Dosis de rayos X a través de la reducción de la exposición de adaptación en imagen fluoroscópica

Este experimento muestra cómo utilizar el sistema digital de rayos X con haz de barrido para reducir la dosis mediante la adaptación local de la exposición a la opacidad del objeto, en lugar de exponerlo de manera uniforme como se hace convencionalmente. El primer paso consiste en adquirir una imagen de referencia en un primer pase y definir los parámetros del algoritmo de exposición adaptativa. Luego, la computadora genera un nuevo mapa de escaneo con requisitos de dosis más bajos, que se carga en el sistema para adquirir una imagen equalizada.

Las mediciones del producto dosis-área muestran que la exposición adaptativa conlleva un ahorro de dosis en el rango del 30 %. Estamos desarrollando un sistema de imagen denominado sistema de rayos X digital con haz escaneado o SPDX, que permite la fluoroscopia de rayos X con geometría inversa. La principal diferencia entre un sistema de imagen convencional y uno de geometría inversa es que no utilizamos un tubo de rayos X con un único punto focal que proyecta sobre un detector de campo de visión amplio. Nuestra fuente de rayos X consta de miles de puntos focales, cada uno recubierto sobre un detector pequeño de conteo de fotones, para adquirir un solo cuadro de imagen.

Obtenemos miles de imágenes del detector, con cada imagen del detector captando solo una pequeña porción de la inversa del objeto. La imagen mediante geometría provoca una reducción significativa de la dispersión en las imágenes, lo que nos permite adquirir estas imágenes con una dosis mucho más baja.

Esto es particularmente ventajoso para pacientes más grandes, ya que la dispersión aumenta con el tamaño del paciente. En pacientes pediátricos, el ahorro de dosis debido a la reducción de la dispersión es mucho menor. Sin embargo, la geometría inversa permite la implementación de estrategias de ahorro de dosis que también benefician a los pacientes pediátricos.

La geometría inversa posibilita una técnica que denominamos exposición adaptativa. Mientras adquirimos miles de imágenes del detector, podemos adaptar la exposición en tiempo real, dependiendo de la densidad de la región expuesta, de modo que podemos reducir la exposición en áreas radiolúcidas y mantenerla en regiones más opacas. Por lo tanto, podemos lograr una calidad de imagen uniforme en toda la imagen y reducir la dosis en áreas que estarían sobreexpuestas en sistemas convencionales.

Para monitorear la dosis de radiación, se coloca un medidor de producto dosis-área delante del colimador. El paciente o el fantasma se posiciona generalmente relativamente cerca del colimador, con el centro del volumen de imagen a unos 40 centímetros del colimador. A continuación, se selecciona el modo de funcionamiento del sistema.

Los ajustes típicos son un campo de visión de siete pulgadas y una frecuencia de cuadros de 15 cuadros por segundo. El voltaje pico de la fuente de rayos X se establece en 80 kilovoltios pico y la potencia de la fuente en 17 kilovatios. Luego encienda el sistema SBDX e inicie la adquisición de imágenes.

Durante la adquisición de imágenes, un haz de electrones se escanea secuencialmente en cada posición de punto focal de forma rasterizada. En cada posición de punto focal, el haz de electrones impacta en el objetivo de transmisión y genera rayos X. Los fotones de rayos X resultantes atraviesan un colimador de enfoque e iluminan el detector.

Por lo tanto, solo se proyecta una pequeña porción del volumen de imagen. Durante la iluminación, el detector adquiere una imagen detectora, que se almacena directamente en la memoria del sistema. Para cada punto focal, se desea una iluminación de hasta ocho microsegundos.

Sin embargo, debido a las limitaciones térmicas del objetivo, la exposición continua máxima es de uno. El microsegundo y la adquisición se dividen en ocho incrementos de un microsegundo. En total, durante aproximadamente 60 milisegundos, se registran más de 40.000 imágenes del detector al final de la adquisición de imágenes.

Asegúrese de registrar la medición en el medidor de producto dosis-área. El SBDX es intrínsecamente un sistema de tomosíntesis, ya que el objeto se ilumina bajo diferentes ángulos desde cada punto focal de la fuente; cualquier plano dentro del volumen de imagen ubicado entre el colimador y el detector puede reconstruirse. Comience configurando la imagen.

Parámetros de construcción. Seleccione cuántos planos reconstruir y su ubicación. A continuación, ejecute el algoritmo de reconstrucción de imágenes.

El algoritmo procesa cada imagen del detector escalando primero la imagen del detector para el plano de reconstrucción respectivo, y segundo, desplazando la imagen según la posición del punto focal antes de sumarla a la reconstrucción. A continuación, un filtro de postprocesamiento elimina el patrón creado por la operación de desplazamiento y suma. Típicamente, se reconstruyen 32 planos con un espaciado de 0,5 milímetros en una pila de imágenes reconstruidas.

Las estructuras entran y salen de enfoque dependiendo de su distancia respecto al detector. El algoritmo de selección de planos selecciona las estructuras que están enfocadas en cada plano, y con esa información, puede generarse una imagen compuesta que muestra únicamente las estructuras y el enfoque. Esta imagen 2D es equivalente a las imágenes obtenidas en un sistema convencional.

Sin embargo, el algoritmo de selección de plano ha determinado para cada estructura su posición con respecto a un colimador. Esto nos permite reproducirlo como una animación 3D, cargar las imágenes guardadas en el simulador de exposición adaptativa y ejecutar el algoritmo para cada punto focal. Se determina el número de fotones en la imagen.

A continuación, se acumulan las imágenes hasta alcanzar el número objetivo de fotones o hasta que se agreguen los ocho reescaneos. La salida del simulador de exposición adaptativa es un mapa de reescaneo que detalla cuántas veces se ilumina cada posición del punto focal. Este mapa se combina con el archivo de modo de operación utilizado para ejecutar el sistema SBDX.

Después de cargar el archivo de modo de operación actualizado en el sistema SBDX, las imágenes tomadas anteriormente solo ahora tendrán el haz de rayos X encendido o apagado en las posiciones del punto focal según el mapa de nuevo escaneo, lo que reduce el número total de iluminaciones; ejecute el algoritmo de reconstrucción de imágenes en los nuevos datos para reconstruir la imagen equalizada. Nuevamente, asegúrese de registrar la lectura del producto dosis-área; las mediciones de dosis con el medidor de producto dosis-área demostraron un ahorro de dosis del 30 % en la imagen equalizada utilizando la máscara de nuevo escaneo. Los resultados preliminares mostraron que la calidad de la imagen es equivalente y que la imagen equalizada tiene una mayor atractivo visual que la imagen no equalizada.

Estamos explorando la exposición adaptativa como una técnica para reducir la dosis en procedimientos fluoroscópicos. Los resultados iniciales muestran que es factible lograr ahorros de dosis de al menos el 30 % con una calidad de imagen equivalente. Actualmente estamos implementando la exposición adaptativa como una función en tiempo real.

Durante la adquisición de imágenes, nuestro algoritmo realizará automáticamente el umbralizado. Por lo tanto, muchos de los pasos mostrados aquí serán invisibles para el usuario. Nuestros resultados actuales son alentadores y esperamos investigar más a fondo nuestra técnica.

En particular, tendremos que demostrar en ensayos clínicos que el valor diagnóstico de nuestras imágenes es equivalente o superior al de las imágenes convencionales.