X-ray através da redução da dose de exposição Adaptive em Imaging fluoroscópicas

Este experimento mostra como usar o sistema de raios X digitais com feixe escaneado para economizar dose, adaptando localmente a exposição à opacidade do objeto, em vez de expô-lo uniformemente, como é feito convencionalmente. O primeiro passo é adquirir uma imagem de referência na primeira passagem e definir os parâmetros do sistema de algoritmo de exposição adaptativa. Em seguida, o computador gera um novo mapa de varredura com requisitos de dose reduzidos, que é carregado no sistema, permitindo a aquisição de uma imagem equalizada.

As medições do produto dose-área mostram que a exposição adaptativa resulta em reduções de dose na faixa de 30%. Estamos desenvolvendo um sistema de imagem denominado sistema de raios X digital por feixe varrido ou SPDX, que permite a fluoroscopia de raios X com geometria inversa. A principal diferença entre um sistema de imagem convencional e um sistema com geometria inversa é que não utilizamos um tubo de raios X com um único ponto focal que projeta sobre um detector de campo de visão amplo. Nossa fonte de raios X consiste em milhares de pontos focais, cada um revestido sobre um detector pequeno de contagem de fótons, para adquirir um único quadro de imagem.

Adquirimos milhares de imagens do detector, com cada imagem do detector capturando apenas uma pequena porção do inverso do objeto. A imagem de geometria resulta em uma redução significativa da dispersão nas imagens. Isso nos permite adquirir essas imagens com uma dose muito menor.

Isso é particularmente vantajoso para pacientes maiores, pois a dispersão aumenta com o tamanho do paciente. Em pacientes pediátricos, a redução de dose devido à diminuição da dispersão é muito menor. No entanto, a geometria inversa permite a implementação de estratégias de economia de dose que também beneficiam pacientes pediátricos.

A geometria inversa permite uma técnica que estamos denominando exposição adaptativa. À medida que adquirimos milhares de imagens do detector, podemos adaptar a exposição em tempo real, dependendo da densidade da região exposta, reduzindo a exposição em áreas radiolúcidas e mantendo-a em regiões mais opacas. Dessa forma, é possível obter uma qualidade de imagem uniforme em toda a imagem e reduzir a dose em áreas que seriam superexpostas em sistemas convencionais.

Para monitorar a dose de radiação, um medidor de produto dose-área é colocado na frente do colimador. O paciente ou o fantoma é geralmente posicionado relativamente próximo ao colimador, com o centro do volume de imagem a cerca de 40 centímetros do colimador. Em seguida, seleciona-se o modo de operação do sistema.

As configurações típicas são campo de visão de sete polegadas e taxa de quadros de 15 quadros por segundo. A tensão de pico da fonte de raios X é ajustada para 80 quilovolts pico e a potência da fonte para 17 quilowatts. Em seguida, ligue o sistema SBDX e inicie a aquisição de imagens.

Durante a aquisição da imagem, um feixe de elétrons é escaneado sequencialmente para cada posição do ponto focal de forma rasterizada. Em cada posição do ponto focal, o feixe de elétrons atinge o alvo de transmissão e gera raios X. Os fótons de raios X resultantes atravessam um colimador de focagem e iluminam o detector.

Assim, apenas uma pequena porção do volume de imagem é projetada. Durante a iluminação, o detector adquire uma imagem do detector, que é diretamente armazenada na memória do sistema. Para cada ponto focal, deseja-se uma iluminação de até oito microssegundos.

No entanto, devido às limitações térmicas do alvo, a exposição contínua máxima é de um microssegundo, e a aquisição é dividida em oito incrementos de um microssegundo. No total, ao longo de cerca de 60 milissegundos, mais de 40.000 imagens do detector são registradas ao final da aquisição de imagens.

Certifique-se de registrar a medição no medidor de produto dose-área. O SBDX é intrinsecamente um sistema de tomosíntese, pois o objeto é iluminado sob diferentes ângulos a partir de cada ponto focal da fonte; qualquer plano dentro do volume de imagem localizado entre o colimador e o detector pode ser reconstruído. Comece configurando a imagem.

Parâmetros de construção. Selecione quantos planos reconstruir e suas localizações. Em seguida, execute o algoritmo de reconstrução de imagem.

O algoritmo processa cada imagem do detector primeiramente escalando a imagem do detector para o respectivo plano de reconstrução e, em seguida, deslocando a imagem de acordo com a posição do ponto focal antes de adicioná-la ao reconstrução. Em seguida, um filtro pós-processamento remove o padrão criado pela operação de deslocamento e adição. Tipicamente, 32 planos com espaçamento de 0,5 milímetros são reconstruídos em uma pilha de imagens reconstruídas.

As estruturas entram e saem de foco dependendo de sua distância em relação ao detector. O algoritmo de seleção de plano escolhe as estruturas que estão em foco em cada plano, e com essa informação, pode-se formar uma imagem composta que mostra apenas estruturas e foco. Essa imagem 2D é equivalente às imagens obtidas em um sistema convencional.

No entanto, o algoritmo de seleção de plano determinou para cada estrutura onde ela se encontra em relação a um colimador. Isso nos permite reproduzi-la como uma animação 3D, carregar as imagens salvas no simulador de exposição adaptativa e executar o algoritmo para cada ponto focal. O número de fótons na imagem é determinado.

As imagens são então acumuladas até que o número-alvo de fótons seja atingido ou até que todas as oito reescaneamentos sejam adicionados. A saída do simulador de exposição adaptativa é um mapa de reescaneamento que detalha quantas vezes cada posição do ponto focal é iluminada. Esse mapa é mesclado ao arquivo de modo de operação utilizado para executar o sistema SBDX.

Após carregar o arquivo de modo de operação atualizado no sistema SBDX, as imagens adquiridas anteriormente agora serão obtidas com o feixe de raios X sendo ligado ou desligado nas posições do ponto focal de acordo com o mapa de reescaneamento, reduzindo o número total de iluminações; execute então o algoritmo de reconstrução de imagem nos novos dados para reconstruir a imagem equalizada. Novamente, certifique-se de registrar a leitura do produto dose-área; medições de dose com o medidor de produto dose-área demonstraram uma redução de dose de 30% na imagem equalizada ao utilizar a máscara de reescaneamento. Resultados preliminares mostraram que a qualidade da imagem é equivalente e que a imagem equalizada possui maior apelo visual do que a imagem não equalizada.

Estamos explorando a exposição adaptativa como uma técnica para reduzir a dose em procedimentos fluoroscópicos. Os resultados iniciais mostram que reduções de dose de pelo menos 30% são viáveis com qualidade de imagem equivalente. Estamos no processo de implementar a exposição adaptativa como um recurso em tempo real.

Durante a aquisição da imagem, nosso algoritmo realizará automaticamente o limiarização. Portanto, muitas das etapas mostradas aqui serão invisíveis ao usuário. Nossos resultados atuais são encorajadores e estamos ansiosos para investigar mais a fundo nossa técnica.

Em particular, teremos que demonstrar em ensaios clínicos que o valor diagnóstico de nossas imagens é equivalente ou superior ao das imagens convencionais.