通过荧光成像中的自适应曝光降低X射线剂量

本实验展示了如何使用扫描束数字X射线系统，通过根据物体的不透明度局部调整曝光，而非像传统方法那样进行均匀曝光，从而实现剂量节约。第一步是获取一次参考图像，并定义自适应曝光算法系统的参数。随后，计算机输出一张所需剂量更低的新扫描图，该图被载入系统，从而可获得一幅均衡化的图像。

剂量面积乘积测量结果表明，自适应曝光可实现约30%的剂量节省。我们正在开发一种称为扫描束数字X射线（Scanning Beam Digital X-ray，SPDX）的成像系统，该系统可实现逆几何X射线透视成像。传统几何与逆几何成像系统之间的主要区别在于，我们并未采用单焦点X射线管将射线投射到大视野探测器上。我们的X射线源由数千个焦点组成，每个焦点分别与一个小的光子计数探测器耦合，以采集单帧图像。

我们获取数千张探测器图像，每张探测器图像仅观测物体逆像的一小部分。几何成像显著减少了图像中的散射，从而使得我们能够在低得多的剂量下采集这些图像。

对于体型较大的患者而言，这一点尤其具有优势，因为散射随患者体型增大而增加。在儿科患者中，由于散射减少所带来的剂量节省要小得多。然而，逆几何设计能够实现多种剂量节省策略，同样可使儿科患者受益。

逆几何结构实现了一种我们称之为自适应曝光的技术。在采集数千张探测器图像的过程中，我们可以根据当前曝光区域的上部密度实时调整曝光参数，从而在透射率较高的区域降低曝光，而在更致密的区域保持适当的曝光。因此，我们能够在整幅图像中获得均匀的图像质量，并减少传统系统中容易过曝区域的辐射剂量。

为监测辐射剂量，需在准直器前方放置剂量面积乘积仪。患者或体模通常被放置在靠近准直器的位置，成像体积的中心距离准直器约40厘米。接下来，选择系统运行模式。

典型设置包括七英寸的视野范围和每秒15帧的帧率。X射线源峰值电压设置为80千伏峰值，源功率设置为17千瓦。然后打开SBDX系统并开始图像采集。

在图像采集过程中，电子束以光栅扫描方式依次扫描至每个焦点位置。在每个焦点位置，电子束撞击透射靶并产生X射线。所产生的X射线光子穿过聚焦准直器，照射到探测器上。

因此，仅有一小部分成像体积被投射。在照明过程中，探测器获取一幅探测器图像，并直接存储到系统内存中。对于每个焦点，期望的照明时间最长可达八微秒。

然而，由于靶材存在热学限制，最长连续曝光时间仅为一微秒，采集过程被分为八个一微秒的时间段。在总共约60毫秒的时间内，图像采集结束时共记录了超过40,000帧探测器图像。

务必记录剂量面积乘积仪上的测量值。SBDX 本质上是一种断层合成系统，因为物体在来自各个光源焦点的不同角度照射下，成像体积内位于准直器和探测器之间的任意平面均可被重建。首先设置成像参数。

重建参数。选择需要重建的平面数量及其位置。接下来，运行图像重建算法。

该算法通过以下步骤处理每个探测器图像：首先，针对相应的重建平面缩放探测器图像；其次，在将图像加入重建之前，根据其焦点位置对图像进行平移。接着，通过后处理滤波去除由平移-叠加操作产生的伪影。通常，在重建图像堆栈中会重建32个平面，平面间距为0.5毫米。

结构会根据其与探测器的距离而进入或移出焦平面。平面选择算法可选取每个平面上处于焦点内的结构，并利用该信息生成一幅仅显示结构及其焦点的复合图像。该二维图像等同于传统系统上获得的图像。

然而，平面选择算法已确定每个结构相对于准直器的位置。这使得我们可以将其以三维动画形式播放，将保存的图像加载到自适应曝光模拟器中，并针对每个焦点运行算法，从而确定图像中的光子数量。

然后累积图像，直到达到目标光子数，或所有八次重扫均已完成。自适应曝光模拟器的输出结果是一张重扫图，详细记录了每个焦点位置被照射的次数。该图将被合并到用于运行 SBDX 系统的操作模式文件中。

将更新后的操作模式文件加载到 SBDX 系统后，采集图像时，X 射线束将根据重新扫描图在焦点位置处开启或关闭，从而减少总的照射次数。对新采集的数据运行图像重建算法，以重建出均衡化图像。同样，务必使用剂量面积乘积仪记录剂量面积乘积读数，结果表明，采用重新扫描掩模的均衡化图像可节省 30% 的剂量。初步结果显示，图像质量相当，且均衡化图像比非均衡化图像具有更好的视觉效果。

我们正在探索自适应曝光作为一种降低剂量和透视操作辐射剂量的技术。初步结果显示，在图像质量相当的情况下，至少可实现30%的剂量节省。我们正在将自适应曝光功能实现实时化。

在图像采集过程中，我们的算法将自动执行阈值分割。因此，此处展示的许多步骤对用户是不可见的。我们目前的结果令人鼓舞，期待进一步研究我们的技术。

特别是，我们将必须通过临床试验证明，我们图像的诊断价值等同于或优于传统图像。