Redukcja dawki promieniowania rentgenowskiego poprzez adaptacyjną ekspozycję w obrazowaniu fluoroskopowym

Niniejszy eksperyment pokazuje, jak wykorzystać cyfrowy system rentgenowski z wiązką skanującą w celu zmniejszenia dawki promieniowania poprzez lokalne dostosowanie ekspozycji do nieprzezroczystości obiektu, zamiast stosowania konwencjonalnego równomiernego naświetlania. Pierwszym krokiem jest pozyskanie referencyjnego obrazu z pierwszego przejścia oraz zdefiniowanie parametrów systemu algorytmu ekspozycji adaptacyjnej. Następnie komputer generuje nową mapę skanowania z niższymi wymaganiami dotyczącymi dawki, która jest ładowana do systemu, co pozwala na uzyskanie obrazu o wyrównanym kontraście.

Pomiary produktu dawka-pole wykazują, że adaptacyjna ekspozycja prowadzi do oszczędności dawki w zakresie 30%. Opracowujemy system obrazowania nazywany skanującą wiązką cyfrowego rentgena lub systemem SPDX, który umożliwia fluoroskopię rentgenowską o geometrii odwróconej. Główną różnicą między konwencjonalnym a systemem obrazowania o geometrii odwróconej jest fakt, że nie stosujemy lampy rentgenowskiej z pojedynczym ogniskiem, która rzutuje obraz na detektor o dużym polu widzenia. Nasze źródło promieniowania rentgenowskiego składa się z tysięcy ognisk, z których każde jest powiązane z małym detektorem zliczającym fotony w celu pozyskania pojedynczej klatki obrazu.

Pozyskujemy tysiące obrazów z detektora, przy czym każdy z nich obejmuje jedynie niewielką część obrazu odwrotnego obiektu. Obrazowanie geometryczne prowadzi do znaczącej redukcji rozproszenia w obrazach. Pozwala nam to na pozyskiwanie tych obrazów przy znacznie niższej dawce.

Jest to szczególnie korzystne w przypadku większych pacjentów, ponieważ rozpraszanie skaluje się wraz z rozmiarem ciała pacjenta. U pacjentów pediatrycznych oszczędności dawki wynikające z redukcji rozpraszania są znacznie mniejsze. Niemniej jednak geometria odwrotna umożliwia wdrożenie strategii oszczędzania dawki, które przynoszą korzyści również pacjentom pediatrycznym.

Geometria odwrócona umożliwia zastosowanie techniki, którą nazywamy ekspozycją adaptacyjną. Ponieważ pozyskujemy tysiące obrazów z detektora, możemy dostosowywać ekspozycję w czasie rzeczywistym, w zależności od gęstości naświetlanego obszaru, co pozwala na zmniejszenie ekspozycji w obszarach prześwietlnych i utrzymanie jej w regionach bardziej nieprzeźroczystych. Dzięki temu możemy uzyskać jednolitą jakość całego obrazu i zredukować dawkę w obszarach, które w konwencjonalnych systemach są nadmiernie naświetlone.

W celu monitorowania dawki promieniowania przed kolimatorem umieszcza się miernik produktu dawka-pole. Pacjenta lub fantoma pozycjonuje się zazwyczaj stosunkowo blisko kolimatora, tak aby centrum objętości obrazowania znajdowało się w odległości około 40 centymetrów od kolimatora. Następnie wybiera się tryb pracy systemu.

Typowe ustawienia to pole widzenia wynoszące siedem cali oraz częstotliwość odświeżania 15 klatek na sekundę. Napięcie szczytowe źródła promieniowania rentgenowskiego ustawia się na 80 kV peak, a moc źródła na 17 kW. Następnie należy włączyć system SBDX i rozpocząć akwizycję obrazu.

Podczas akwizycji obrazu wiązka elektronów jest sekwencyjnie skanowana w sposób rastrowy na każdą pozycję ogniska. W każdej pozycji ogniska wiązka elektronów uderza w tarczę transmisyjną, generując promieniowanie rentgenowskie. Powstające fotony promieniowania rentgenowskiego przechodzą przez kolimator skupiający i oświetlają detektor.

W ten sposób rzutowana jest tylko niewielka część objętości obrazowania. Podczas oświetlania detektor rejestruje obraz, który jest bezpośrednio zapisywany w pamięci systemu. Dla każdego ogniska pożądanym jest oświetlanie trwające do ośmiu mikrosekund.

Jednak ze względu na ograniczenia termiczne obiektu, maksymalny czas ciągłej ekspozycji wynosi 1 µs, a akwizycja jest podzielona na osiem przyrostów po 1 µs. Łącznie, w czasie około 60 ms, pod koniec akwizycji obrazu rejestrowanych jest ponad 40 000 obrazów z detektora.

Należy pamiętać o odczytaniu pomiaru z miernika produktu dawka-pole. SBDX jest z natury systemem tomosyntezy, ponieważ obiekt jest oświetlany pod różnymi kątami z każdego ogniska źródła, co pozwala na rekonstrukcję dowolnej płaszczyzny w obrębie objętości obrazowania znajdującej się pomiędzy kolimatorem a detektorem. Rozpocznij od ustawienia obrazowania.

Parametry konstrukcji. Wybierz liczbę płaszczyzn do rekonstrukcji oraz ich położenie. Następnie uruchom algorytm rekonstrukcji obrazu.

Algorytm przetwarza każdy obraz z detektora, najpierw skalując go dla odpowiedniej płaszczyzny rekonstrukcji, a następnie przesuwając obraz zgodnie z pozycją plamki ogniskowej przed dodaniem go do rekonstrukcji. Następnie filtrowanie w procesie końcowym usuwa wzór powstały w wyniku operacji przesunięcia i dodawania. Zazwyczaj w stosie obrazów rekonstruowanych rekonstruowanych jest 32 płaszczyzny w odstępach 0.5 millimeters.

Struktury stają się ostre lub rozmyte w zależności od ich odległości od detektora. Algorytm wyboru płaszczyzny wybiera struktury, które są w ostrości w każdej płaszczyźnie; na podstawie tych informacji można utworzyć obraz kompozytowy, który przedstawia wyłącznie struktury będące w ostrości. Ten obraz 2D jest równoważny obrazom uzyskiwanym w konwencjonalnym systemie.

Jednak algorytm wyboru płaszczyzny określił dla każdej struktury jej położenie względem kolimatora. Pozwala to na odtworzenie procesu w formie animacji 3D: należy załadować zapisane obrazy do symulatora adaptacyjnej ekspozycji i uruchomić algorytm dla każdego ogniska. Następnie wyznaczana jest liczba fotonów w obrazie.

Następnie obrazy są gromadzone do momentu osiągnięcia docelowej liczby fotonów lub dodania wszystkich ośmiu przeskanowań. Wynikiem symulatora adaptacyjnej ekspozycji jest mapa przeskanowań, która określa, ile razy każda pozycja plamki ogniskowej została naświetlona. Mapa ta jest dołączana do pliku trybu pracy wykorzystywanego do uruchomienia systemu SBDX.

Po załadowaniu zaktualizowanego pliku trybu pracy do systemu SBDX, w przeciwieństwie do wcześniej wykonanych obrazów, wiązka rentgenowska będzie teraz włączana lub wyłączana w pozycjach ogniska zgodnie z mapą ponownego skanowania (re-scan map), co zmniejszy całkowitą liczbę naświetleń; następnie należy uruchomić algorytm rekonstrukcji obrazu na nowych danych w celu uzyskania obrazu wyrównanego. Należy ponownie pamiętać o zapisaniu odczytów produktu dawka-pole; pomiary wykonane za pomocą dozymetru produktu dawka-pole wykazały oszczędność dawki na poziomie 30% w obrazie wyrównanym przy użyciu maski ponownego skanowania. Wstępne wyniki wykazały, że jakość obrazu jest równoważna, a obraz wyrównany jest bardziej atrakcyjny wizualnie niż obraz niewyrównany.

Badamy adaptacyjną ekspozycję jako technikę redukcji dawki w procedurach fluoroskopowych. Wstępne wyniki wskazują, że przy zachowaniu tej samej jakości obrazu możliwe jest osiągnięcie oszczędności dawki na poziomie co najmniej 30%. Jesteśmy w trakcie wdrażania adaptacyjnej ekspozycji jako funkcji działającej w czasie rzeczywistym.

Podczas akwizycji obrazów nasz algorytm automatycznie przeprowadzi progowanie. W związku z tym wiele z przedstawionych tutaj kroków będzie niewidocznych dla użytkownika. Nasze obecne wyniki są obiecujące i z niecierpliwością czekamy na dalsze badanie naszej techniki.

W szczególności będziemy musieli wykazać w badaniach klinicznych, że wartość diagnostyczna naszych obrazów jest równoważna lub lepsza od obrazów konwencjonalnych.