קרני ה-X באמצעות הפחתת מינון חשיפה מסתגלת בתחום ההדמיה fluoroscopic
11 בספטמבר 2011
אנחנו מפתחים טכניקה דינמי חשיפה אדפטיבית באמצעות סריקה קרן שלנו דיגיטלי רנטגן המערכת. במקום לחשוף את אובייקט אחיד, החשיפה מותאם בהתאם אטימות של האובייקט. כאן אנו מציגים ניסוי רפאים אנתרופומורפי שהביאו להצלת מנה של 30%.
ניסוי זה מדגים כיצד להשתמש במערכת רנטגן דיגיטלית עם קרן סורקת כדי לחסוך במינון על ידי התאמה מקומית של החשיפה לעובי (אטיות) האובייקט, במקום חשיפה אחידה כפי שנעשה באופן קונבנציונלי. השלב הראשון הוא רכישת תמונת ייחוס במעבר ראשון והגדרת הפרמטרים של מערכת אלגוריתם החשיפה האדפטיבית. לאחר מכן, המחשב פולט מפת סריקה חדשה עם דרישות מינון נמוכות יותר, אשר נטענת במערכת, כך שניתן להשיג תמונה מאוזנת.
מדידות של מכפלת מינון בשטח (Dose area product) מראות כי חשיפה אדפטיבית מובילה לחיסכון במינון בטווח של 30%. אנו מפתחים מערכת דימוי הנקראת קרן סורקת לרנטגן דיגיטלית, או מערכת SPDX, המאפשרת פלואורסקופיה ברנטגן בגיאומטריה הפוכה. ההבדל העיקרי בין מערכת דימוי קונבנציונלית לבין מערכת בגיאומטריה הפוכה הוא שאיננו משתמשים במקור רנטגן עם מוקד מיקוד בודד המקרין על גלאי בעל שדה ראייה רחב. מקור הרנטגן שלנו מורכב מאלפי נקודות מיקוד, כאשר כל אחת מהן מצופה בגלאי קטן לספירת פוטונים כדי להשיג פריים דימוי בודד.
אנו רוכשים אלפי תמונות גלאי, כאשר כל תמונת גלאי מציגה רק חלק קטן מההיפוך של האובייקט. דימוי גיאומטרי מוביל להפחתה משמעותית של הפיזור בתמונות. דבר זה מאפשר לנו לרכוש תמונות אלו במינון נמוך בהרבה.
דבר זה יתרון מיוחד עבור מטופלים גדולים יותר, שכן הפיזור עולה עם גודל המטופל. במטופלים פדיאטריים, החסכון במינון עקב הפחתת הפיזור נמוך בהרבה. עם זאת, גיאומטריה הפוכה מאפשרת יישום של אסטרטגיות לחיסכון במינון המועילות גם למטופלים פדיאטריים.
גאומטריה הפוכה מאפשרת טכניקה שאנו מכנים חשיפה אדפטיבית. מכיוון שאנו רוכשים אלפי תמונות מהגלאי, אנו יכולים להתאים את החשיפה בזמן אמת, בהתאם לצפיפות של האזור שנחשף, כך שנוכל להפחית את החשיפה באזורים רדיולוצנטים ושמור על החשיפה באזורים אטומים יותר. לפיכך, אנו יכולים להשיג איכות תמונה אחידה בכל התמונה ולהפחית את המינון באזורים שסובלים מחשיפת יתר במערכות קונבנציונליות.
כדי לנטר את מנת הקרינה, מוצב מד מכפלה של מינון ושטח (dose area product meter) לפני הקולמטור. המטופל או הפנטום ממוקמים בדרך כלל בקרבה יחסית לקולמטור, כאשר מרכז נפח הדימות נמצא במרחק של כ-40 centimeters מהקולמטור. לאחר מכן, נבחר מצב הפעלה של המערכת.
הגדרות טיפוסיות הן שדה ראייה של שבעה אינצ'ים וקצב פריימים של 15 frames per second. מתח השיא של מקור ה-X-ray מוגדר ל-80 peak kilovolts והספק המקור ל-17 kilowatts. לאחר מכן, הפעילו את מערכת ה-SBDX והתחילו ברכישת תמונה.
במהלך רכישת התמונה, אלומת אלקטרונים סורקת באופן רצפי כל מיקום של נקודת מיקוד בתבנית סריקה (raster). בכל מיקום של נקודת מיקוד, אלומת האלקטרונים פוגעת במטרת התמסירה ומייצרת קרני x. פוטוני ה-x שנוצרים עוברים דרך קולימטור ממיקד ומאירים את הגלאי.
כך, רק חלק קטן מנפח הדימות מושלך. במהלך ההארה, הגלאי רוכש תמונת גלאי, הנשמרת ישירות בזיכרון המערכת. עבור כל נקודת מיקוד, נדרשת הארה של עד שמונה microseconds.
עם זאת, בשל מגבלות תרמיות של המטרה, החשיפה הרציפה המקסימלית היא מיקרו-שנייה אחת, והרכישה מחולקת לשמונה פעימות של מיקרו-שנייה אחת. בסך הכל, לאורך כ-60 milliseconds, נרשמות למעלה מ-40,000 תמונות גלאי בסיום רכישת התמונה.
הקפידו לרשום את המדידה במד מכפלת המינון בשטח (dose area product meter). ה-SBDX הוא במהותו מערכת טומוסינתזה; מכיוון שהאובייקט מואר מזוויות שונות מכל נקודת מוקד של המקור, ניתן לשחזר כל מישור בתוך נפח הדמיון הממוקם בין הקולטור לבלשם.
פרמטרי בנייה. בחרו כמה מישורים לשחזר ואת מיקומם. לאחר מכן, הפעילו את אלגוריתם שחזור התמונה.
האלגוריתם מעבד כל תמונת גלאי תחילה על ידי קנה מידה של תמונת הגלאי עבור מישור השחזור הרלוונטי, ושנית, הזזת התמונה בהתאם למיקום מוקד המיקוד שלה לפני ההוספה לשחזור. לאחר מכן, סינון לאחר עיבוד מסיר את התבנית שנוצרה על ידי פעולת ההזזה וההוספה. בדרך כלל, 32 מישורים במרווחים של 0.5 millimeters משוחזרים במערך של תמונות משוחזרות.
מבנים נכנסים ויוצאים ממיקוד בהתאם למרחקם מהגלאי. אלגוריתם בחירת המישור בוחר את המבנים שנמצאים במיקוד בכל מישור, ובעזרת מידע זה ניתן ליצור תמונה מורכבת המציגה רק מבנים במיקוד. תמונה דו-ממדית זו שקולה לתמונות המתקבלות במערכת קונבנציונלית.
עם זאת, אלגוריתם בחירת המישור קבע עבור כל מבנה היכן הוא נמצא ביחס לקולמטור. הדבר מאפשר לנו להציג זאת כאנימציה בתלת-ממד, לטעון את התמונות השמורות לסימולטור החשיפה האדפטיבי ולהריץ את האלגוריתם עבור כל מוקד מוקד (focal spot). מספר הפוטונים בתמונה נקבע.
לאחר מכן צוברים את התמונות עד להגעה למספר הפוטונים המיועד, או עד להוספת כל שמונת הסריקות החוזרות. הפלט של סימולטור החשיפה האדפטיבי הוא מפת סריקה חוזרת המפרטת כמה פעמים כל מיקום של נקודת המוקד מואר. מפה זו ממוזגת לקובץ מצב הפעולה המשמש להפעלת מערכת ה-SBDX.
לאחר טעינת קובץ מצב הפעולה המעודכן למערכת ה-SBDX, ורק לאחר צילום התמונות המוקדמות, יופעל או יכבה קרן ה-x-ray במיקומי נקודת המוקד בהתאם למפת הסריקה החוזרת (re-scan map), ובכך יופחת מספר ההקרנות הכולל. הרץ את אלגוריתם שחזור התמונה על הנתונים החדשים כדי לשחזר את התמונה המאוזנת. שוב, הקפד להקליט את קריאת מוצר מכפלת המינון (dose area product); מדידות מינון באמצעות מד מוצר מכפלת המינון הדגימו חיסכון במינון של 30% בתמונה המאוזנת תוך שימוש במסכת הסריקה החוזרת. תוצאות ראשוניות הראו כי איכות התמונה שקולה וכי לתמונה המאוזנת יש מראה ויזואלי מושך יותר מאשר לתמונה שאינה מאוזנת.
אנו בוחנים חשיפה אדפטיבית כטכניקה להפחתת המינון והפרוצדורות הפלורוסקופיות. תוצאות ראשוניות מראות כי חיסכון במינון של לפחות 30% הוא בר-השגה תוך שמירה על איכות תמונה שווה. אנו נמצאים בתהליך של הטמעת חשיפה אדפטיבית כתכונה הפועלת בזמן אמת.
במהלך רכישת התמונה, האלגוריתם שלנו יבצע סף (thresholding) באופן אוטומטי. לכן, רבים מהשלבים המוצגים כאן לא יהיו גלויים למשתמש. התוצאות הנוכחיות שלנו מעודדות ואנו מצפים לחקור את הטכניקה שלנו באופן מעמיק יותר.
בפרט, נצטרך להראות בניסויים קליניים כי הערך האבחנתי של התמונות שלנו שווה או טוב יותר מתמונות קונבנציונליות.
סקירה כללית
מחקר זה מפתח טכניקה של חשיפה דינמית אדפטיבית המשתמשת במערכת רנטגן דיגיטלית בעלת קרן סורקת, אשר מתאימה את החשיפה על בסיס עכירות האובייקט. הניסוי שבוצע על פנטום אנתרופומורפי הדגים חיסכון של 30% במינון.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- דימות רפואי
- טכנולוגיית רנטגן
- ניהול מנת רדיאציה
רקע
- מערכות רנטגן קונבנציונליות מקרינות עצמים באופן אחיד, מה שמוביל למנת קרינה מיותרת.
- דימות גיאומטריה הפוכה (Inverse geometry imaging) מפחית פיזור, ובכך מאפשר דימות במינון נמוך יותר.
- טכניקות חשיפה אדפטיביות יכולות לשפר את איכות התמונה תוך מזעור החשיפה לקרינה.
- התאמה בזמן אמת של החשיפה בהתבסס על עמימות העצם היא גישה חדשנית.
מטרת המחקר
- פיתוח מערכת רנטגן דיגיטלית עם קרן סורקת המאפשרת חשיפה אדפטיבית.
- הדגמת חיסכון במינון תוך שמירה על איכות התמונה.
- בחינת היתרונות של חשיפה אדפטיבית באוכלוסיות מטופלים שונות.
שיטות שהשתמשו בהן
- רכישת תמונות ייחוס להגדרת פרמטרי חשיפה אדפטיביים.
- הטמעה של מד מכפלה של מנת קרינה ושטח (DAP) לניטור מנת הקרינה.
- סריקה רצפית של נקודות מוקד ליצירת תמונות רנטגן.
- אלגוריתמי שחזור תמונה ליצירת תמונות מנורמליות מנתוני הגלאי.
תוצאות עיקריות
- חשיפה אדפטיבית הובילה להפחתה של 30% במינון הקרינה.
- איכות התמונה הייתה שקולה לזו של מערכות קונבנציונליות.
- תמונות שעברו השוואה (equalized) הראו מראה ויזואלי משופר בהשוואה לתמונות שלא עברו השוואה.
- התאמה בזמן אמת אפשרה איכות תמונה אחידה על פני עמימויות משתנות.
מסקנות
- מערכת ה-X-ray הדיגיטלית עם קרן סריקה מפחיתה ביעילות את מנת הקרינה באמצעות חשיפה אדפטיבית.
- טכניקה זו עשויה להועיל למטופלים גדולים יותר ולאוכלוסיות פדיאטריות.
- בחינה מעמיקה יותר של חשיפה אדפטיבית עשויה לשפר את שיטות ההדמיה במסגרות קליניות.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
ניהול מנת חישיפה לקרינה בדימות פלואורוסקופי מהווה אתגר קריטי בקרדיולוגיה התערבותית, ובמיוחד עבור אוכלוסיות פדיאטריות העוברות פרוצדורות חוזרות. טכניקות חשיפה אדפטיביות, המודולות באופן דינמי את פלט קרני ה-X בהתבסס על עכירות הרקמה, מציעות דרך להפחית חשיפה מיותרת תוך שמירה על איכות התמונה האבחנתית. גישה זו תומכת בהפחתת סיכונים מכניסטית בתהליכי עבודה של דימות פרה-קליני וטרנסלציונלי, על ידי מתן אפשרות למחקרים לונגיטודינליים בטוחים וחוזרים במודלים של מחלות.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר דימות אורך של התקדמות מחלה במודלים של בעלי חיים קטנים עם הפחתה בעומס הקרינה המצטבר.
- ערך תפעולי: תומך במפגשי דימות חוזרים הנדרשים למחקרי פרמקוקינטיקה ופרמקודינמיקה מבלי לחרוג מספי סף הבטיחות.
סריקה ופיתוח בדיקות
- ערך מדעי: מאפשר דימוי ברזולוציה גבוהה ובמינון נמוך למעקב אחר התהלוכיות של חומרי ניגוד בבדיקות של חדירות כלי דם.
- ערך תפעולי: משפר את השחזוריות בנקודות קצה של דימוי כמותי על ידי מזעור השונות הביולוגית הנגרמת מהמינון.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: משפר את רמת הביטחון החיזויית במחקרי בטיחות קרדיווסקולרית על ידי מתן אפשרות לניטור סדרתי של תפקוד הלב ושינויים מבניים.
- ערך תפעולי: מפחית את שיעור הנשירה במחקרי רעילות על ידי צמצום גורמים מבלבלים המושרים על ידי קרינה בדימות אורכי.
שילוב תהליכי עבודה (Workflow) וצינורות עיבוד (Pipeline)
הטכניקה משתלבת בתהליכי עבודה של ביולוגיה של גילוי, שבהם דימות לא פולשני מספק מידע על מעורבות המטרה (target engagement) ומודיולציה של מסלולים, בייחוד במודלים של מחלות קרדיווסקולריות ומטבוליות.
- ביולוגיה של גילוי: תומכת בבדיקת השערות באמצעות דימוג סדרתי של מודלים של מחלות להערכת שינויים פנוטיפיים המתווכים על ידי המטרה.
- סריקה: מאפשרת מערכות דימוג מוכנות לבדיקה עם פלט עקבי במינון נמוך לצורך כימות אמין של השפעת תרכובות.
- אנליטיקה: מספקת עוצמות תמונה כמותיות ונורמליזציה המתאימות להשוואה סטטיסטית בין קבוצות טיפול.
- מחקר טרנסלציונלי: מגשר בין שלבי הגילוי והשלבים הפרה-קליניים על ידי שמירה על נאמנות הדימוג במעבר בין מינים, ממכרסמים למודלים גדולים יותר.
- שימוש חוזר ארגוני: מייצג מודליות דימוג בעלת יכולות פלטפורמה הניתנת להתאמה למספר תחומים טיפוליים הדורשים דימוג פלואורוסקופי או טומוסינתטי לאורך זמן.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: ביטחון ניבוי באמצעות הפחתת עמימות מכניסטית הנובעת מארטפקטים של קרינה במחקרים ארוכי טווח.
- ערך תפעולי: סטנדרטיזציה ושחזוריות באמצעות פרוטוקולי חשיפה מבוקרים ואדפטיביים.
- ערך אסטרטגי: שיפור בקבלת החלטות לגבי המשך הניסוי (go/no-go) על ידי מזעור תוצאות חיוביות/שליליות שגויות הנובעות מרעש ביולוגי תלוי-מינון.
- השפעה על פורטפוליו: תיעדוף מותאם סיכונים המאפשר שימוש בביומרקרי דימוג נקיים ובעלי יכולת תרגום גבוהה יותר.
שיקולי יישום
- מומחיות בפיזיקה רפואית ובתפעול מערכות רנטגן לצורך הגדרת פרוטוקולים וכיול.
- מכשור הכולל מערכות רנטגן דיגיטליות בעלות קרן סורקת עם בקרת חשיפה אדפטיבית ומדידת מכפלת מינון-שטח (dose area product).
- סטנדרטיזציה בין-צוותית בין יחידות הדימות, הפרמקולוגיה והטוקסיקולוגיה למעקב עקבי אחר המינון.
- שיקולי התאמה בין מערכות מודלים, ובמיוחד התאמת ספים עבור עכוריות רקמה משתנה באנלוגים של ילדים לעומת מבוגרים.
- מגבלה מעשית: היישום הנוכחי דורש אינטראקציית משתמש עבור מיפוי חשיפה אדפטיבי, מה שמגביל את התפוקה עד להשגת אוטומציה מלאה.
