X-ray riduzione della dose in caso di esposizione Adaptive in Imaging fluoroscopici

Summary

Stiamo sviluppando una tecnica di esposizione dinamica adattiva con il nostro raggio di scansione digitale a raggi X di sistema. Invece di esporre un oggetto in modo uniforme, l'esposizione è adattato in funzione l'opacità dell'oggetto. Qui mostriamo un esperimento su un fantoccio antropomorfo che ha portato un risparmio della dose del 30%.

Abstract

Raggi X fluoroscopia è ampiamente utilizzato per l'orientamento dell'immagine durante l'intervento cardiaco. Tuttavia, la dose di radiazioni in queste procedure possono essere elevati, e questo è un problema significativo, in particolare nelle applicazioni pediatriche. Procedure di Pediatria sono in generale molto più complesse di quelle effettuate su adulti e quindi sono in media 4-8 volte più a lungo ^1. Inoltre, i bambini possono subire fino a 10 procedure fluoroscopica, all'età di 10 anni, e hanno dimostrato di avere un triplice rischio maggiore di sviluppare cancro mortale per tutta la vita rispetto alla popolazione generale ^2,3.

Abbiamo dimostrato che la dose di radiazioni può essere ridotto significativamente in adulti procedure cardiache utilizzando il nostro raggio di scansione digitale a raggi X (SBDX) Sistema ⁴ - un sistema di imaging fluoroscopico che si avvale di una geometria inversa di imaging ^5,6 (Figura 1, Movie 1 e Figura 2). Invece di un unico punto focale e un rivelatore esteso come quello usato nei sistemi convenzionali, il nostro approccio utilizza un esteso sorgente di raggi X con più punti focali focalizzata su un rivelatore di piccole dimensioni. La nostra sorgente di raggi X è costituito da un fascio elettronico a scansione in sequenza illuminante fino a 9.000 posizioni macchia focale. Ogni macchia focale progetti di una piccola porzione del volume di imaging sul rivelatore. A differenza di un sistema convenzionale in cui l'immagine finale è direttamente proiettato sul rivelatore, il SBDX utilizza un algoritmo dedicato a ricostruire l'immagine finale dal 9000 immagini rivelatore.

Per le applicazioni pediatriche, risparmio di dose con il sistema SBDX dovrebbero essere inferiori a quelle di procedure adulti. Tuttavia, il sistema consente un risparmio SBDX dose aggiuntiva mediante l'attuazione di una tecnica elettronica esposizione adattiva. La chiave di questo metodo è il multi-beam tecnica di scansione del sistema SBDX: invece di esporre ogni parte dell'immagine con la stessa dose di radiazioni, si può variare dinamicamente l'esposizione a seconda della opacità della regione esposta. Pertanto, siamo in grado di ridurre significativamente l'esposizione in aree radiotrasparente e mantenere l'esposizione nelle regioni più opaca. Nella nostra implementazione attuale, l'esposizione di adattamento richiede l'interazione dell'utente (Figura 3). Tuttavia, in futuro, l'esposizione di adattamento sarà tempo reale e completamente automatico.

Abbiamo effettuato esperimenti con un fantoccio antropomorfo misurato e confrontato dose di radiazioni con e senza esposizione adattiva uso di un prodotto zona dose (DAP) metro. Nell'esperimento qui presentati, troviamo una riduzione della dose del 30%.

Protocol

1. Configurazione del sistema

1. Impostare il fantasma di immagine a all'isocentro (cioè 40 cm dal collimatore).
2. Impostare il multimetro per misurare DAP dose di raggi X di fronte al collimatore (Figura 4).
3. Accendere il sistema SBDX.
4. Selezionare la modalità di funzionamento del sistema. Attualmente stiamo utilizzando un 7 "campo visivo (FOV) con un frame rate di 15fps. X-ray source tensione di picco è impostato su 80kVp 9kW a raggi X fonte di alimentazione.

2. Acquisizione dati

1. Avviare l'acquisizione dei dati dal computer di controllo. Durante l'acquisizione dati, immagini rivelatore vengono salvate nella memoria del sistema. I passi seguenti hanno luogo nel sistema SBDX:
   1. Il fascio di elettroni scandisce ogni posizione focale posto in sequenza in modo raster (Figura 5).
   2. Il fascio di elettroni colpisce il bersaglio di trasmissione e genera raggi X (Movie 2).
   3. Ad ogni posizione macchia focale, a raggi X fotoni illuminare il rivelatore utilizzando un collimatore di messa a fuoco, proiettando così una piccola parte del volume di imaging sul rivelatore.
   4. Per ogni posizione macchia focale, il rivelatore crea una sola immagine rivelatore, che è direttamente memorizzati nella memoria del sistema.
   5. La modalità operativa selezionata di 7''15fps offre 71x71 punti focali. Ogni posizione macchia focale è illuminato per un totale di 8 ms. Il tempo di esposizione deve essere suddiviso in incrementi di 1 ms a causa delle limitazioni termica dei raggi X di destinazione. Così, il raggio illumina il bersaglio a ogni posizione macchia focale per 1 microsecondo e si sposta alla posizione successiva macchia focale. In un secondo momento, ogni punto focale è rivisitato per completare l'esposizione 8 ms. Come un'unica immagine rivelatore è creato per ogni illuminazione macchia focale, ci sono un totale di 40328 immagini rivelatore che vengono acquisiti e memorizzati nella memoria di circa 60ms.

3. Ricostruzione dell'immagine

1. Il SBDX è intrinsecamente un sistema tomosintesi, in quanto l'oggetto viene illuminato sotto diverse angolazioni dalla sorgente. Qualsiasi piano all'interno del volume di imaging trova tra collimatore e del rivelatore può essere ricostruita. I passaggi seguenti illustrano come le immagini parziali sono ricostruite in piani singoli, o in una immagine composita o piano selezionato. Nella clinica passi di un sistema SBDX 3,2-3,4 verrà eseguita in tempo reale.
2. Selezionare i parametri di ricostruzione dell'immagine sul simulatore ricostruzione.
3. Eseguire l'algoritmo di ricostruzione delle immagini. Durante la ricostruzione delle immagini l'algoritmo esegue le seguenti operazioni:
   1. Leggere ogni singola immagine rivelatore.
   2. Scala le immagini del rivelatore, pari alla portata del piano di ricostruzione.
   3. Spostare le immagini in base alla loro posizione focale fonte spot e aggiungerli al piano di ricostruzione (Movie 3).
   4. Ripetere gli ultimi due passaggi per ogni posizione macchia focale.
   5. Eseguire la post-elaborazione di filtraggio per rimuovere il modello creato dalla operazione di spostamento.
   6. A questo punto, un aereo viene ricostruito (Figura 6), e l'anatomia del nostro oggetto è visibile.
4. Se richiesto, eseguire l'algoritmo per creare un'immagine piano selezionato. L'algoritmo esegue le seguenti operazioni:
   1. Punto 3.2.1 a 3.2.6 si ripetono per creare i 32 aerei necessari per l'immagine piano selezionato. Gli aerei di solito hanno una distanza di 0,5 mm (Movie 4, Figura 7 e Movie 5).
   2. Per ogni porzione di immagine, il piano che contiene l'oggetto a fuoco è stato selezionato per far parte del piano immagine finale selezionato (Figura 8 e Movie 6).
5. Se necessario, riposizionare il fantasma di mettere il cuore al centro del campo visivo.
6. Eseguire il passaggio 2,1-3,3 fino a quando il fantasma è posizionato correttamente all'interno del campo visivo.
7. Registra il prodotto zona dose da il metro DAP per questa immagine non equalizzato.

4. Nuova operazione di generazione di file in modalità di esposizione adattivo

1. Caricare le immagini rivelatore precedentemente acquisite nel simulatore esposizione adattivo.
2. Selezionare l'algoritmo adattivo parametri di esposizione.
3. Esegui il simulatore adattivo dell'esposizione. Il simulatore esegue le seguenti operazioni:
   1. Il numero di destinazione di fotoni per immagine rivelatore è determinato sulla base della soglia utente selezionato.
   2. Per ogni posizione macchia focale, il numero di fotoni nell'immagine detector è determinata. Le immagini rivelatore da quella posizione macchia focale sono accumulati fino a quando il numero di destinazione di fotoni o al massimo di otto ripetere le scansioni è raggiunto (Figura 9).
   3. Come risultato si ottiene una mappa nuova scansione dettagli quante volte ogni posizione macchia focale è illuminata (Figura 10).
   4. La mappa nuova scansione è fusa con il file di modalità di funzionamento che viene utilizzato per eseguire il sistema SBDX.

5. Immagine acquisizione equalizzato

1. Caricare il file aggiornato modalità di funzionamento inSBDX sistema.
2. Avviare l'acquisizione dei dati dal computer di controllo. Di acquisizione dati viene eseguito come descritto al punto 2.1.1 a 2.1.5. In contrasto con la precedente acquisizione, il fascio di raggi X è attivata o disattivata nelle posizioni macchia focale secondo la nostra mappa nuova scansione. Poiché il numero totale di illuminazioni è inferiore a quello di acquisizione standard, la dose di raggi X viene ridotta.
3. Registrare il prodotto zona dose misurata dal contatore DAP.
4. Eseguire l'algoritmo di ricostruzione delle immagini sui dati di nuova acquisizione equalizzato come descritto al punto 3.2 a 3.4.
5. L'immagine ricostruita equalizzato (Figura 11) viene visualizzato.

6. Analisi dei dati

1. Confrontare la dose misurata per le immagini non equalizzato e le immagini equalizzato.
2. Osservare la differenza tra le immagini equalizzato e non equalizzato ricostruito.

7. Rappresentante dei risultati:

Figura 8 e Figura 11 mostrano il confronto tra un'immagine standard e un'immagine equalizzato. Misure di dose con il metro DAP dimostrare un risparmio della dose del 30% a immagine equalizzata utilizzando la maschera rescan illustrato in Figura 10.

Inoltre, l'equalizzazione è un modo molto efficace per comprimere la gamma dinamica, dando un aspetto più gradevole l'immagine senza la necessità di post-elaborazione.

Come indicato, la filtrazione equalizzazione possono essere usati per salvare la dose. Tuttavia, equalizzazione può anche essere usato per migliorare la qualità dell'immagine facendo corrispondere la dose di radiazione per l'immagine non equalizzato aumentando la fonte di alimentazione. In questo modo, le zone buie dell'immagine ricevere più fotoni, con conseguente riduzione del rumore dell'immagine.

Figura 1. Sistema di fluoroscopia convenzionale. Un sistema convenzionale ha un unico punto focale sorgente di raggi X ed un rilevatore di vasta area. Il paziente viene posizionato vicino al rivelatore.

Figura 2. Sistema SBDX. SBDX Il sistema opera in geometria inversa. Un ampio raggio di scansione sorgente di raggi X illumina un rilevatore di piccola area. Il paziente viene posizionato lontano dal rivelatore.

Figura 3. Diagramma di flusso della acquisizione dei dati. 1) Un'immagine non equalizzato del fantasma è acquisito. 2) I dati sono estratti dal array di dischi. 3) L'algoritmo adattivo esposizione prende questi dati come input per creare una esposizione o maschera di una nuova scansione. 4) La maschera nuova scansione è combinata con la modalità di funzionamento originale nel computer di controllo del codice sorgente. 5) Un'immagine pareggio dello stesso fantasma è acquisiti e conservati nei disk array. 6) I set non equalizzato e equalizzato dati sono estratti da l'array di dischi, e il software di ricostruzione delle immagini ricostruisce i diversi piani di ogni set di dati. 7) Entrambe le immagini sono il risultato del software di ricostruzione. 8) Entrambe le immagini sono visualizzate.

Figura 4. Configurazione del sistema. Il fantoccio viene posizionato sul tavolo paziente isocentro tra il sorgente di raggi X e il rivelatore. Una zona dosimetro prodotto è posto tra sorgente di raggi X e fantasma.

Figura 5. Sorgente di raggi X. Un fascio di elettroni viene generato dal cannone elettronico e le scansioni ogni foro del collimatore in modo raster. Partendo da un lato del collimatore, il fascio scansiona ogni foro in modo sequenziale. Alla fine della riga, il fascio viene spento e posizionato all'inizio della riga successiva, e la scansione viene avviato per quella riga. In questo modo il fascio di elettroni analizza il collimatore intero, 71 da 71 fori vengono analizzati otto volte in circa 60ms.

Figura 6. Standard di immagine ricostruita. Dell'immagine ricostruita del nostro fantoccio antropomorfo visualizzando il cuore con iodati arterie coronarie. L'immagine è stata presa a 7''FOV e 15 fps, e un unico piano a 45 centimetri dal bersaglio raggi X è stato ricostruito.

Figura 7. Multi-piano di ricostruzione. Rappresentanza dei diversi piani ricostruita tra il collimatore e del rivelatore. I coni blu mostrano come rivelatore delle immagini sono backprojected nei piani di ricostruzione.

Figura 8. Piano selezionato un'immagine. Questa immagine è una composizione di 32 aerei. A differenza di Figura 6, dove solo i vasi sul selected aereo sono a fuoco, ogni nave è a fuoco.

Figura 9. Fasi di filtrazione equalizzazione. Poiché il collimatore viene sottoposto a scansione (in alto), il rivelatore riceve un tasso variabile a seconda contare l'opacità dell'oggetto (in basso). Ogni buca collimatore viene sottoposto a scansione fino a otto volte (otto ripetere le scansioni). Al primo nuova scansione, i punti focali sono illuminate in sequenza lungo la fila, a partire da sinistra, e il flusso è misurato per ciascuna buca. Sul prossimo una nuova scansione, l'illuminazione si ripete a partire dall'inizio della riga. Per ogni punto focale, i conti sono aggiunti al valore precedente. Se il numero totale di conteggi supera una soglia impostata in precedenza, questo buco non si illuminerà sul seguente scansione. Nell'implementazione attuale questo processo viene eseguito in linea e porta alla creazione di una maschera nuova scansione che successivamente verrà utilizzato per acquisire un'immagine equalizzato.

Figura 10. Rescan mappa generata dall'algoritmo di filtrazione equalizzazione. Ciascun pixel di questa immagine rappresenta un punto focale del collimatore. L'immagine è quindi 71x71 pixel. Il livello di grigio di ogni pixel rappresenta il numero di una nuova scansione per quella macchia focale, da zero (nero) e otto (bianco). Osserviamo che sulla parte destra dell'immagine, il numero di una nuova scansione è molto bassa. Come risultato, ognuno di questi punti focali saranno illuminate solo una volta o due volte. Questa regione corrisponde alla zona di polmone campo della nostra immagine ricostruita (Figura 6), dove l'immagine è quasi saturo a causa del basso assorbimento di raggi X di questa zona.

Figura 11. Piano selezionato immagine equalizzata. Questa immagine è il risultato dell'algoritmo di ricostruzione dopo l'esposizione di adattamento. Questa immagine è stata acquisita con la stessa modalità di funzionamento 7 "15 fps come l'immagine standard (Figura 8), ma con l'esposizione di adattamento abilitato in base alla scansione maschera della figura 10. L'immagine è più uniforme in termini di intensità, e di conseguenza i vasi appaiono in contrasto superiore, specialmente nelle aree scure. Sul lato destro dell'immagine, non vi è nessuna saturazione più nel campo del polmone.

Movie 1. Animazione del sistema SBDX. SBDX Il sistema opera in geometria inversa. Un ampio raggio di scansione sorgente di raggi X illumina un rilevatore di piccola area. Il paziente viene posizionato lontano dal rivelatore. Clicca qui per visualizzare il filmato.

Movie 2. Generazione di raggi X. Ad ogni macchia focale, il fascio di elettroni colpisce il bersaglio di tungsteno e raggi X sono generati. Il collimatore si concentra il fascio di raggi X verso il rivelatore. Clicca qui per visualizzare il filmato.

Movie 3. Ricostruzione animazione immagine. Questa animazione rappresenta il processo di ricostruzione dell'immagine finale utilizzando le immagini rivelatore. Per ogni punto focale del collimatore (in basso a sinistra), l'immagine del rivelatore corrispondente (in alto a sinistra) è proiettata sul piano di ricostruzione (a destra). In questa animazione rappresentiamo tre aerei che vengono ricostruiti a diverse distanze dalla sorgente di raggi X. Clicca qui per visualizzare il filmato.

Movie 4. Selezione del piano. SBDX Il sistema è un sistema di imaging tomosintesi. L'aereo per essere ricostruito e visualizzate possono essere selezionate dall'utente. Clicca qui per visualizzare il filmato.

Movie 5. Multi-piano di animazione. Questo video mostra i diversi piani ricostruita ad aumentare distanza dal collimatore. In particolare, le arterie coronarie iodati andare dentro e fuori fuoco a seconda della loro ubicazione fisica. Clicca qui per visualizzare il filmato.

Film 6. Piano 3D selezionati animazione. Visualizzazione 3D degli aerei ricostruito focale. Piani focali sono spostati di più con crescente profondità. Clicca qui per visualizzare il filmato.

Discussion

Abbiamo dimostrato che il risparmio della dose sono possibili utilizzando la tecnica di equalizzazione. In questo lavoro solo mostrare come la nostra tecnica è applicata, senza discutere le implicazioni per la qualità delle immagini. Tuttavia, è importante notare che il nostro obiettivo è quello di mantenere un segnale obiettivo di rumore nelle immagini equalizzato. L'ipotesi sottostante è che in non-equalizzato immagini, il rapporto segnale-rumore è altamente non uniformi. In particolare, le aree luminose come il campo superiore del polmone mostra segnale rumore rispetto ai rapporti necessari per eseguire l'attività di diagnostica. Equalizzazione ci permette di abbassare il rapporto segnale-rumore in questi settori e di mantenere i rapporti segnale rumore nelle zone più scure dell'immagine. Attualmente stiamo eseguendo studi di misurazione del rumore per validare il nostro approccio. I risultati preliminari mostrano che il risparmio di dose dell'ordine del 30% sono realizzabili a segnale equivalente di rumore nelle zone scure dell'immagine ^{7, 8.}

Il potenziale di filtrazione equalizzazione è stata riconosciuta nella letteratura scientifica per molti anni. Implementazioni Tuttavia, finora tutti pubblicati coinvolti persiane meccanico o filtri, ostacolare in modo significativo l'utilità di questo approccio ^9,10. Qui mostriamo che l'equalizzazione può essere basata su un approccio completamente elettronico, superando i problemi con le implementazioni meccaniche.

Nel sistema clinico SBDX, la maggior parte dei passi presentati qui saranno realizzate in hardware e verrà eseguita in tempo reale durante l'acquisizione dei dati. L'algoritmo di equalizzazione verrà eseguito in tempo reale, e l'immagine visualizzata viene equalizzato per default. L'algoritmo si adattano dinamicamente i parametri in base al soggetto ripreso, il movimento del soggetto, e la posizione cambiando portale. Continuiamo a migliorare il nostro algoritmo, e l'ulteriore sviluppo del nostro metodo sarà necessario al fine di agevolare in tempo reale attuazione.