X-ray Vermindering van de dosis door middel van Adaptive Exposure in Fluoroscopische Imaging

Dit experiment laat zien hoe het digitale röntgensysteem met scanbundel kan worden gebruikt om de dosis te verminderen door de belichting lokaal aan te passen aan de opaciteit van het object, in plaats van het object uniform te belichten zoals conventioneel gebeurt. De eerste stap is het verkrijgen van een referentiebeeld bij een eerste passage en het definiëren van de parameters van het systeem voor het adaptieve belichtingsalgoritme. De computer genereert vervolgens een nieuwe scanmap met lagere dosisvereisten, die in het systeem wordt geladen, zodat een geëgaliseerd beeld kan worden verkregen.

Metingen van het dosisoppervlakproduct tonen aan dat adaptieve blootstelling leidt tot dosisbesparingen in de orde van 30%. Wij ontwikkelen een beeldvormingssysteem genaamd de scanning beam Digital x-ray of het SPDX-systeem, dat röntgenfluoroscopie met inverse geometrie mogelijk maakt. Het belangrijkste verschil tussen een conventioneel beeldvormingssysteem en een systeem met inverse geometrie is dat we geen röntgenbuis met één enkel brandpunt gebruiken die projecteert op een detector met een groot gezichtsveld. Onze röntgenbron bestaat uit duizenden brandpunten, waarvan elk is gecoat op een kleine photon counting-detector om één enkel beeldframe te verkrijgen.

We brengen duizenden detectorafbeeldingen in kaart, waarbij elke afbeelding slechts een klein deel van de inverse van het object weergeeft. Geometrische beeldvorming leidt tot een aanzienlijke vermindering van verstrooiing in de beelden. Hierdoor kunnen we deze afbeeldingen bij een veel lagere dosis verkrijgen.

Dit is in het bijzonder voordelig voor grotere patiënten, aangezien verstrooiing schaalt met de patiëntomvang. Bij pediatrische patiënten zijn de dosisbesparingen door verstrooiingsreductie veel kleiner. Desondanks maakt inverse geometrie de implementatie van dosisbesparende strategieën mogelijk die ook ten goede komen aan pediatrische patiënten.

Inverse geometrie maakt een techniek mogelijk die wij adaptieve belichting noemen. Aangezien we duizenden detectorafbeeldingen verwerven, kunnen we de belichting in realtime aanpassen, afhankelijk van de densiteit van het belichte gebied, zodat we de belichting in radiolucente gebieden kunnen verminderen en de belichting in meer opake gebieden kunnen behouden. Hierdoor kunnen we een uniforme beeldkwaliteit in de gehele afbeelding bereiken en de dosis verminderen in gebieden die in conventionele systemen overbelicht raken.

Om de stralingsdosis te bewaken, wordt een dosis-oppervlakteproductmeter voor de collimator geplaatst. De patiënt of het fantoom wordt gewoonlijk relatief dicht bij de collimator gepositioneerd, waarbij het centrum van het beeldvolume zich op ongeveer 40 centimeter van de collimator bevindt. Vervolgens wordt de bedrijfsmodus van het systeem geselecteerd.

Typische instellingen zijn een gezichtsveld van zeven inch en een framerate van 15 frames per seconde. De piekspanning van de röntgenbron wordt ingesteld op 80 peak kilovolts en het bronvermogen op 17 kilowatts. Zet vervolgens het SBDX-systeem aan en start de beeldacquisitie.

Tijdens de beeldacquisitie wordt een elektronenbundel sequentieel over elke brandpuntpositie gescand in een rasterpatroon. Bij elke brandpuntpositie raakt de elektronenbundel het transmissiedoel, waarbij röntgenstraling wordt gegenereerd. De resulterende röntgenfotonen passeren een focusserende collimator en belichten de detector.

Hierdoor wordt slechts een klein deel van het beeldvolume geprojecteerd. Tijdens de belichting legt de detector een detectorbeeld vast, dat direct in het systeemgeheugen wordt opgeslagen. Voor elk brandpunt is een belichting van maximaal acht microseconden gewenst.

Vanwege de thermische beperkingen van het doelwit is de maximale continue blootstelling echter één microseconde, en is de acquisitie opgedeeld in acht incrementen van één microseconde. In totaal worden er over ongeveer 60 milliseconden meer dan 40.000 detectorbeelden geregistreerd aan het einde van de beeldacquisitie.

Zorg ervoor dat de meting op de dose-area productmeter wordt geregistreerd. De SBDX is inherent een tomosynthesesysteem; aangezien het object onder verschillende hoeken vanuit elk brandpunt van de bron wordt belicht, kan elk vlak binnen het beeldvolume dat zich tussen de collator en de detector bevindt, worden gereconstrueerd. Begin met het instellen van de beeldvorming.

Constructieparameters. Selecteer hoeveel vlakken er gereconstrueerd moeten worden en hun locatie. Voer vervolgens het beeldreconstructie-algoritme uit.

Het algoritme verwerkt elke detectorafbeelding door eerst de detectorafbeelding te schalen voor het betreffende reconstructievlak en vervolgens de afbeelding te verschuiven op basis van de positie van de brandvlek voordat deze aan de reconstructie wordt toegevoegd. Vervolgens verwijdert een post-process filtering het patroon dat is ontstaan door de verschuif- en opteloperatie. Doorgaans worden 32 vlakken met een tussenruimte van 0,5 millimeters gereconstrueerd in een stapel gereconstrueerde afbeeldingen.

Structuren raken in en uit focus, afhankelijk van hun afstand tot de detector. Het algoritme voor vlakselectie selecteert de structuren die in elk vlak in focus zijn; met deze informatie kan een samengestelde afbeelding worden gevormd die alleen structuren in focus toont. Deze 2D-afbeelding is gelijkwaardig aan afbeeldingen die met een conventioneel systeem zijn verkregen.

Het algoritme voor de vlakselectie heeft echter voor elke structuur bepaald waar deze zich bevindt ten opzichte van een collimator. Hierdoor kunnen we dit als een 3D-animatie afspelen; laad de opgeslagen afbeeldingen in de simulator voor adaptieve belichting en voer het algoritme uit voor elke brandpuntsvlek. Het aantal fotonen in de afbeelding wordt vervolgens bepaald.

De beelden worden vervolgens verzameld totdat het doelaantal fotonen is bereikt, of totdat alle acht de rescans zijn toegevoegd. De output van de adaptieve blootstellingssimulator is een rescan-kaart die in detail aangeeft hoe vaak elke positie van de brandpuntsvlek wordt belicht. Deze kaart wordt samengevoegd met het bestand voor de operationele modus dat wordt gebruikt om het SBDX-systeem aan te sturen.

Nadat het bijgewerkte bestand voor de modus van de werking in het SBDX-systeem is geladen, wordt de röntgenbundel bij het maken van beelden nu alleen aan- of uitgeschakeld op de brandpuntposities volgens de re-scan map, waardoor het totaal aantal belichtingen wordt verminderd. Voer het algoritme voor beeldreconstructie uit op de nieuwe gegevens om het geëgaliseerde beeld te reconstrueren. Zorg er opnieuw voor dat de aflezing van het dosis-oppervlakproduct wordt geregistreerd; dosismetingen met de dosis-oppervlakproductmeter toonden een dosisbesparing van 30% aan in het geëgaliseerde beeld door gebruik van het re-scan masker. Voorlopige resultaten toonden aan dat de beeldkwaliteit gelijkwaardig is en dat het geëgaliseerde beeld visueel aantrekkelijker is dan het niet-geëgaliseerde beeld.

Wij onderzoeken adaptieve belichting als techniek om de dosis en fluoroscopische procedures te verminderen. De eerste resultaten tonen aan dat dosisbesparingen van ten minste 30% haalbaar zijn bij een gelijke beeldkwaliteit. We zijn momenteel bezig met de implementatie van adaptieve belichting als een real-time functie.

Tijdens de beeldacquisitie zal ons algoritme automatisch drempelwaarde-bepaling uitvoeren. Daarom zullen veel van de hier getoonde stappen onzichtbaar zijn voor de gebruiker. Onze huidige resultaten zijn bemoedigend en we kijken ernaar uit om onze techniek verder te onderzoeken.

In het bijzonder zullen we in klinische studies moeten aantonen dat de diagnostische waarde van onze beelden gelijkwaardig aan of beter is dan die van conventionele beelden.