透視イメージングの適応暴露によるX線の線量低減

本実験では、走査ビームデジタルX線システムを使用し、従来のように均一に曝露させるのではなく、被写体の不透過度に合わせて局所的に曝露を適応させることで、被曝線量を低減する方法を示します。まず、1回目のパスでリファレンス画像を収集し、適応的曝露アルゴリズムシステムのパラメータを定義します。その後、コンピュータが低線量要件を含む新しいスキャンマップを出力し、それをシステムにロードすることで、均一化された画像を収集することが可能になります。

面積線量計による測定では、適応的な曝露によって30%程度の線量削減が可能であることが示されています。私たちは、逆幾何学X線透視を可能にする「走査ビームデジタルX線（SPDX）」システムと呼ばれる撮像システムを開発しています。従来の撮像システムと逆幾何学撮像システムの主な違いは、単一の焦点X線管を用いて広視野検出器に投影しない点にあります。本システムのX線源は数千の焦点スポットで構成されており、それぞれが小型のフォトンカウンティング検出器にコーティングされ、単一の撮像フレームを取得します。

数千枚の検出器画像を収集しますが、各画像で捉えられるのは物体反転像のごく一部のみです。ジオメトリイメージングにより、画像内の散乱が大幅に低減されます。これにより、はるかに低い線量でこれらの画像を収集することが可能になります。

これは特に、散乱線が患者の体格に比例して増加するため、体格の大きい患者にとって有利となります。小児患者の場合、散乱線低減による線量削減効果ははるかに少なくなります。しかし、インバースジオメトリを採用することで、小児患者にも利益をもたらす線量削減戦略の実装が可能になります。

逆幾何学（インバース・ジオメトリ）により、適応型露光と呼ぶ手法が可能になります。数千枚の検出器画像を収集するため、露光領域の不透過度に応じてリアルタイムで露光量を適応させることができ、放射線透過性の高い領域では露光量を減らし、より不透過性の高い領域では露光量を維持することが可能です。これにより、画像全体の画質を均一にし、従来のシステムでは過剰に露光されていた領域の被ばく線量を低減させることができます。

放射線量をモニタリングするため、コリメータの前に面積線量計を配置します。通常、患者またはファントムはコリメータに比較的近い位置に配置され、撮像領域の中心がコリメータから約40 centimetersになるように調整します。次に、システムの動作モードを選択します。

一般的な設定は、視野7インチ、フレームレート15 frames per secondです。X線源のピーク電圧を80 peak kilovoltsに、光源出力を17 kilowattsに設定します。その後、SBDXシステムを起動し、画像取得を開始します。

画像取得中、電子ビームはラスタースキャン方式により、各焦点スポット位置に順次走査されます。各焦点スポット位置において、電子ビームが透過ターゲットに衝突し、X線が発生します。生成されたX線光子は集束コリメーターを通過し、検出器を照射します。

したがって、撮像領域のごく一部のみが投影されます。照明中、検出器は検出器画像を取得し、これはシステムメモリに直接保存されます。各焦点スポットについて、最大8マイクロ秒の照明が必要です。

しかし、ターゲットの耐熱制限があるため、最大連続露光時間は1 µsとなります。そのため、データ収集は1 µsずつの8回の増分に分割されます。最終的に、約60 msの間に合計40,000枚以上の検出器画像が記録されます。

線量面積積計の測定値を必ず記録してください。SBDXは本質的にトモシンセシスシステムであり、各光源焦点スポットから異なる角度で物体に照射されるため、コリメータと検出器の間に位置する撮像領域内の任意の平面を再構成することが可能です。まず、イメージングの設定から始めてください。

構築パラメータ。再構成する断面の数とその位置を選択してください。次に、画像再構成アルゴリズムを実行します。

本アルゴリズムでは、まず各検出器画像をそれぞれの再構成平面に合わせてスケーリングし、次に焦点スポットの位置に従って画像をシフトさせてから、再構成画像に加算することで、各検出器画像を処理します。次に、後処理フィルタリングによって、シフトおよび加算操作によって生じたパターンを除去します。通常、0.5 millimeters 間隔の 32 平面が、再構成画像スタックとして再構成されます。

検出器からの距離に応じて、構造物の焦点が合ったり外れたりします。平面選択アルゴリズムは、すべての平面で焦点が合っている構造物を選択し、その情報を用いて、焦点の合った構造物のみを表示する合成画像を形成します。この2D画像は、従来のシステムで得られる画像と同等です。

しかしながら、平面選択アルゴリズムによって、すべての構造体がコリメータに対してどの位置にあるかが決定されています。これにより、3Dアニメーションとしての再生が可能になります。保存された画像を適応的な露光シミュレーターに読み込み、各焦点スポットに対してアルゴリズムを実行します。これにより、画像内の光子数が決定されます。

その後、目標のフォト数に達するか、あるいは8回すべてのリスキャンが完了するまで画像を蓄積します。適応的露光シミュレーターの出力は、各フォーカルスポット位置が何回照射されるかを詳細に示したリスキャンマップです。このマップは、SBDXシステムを動作させるために使用されるオペレーションモードファイルに統合されます。

更新された動作モードファイルをSBDXシステムにロードした後、以前に撮影した画像とは異なり、リスキャンマップに従って焦点スポット位置でX線ビームのオン・オフが切り替えられるようになり、総照射回数が削減されます。新しいデータに対して画像再構成アルゴリズムを実行し、等化画像を再構成します。ここでも必ず面積線量計を用いて面積線量積の読み取り値を記録してください。面積線量計による線量測定の結果、リスキャンマスクを用いた等化画像では30%の線量削減が実証されました。予備的な結果から、画質は同等であり、等化画像は非等化画像よりも視覚的な訴求力が高いことが示されました。

我々は、被ばく線量および透視処置を削減するための手法として、適応的露光（adaptive exposure）を検討しています。初期の結果では、同等の画質を維持しつつ、少なくとも30%の線量削減が可能であることが示されています。現在、適応的露光をリアルタイム機能として実装するプロセスを進めています。

画像取得中に、当社のアルゴリズムが自動的にしきい値処理を行います。したがって、ここで示す手順の多くはユーザーには表示されません。現在の結果は期待できるものであり、本手法をさらに詳しく研究することを楽しみにしています。

特に、臨床試験において、我々の画像の診断価値が従来の画像と同等またはそれ以上であることを示す必要があります。