X-ray Dosisreduktion durch Adaptive Exposure in Durchleuchtungs Imaging

Dieses Experiment zeigt, wie das Scanning-Beam-Digital-Röntgensystem genutzt wird, um die Dosis durch lokale Anpassung der Belichtung an die Undurchsichtigkeit des Objekts zu reduzieren, anstatt es wie üblich gleichmäßig zu belichten. Der erste Schritt besteht darin, ein Referenzbild aus dem ersten Durchlauf aufzunehmen und die Parameter des Algorithmus für die adaptive Belichtung festzulegen. Der Computer gibt daraufhin eine neue Scan-Karte mit geringeren Dosisanforderungen aus, die im System geladen wird, sodass ein gleichmäßiges Bild aufgenommen werden kann.

Die Dosisflächenprodukt-Messungen zeigen, dass eine adaptive Belichtung zu Dosisreduktionen im Bereich von 30 % führt. Wir entwickeln ein Bildgebungssystem, das als Scanning-Beam-Digital-Röntgen- oder SPDX-System bezeichnet wird und die inverse Röntgenfluoroskopie ermöglicht. Der Hauptunterschied zwischen einem herkömmlichen und einem inversen Bildgebungssystem besteht darin, dass wir keine einzelne Fokusfleck-Röntgenröhre verwenden, die auf einen Detektor mit großem Bildfeld projiziert. Unsere Röntgenquelle besteht aus Tausenden von Fokusflecken, von denen jeder auf einen kleinen photonenzählenden Detektor aufgebracht ist, um einen einzelnen Bildrahmen aufzuzeichnen.

Wir erfassen Tausende von Detektorbildern, wobei jedes Detektorbild nur einen kleinen Bereich des inversen Objekts abbildet. Die geometrische Bildgebung führt zu einer erheblichen Verringerung der Streustrahlung in den Bildern. Dadurch können wir diese Bilder mit einer deutlich niedrigeren Dosis erfassen.

Dies ist insbesondere für größere Patienten von Vorteil, da die Streustrahlung mit der Patientengröße skaliert. Bei pädiatrischen Patienten sind die Dosisersparnisse durch Streustrahlenreduktion deutlich geringer. Allerdings ermöglicht die inverse Geometrie die Implementierung von dosissparenden Strategien, die auch pädiatrische Patienten profitieren lassen.

Durch die inverse Geometrie wird eine Technik ermöglicht, die wir adaptive Belichtung nennen. Während wir Tausende von Detektorbildern aufnehmen, können wir die Belichtung in Echtzeit anpassen, abhängig von der Durchlässigkeit des belichteten Bereichs, sodass wir die Belichtung in durchlässigen Bereichen verringern und sie in opaqueren Bereichen beibehalten können. Auf diese Weise erreichen wir eine gleichmäßige Bildqualität über das gesamte Bild hinweg und reduzieren die Dosis in Bereichen, die bei konventionellen Systemen überbelichtet wären.

Zur Überwachung der Strahlendosis wird ein Dosisflächenprodukt-Messgerät vor dem Kollimator platziert. Der Patient oder Phantom wird typischerweise relativ nahe am Kollimator positioniert, wobei sich das Zentrum des Bildgebungsgebiets etwa 40 Zentimeter vom Kollimator entfernt befindet. Anschließend wird der Betriebsmodus des Systems ausgewählt.

Typische Einstellungen sind ein Sichtfeld von sieben Zoll und eine Bildrate von 15 Bildern pro Sekunde. Die Spitzenspannung der Röntgenquelle wird auf 80 Kilovolt Spitze eingestellt und die Quellenleistung auf 17 Kilowatt. Anschließend wird das SBDX-System eingeschaltet und die Bildaufnahme gestartet.

Während der Bildaufnahme wird ein Elektronenstrahl nacheinander auf jede Fokalpunktposition in einer Rasterform abgescannt. An jeder Fokalpunktposition trifft der Elektronenstrahl auf das Durchstrahlungsziel und erzeugt Röntgenstrahlen. Die resultierenden Röntgenphotonen durchlaufen einen fokussierenden Kollimator und beleuchten den Detektor.

Daher wird nur ein kleiner Teil des Abbildungsvolumens projiziert. Während der Beleuchtung erfasst der Detektor ein Detektorbild, das direkt im Systemspeicher gespeichert wird. Für jeden Fokuspunkt wird eine Beleuchtungsdauer von bis zu acht Mikrosekunden angestrebt.

Jedoch aufgrund der thermischen Grenzen des Targets beträgt die maximale kontinuierliche Belichtung eins. Mikrosekunde, und die Aufnahme wird in acht jeweils eine Mikrosekunde lange Intervalle unterteilt. Insgesamt werden innerhalb von etwa 60 Millisekunden über 40.000 Detektorbilder am Ende der Bildaufnahme aufgezeichnet.

Stellen Sie sicher, dass die Messung am Dosisflächenprodukt-Messgerät erfasst wird. Das SBDX ist von seiner Konstruktion her ein Tomosynthesesystem, da das Objekt unter verschiedenen Winkeln von jedem fokalen Punkt der Quelle aus beleuchtet wird und jede Ebene innerhalb des Bildgebungsgebiets zwischen Kollimator und Detektor rekonstruiert werden kann. Beginnen Sie mit der Einstellung der Bildgebung.

Konstruktionsparameter. Wählen Sie aus, wie viele Ebenen rekonstruiert werden sollen und wo sie liegen. Führen Sie anschließend den Bildrekonstruktionsalgorithmus aus.

Der Algorithmus verarbeitet jedes Detektorbild, indem er zunächst das Detektorbild für die jeweilige Rekonstruktionsebene skaliert und anschließend das Bild gemäß der Fokusposition verschiebt, bevor es der Rekonstruktion hinzugefügt wird. Danach entfernt ein nachgeschaltetes Filterverfahren das durch die Verschiebe- und Additionsoperation erzeugte Muster. Typischerweise werden 32 Ebenen mit einem Abstand von 0,5 Millimetern in einem Stapel rekonstruierter Bilder rekonstruiert.

Strukturen rücken je nach ihrem Abstand vom Detektor in den Fokus oder verschwinden aus ihm. Der Ebenenauswahlalgorithmus wählt die Strukturen aus, die in jeder Ebene scharf sind, und mit diesen Informationen kann ein zusammengesetztes Bild erstellt werden, das nur scharfe Strukturen zeigt. Dieses 2D-Bild entspricht Bildern, die mit einem herkömmlichen System gewonnen wurden.

Jedoch hat der Ebenenauswahlalgorithmus für jede Struktur bestimmt, wo sie sich in Bezug auf einen Kollimator befindet. Dies ermöglicht es uns, dies als 3D-Animation abzuspielen, die gespeicherten Bilder in den adaptiven Belichtungssimulator zu laden und den Algorithmus für jeden Fokuspunkt auszuführen. Die Anzahl der Photonen im Bild wird bestimmt.

Die Bilder werden anschließend solange akkumuliert, bis die Zielanzahl an Photonen erreicht ist oder alle acht Wiederabtastungen hinzugefügt wurden. Die Ausgabe des adaptiven Belichtungssimulators ist eine Wiederabtastkarte, die angibt, wie oft jede Fokalpunktposition beleuchtet wird. Diese Karte wird in die Betriebsmodus-Datei integriert, die zur Steuerung des SBDX-Systems verwendet wird.

Nachdem die aktualisierte Betriebsmodus-Datei in das SBDX-System geladen wurde und Bilder aufgenommen wurden, wird der Röntgenstrahl nun nur noch an den Fokalpunktpositionen entsprechend der erneuten Abtastkarte ein- oder ausgeschaltet, wodurch die Gesamtanzahl der Belichtungen reduziert wird. Führen Sie den Bildrekonstruktionsalgorithmus auf den neuen Daten aus, um das gleichmäßige Bild zu rekonstruieren. Achten Sie erneut darauf, die Dosisflächenprodukt-Anzeige mit dem Dosisflächenprodukt-Messgerät aufzuzeichnen. Die Messungen zeigten eine Dosisreduktion von 30 % beim gleichmäßigen Bild unter Verwendung der erneuten Abtastmaske. Vorläufige Ergebnisse zeigten, dass die Bildqualität vergleichbar ist und dass das gleichmäßige Bild eine höhere visuelle Attraktivität aufweist als das nicht gleichmäßige Bild.

Wir erforschen die adaptive Belichtung als Methode zur Reduzierung der Dosis bei fluoroskopischen Verfahren. Erste Ergebnisse zeigen, dass Dosisreduktionen von mindestens 30 % bei gleicher Bildqualität erreichbar sind. Wir befinden uns gerade im Prozess der Implementierung der adaptiven Belichtung als Echtzeitfunktion.

Während der Bildaufnahme führt unser Algorithmus automatisch eine Schwellwertbestimmung durch. Daher sind viele der hier gezeigten Schritte für den Benutzer unsichtbar. Unsere bisherigen Ergebnisse sind ermutigend, und wir freuen uns darauf, unsere Technik weiter zu untersuchen.

Insbesondere müssen wir in klinischen Studien zeigen, dass der diagnostische Wert unserer Bilder dem von konventionellen Bildern gleichwertig oder besser ist.