קרני ה-X באמצעות הפחתת מינון חשיפה מסתגלת בתחום ההדמיה fluoroscopic

Summary

אנחנו מפתחים טכניקה דינמי חשיפה אדפטיבית באמצעות סריקה קרן שלנו דיגיטלי רנטגן המערכת. במקום לחשוף את אובייקט אחיד, החשיפה מותאם בהתאם אטימות של האובייקט. כאן אנו מציגים ניסוי רפאים אנתרופומורפי שהביאו להצלת מנה של 30%.

Abstract

רנטגן fluoroscopy נעשה שימוש נרחב במהלך התערבות לב להדרכה התמונה. עם זאת, מינון הקרינה נהלים אלה יכולה להיות גבוהה, וזה חשש משמעותי, במיוחד ביישומים ילדים. נהלים לרפואת ילדים הם בדרך כלל הרבה יותר מורכב מאשר אלה של מבוגרים ולכן הם בממוצע 4-8 פעמים יותר ^1. יתר על כן, הילדים יכולים לעבור עד 10 הליכי fluoroscopic עד גיל 10, הוכחו נמצאים בסיכון גבוה פי שלושה לפתח סרטן קטלני לאורך כל החיים שלהם מאשר באוכלוסיה הכללית ^2,3.

הראינו כי מינון הקרינה ניתן לצמצם באופן משמעותי באמצעות סריקה קרן שלנו רנטגן דיגיטלי (SBDX) מערכת ⁴ בנהלים לב מבוגר - מערכת הדמיה fluoroscopic המעסיקה הגיאומטריה הדמיה הפוך ^5,6 (איור 1, סרט 1 ו איור 2). במקום נקודה מרכזית אחת גלאי המורחבת לשמש במערכות קונבנציונליות, הגישה שלנו מנצל מקור המורחבת רנטגן עם כתמים מוקד מרובים התמקדו גלאי קטן. מקור קרני ה-X שלנו מורכב אלומת אלקטרונים סורק ברצף ומאיר עד 9,000 עמדות במקום מוקד. כל נקודה מוקד פרויקטים חלק קטן נפח הדמיה על הגלאי. בניגוד לשיטה המקובלת שבה התמונה הסופית צפויה ישירות על הגלאי, SBDX משתמשת באלגוריתם ייעודי לשחזר את התמונה הסופית של 9000 תמונות גלאי.

עבור יישומים ילדים, חיסכון מנה עם מערכת SBDX צפויים להיות קטנים יותר מאשר בנהלים מבוגר. עם זאת, מערכת SBDX מאפשר חיסכון מנה נוספת על ידי יישום טכניקה אלקטרוניים חשיפה אדפטיבית. מפתח שיטה זו היא הטכניקה רב קרן סריקה של המערכת SBDX: במקום לחשוף כל חלק של התמונה עם מינון הקרינה אותו, אנחנו יכולים להשתנות באופן דינמי את החשיפה בהתאם אטימות של האזור חשוף. לכן, אנחנו יכולים להפחית באופן משמעותי את החשיפה באזורים radiolucent ולשמור על חשיפה באזורים יותר אטום. ביישום הנוכחי שלנו, החשיפה אדפטיבית דורש אינטראקציה עם המשתמש (איור 3). עם זאת, בעתיד, החשיפה אדפטיבית יהיה בזמן אמת אוטומטי מלא.

ביצענו ניסויים עם רפאים אנתרופומורפי והשוו נמדדת הקרינה עם או בלי חשיפה אדפטיבית באמצעות אזור מנה מוצר (DAP) מטר. בניסוי המוצג כאן, אנו מוצאים ירידה במינון של 30%.

Protocol

1. מערכת ההתקנה

1. הגדרת רפאים לתמונה ב isocenter (כלומר 40 ס"מ collimator).
2. הגדרת Meter DAP למדוד רנטגן במינון מול collimator (איור 4).
3. כוח על מערכת SBDX.
4. בחר את מצב מערכת ההפעלה. כרגע אנחנו באמצעות 7 "שדה הראייה (FOV) עם מסגרת בשיעור של 15fps. רנטגן שיא מתח מקור מוגדר 80kVp בהספק רנטגן מקור 9kW.

2. נתונים רכישה

1. התחל רכישת נתונים מהמחשב שליטה. במהלך רכישת נתונים, תמונות גלאי נשמרות בזיכרון המערכת. השלבים הבאים מתקיימים במערכת SBDX:
   1. אלומת אלקטרונים סורק כל עמדה במקום מוקד ברצף באופן סריקה (איור 5).
   2. אלומת אלקטרונים פוגעת היעד שידור ומייצר קרני ה-X (סרט 2).
   3. במיקום כל נקודה מוקד, רנטגן פוטונים להאיר את גלאי באמצעות התמקדות collimator, ובכך מקרין חלק קטן נפח הדמיה על הגלאי.
   4. לכל תפקיד במקום מוקד, הגלאי יוצר תמונה אחת גלאי, אשר מאוחסן ישירות בזיכרון המערכת.
   5. מצב הפעולה הנבחר של 7''15fps מספק 71x71 נקודות המוקד. עמדת כל נקודה מוקד מואר עבור סכום כולל של 8 μs. זמן החשיפה צריך להיות התפרקה 1 במרווחים μs בגלל המגבלות התרמיות של יעד ה-X. לפיכך, קרן מאיר את המטרה במיקום כל נקודה מוקד 1 μs ועובר לתפקיד במקום הבא המוקד. בשלב מאוחר יותר, כל מקום הוא מוקד וביקרה כדי להשלים את החשיפה 8 μs. בתור אחד תמונת גלאי נוצר עבור כל ספוט תאורה מוקד, יש סך של 40,328 תמונות גלאי כי נרכשים ומאוחסנים לתוך הזיכרון על 60ms.

3. שחזור תמונה

1. SBDX היא במהותה מערכת tomosynthesis, כמו את האובייקט מואר תחת מזוויות שונות מהמקור. מטוס בתוך כל נפח הדמיה הממוקם בין collimator ו גלאי ניתן לשחזר. השלבים הבאים מדגימים כיצד התמונות חלקיים מחדש לתוך מטוסים בודדים, או לתמונה הנבחרת מורכב או מטוס. בשלבים קליניים SBDX מערכת 3.2-3.4 יבוצע בזמן אמת.
2. בחר את הפרמטרים של התמונה על שחזור סימולטור השיקום.
3. הפעל את אלגוריתם שחזור התמונה. במהלך שחזור תמונה האלגוריתם מבצע את הפעולות הבאות:
   1. קרא את כל התמונה גלאי בודדים.
   2. סולם תמונות גלאי כדי להתאים את קנה המידה של המטוס לשחזר.
   3. Shift את התמונות על פי מיקומן מוקד מקור נקודה ולהוסיף אותם המטוס שחזור (סרט 3).
   4. חזור על שני הצעדים האחרונים, עבור כל מיקום נקודה מרכזית.
   5. בצעו עיבוד פוסט סינון להסיר את דפוס הפעולה שיצרו את השינוי.
   6. בשלב זה, מטוס אחד הוא משוחזר (איור 6), וכן את האנטומיה של האובייקט שלנו גלוי.
4. אם ביקש, הפעל את האלגוריתם כדי ליצור תמונת המטוס שנבחר. האלגוריתם מבצע את הפעולות הבאות:
   1. נקודת 3.2.1 עד 3.2.6 חוזרים כדי ליצור את 32 המטוסים הדרוש תמונת המטוס שנבחר. המטוסים בדרך כלל יש מרווח של 0.5 מ"מ (סרט 4, איור 7 ואת סרט 5).
   2. עבור כל חלק של התמונה, המטוס המכיל את האובייקט בפוקוס נבחרה להיות חלק מהתמונה את המטוס האחרון שנבחר (איור 8 ו סרט 6).
5. במידת הצורך, לשנות את מיקום רפאים למקום לב במרכז שדה הראייה.
6. בצע צעד 2.1-3.3 עד רפאים ממוקם כראוי בתוך שדה הראייה.
7. הקלט את אזור מנה המוצר מטר DAP לתמונה זו אי - שוויון.

4. מבצע חדש מצב קובץ דור לחשיפה אדפטיבית

1. טען את התמונות גלאי רכשה בעבר לתוך סימולטור חשיפה אדפטיבית.
2. בחר את הפרמטרים אלגוריתם אדפטיבי חשיפה.
3. הפעל את הסימולטור חשיפה אדפטיבית. סימולטור מבצעת את הפעולות הבאות:
   1. מספר היעד של פוטונים לכל תמונה גלאי נקבע בהתבסס על הסף את המשתמש הנבחר.
   2. לכל תפקיד במקום מוקד, מספר של פוטונים בתמונה גלאי נקבע. התמונות גלאי ממצב זה המקום מוקד נצברים עד או את מספר היעד של פוטונים, או לכל היותר שמונה rescans הוא הגיע (איור 9).
   3. כתוצאה מכך אנו מקבלים מפה המפרטת לסרוק מחדש כמה פעמים בכל עמדה במקום מוקד מואר (איור 10).
   4. המפה לסרוק מחדש היא התמזגה עם קובץ המבצע מצב שבו נעשה שימוש כדי להפעיל את מערכת SBDX.

5. תמונה השווה רכישה

1. טען במצב מעודכן קובץ הפעולה לתוךSBDX המערכת.
2. התחל רכישת נתונים מהמחשב שליטה. רכישת נתונים מבוצע כמפורט 2.1.1 עד 2.1.5. בניגוד הרכישה הקודמת, קרן הרנטגן הוא מופעל או כבוי על העמדות במקום מוקדי פי המפה שלנו לסרוק מחדש. כאשר המספר הכולל של הארות הוא קטן יותר מאשר ברכישה רגילה, במינון רנטגן מופחת.
3. רשום את המוצר לאזור מנה נמדדת על ידי מד DAP.
4. הפעל את שחזור תמונה אלגוריתם על נתוני השווה החדשים שנרכשו כמפורט 3.2-3.4.
5. התמונה השווה משוחזר (איור 11) מוצג.

6. ניתוח נתונים

1. השווה את המינון שנמדד לתמונות הלא השווה ותמונות השווה.
2. שימו לב את ההבדל בין תמונות משוחזר השווה ולא השווה.

7. נציג התוצאות:

איור 8 ואיור 11 להראות השוואה בין תמונה רגילה תמונה השווה. מדידות מנה עם מד DAP להפגין חיסכון במינון של 30% בתמונה השווה באמצעות מסכה לסרוק מחדש באיור 10.

בנוסף, ההשוואה היא דרך יעילה מאוד לדחוס טווח דינמי, נותן מראה יותר נעים של התמונה ללא צורך שלאחר עיבוד.

כפי שניתן לראות, סינון השוואת ניתן להשתמש כדי לחסוך מנה. עם זאת, השוואת יכול לשמש גם כדי לשפר את איכות התמונה על ידי התאמת מינון הקרינה את התמונה הלא השווה ידי הגדלת כוח המקור. בדרך זו, האזורים הכהים של התמונה לקבל פוטונים יותר, וכתוצאה מכך התמונה רעש מופחת.

באיור 1. מערכת fluoroscopy קונבנציונלי. מערכת הקונבנציונלית יש נקודה מרכזית אחת רנטגן המקור גלאי שטח גדול. החולה ממוקם קרוב הגלאי.

איור 2. מערכת SBDX. המערכת פועלת SBDX בגיאומטריה הפוך. סריקה גדול קרן רנטגן מקור מאיר גלאי שטח קטן. החולה ממוקם רחוק מן הגלאי.

איור 3. תרשים זרימה של רכישת נתונים. 1) תמונה של אי - שוויון הפנטום נרכש. 2) הנתונים מופק מערך הדיסק. 3) האלגוריתם חשיפה הסתגלות לוקח את הנתונים כקלט ליצור חשיפה או מסכה לסרוק מחדש. 4) מסכת לסרוק מחדש בשילוב עם מצב ההפעלה המקורית של המחשב מלאה למקור. 5) תמונה השווה של הפנטום אותו היא רכשה ומאוחסנים לתוך מערך את הדיסק. 6) קובע אי - שוויון ועל להשוות נתונים המחולצים מערך הדיסק, ואת תוכנת שחזור תמונה משחזר את המטוסים השונים של כל ערכת נתונים. 7) תמונות שניהם את הפלט של התוכנה מחדש. 8) תמונות הן מוצגות.

איור 4. הגדרת המערכת. רפאים ממוקם על שולחן המטופל isocenter בין מקור קרני ה-X לבין הגלאי. אזור מנה מטר מוצר ממוקם בין מקור קרני ה-X ו - רפאים.

איור 5. רנטגן המקור. אלומת אלקטרונים נוצרת על ידי אלקטרון האקדח וסריקות כל חור של collimator באופן raster. החל מ בצד אחד של collimator, קרן סורקת כל חור ברצף. בסוף השורה, הקורה כבוי ממוקם בתחילת השורה הבאה, את הסריקה מופעל עבור שורה זו. בדרך זו אלומת אלקטרונים סורק את collimator כולו, 71 על ידי 71 חורים נסרקים שמונה פעמים בערך 60ms.

איור 6. התמונה המשוחזרת רגיל. תמונה של שחזור רפאים אנתרופומורפי שלנו מציג את הלב עם עורקים כליליים iodinated. התמונה צולמה ב 7''FOV ו 15fps, ומטוס יחיד 45cm מהיעד רנטגן היה משוחזר.

איור 7. Multi-המטוס. שיחזור ייצוג המטוסים משוחזר שונה בין collimator לבין גלאי. קונוסים כחול להמחיש כיצד התמונות גלאי הם backprojected לתוך המטוסים השיקום.

איור 8. המטוס שנבחר התמונה. תמונה זו קומפוזיציה של 32 מטוסים. בניגוד איור 6, שם רק כלי על selecteמטוס ד הם בפוקוס, כל כלי הוא בפוקוס.

איור 9. סינון לשוויון צעדים. כאשר collimator נסרק (למעלה), גלאי מקבל שיעור לספור משתנה בהתאם אטימות של האובייקט (התחתון). כל חור collimator נסרק עד שמונה פעמים (שמונה rescans). על לסרוק מחדש הראשון, נקודות מוקד מוארים ברצף לאורך השורה, החל שמאל, השטף נמדד עבור כל חור. על לסרוק מחדש הבא, התאורה חוזרת החל בתחילת השורה. עבור כל נקודה מרכזית, סופר את מתווספים הערך הקודם. אם המספר הכולל של סופר עולה על סף שנקבעו קודם, החור הזה לא יהיה מואר על לסרוק מחדש הבאה. ביישום הנוכחי תהליך זה מבוצע מקוון מוביל ליצירת מסכה לסרוק מחדש כי לאחר מכן ישמשו לרכישת תמונה השווה.

איור 10. סריקה מחדש של המפה שנוצר על ידי אלגוריתם הסינון ההשוואה. כל פיקסל של התמונה זה מייצג נקודה אחת מוקד של collimator. התמונה ולכן 71x71 פיקסלים. רמת האפור של כל פיקסל מייצג את מספר לסרוק מחדש את המקום כי מוקד, מאפס (שחור) עד שמונה (לבן). אנו צופים כי מצד ימין של התמונה, מספר לסרוק מחדש היא נמוכה מאוד. כתוצאה מכך, כל אלה כתמים המוקד יהיה מואר רק פעם או פעמיים. אזור זה מתאים באזור הריאות השדה של התמונה המשוחזרת שלנו (איור 6), שם את התמונה רווי כמעט בגלל ספיגת קרני ה-X נמוך של אזור זה.

איור 11. המטוס שנבחר התמונה השווה. תמונה זו הפלט של אלגוריתם שחזור לאחר חשיפה אדפטיבית. תמונה זו נרכשה עם מצב הפעלה שבו 7 "15fps כדימוי הרגיל (איור 8), אך עם חשיפה אדפטיבית מופעל על המסכה סריקה של איור 10. התמונה היא אחידה יותר מבחינת העוצמה, וכתוצאה מכך הכלים להופיע ניגודיות גבוהה יותר, במיוחד באזורים כהים. בצד ימין של התמונה, אין כבר רוויה בתחום הריאות.

סרט 1. אנימציה של מערכת SBDX. SBDX המערכת פועלת הגיאומטריה הפוך. סריקה גדול קרן רנטגן מקור מאיר גלאי שטח קטן. החולה ממוקם רחוק מן הגלאי. לחץ כאן כדי להציג את הסרט.

סרט 2. קרני ה-X דור. בנקודה כל מוקדי, את אלומת אלקטרונים פוגעת היעד טונגסטן קרני ה-X נוצרות. Collimator מתמקד אלומת קרני ה-X לכיוון הגלאי. לחץ כאן כדי להציג את הסרט.

סרט 3. שחזור תמונה ואנימציה. אנימציה זו מייצגת תהליך של שחזור התמונה הסופית באמצעות תמונות גלאי. עבור כל נקודה מוקד של collimator (משמאל למטה), התמונה גלאי המקביל (למעלה משמאל) מוקרנת על המטוס לשחזר (מימין). בשנת אנימציה זה אנו מייצגים שלושה מטוסים נמצאים משוחזר במרחקים שונים ממקור הרנטגן. לחץ כאן כדי להציג את הסרט.

סרט 4. בחירת Plane. מערכת SBDX היא מערכת הדמיה tomosynthesis. המטוס ניתן לשחזר ו דמיינו ניתן לבחור על ידי המשתמש. לחץ כאן כדי להציג את הסרט.

סרט 5. Multi-מטוס אנימציה. וידיאו זה מראה המטוסים שונה משוחזר להגדיל את המרחק בין collimator. יש לציין, העורקים הכליליים iodinated להיכנס ולצאת של המוקד בהתאם למיקום הפיזי שלהם. לחץ כאן כדי להציג את הסרט.

סרט 6. המטוס שנבחר אנימציה 3D. הדמיית 3D של מטוסי מוקד משוחזר. המטוסים מרחק מוזזים יותר עם ​​עומק גוברת. לחץ כאן כדי להציג את הסרט.

Discussion

אנו מראים כי חיסכון מנה אפשריים באמצעות טכניקה השוואה. במאמר זה אנו רק להראות כיצד הטכניקה שלנו מוחל, מבלי לדון השלכות על איכות התמונה. עם זאת, חשוב לציין כי המטרה שלנו היא לשמור על יעד יחס אות לרעש בתמונות השווה. הנחת היסוד היא כי אי שוויון תמונות, יחס אות לרעש היא מאוד לא אחידה. בפרט, אזורים בהירים כמו בתחום הריאות התערוכה אות יחס גבוה יותר רעש ממה שצריך כדי לבצע את המשימה אבחון. השוואת מאפשר לנו להוריד את יחס אות לרעש באזורים אלה וכדי לשמור על יחס אות לרעש באזורים כהים של התמונה. כרגע אנחנו מבצעים מדידה מחקרים רעש כדי לאמת את הגישה שלנו. תוצאות ראשוניות מראות כי החיסכון מנה בסדר גודל של 30% הם ברי השגה על האות המקבילה יחס רעש באזורים הכהים של התמונה ^{7, 8.}

הפוטנציאל של סינון השוואת הוכר בספרות המדעית במשך שנים רבות. מימושים עם זאת, עד כה פורסמו כל המעורבים תריסים מכניים או מסננים, באופן משמעותי את הפגיעה בכלי של גישה זו ^9,10. כאן אנו מראים כי ההשוואה יכול להיות מבוסס על גישה אלקטרונית לחלוטין, להתגבר על בעיות עם יישומים מכניים.

במערכת SBDX קלינית, רוב הצעדים שהוצגו כאן תיושם חומרה יבוצע בזמן אמת במהלך רכישת נתונים. אלגוריתם ההשוואה יפעל בזמן אמת, ואת התמונה המוצגת תהיה להשוות כברירת מחדל. האלגוריתם יהיה דינמי להתאים את הפרמטרים שלו לפי המקצוע להיות צילמו, את התנועה של הנושא, ואת המיקום שינוי gantry. אנו ממשיכים לשפר את האלגוריתם שלנו, פיתוח נוסף של השיטה שלנו יהיה צורך על מנת להקל בזמן אמת לביצוע.