الأشعة السينية من خلال خفض الجرعة التعرض التكيفية في التصوير جهاز أشعة

توضح هذه التجربة كيفية استخدام نظام الأشعة السينية الرقمي ذو الحزمة الماسحة لتقليل الجرعة الإشعاعية من خلال تكييف التعريض محلياً وفقاً لعتامة الجسم، بدلاً من تعريضه بشكل موحد كما هو متبع تقليدياً. تتمثل الخطوة الأولى في الحصول على صورة مرجعية من المسح الأول وتحديد معلمات نظام خوارزمية التعريض التكيفي. بعد ذلك، يقوم الكمبيوتر بإخراج خريطة مسح جديدة بمتطلبات جرعة أقل، والتي يتم تحميلها في النظام، بحيث يمكن الحصول على صورة متوازنة.

تظهر قياسات حاصل ضرب الجرعة في المساحة أن التعريض التكيفي يؤدي إلى توفير في الجرعة بنسبة تصل إلى 30%. نحن نقوم بتطوير نظام تصوير يسمى الأشعة السينية الرقمية ذات الشعاع الماسح أو نظام SPDX الذي يتيح إجراء تنظير تألقي بالأشعة السينية ذي هندسة عكسية. يكمن الفرق الرئيسي بين نظام التصوير التقليدي ونظام التصوير ذي الهندسة العكسية في أننا لا نستخدم أنبوب أشعة سينية ببؤرة تركيز واحدة يسقط على كاشف ذي مجال رؤية واسع. يتكون مصدر الأشعة السينية لدينا من آلاف بؤر التركيز، حيث يتم طلاء كل منها على كاشف صغير لعد photons للحصول على إطار تصوير واحد.

نقوم بالتقاط آلاف الصور من الكاشف، بحيث تعرض كل صورة جزءاً صغيراً فقط من مقلوب الجسم. ويؤدي التصوير الهندسي إلى تقليل التشتت في الصور بشكل كبير، مما يتيح لنا التقاط هذه الصور بجرعة أقل بكثير.

يعد هذا مفيداً بشكل خاص للمرضى ذوي الأحجام الكبيرة، حيث يزداد التشتت طردياً مع حجم المريض. أما في المرضى من الأطفال، فإن توفير الجرعة الناتج عن تقليل التشتت يكون أقل بكثير. ومع ذلك، تسمح الهندسة العكسية بتنفيذ استراتيجيات لتوفير الجرعة تعود بالفائدة أيضاً على المرضى من الأطفال.

تتيح الهندسة العكسية تقنية نطلق عليها اسم التعريض التكيفي. وبما أننا نقوم بالتقاط آلاف الصور بالكاشف، فيمكننا تكييف التعريض في الوقت الفعلي، اعتماداً على كثافة المنطقة المعرضة، بحيث يمكننا تقليل التعريض في المناطق الشفافة للأشعة والحفاظ عليه في المناطق الأكثر عتامة. وبذلك، يمكننا تحقيق جودة صورة موحدة في الصورة الإجمالية وتقليل الجرعة في المناطق التي تتعرض لتعريض مفرط في الأنظمة التقليدية.

لمراقبة جرعة الإشعاع، يتم وضع مقياس لناتج منطقة الجرعة أمام الموازِي. عادةً ما يتم وضع المريض أو النموذج المحاكي (phantom) على مسافة قريبة نسبياً من الموازِي، بحيث يكون مركز حجم التصوير على بُعد حوالي 40 centimeters من الموازِي. بعد ذلك، يتم اختيار وضع تشغيل النظام.

تتمثل الإعدادات النموذجية في مجال رؤية يبلغ سبع بوصات ومعدل إطارات يبلغ 15 إطاراً في الثانية. يتم ضبط جهد الذروة لمصدر الأشعة السينية على 80 peak kilovolts وقدرة المصدر على 17 kilowatts. بعد ذلك، قم بتشغيل نظام SBDX وابدأ في عملية الحصول على الصور.

أثناء عملية الحصول على الصور، يتم مسح شعاع الإلكترونات بالتتابع عبر كل موضع بؤري بنمط مسحي (raster fashion). وفي كل موضع بؤري، يصطدم شعاع الإلكترونات بالهدف النافذ ويولد أشعة سينية. ثم تمر فوتونات الأشعة السينية الناتجة عبر موازٍ بؤري (focusing collimator) لتضيء الكاشف.

وبالتالي، يتم عرض جزء صغير فقط من حجم التصوير. وأثناء الإضاءة، يلتقط الكاشف صورة الكاشف، التي تُخزن مباشرة في ذاكرة النظام. وبالنسبة لكل بقعة بؤرية، تكون الإضاءة المطلوبة تصل إلى ثماني ميكروثانية.

ومع ذلك، ونظراً للقيود الحرارية للهدف، فإن الحد الأقصى للتعرض المستمر هو 1 microsecond، ويتم تقسيم عملية الاستحواذ إلى ثماني زيادات قدر كل منها 1 microsecond. وفي المجمل، يتم تسجيل أكثر من 40,000 صورة للكاشف في نهاية عملية استحواذ الصور على مدار حوالي 60 milliseconds.

تأكد من تسجيل القياس على مقياس حاصل ضرب مساحة الجرعة. يُعد نظام SBDX نظام تصوير مقطعي تركيبياً (tomosynthesis) بطبيعته، حيث يتم إضاءة الجسم بزوايا مختلفة من كل بؤرة مصدر، مما يسمح بإعادة بناء أي مستوى ضمن حجم التصوير الواقع بين المجمّع والكاشف. ابدأ بضبط التصوير.

معلمات الإنشاء. حدد عدد المستويات المراد إعادة بنائها وموقعها. بعد ذلك، قم بتشغيل خوارزمية إعادة بناء الصورة.

تقوم الخوارزمية بمعالجة صورة كل كاشف من خلال القيام أولاً بتغيير مقياس صورة الكاشف لمستوى إعادة البناء المقابل، وثانياً، إزاحة الصورة وفقاً لموضع بؤرتها قبل إضافتها إلى عملية إعادة البناء. بعد ذلك، تعمل عملية ترشيح لاحقة على إزالة النمط الناتج عن عملية الإزاحة والإضافة. وعادةً ما يتم إعادة بناء 32 مستوى بتباعد 0.5 millimeters في مجموعة من الصور المعاد بناؤها.

تصبح البنى في بؤرة التركيز أو تخرج منها بناءً على مسافتها من الكاشف. وتقوم خوارزمية اختيار المستويات بتحديد البنى الموجودة في بؤرة التركيز في كل مستوى، وبناءً على هذه المعلومات، يمكن تكوين صورة مركبة لا تظهر سوى البنى الموجودة في بؤرة التركيز. وتكافئ هذه الصورة ثنائية الأبعاد الصور التي يتم الحصول عليها باستخدام الأنظمة التقليدية.

ومع ذلك، فقد حددت خوارزمية اختيار المستوى موقع كل بنية بالنسبة للموازِي. وهذا يتيح لنا عرضها كرسوم متحركة ثلاثية الأبعاد، حيث يتم تحميل الصور المحفوظة في محاكي التعرض التكيفي وتشغيل الخوارزمية لكل بؤرة تركيز، ومن ثم يتم تحديد عدد الفوتونات في الصورة.

يتم بعد ذلك تجميع الصور حتى الوصول إلى العدد المستهدف من الفوتونات، أو حتى إضافة جميع عمليات إعادة المسح الثماني. وتكون مخرجات محاكي التعريض التكيفي عبارة عن خريطة إعادة مسح توضح عدد مرات إضاءة كل موضع لبقعة التركيز. يتم دمج هذه الخريطة في ملف وضع التشغيل المستخدم لتشغيل نظام SBDX.

بعد تحميل ملف وضع التشغيل المحدث في نظام SBDX، وبخلاف الصور التي تم التقاطها سابقاً، سيتم الآن تشغيل أو إيقاف شعاع الأشعة السينية عند مواضع البؤرة وفقاً لخريطة إعادة المسح، مما يقلل من العدد الإجمالي لعمليات الإضاءة؛ ثم يتم تشغيل خوارزمية إعادة بناء الصورة على البيانات الجديدة لإعادة بناء الصورة المتساوية. ومرة أخرى، تأكد من تسجيل قراءة منتج جرعة المنطقة؛ حيث أظهرت قياسات الجرعة باستخدام مقياس منتج جرعة المنطقة توفيراً في الجرعة بنسبة 30% في الصورة المتساوية باستخدام قناع إعادة المسح. وأظهرت النتائج الأولية أن جودة الصورة مكافئة، وأن الصورة المتساوية تتمتع بوضوح بصري أكبر من الصورة غير المتساوية.

نحن نستكشف التعريض التكيفي كتقنية لتقليل الجرعة الإشعاعية وإجراءات التنظير التألقي. وتظهر النتائج الأولية أن توفير الجرعة بنسبة 30% على الأقل هو أمر ممكن مع الحفاظ على جودة صورة متساوية. ونحن حالياً في طور تنفيذ التعريض التكيفي كميزة تعمل في الوقت الفعلي.

أثناء عملية الحصول على الصور، ستقوم الخوارزمية الخاصة بنا بإجراء عملية تحديد العتبة (thresholding) تلقائياً. وبناءً على ذلك، ستكون العديد من الخطوات الموضحة هنا غير مرئية للمستخدم. إن نتائجنا الحالية مشجعة، ونحن نتطلع إلى البحث في تقنيتنا بشكل أكبر.

وعلى وجه الخصوص، سيتعين علينا أن نثبت في التجارب السريرية أن القيمة التشخيصية لصورنا تعادل أو تفوق الصور التقليدية.