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

Summary

Мы разрабатываем динамический адаптивный метод воздействия с помощью нашего сканирующий луч цифровой рентгеновской системы. Вместо того, подвергая объекта равномерно, экспозиция адаптированы в зависимости от прозрачности объекта. Здесь мы показываем, эксперимент по антропоморфным фантом, в результате дозы экономия 30%.

Abstract

Рентгеновской рентгеноскопии широко используется для изображения руководство во время сердечного вмешательства. Однако, доза облучения в этих процедурах может быть высокой, и это вызывает серьезную обеспокоенность, особенно в педиатрической приложений. Педиатрия процедур в целом гораздо более сложными, чем те, что выполняются на взрослых и, таким образом, в среднем четыре-восемь раз больше ^1. Кроме того, дети могут пройти до 10 процедур рентгеноскопии возрасте 10 лет, и было показано, что в три раза более высокий риск развития смертельного рака на протяжении всей их жизни, чем население в целом ^2,3.

Мы показали, что доза облучения может быть значительно снижено у взрослого сердечные процедуры, используя наш сканирующий луч цифрового рентгеновского (SBDX) системы ⁴ - рентгеноскопии системы визуализации, которые работают обратной геометрии изображения ^5,6 (рис. 1, фильм 1 и Рисунок 2). Вместо одного фокусного пятна и расширенные детектор, используемый в обычных системах, наш подход использует расширенные рентгеновский источник с несколькими фокальных пятен сосредоточено на небольшой детектор. Наш источник рентгеновского излучения состоит из сканирующего электронного пучка последовательно освещает до 9000 координационного позиций месте. Каждый фокусного пятна проектов небольшую часть изображения объема на детектор. В отличие от обычной системы, где финальное изображение прямо проецируется на детектор, SBDX использует специальный алгоритм для реконструкции окончательное изображение из 9000 изображений детектора.

Для педиатрического применения, дозы сбережения с системой SBDX как ожидается, будут меньше, чем у взрослых процедур. Тем не менее, система SBDX позволяет дополнительно экономить дозу путем внедрения электронных адаптивный метод воздействия. Ключ к этому методу является многолучевой технология сканирования системы SBDX: вместо того, подвергая каждую часть изображения в той же дозе излучения, может динамически изменяться в зависимости от воздействия непрозрачность региона подвержены. Таким образом, можно значительно уменьшить воздействие в рентгенопрозрачная областях и поддерживать экспозиции более непрозрачных областей. В нашей текущей реализации адаптивного воздействия требует взаимодействия с пользователем (рис. 3). Однако в будущем, адаптивные экспозиции будет в реальном времени и полностью автоматический.

Мы провели эксперименты с антропоморфными фантома и по сравнению измеряется доза облучения с учетом и без адаптивной экспозицию с использованием продукта дозы область (DAP) метра. В эксперименте, представленные здесь, мы находим снижение дозы на 30%.

Protocol

1. Настройка системы

1. Настройка фантом, чтобы изображение на изоцентра (то есть 40-см от коллиматора).
2. Настройка доступа DAP метр для измерения Доза рентгеновского излучения перед коллиматором (рис. 4).
3. Включите систему SBDX.
4. Выберите режим операционной системы. Мы в настоящее время используют 7 "поле зрения (FOV) с частотой кадров 15 кадров в секунду. Рентгеновский источник пикового напряжения установлен в 80kVp на 9кВт рентгеновского источника питания.

2. Сбор данных

1. Начало сбора данных от управляющего компьютера. Во время сбора данных, детектор изображения записываются в системную память. Следующие шаги происходят в системе SBDX:
   1. Электронный пучок сканирует каждое положение фокуса месте последовательно в моду растра (рис. 5).
   2. Электронный пучок попадает в цель передачи и генерирует рентгеновские лучи (фильм 2).
   3. На каждой основной позиции месте, рентгеновские фотоны освещают детектор использованием фокусировки коллиматора, таким образом, проектирование небольшую часть изображения объема на детектор.
   4. Для каждой основной позиции месте, детектор создает один датчик изображения, который непосредственно хранится в памяти системы.
   5. Выбранного режима работы 7''15 кадров в секунду обеспечивает 71x71 фокальных пятен. Каждое положение фокуса место освещается в общей сложности 8 мкс. Выдержка должна быть разбита на 1 мкс шагом из-за тепловых ограничений рентгеновского цель. Таким образом, луч освещает цели на каждой основной позиции месте в течение 1 мкс и переходит к следующему положение фокуса месте. В более позднее время, каждый фокусного пятна вновь завершить 8 мкс экспозиции. В качестве одного детектора изображение создается для каждой тематической освещения места, Есть в общей сложности 40328 детектора изображения, которые приобретаются и сохраняются в памяти примерно 60 мс.

3. Восстановление изображений

1. SBDX неразрывно томосинтез системы, как объект освещается под разными углами от источника. Любой плоскости в пределах объема изображений расположен между коллиматор и детектор может быть восстановлен. Следующие шаги показывают, как частичные изображения реконструируются на отдельные самолеты, или в композитной или самолет выбранного изображения. В клинических системе шаги SBDX 3,2 до 3,4 будет осуществляться в режиме реального времени.
2. Выберите параметры восстановления изображения на реконструкцию симулятор.
3. Выполнить алгоритм реконструкции изображений. Во время восстановления изображений Алгоритм выполняет следующие действия:
   1. Прочтите каждое отдельное изображение детектора.
   2. Шкала детектора изображения, чтобы соответствовать масштабу плоскости для восстановления.
   3. Сдвиг изображения в соответствии с их координационных расположение источника месте и добавить их к реконструкции плоскости (фильм 3).
   4. Повторите два последних шага для каждой тематической расположение месте.
   5. Действия после обработки фильтрации, чтобы удалить образец создан смены.
   6. На данный момент, в одной плоскости восстанавливается (рис. 6), и анатомия нашего объекта видна.
4. Если потребуется, запустить алгоритм для создания самолета выбранного изображения. Алгоритм выполняет следующие действия:
   1. Точка 3.2.1 до 3.2.6 повторяют для создания 32 самолетов необходимо для плоскости выбранного изображения. Самолеты, как правило, расстояние 0,5 мм (Movie 4, рис 7 и фильмов 5).
   2. Для каждой части изображения, самолет, который содержит объект в фокусе выбран, чтобы быть частью окончательной плоскости выбранного изображения (рис. 8 и кино 6).
5. Если нужно, переместите фантомные поместить сердце в центре поля зрения.
6. Выполните шаг 2,1 до 3,3, пока фантом правильно размещены в пределах поля зрения.
7. Запись продукт дозы площадью от DAP метров для этого не-уравниваются изображения.

4. Новые режиме файл поколения для адаптивного воздействия

1. Нагрузка ранее полученные изображения детектора в адаптивной симулятор экспозиции.
2. Выберите адаптивные параметры алгоритма экспозиции.
3. Выполнить адаптивной симулятор экспозиции. Симулятор выполняет следующие действия:
   1. Целевой число фотонов в детекторе изображения определяется на основе выбранных пользователем порог.
   2. Для каждой основной позиции месте, число фотонов в детекторе изображения определяется. Детектор изображения с этого положение фокуса месте накапливаются, пока не целевое число фотонов или максимум восемь пересканирует достигается (рис. 9).
   3. В результате мы получаем повторное сканирование карте подробно, сколько раз каждая положение фокуса месте горит (рис. 10).
   4. Карта повторное сканирование сливается с файловой операции режим, который используется для запуска SBDX системы.

5. Откорректированная Image Acquisition

1. Загрузите обновленный файл в режимеSBDX системы.
2. Начало сбора данных от управляющего компьютера. Сбор данных осуществляется, как указано в 2.1.1 на 2.1.5. В отличие от предыдущего приобретения, рентгеновский луч включен или выключен в фокальной позиции месте в соответствии с нашими повторное сканирование карты. По общему количеству освещенностей меньше, чем в стандартной комплектации, рентгеновская доза уменьшается.
3. Запись продукт дозы площадь измеряется DAP метр.
4. Выполнить алгоритм восстановления изображения на вновь приобретенных приведенных данных, как описано в 3,2 до 3,4.
5. Реконструированы уравниваются изображение (рис. 11) на дисплее.

6. Анализ данных

1. Сравните дозы, измеренной для не-уравниваются изображений и выравнивания изображений.
2. Обратите внимание на разницу между выравнивается и не выравнивается восстановленных изображений.

7. Представитель результаты:

Рисунок 8 и Рисунок 11 показывают сравнение между стандартным изображением и выравнивания изображения. Доза измерений с DAP метр продемонстрировать дозы экономить от 30% в уравниваются изображения с помощью маски повторное сканирование показано на рисунке 10.

Кроме того, выравнивание очень эффективный способ для сжатия динамического диапазона, что дает более приятный внешний вид изображения, без необходимости для пост-обработки.

Как показала практика, выравнивание фильтрации может быть использована для сохранения дозы. Тем не менее, выравнивание может также использоваться для улучшения качества изображения путем сопоставления дозы облучения, не выравнивается изображения за счет увеличения мощности источника. Таким образом, темные области изображения получают больше фотонов, что приводит к снижению шума на изображении.

Рисунок 1. Обычная система рентгеноскопии. Обычной системе одного фокусного пятна источника рентгеновского излучения и большой площади детектора. Пациент располагается близко к детектору.

Рисунок 2. SBDX системы. SBDX система работает в обратной геометрии. Широкоформатное сканирование рентгеновского излучения источника освещает небольшую площадь детектора. Пациент находится далеко от детектора.

Рисунок 3. Блок-схема сбора данных. 1), не выравнивается образ фантомного приобретается. 2) данные извлекаются из массива дисков. 3) адаптивный алгоритм воздействия берет эти данные в качестве входных данных для создания экспозиции или повторное сканирование маски. 4) Маска повторное сканирование в сочетании с оригинальным режимом работы в компьютерной системе управления версиями. 5) выравнивание изображения одного и того же фантом приобретается и сохраняется в дисковом массиве. 6) без выравнивания и сравнял наборов данных извлекаются из дисковых массивов, а также программное обеспечение восстановления изображений реконструирует разных плоскостях каждого набора данных. 7) Оба изображения выход реконструкции программного обеспечения. 8) Оба изображения отображаются на дисплее.

Рисунок 4. Настройка системы. Фантомным делается на пациента столом изоцентра между источником рентгеновского излучения и детектор. Продукт дозы области метр помещается между источником рентгеновского излучения и фантом.

Рисунок 5. Рентгеновского источника. Пучок электронов, генерированных электронным пистолет и сканирует каждое отверстие коллиматора в моде растра. С одной стороны коллиматор, луч сканирует каждое отверстие последовательно. В конце строки, луч выключается и позиционируется в начале следующей строки, а также запуска проверки для этой строки. Таким образом, электронный пучок сканирует весь коллиматор, 71 на 71 отверстий, проверяются в восемь раз примерно в 60 мс.

Рисунок 6. Стандартный восстановленного изображения. Реконструкции имиджа нашей антропоморфных фантомное отображение сердца с йодированной коронарных артерий. Изображение было получено на 7''FOV и 15 кадров в секунду, а одной плоскости на 45 см от рентгеновского цель была реконструирована.

Рисунок 7. Multi-плоскости реконструкции. Представление различных реконструированных самолетов между коллиматора и детектора. Синие конусы иллюстрации того, как детектор изображения backprojected в реконструкцию самолетов.

Рисунок 8. Самолет выбранный образ. Этот образ составе 32 самолетов. В отличие от рисунке 6, где только судами на selecteг плоскости находятся в фокусе, каждое судно находится в фокусе.

Рисунок 9. Равных фильтрации шагов. Как коллиматор сканируется (вверху), детектор получает различной скорости счета в зависимости от прозрачности объекта (внизу). Каждое отверстие коллиматора при сканировании до восьми раз (восемь пересканирует). На первом повторное сканирование, фокальных пятен освещаются последовательно вдоль ряда, начиная с левой, а поток измеряется для каждой скважины. На следующей повторное сканирование, освещение повторяется, начиная с начала строки. Для каждого фокусного пятна, считает добавляются к предыдущему значению. Если общее число отсчетов превышает ранее установленный порог, это отверстие не будет освещаться на следующих повторное сканирование. В текущей реализации этот процесс осуществляется в автономном режиме и ведет к созданию повторное сканирование маски, которые впоследствии будут использованы для приобретения выравнивания изображения.

Рисунок 10. Повторное сканирование карты порожденных алгоритм фильтрации выравнивания. Каждый пиксель изображения соответствует одному фокусного пятна коллиматора. Поэтому изображение 71x71 пикселей. Серый уровне каждого пикселя представляет число повторное сканирование для этого фокусного пятна, от нуля (черный) до восьми (белый). Заметим, что в правой части изображения, количество повторного сканирования очень низкая. В результате, каждый из этих фокальных пятен будет освещаться только один или два раза. Эта область соответствует области легких поле нашего восстановленного изображения (рис. 6), где изображение почти насыщен из-за низкой рентгеновского поглощения этой области.

Рисунок 11. Самолет выравнивается выбранного образа. Этот образ выходе алгоритма восстановления после адаптивного воздействия. Это изображение было приобретено с тем же режиме работы 7 "15 кадров в секунду, как стандартное изображение (рис. 8), но с адаптивной экспозиции включается в зависимости от маски проверки Рисунок 10. Изображение более равномерное по интенсивности, и, следовательно суда появляются на более высокую контрастность, особенно в темных областях. На правой части изображения, больше нет насыщения в легких поле.

Фильм 1. Анимация системы SBDX. SBDX система работает в обратной геометрии. Широкоформатное сканирование рентгеновского излучения источника освещает небольшую площадь детектора. Пациент находится далеко от детектора. Нажмите здесь, чтобы посмотреть фильм.

Фильм 2. Генерации рентгеновского излучения. На каждом фокусного пятна, электронный луч попадает на вольфрамовой мишени и рентгеновские лучи генерируются. Коллиматор фокусируется пучок рентгеновских лучей к детектору. Нажмите здесь, чтобы посмотреть фильм.

Фильм 3. Восстановление изображений анимации. Анимация представляет процесс восстановления окончательное изображение с помощью детектора изображения. Для каждого пятна фокусировки коллиматора (внизу слева), соответствующее изображение детектора (вверху слева) проецируется на плоскость для восстановления (справа). В этой анимации мы представляем три самолета, которые реконструируются на разных расстояниях от источника рентгеновского излучения. Нажмите здесь, чтобы посмотреть фильм.

Фильм 4. Самолет выбор. SBDX система представляет собой систему томосинтез изображений. Самолет будет реконструирован и визуализировать могут быть выбраны пользователем. Щелкните здесь для просмотра фильма.

Фильм 5. Multi-плоскости анимации. Это видео показывает разных плоскостях реконструирован на увеличение расстояния от коллиматора. Следует отметить, что йодированная коронарных артерий входить и выходить из фокуса в зависимости от их физического местоположения. Нажмите здесь, чтобы посмотреть фильм.

Фильм 6. 3D плоскости выбранной анимации. 3D визуализация реконструированы фокальных плоскостях. Фокусное самолеты большей степени сместился с увеличением глубины. Нажмите здесь, чтобы посмотреть фильм.

Discussion

Показано, что доза сбережения возможны с использованием выравнивания техники. В этой статье мы только показать, как наша методика применяется, не обсуждая последствия для качества изображения. Тем не менее, важно отметить, что нашей целью является сохранение целевого сигнала к шуму в уравниваются изображений. Основное предположение состоит в том, что в не-уравниваются изображения, соотношение сигнал-шум весьма неоднородно. В частности, в светлых областях, как легкое поле выставку выше сигнал шум, чем это необходимо для выполнения диагностических задач. Равных позволяет снизить отношение сигнал-шум в этих областях и поддерживать сигнал шум в темных областях изображения. В настоящий момент проводится исследования измерения уровня шума для подтверждения нашего подхода. Предварительные результаты показывают, что экономия на дозу порядка 30% могут быть достигнуты при эквивалентной отношение сигнал-шум в темных областях изображения ^{7, 8.}

Потенциал выравнивания фильтрации была признана в научной литературе в течение многих лет. Однако до сих пор все опубликованные реализации участвуют механические жалюзи или фильтров, что значительно препятствует полезность такого подхода ^9,10. Здесь мы показываем, что выравнивание может быть основана на полностью электронный подход, преодоление проблем с механической реализации.

В клинических системы SBDX, большинство из шагов, представленных здесь будет реализован на аппаратном уровне и будет выполняться в режиме реального времени во время сбора данных. Выравнивание алгоритм будет работать в режиме реального времени, и отображается изображение будет выравниваться по умолчанию. Алгоритм динамической адаптации его параметров в соответствии с предметом отображаемого, движение предмета, и изменения портальных позиции. Мы продолжаем совершенствовать наш алгоритм, и дальнейшее развитие нашего метода будет необходимо в целях содействия в режиме реального времени реализации.