透視イメージングの適応暴露によるX線の線量低減

Summary

我々は、走査ビームのデジタルX線システムを使用して動的な適応露光技術の開発を行っています。むしろ一様にオブジェクトを公開するよりも、露出がオブジェクトの不透明度に応じて適応される。ここでは、30％の用量の節約をもたらした人間の形をしたファントム実験を示す。

Abstract

X線透視は、広く心臓介入時のイメージの指針として使用されます。しかし、これらの手順で放射線量が高くなることが、これは特に小児のアプリケーションで、重要な関心事です。小児科の手順は一般的にはるかに複雑な大人に実行されるものよりであり、したがって平均4〜8倍長く¹上にあります。さらに、子どもたちは10歳で10透視手続きまで受けることができる、と一般人口^2,3より、そのライフサイクル全体で致命的な癌を発症する三倍高いリスクを有することが示されている。

我々は、放射線量が大幅に私たちのスキャンビームデジタルX線（SBDX）システム⁴使用することにより、成人心臓の手続に低減できることが示されている- （図1、動画1逆イメージングジオメトリ^5,6を採用透視イメージングシステムをと図2）。代わりに、単一の焦点と、従来のシステムで使用されている拡張検出器から、我々のアプローチは小さな検出器に焦点を当てた複数の焦点スポットが拡張されたX線源を利用しています。私たちのX線源は、走査型電子ビームが連続して9000の焦点位置までの照明で構成されています。それぞれの焦点スポットは、検出器に撮像ボリュームの小さい部分を投影します。最終的なイメージを直接検出器に投影され、従来のシステムとは対照的に、SBDXは9000検出器の画像から、最終的な画像を再構成するために、専用のアルゴリズムを使用しています。

小児のアプリケーションでは、SBDXシステムとの投与量の節約は、成人の手順に比べて小さいことが期待されています。しかし、SBDXシステムは、電子適応露光技術を実装することによって、追加投与量の節約が可能になります。この方法の鍵はSBDXシステムのマルチビームスキャン法である：むしろ同じ放射線量で画像のあらゆる部分を露出させるよりも、我々は、動的に露出領域の不透明度に応じて、露出を変化させることができます。したがって、我々は大幅に放射線透過性の部分の露出を減らし、より多くの不透明領域の露出を維持することができます。私たちの現在の実装では、適応露光は、ユーザーとの対話（図3）が必要です。しかし、将来的には、適応露光は、リアルタイムと完全に自動化されます。

我々は擬人化されたファントムと線量面積積（DAP）メーターを用いて適応露出がある場合とない場合と比較して測定された放射線量で実験を実施した。ここで紹介する実験では、我々は30％の線量低減を見つける。

Protocol

1。システムのセットアップ

1. アイソセンタ（すなわちコリメータから40センチ）で画像にファントムを設定します。
2. コリメータの前部（図4）のX線線量を測定するためにDAPのメーターを設定します。
3. SBDXシステムの電源を入れます。
4. システムの動作モードを選択してください。我々は現在、15fpsのフレームレートでビュー（FOV）の7"フィールドを使用しています。X線源のピーク電圧は9kW X線源のパワーで80kVpに設定されている。

2。データ取得

1. 制御コンピュータからのデータ取得を開始します。データ取得中に、検出器の画像をシステムメモリに保存されます。次の手順は、SBDXのシステムで行われます。
   1. 電子ビームはラスタファッション（図5）の順番に各焦点スポットの位置をスキャンします。
   2. 電子ビームは、透過ターゲットをヒットし、X線（動画2）を生成します。
   3. それぞれの焦点位置に、X線光子はこのように検出器上に撮像ボリュームの小さい部分を投影し、焦点コリメータを使用して検出器を照らす。
   4. それぞれの焦点スポット位置については、検出器は、直接システムメモリに格納されているつの検出器のイメージを、作成します。
   5. 7選択した動作モード'' 15fpsのは、71x71フォーカルスポットを提供します。それぞれの焦点位置は、8μsの合計のために点灯します。露光時間があるため、X線ターゲットの熱的限界の1マイクロ秒刻みに分割する必要があります。このように、ビームは1μsと、次の焦点の位置に移動するための各焦点位置でターゲットを照射する。後日、それぞれの焦点は、8μsの露光を完了するために再検討されています。つの検出器のイメージが各焦点スポット照明用に作成されると、約60ミリ秒で取得し、メモリに保存されている40328検出器の画像の合計があります。

3。画像再構成

1. オブジェクトがソースから異なる角度で点灯しているSBDXは、本質的にトモシンセシスシステムです。コリメータと検出器の間に位置撮像ボリューム内の任意の平面を再構成することができる。次の手順では、部分的なイメージが個々の面に、またはコンポジットまたは平面選択した画像に再構築される方法を示します。臨床SBDXシステムの手順で3.2から3.4は、リアルタイムで実行されます。
2. 再建のシミュレータ上で画像再構成パラメータを選択します。
3. 画像再構成アルゴリズムを実行します。画像再構成中に、アルゴリズムは次の手順を実行します。
   1. 個々の検出器の画像を読み取る。
   2. 再構築するために平面の規模に合わせて、検出器の画像を拡大縮小します。
   3. その焦点のソースの場所に応じて画像をシフトし、復興の面（動画3）に追加します。
   4. それぞれの焦点位置のための最後の2つの手順を繰り返します。
   5. シフト操作によって作成されたパターンを除去するフィルタリング後処理を実行します。
   6. この時点で、一つの面は（図6）再建され、そして私たちのオブジェクトの解剖学は可視です。
4. 要求された場合、平面選択した画像を生成するアルゴリズムを実行する。アルゴリズムは次の手順を実行します。
   1. 3.2.6へのポイント3.2.1は、平面、選択した画像のために必要な32の平面を作成するために繰り返されます。飛行機は通常0.5ミリ（ムービー4、図7とムービー5）の間隔を持っている。
   2. 画像の各部分については、焦点のオブジェクトを含む平面は、最終的な平面選択した画像（図8およびムービー6）の一部であるように選択される。
5. 必要に応じて、視野の中心に中心を置くためにファントムの位置を変更。
6. ファントムが正確に視野内に配置されるまで、ステップ2.1から3.3を実行してください。
7. この非イコライズイメージのDAP計からの線量領域の製品を記録します。

4。適応露光のための新しい動作モードのファイルの生成

1. 適応露光シミュレータに以前に取得された検出器の画像を読み込む。
2. 適応露光アルゴリズムのパラメータを選択します。
3. 適応露光シミュレータを実行します。シミュレータには、次の手順を実行します。
   1. 検出器の画像あたりの光子の目標数は、ユーザーが選択したしきい値に基づいて決定されます。
   2. それぞれの焦点スポット位置については、検出器の画像での光子数が決定されます。光子の目標数または8つ再スキャンの最大値のどちらかが（図9）に達するまで、その焦点位置から検出器の画像が蓄積されています。
   3. その結果、我々は、それぞれの焦点位置が点灯している回数詳述再スキャンマップ（図10）を得る。
   4. 再スキャンのマップはSBDXシステムを実行するために使用されている動作モードのファイルにマージされます。

5。イコライズされた画像の取得

1. 更新された動作モードのファイルをロードするSBDXシステム。
2. 制御コンピュータからのデータ取得を開始します。データ収集は、2.1.5に2.1.1で説明するように実行されます。前の買収とは対照的に、X線ビームは、私たちの再スキャンマップに基づいて焦点位置でオンまたはオフになっています。イルミネーションの合計数が標準獲得に比べて小さいため、X線の線量が低減されます。
3. DAP計で測定した線量領域の製品を記録。
4. 3.4から3.2で説明するように新たに取得したイコライズされたデータの画像再構成アルゴリズムを実行します。
5. 再構成された等化画像（図11）が表示されます。

6。データの分析

1. 非イコライズ画像とイコライズ画像で測定された線量を比較する。
2. 等化と非イコライズ再構成画像との違いを観察。

7。代表的な結果：

図8および図11は標準的な画像と、イコライズ画像間の比較を示す。 DAP計で線量測定は、図10に示す再スキャンマスクを用いて等化画像で30％の用量の節約を示しています。

さらに、イコライゼーションは、後処理を必要とせず、画像のより快適な外観を与えて、ダイナミックレンジを圧縮するために非常に効果的な方法です。

に示すように、等化ろ過は用量を節約するために使用することができます。しかし、イコライゼーションは、ソースのパワーを増加させることにより、非イコライズイメージに放射線量を照合することによって画質を改善するために使用することができます。この方法では、画像の暗い領域は、縮小画像のノイズに、その結​​果、より多くの光子を受け取る。

図1。従来のX線透視システム。従来のシステムは、単一焦点X線源と大面積の検出器を備えています。患者は近くに検出器に配置されている。

図2。 SBDXシステム。SBDXシステムは、逆幾何学で動作します。大走査ビームX線源は、小さな面積の検出器を照らす。患者は、検出器から遠い位置している。

図3。データ収集のフローチャート。1）ファントムの非イコライズ画像が取得されます。 2）データがディスクアレイから抽出されます。 3）適応露光アルゴリズムは、露光または再スキャンマスクを作成するための入力としてこのデータを取ります。 4）再スキャンマスクは、ソース管理のコンピュータで元の動作モードと結合されます。 5）同一ファントムの等化画像を取得し、ディスクアレイに格納されています。 6）非イコライズ及びイコライズされたデータセットは、ディスクアレイから抽出し、画像再構成ソフトウェアは、各データセットの異なる平面を再構成している。 7）両方のイメージが再構成ソフトウェアの出力です。 8）両方のイメージが表示されます。

図4。システムのセットアップ。ファントムはX線源と検出器間のアイソセンタに患者テーブルの上に置かれている。線量、面積計は、X線源とファントムの間に配置されます。

図5。 X線源。電子ビームは電子銃で生成され、ラスター方式でコリメータの各穴をスキャンしています。コリメータの片側から始めて、ビームが順番にそれぞれの穴をスキャンします。行の終わりには、ビームがオフになっており、次の行の先頭に置かれ、スキャンはその行に対して起動されます。 71ホールによる電子ビームが全体コリメータをスキャンこの方法で、71が約60ミリ秒で8回スキャンされます。

図6。標準的な再構成画像。ヨウ素化された冠状動脈と心臓を表示する私たちの擬人化ファントムの再構成画像。画像は7インチFOVと15fpsの時に撮影された、およびX線ターゲットから45センチメートルで単一の平面が再建された。

図7。コリメータと検出器の間で異なる再構成された平面のマルチプレーン再建。表現。青の円錐形は、検出器の画像を再構成面にbackprojectedされる方法を示します。

図8。飛行機は、画像を選択した。この画像は32面の組成物である。これとは対照的にselecte上のみ船6、図にD面がフォーカスされている、すべての船が中心になっています。

図9。イコライゼーションのろ過ステップ。コリメータがスキャンされるように（上部）、検出器は、オブジェクトの不透明度（底部）に応じて様々なカウントレートを受け取ります。各コリメータの穴は8回（8再スキャン）までスキャンされます。まずRescan（再スキャン）で、焦点スポットは、左から順に、行に沿って順番に点灯している、とフラックスはそれぞれの穴のために測定されます。次の再スキャンでは、照明は、行の先頭から繰り返されます。それぞれの焦点スポットの場合は、カウントが前の値に追加されます。カウントの合計数が予め設定したしきい値を超えている場合、この穴は、次の再スキャンを点灯されません。現在の実装では、このプロセスはオフラインで実行され、その後等化画像を取得するために使用される再スキャンマスクの創造につながります。

図10。等化ろ過のアルゴリズムによって生成された再スキャンマップ。この画像の各ピクセルは、コリメータの1つの焦点スポットを表しています。画像は、したがって、71x71ピクセルです。各ピクセルのグレーレベルはゼロ（黒）から8（白）に、その焦点スポットのための再スキャンの数を表します。我々は、画像の右側部分に、再スキャンの数が非常に低いことを観察。その結果、これらの焦点スポットの各々は、2度しか点灯します。この地域は、イメージがほとんどのため、この領域の低X線吸収が飽和している私たちの再構成画像（図6）、の肺野領域に対応。

図11。飛行機は、イコライズされた画像を選択する。この画像は、適応露光後の再構成アルゴリズムの出力である。この画像は標準画像（図8）と同じ動作モード7"15fpsので買収されていますが、適応露光と図10のスキャンマスクに基づいて有効。像が船その結果強度の点でより均一であり、特に暗い領域では、より高いコントラストで表示されます。画像の右側には、肺野ではもはや飽和がある。

ムービー1。 SBDXシステムのアニメーション。SBDXシステムは、逆幾何学で動作します。大走査ビームX線源は、小さな面積の検出器を照らす。患者は、はるかに検出器から位置している。 映画をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

ムービー2。 X線発生。各焦点スポットでは、電子ビームは、タングステンターゲットをヒットし、X線が生成されます。コリメータは、検出器に向かってX線ビームを当てています。 ムービーを表示するには、ここをクリック。

動画3。画像再構成のアニメーション。このアニメーションは、検出器の画像を使用して、最終的な画像を再構成のプロセスを表します。コリメータ（左下）のそれぞれの焦点の場合は、対応する検出器の画像（左上）は、（右）再構築するために平面上に投影される。このアニメーションでは、X線源から異なる距離に再構成される3つの面を表しています。 ムービーを表示するには、ここをクリック。

映画4。平面の選択。SBDXシステムは、トモシンセシスイメージングシステムです。再構築し、視覚化される平面は、ユーザーが選択できます。 ムービーを表示するには、ここをクリック。

映画5。マルチプレーンのアニメーション。このビデオは別の平面を表示するには、コリメータからの距離を増やすことで再構成。特に、ヨウ素化された冠状動脈は、それらの物理的な位置に応じて、フォーカスが合って出たり入ったりする。 ムービーを表示するには、ここをクリック。

映画6。 3D平面は、アニメーションを選択した。再建された焦点面の3次元可視化を。焦点面は深さの増加とともに、よりシフトされます。 ムービーを表示するには、ここをクリック。

Discussion

我々は、投与量の節約が可能な等化技術を使用していることを示しています。本稿では、唯一の画質への影響を議論することなく、我々の技術が適用される方法を示します。しかし、私たちの目標は、イコライズされた画像のノイズの比にターゲットの信号を維持することであることに注意することが重要です。根本的な仮定は非イコライズ画像で、信号対雑音比が非常に不均一であるということです。特に、肺野のような明るい領域は、診断タスクを実行するために必要なより対雑音比が高い信号を示す。イコライゼーションは、私たちはこれらの領域で信号対雑音比を下げるために、画像の暗い領域での雑音比信号を維持することができます。我々は現在、我々のアプローチを検証するためにノイズの測定の研究を行っている。予備的な結果は30％程度の投与量の節約は画像^7,8の暗い領域でノイズの比に相当する信号で達成可能であることを示している。

等化ろ過の可能性は、長年の科学文献で認識されている。しかし、これまでに公開されたすべての実装は大幅にこのアプローチ^9,10のユーティリティを妨げて、機械的なシャッターやフィルターを含んだ。ここでは、機械的な実装の問題を克服し、その等化が完全に電子化されたアプローチに基づいていることを実証。

臨床SBDXシステムでは、ここで紹介する手順のほとんどはハードウェアに実装され、データ収集中にリアルタイムで実行されます。等化アルゴリズムは、リアルタイムで実行されます、と表示された画像は、デフォルトでは均等化されます。アルゴリズムは、動的に撮像される被写体、被写体の動き、そして変化するガントリの位置に応じてそのパラメータを適応させます。我々は我々のアルゴリズムを改良し続け、そして私達の方法のさらなる開発は、リアルタイムの実装を容易にするために必要となります。