Доза рентгеновского излучения с нищетой на основе адаптивного выдержки в рентгеноскопии изображений

В данном эксперименте демонстрируется способ использования цифровой рентгеновской системы со сканирующим лучом для снижения дозы облучения путем локальной адаптации экспозиции к плотности объекта, в отличие от традиционного равномерного облучения. На первом этапе выполняется получение первого референсного изображения и определение параметров системы алгоритма адаптивной экспозиции. Затем компьютер формирует новую карту сканирования с пониженными требованиями к дозе, которая загружается в систему для получения выровненного по интенсивности изображения.

Измерения произведения дозы на площадь показывают, что адаптивное облучение приводит к экономии дозы в диапазоне 30%. Мы разрабатываем систему визуализации под названием сканирующий пучок цифрового рентгена или система SPDX, которая обеспечивает рентгеновскую флюороскопию с обратной геометрией. Основное различие между традиционной системой визуализации и системой с обратной геометрией заключается в том, что мы не используем рентгеновскую трубку с одним фокусным пятном, которая проецирует изображение на детектор с большим полем обзора. Наш источник рентгеновского излучения состоит из тысяч фокусных пятен, каждое из которых нанесено на небольшой детектор с подсчетом фотонов для получения одного кадра изображения.

Мы получаем тысячи изображений с детектора, причем каждое изображение охватывает лишь небольшую часть инверсии объекта. Геометрическая визуализация приводит к значительному снижению рассеяния на изображениях. Это позволяет нам получать данные изображения при гораздо более низкой дозе облучения.

Это особенно выгодно для крупных пациентов, так как уровень рассеяния пропорционален размеру тела пациента. У детей экономия дозы за счет снижения рассеяния значительно меньше. Однако инверсная геометрия позволяет внедрить стратегии снижения дозы, которые приносят пользу и педиатрическим пациентам.

Инверсная геометрия позволяет реализовать метод, который мы называем адаптивной экспозицией. Поскольку мы получаем тысячи изображений с детектора, мы можем адаптировать экспозицию в режиме реального времени в зависимости от плотности облучаемой области, что позволяет уменьшить экспозицию в рентгенопрозрачных зонах и сохранить ее в более плотных (опаковых) областях. Таким образом, мы можем добиться однородного качества всего изображения и снизить дозу облучения в тех зонах, которые подвергаются избыточной экспозиции в традиционных системах.

Для контроля дозы облучения перед коллиматором устанавливают измеритель произведения дозы на площадь. Пациента или фантом обычно располагают относительно близко к коллиматору так, чтобы центр области визуализации находился примерно в 40 сантиметрах от него. Затем выбирается режим работы системы.

Типичные настройки включают поле зрения семь дюймов и частоту кадров 15 кадров в секунду. Пиковое напряжение источника рентгеновского излучения устанавливается на 80 peak kilovolts, а мощность источника — на 17 kilowatts. Затем включите систему SBDX и начните сбор изображений.

В процессе получения изображения электронный пучок последовательно сканирует каждую позицию фокального пятна растровым способом. В каждой позиции фокального пятна электронный пучок ударяет по просвечивающей мишени, генерируя рентгеновское излучение. Результирующие рентгеновские фотоны проходят через фокусирующий коллиматор и освещают детектор.

Таким образом, проецируется лишь небольшая часть объема визуализации. Во время освещения детектор фиксирует изображение, которое напрямую сохраняется в памяти системы. Для каждого фокусного пятна требуется время освещения до восьми микросекунд.

Однако из-за термических ограничений объекта максимальная продолжительность непрерывного воздействия составляет 1 мкс, поэтому сбор данных разделен на восемь интервалов по 1 мкс. В общей сложности за время около 60 мс по завершении сбора данных регистрируется более 40 000 изображений с детектора.

Обязательно зафиксируйте показания измерителя произведения дозы на площадь. SBDX по своей сути является системой томосинтеза, так как объект освещается под разными углами от каждого фокусного пятна источника, что позволяет реконструировать любую плоскость внутри объема визуализации, расположенную между коллиматором и детектором. Начните с настройки изображения.

Параметры построения. Выберите количество реконструируемых плоскостей и их расположение. Затем запустите алгоритм реконструкции изображений.

Алгоритм обрабатывает каждое изображение детектора, сначала масштабируя его для соответствующей плоскости реконструкции, а затем смещая изображение в соответствии с положением фокусного пятна перед добавлением к реконструкции. Далее фильтрация на этапе постобработки удаляет паттерн, возникший в результате операции смещения и суммирования. Как правило, в стеке реконструированных изображений восстанавливаются 32 плоскости с шагом 0.5 millimeters.

Структуры входят в фокус и выходят из него в зависимости от их расстояния до детектора. Алгоритм выбора плоскости определяет структуры, которые находятся в фокусе в каждой плоскости, и на основе этой информации формируется композитное изображение, на котором отображаются только сфокусированные структуры. Это 2D-изображение эквивалентно изображениям, полученным на традиционной системе.

Тем не менее, алгоритм выбора плоскости определил положение каждой структуры относительно коллиматора. Это позволяет воспроизвести процесс в виде 3D-анимации: загрузите сохраненные изображения в симулятор адаптивной экспозиции и запустите алгоритм для каждого фокусного пятна. Таким образом определяется количество фотонов на изображении.

Затем изображения накапливаются до тех пор, пока не будет достигнуто целевое количество фотонов или пока не будут добавлены все восемь повторных сканирований. Результатом работы симулятора адаптивной экспозиции является карта повторного сканирования, в которой подробно указано, сколько раз освещалось каждое положение фокального пятна. Эта карта объединяется с файлом режима работы, используемым для управления системой SBDX.

После загрузки обновленного файла режима работы в систему SBDX при получении изображений рентгеновский луч теперь будет включаться или выключаться в позициях фокусного пятна в соответствии с картой повторного сканирования, что сократит общее количество облучений; запустите алгоритм реконструкции изображений для новых данных, чтобы восстановить выровненное изображение. Обязательно зафиксируйте показания произведения дозы на площадь; измерения с помощью дозиметра произведения дозы на площадь продемонстрировали экономию дозы на 30% при получении выровненного изображения с использованием маски повторного сканирования. Предварительные результаты показали, что качество изображения эквивалентно, а выровненное изображение выглядит визуально более привлекательным, чем невыровненное.

Мы изучаем адаптивную экспозицию как метод снижения дозы облучения при проведении флюороскопических процедур. Первичные результаты показывают, что при сохранении равного качества изображений возможно снижение дозы по меньшей мере на 30%. В настоящее время мы работаем над внедрением адаптивной экспозиции в качестве функции, работающей в режиме реального времени.

Во время сбора изображений наш алгоритм будет автоматически выполнять пороговую обработку. Следовательно, многие из описанных здесь этапов будут скрыты от пользователя. Полученные нами результаты многообещающие, и мы планируем более детально изучить данный метод.

В частности, в ходе клинических испытаний нам потребуется продемонстрировать, что диагностическая ценность наших изображений эквивалентна или выше, чем у традиционных изображений.