المتغيرة. علينا الاستمرار في تحسين أنظمتنا ، ومواصلة تطوير اسلوبنا سيكون ضروريا من أجل تسهيل تنفيذ في الوقت الحقيقي.
Disclosures
الكتاب والعاملين في تكنولوجيا الطوق الثلاثي الذين ينتجون الأداة المستخدمة في هذه المقالة.
Acknowledgments
فإن الكتاب أود أن أشكر آن المنوم ، Nishihara كيث ، وبريان Wilfley من تقنيات الطوق الثلاثي لمساهمتهم في هذا المشروع. ويتم تمويل هذا العمل من قبل المعاهد الوطنية للصحة تحدي المنح 5RC1HL100436 - 0.
References
- Martinez, L. C., Vano, E., Gutierrez, F., Rodriguez, C., Gilarranz, R., Manzanas, M. J. Patient doses from fluoroscopically guided cardiac procedures in pediatrics. Phys Med Biol. 52, 4749-4759 (2007).
- Strauss, K. J. Pediatric interventional radiography equipment: safety considerations. Pediatr Radiol. 36, 126-135 (2006).
- Preston, D. L., Cullings, H., Suyama, A., Funamoto, S., Nishi, N., Soda, M. Solid cancer incidence in atomic bomb survivors exposed in utero or as young children. J Natl Cancer Inst. 100, 428-436 (2008).
- Wolff, M., Keevil, J., Speidel, M., Wilfey, M., Wilfley, B., Star-Lack, J. Pilot study with a scanning-beam digital x-ray system. Am J Cardiol. 94, (2004).
- Speidel, M. A., Wilfley, B. P., Star-Lack, J. M., Heanue, J. A., Betts, T. D., VanLysel, M. S. Comparison of entrance exposure and signal-to-noise ratio between an SBDX prototype and a wide-beam cardiac angiographic system. Med Phys. 33, 2728-2743 (2006).
- Speidel, M. A., Wilfley, B. P., Star-Lack, J. M., Heanue, J. A., VanLysel, M. S. Scanning-beam digital x-ray (SBDX) technology for interventional and diagnostic cardiac angiography. Med Phys. 33, 2714-2727 (2006).
- Funk, T., Burion, S., Bechtel, K. L., Solomon, E. G. X-ray dose reduction by adaptive source equalization and electronic region-of-interest control. , SPIE Medical Imaging. Orlando. (2011).
- Burion, S., Bechtel, K. L., Lowell, A. P., Heanue, J. A., Solomon, E. G., Funk, T. Real-time equalization filtration: dose savings with region-based exposure control using a scanning-beam X-ray source. Radiological Society of North America's 96th Scientific Assembly and Annual Meeting, Chicago, , (2010).
- Boone, J. M., Duryea, J., Moore, E. H. Filter wheel equalization in chest radiography: demonstration with a prototype system. Radiology. 196, 845-850 (1995).
- Vlasbloem, H., Kool, L. J. AMBER: a scanning multiple-beam equalization system for chest radiography. Radiology. 169, 29-34 (1988).
