Summary
우리는 스캐닝 빔 디지털 X - 레이 시스템을 사용하여 동적 적응 노출 기법을 개발하고 있습니다. 오히려 균일하게 개체를 노출보다 노출이 객체의 불투명도에 따라 조정됩니다. 여기는 30 %의 선량 절감으로 이어지는 의인화된 팬텀에 실험을 보여줍니다.
Abstract
X - 레이 fluoroscopy 널리 심장 개입하는 동안 이미지를지도하는 데 사용됩니다. 그러나 이러한 절차에 방사선 선량은 높은 수 있으며, 이것은 특히 소아 애플 리케이션에서 중요한 관심사입니다. 소아과 절차는 일반적으로 더 많은 성인에서 수행보다 복잡하기 때문에 한 4-8 배 이상 평균입니다. 또한, 아이들은 10 세 10 fluoroscopic 절차까지 받아야 수 있으며, 일반 인구 2,3보다 자신의 인생 전반에 걸쳐 치명적인 암을 개발의 3 배 더 높은 위험을 가지고 보여왔다.
반대 이미징 기하학 5,6 (그림 1, 영화 1을 고용 fluoroscopic 이미징 시스템 - 우리는 방사선 선량이 크게 우리의 스캐닝 빔 디지털 X - 선 (SBDX) 시스템 사를 사용하여 성인 심장 절차를 줄일 수 것으로 나타났습니다 그림 2). 대신 하나의 초점 명소와 같은 기존 시스템에 사용되는 확장 감지기, 우리의 접근 방식은 작은 감지기에 초점을 맞춘 여러 초점 명소로 확장 X - 선 소스를 사용합니다. 우리의 X - 선 소스는 스캐닝 전자빔은 순차적으로 9000 초점 현장 위치까지 조명으로 구성되어 있습니다. 각 초점 장소는 감지기에 이미지 볼륨의 일부를 프로젝트. 최종 이미지가 직접 검출기에 예상되는 종래의 시스템에 대조적으로, SBDX는 9000 탐지기 이미지에서 최종 이미지를 재구성하는 전용 알고리즘을 사용합니다.
소아 어플 리케이션의 경우, SBDX 시스템 선량 절감은 성인 절차에 비해 작은 것으로 예상된다. 그러나 SBDX 시스템은 전자 적응 노출 기법을 구현하여 추가 선량 절감을 허용합니다. 이 방법의 핵심은 SBDX 시스템의 다중 빔 스캐닝 기법입니다 오히려 같은 방사선 선량과 이미지의 모든 부분을 노출보다, 우리는 동적으로 노출 지역의 불투명도에 따라 노출을 다를 수 있습니다. 따라서, 우리는 크게 radiolucent 영역에 노출을 줄이고 더 불투명 지역에서 노출을 유지할 수 있습니다. 현재 구현에서, 적응 노출은 사용자 상호 작용 (그림 3)이 필요합니다. 그러나, 미래에 적응 노출 실시간 완전 자동 것입니다.
우리는 의인화된 유령과 함께 실험을 수행하고와 선량 영역 제품 (DAP) 미터를 사용하여 적응 노출하지 않고 방사선 선량을 측정 비교했습니다. 실험이 여기에 제시, 우리는 30 % 선량 감소를 찾으십시오.
Protocol
1. 시스템 설치
- 등각점 (예 : 콜리 메 이터에서 40 ㎝)에서 이미지의 팬텀을 설정합니다.
- 콜리 메 이터 앞에 (그림 4)에서 X - 선 선량을 측정하기 위해 DAP 측정기를 설정합니다.
- SBDX 시스템에 전원.
- 시스템 작동 모드를 선택하십시오. 현재 15fps의 프레임 속도와 전망 (FOV)의 7 "필드를 사용하고 있습니다. X - 선 소스 피크 전압 9kW X - 선 소스 전력에 80kVp로 설정됩니다.
2. 데이터 수집
- 제어 컴퓨터에서 데이터 수집을 시작합니다. 데이터 수집 동안 검출기 이미지는 시스템 메모리에 저장됩니다. 다음 단계는 SBDX 시스템에 자리를 대신 :
- 전자빔이 래스터 패션 (그림 5)에서 순차적으로 각각의 초점 명소의 위치를 검색합니다.
- 전자빔은 전송 목표를 명중하고 X - 선 (영화 2) 생성합니다.
- 각 초점 현장 위치에서, X - 선 광자 따라서 감지기에 이미지 볼륨의 일부를 예상, 초점 콜리 메 이터를 사용하여 검출기를 조명.
- 각 초점 장소 위치에 대한, 감지기가 직접 시스템 메모리에 저장된 하나의 검출기 이미지를 생성합니다.
- 7 선택된 동작 모드 '15fps는 71x71 초점 장소를 제공합니다. 각 초점 현장 위치는 8 μs 총 켜집니다. 노출 시간 때문에 X - 레이 대상의 열 제한 1 μs 단위로 헤어 졌해야합니다. 따라서 빔 1 μs하고 다음 초점 현장 위치로 이동 각 초점 명소의 위치에서 목표를 조명. 나중에 각 초점 장소는 8 μs 노출을 완료 revisited입니다. 한 검출기 이미지가 각각의 초점 명소 조명 위해 만든이기 때문에, 약 60ms의 취득 및 메모리에 저장됩니다 40,328 탐지기 이미지의 총 있습니다.
3. 이미지 재건
- 개체가 소스에서 다른 각도에 따라 조명이므로 SBDX은 본질적으로 tomosynthesis 시스템입니다. 콜리 메 이터와 검출기 사이에있는 이미지 볼륨 내의 모든 비행기가 복원하실 수 있습니다. 다음 단계는 어떻게 일부 이미지가 개인 비행기로 복원, 또는 복합 또는 비행기 선택한 이미지로 보여줍니다. 임상 SBDX 시스템 단계에서 3.2-3.4은 실시간으로 수행됩니다.
- 재건 시뮬레이터에 대한 이미지 재구성 매개 변수를 선택합니다.
- 이미지 재구성 알고리즘을 실행합니다. 이미지 재건축 동안 알고리즘은 다음 단계를 수행합니다 :
- 각 검출기 이미지를 읽어 보시기 바랍니다.
- 재구성 비행기의 규모와 일치하는 감지기가 이미지를 스케일.
- 그들의 초점 명소 원본 위치에 따라 이미지를 이동하고 재건 비행기 (동영상 3)에 추가합니다.
- 각 초점 장소 위치에 대해 마지막 두 단계를 반복합니다.
- 이동 작업에 의해 생성된 패턴을 제거하는 필터링 후처리를 수행합니다.
- 이 시점에서 하나의 비행기는 (그림 6) 복원하고, 우리 객체의 해부학 볼 수 있습니다.
- 요청하면, 비행기 선택한 이미지를 만들 수있는 알고리즘을 실행합니다. 알고리즘은 다음 단계를 수행합니다 :
- 3.2.6을 가리 킵니다 3.2.1은 비행기 선택한 이미지에 필요한 32 비행기를 만드는 반복하고 있습니다. 비행기는 보통 0.5 - mm (영화 4 그림 7과 영화 5)의 간격이 있습니다.
- 이미지의 각 부분에 대한, 초점에있는 개체를 포함하고있는 비행기가 최종 비행기 선택한 이미지 (그림 8과 영화 6)의 일부로 선택됩니다.
- 필요한 경우,보기의 필드의 중앙에 마음을 곳으로 환상의 위치를 재조 정할.
- 팬텀이 올바르게 볼 분야 안에 때까지 3.3-2.1 단계를 수행합니다.
- 이 아닌 같도록 이미지의 DAP 미터에서 선량 지역 제품을 기록합니다.
4. 적응형 노출을위한 새로운 동작 모드 파일 생성
- 적응형 노출 시뮬레이터에 이전에 취득한 검출기 이미지를로드합니다.
- 적응형 노출 알고리즘 매개 변수를 선택합니다.
- 적응형 노출 시뮬레이터를 실행합니다. 시뮬레이터는 다음 단계를 수행합니다 :
- 검출기 이미지 당 광자의 대상 번호는 사용자가 선택한 임계값에 따라 결정됩니다.
- 각 초점 명소 위치 들어, 검출기 이미지에 광자의 개수가 결정됩니다. 두 광자의 대상 번호 또는 8 rescans 최대가 (그림 9)에 도달할 때까지 그 초점 현장 위치에서 검출기 이미지가 축적됩니다.
- 따라서 우리는 각 초점 현장 위치는 (그림 10) 조명 얼마나 많은 시간 자세히 다시 검색지도를 구하십시오.
- 다시 검색지도는 SBDX 체제를 실행하는 데 사용되는 동작 모드 파일을 병합합니다.
5. 같도록 이미지 수집
- 에 업데이트된 동작 모드 파일을로드SBDX 시스템.
- 제어 컴퓨터에서 데이터 수집을 시작합니다. 데이터 수집은 2.1.5에 2.1.1에 설명된로 수행됩니다. 이전 인수와는 달리, X - 선 광선은 우리 다시 검색지도에 따라 초점 현장 위치에서 또는 해제되어 있습니다. 일루미 네이션의 총 개수가 표준 인수보다 작은로서, X - 선 선량이 감소됩니다.
- DAP 측정기로 측정한 선량 지역 제품을 기록합니다.
- 3.4-3.2에 설명된대로 새로 취득한 같도록 데이터 이미지 재구성 알고리즘을 실행합니다.
- 재건축 같도록 이미지 (그림 11)이 표시됩니다.
6. 데이터 분석
- 비 같도록 이미지와 같도록 이미지 측정 복용량을 비교합니다.
- 같도록가 아닌 같도록 복원된 이미지의 차이를 관찰합니다.
7. 대표 결과 :
그림 8과 그림 11는 표준 이미지와 같도록 이미지 사이의 비교를 보여줍니다. DAP 미터와 선량 측정은 그림 10에서 그림 다시 검색 마스크를 사용하여 같도록 이미지 30 %의 선량 절감을 보여줍니다.
또한, 등화는 사후 처리를 위해 필요없이 이미지의보다 쾌적한 외관을주는 동적 범위를 압축할 수있는 매우 효과적인 방법입니다.
그림과 같이, 등화 여과는 선량을 저장하는 데 사용할 수 있습니다. 그러나, 등화는 소스 전력을 증가하여 비 같도록 이미지 방사선 선량과 일치하여 이미지 품질을 향상시키기 위해 사용할 수 있습니다. 이러한 방법으로 이미지의 어두운 지역은 감소 이미지 노이즈의 결과로, 더 많은 광자를 받게됩니다.
그림 1. 기존 fluoroscopy 시스템. 기존 시스템은 하나의 초점 자리 X - 선 소스와 넓은 지역 탐지기있다. 환자는 가까운 감지기에 위치합니다.
그림 2. SBDX 시스템. SBDX 시스템은 반전 기하학에서 작동합니다. 대형 스캔 빔 X - 선 소스는 작은 지역 탐지기를 조명. 환자는 검출기에서 멀리 떨어진 위치에 있습니다.
그림 3. 데이터 수집의 플로우 차트. 1) 팬텀이 아닌 같도록 이미지가 취득됩니다. 2) 데이터가 디스크 배열에서 추출됩니다. 3) 적응 노출 알고리즘은 노출이나 다시 검색 마스크를 만드는 데 입력으로이 데이터를 걸립니다. 4) 다시 검색 마스크는 소스 제어 컴퓨터에 원래 운영 모드와 결합됩니다. 5) 같은 팬텀의 같도록 이미지를 획득하여 디스크 배열에 저장됩니다. 6) 비 같도록과 같도록 데이터 세트는 디스크 배열에서 추출 및 이미지 재건 소프트웨어는 각 데이터 집합의 서로 다른 비행기를 reconstructs 있습니다. 7) 두 이미지 재건 소프트웨어의 출력입니다. 8) 모두 이미지가 표시됩니다.
그림 4. 시스템 설정. 팬텀은 X - 선 소스와 검출기 사이의 등각점에서 환자 테이블에 배치됩니다. 선량 지역 제품 m은 X - 선 소스와 환상 사이에 배치됩니다.
그림 5. X - 선 소스. 전자빔은 전자총에 의해 생성된 및 래스터 방식으로 콜리 메 이터의 각 구멍을 검사합니다. 콜리 메 이터의 한쪽에서 시작, 빔은 순차적으로 각각의 구멍을 검색합니다. 행의 끝에, 빔은 해제하고 다음 행의 처음에 위치하며, 검사는 그 행의 시작입니다. 이 방법은 전자빔은 전체 콜리 메 이터, 71 구멍으로 71이 약 60ms로 8 번 스캔을 검색합니다.
그림 6. 표준 복원 이미지. iodinated 관상 동맥과 심장을 표시하는 우리의 의인화된 팬텀의 복원 이미지. 이미지 7 'FOV와 15fps로 촬영되었고, X - 선 대상에서 45cm에 하나의 비행기가 복원되었습니다.
그림 7. 콜리 메 이터와 검출기 사이의 다양한 재건 비행기의 멀티 비행기 재건. 대표. 푸른 원뿔은 탐지기 이미지가 재건 비행기에 backprojected하는 방법을 보여줍니다.
그림 8. 비행기는 이미지를 선택했습니다.이 이미지는 32 비행기의 구성입니다. 6, 그림과는 달리 어디에 selecte에서만 혈관D 평면 초점에, 모든 선박은 초점이다.
그림 9. 등화 여과 단계를 반복합니다. 콜리 메 이터가 (위) 스캔으로 감지기가 개체 (아래)의 불투명도에 따라 다양한 카운트 속도를받습니다. 각각의 콜리 메 이터 홀 8 회 (8 rescans)까지 스캔합니다. 처음으로 다시 검색에 초점 반점은 왼쪽부터, 행을 따라 순차적으로 조명하고 있으며, 흐름은 각 구멍에 대해 측정됩니다. 다음 다시 검색에서 조명은 행의 시작 부분에서 시작 반복됩니다. 각 초점 명소 들어, 카운트는 이전 값에 추가됩니다. 카운트의 총 개수가 이전에 설정한 임계값을 초과하는 경우,이 구멍은 다음 다시 검색에서 켜지지 않습니다. 현재 구현에서는이 절차는 오프라인 수행하고 이후 같도록 이미지를 취득하는 데 사용됩니다 다시 검색 마스크의 생성에 이르게한다.
그림 10. 다시 검색지도 등화 여과 알고리즘에 의해 생성된.이 이미지의 각 픽셀은 콜리 메 이터 중 한 초점 자리를 나타냅니다. 이미지 따라서 71x71 픽셀입니다. 각 픽셀의 회색 수준이 제로 (검정) ~ 8 (흰색)에 그 초점 자리를 다시 검색의 수를 나타냅니다. 우리는 이미지의 오른쪽 부분에 다시 검색의 숫자가 매우 낮은 것을 관찰합니다. 결과적으로 이러한 초점 명소 각각은 한두 번 불이 것입니다. 이 지역은 이미지가 거의 있기 때문에이 지역의 낮은 X - 선 흡수의 포화는 우리의 재건 이미지의 폐 필드 영역 (그림 6)에 해당합니다.
그림 11. 비행기가 같도록 이미지를 선택했습니다.이 이미지는 적응력 노출 후 재건 알고리즘의 출력입니다. 이 이미지는 표준 이미지 (그림 8)과 같은 15fps 동일한 운영 모드 7 "와 인수하지만, 적응 노출과 그림 10의 스캔 마스크를 기반으로 사용하도록 설정했습니다. 이미지는 혈관이 결과적으로 강도의 측면에서 더 균일하고,되었습니다 특히 어두운 영역에서 높은 반면에 나타납니다. 이미지의 오른쪽에서 폐 분야에서 더 이상 채도가 없습니다.
영화 1. SBDX 시스템의 애니메이션. SBDX 시스템은 반전 기하학에서 작동합니다. 대형 스캔 빔 X - 선 소스는 작은 지역 탐지기를 조명. 환자는 검출기에서 멀리 떨어진 위치 것은. 동영상을 보려면 여기를 누르십시오.
영화 2. X - 레이 생성. 각 초점 장소에서, 전자빔은 텅스텐 타겟을 명중하고 X - 레이가 생성됩니다. 콜리 메 이터는 검출기쪽으로 X - 선 광선을 초점을 맞추고 있습니다. 동영상을 보려면 여기를 누르십시오.
영화 3. 이미지 재건 애니메이션.이 애니메이션은 검출기 이미지를 사용하여 최종 이미지를 재구성하는 과정을 나타냅니다. 콜리 메 이터 (하단 왼쪽) 각 초점 명소 경우, 해당 검출기 이미지 (좌측 상단)은 (오른쪽) 재구성하기 위해 비행기에 예상된다. 이 애니메이션에서는 우리가 X - 선 소스에서 다른 거리에 복원되고 비행기 세대를 대표하는 것은. 동영상을 보려면 여기를 누르십시오.
영화 4. 비행기 선택. SBDX 시스템은 tomosynthesis 이미징 시스템입니다. 복원 및 시각으로 비행기는 사용자가 선택할 수하면. 동영상을 보려면 여기를 누르십시오.
영화 5. 멀티 비행기 애니메이션.이 동영상은 다른 비행기를 보여줍니다의 콜리 메 이터의 거리를 증가에서 복원. 특히, 관상 동맥 iodinated 자신의 실제 위치에 따라 초점에서 나가. 동영상을 보려면 여기를 누르십시오.
영화 6. 3D 비행기가 애니메이션을 선택했습니다. 재건 초점 비행기의 3D 시각화가. 초점 비행기가 증가 깊이가 더 이동하는 것은. 동영상을 보려면 여기를 누르십시오.
Discussion
우리는 선량 절감이 가능한 등화 기법을 사용하는 것을 보여줍니다. 본 논문에서 우리는 이미지 품질에 영향을 논의하지 않고, 우리의 기술이 적용 방법을 보여줍니다. 그러나, 우리의 목표는 같도록 이미지에 노이즈 비율로 대상 신호를 유지하는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 기본 가정이 아닌 같도록 이미지, 노이즈 비율로 신호가 매우 비 균일있다는 것입니다. 특히 폐 필드와 같은 밝은 영역은 진단 작업을 수행하는 데 필요한 것보다 잡음 비율에 높은 신호를 나타냅니다. 등화은 우리가이 분야에서 잡음 비율로 신호를 낮은과 이미지의 어두운 지역에 소음 비율로 신호를 유지할 수 있습니다. 우리는 현재 우리의 접근 방식의 유효성을 검사하기 위해 소음 측정 연구를 수행하고 있습니다. 예선 결과 30 %의 순서에 대한 선량 절감의 이미지를 7, 8의 어두운 지역에서 잡음 비율에 해당하는 신호에 달성되는 보여줍니다.
등화 여과의 가능성은 몇 년 동안 과학 문학에서 인정되었습니다. 그러나, 지금까지 게시된 모든 구현이 상당히이 방법 9,10의 유틸리티를 방해, 기계적 셔터 또는 필터를 참여. 여기 우리가 그 등화는 기계적 구현의 문제점을 극복, 완전 전자 방식에 따라 수 있습니다 보여준다.
임상 SBDX 시스템에서 현재 제공 단계의 대부분이 하드웨어에 구현되며 데이터 수집 중에 실시간으로 수행됩니다. 균등화 알고리즘은 실시간으로 실행되며, 표시된 이미지는 기본적으로 같도록한다. 이 알고리즘은 동적으로 몇 군데되는 주제, 피사체의 움직임과 변화하는 갠트리 위치에 따라 해당 매개 변수를 적용할 것입니다. 우리는 알고리즘을 개선하기 위해 지속적으로, 그리고 방법의 발전은 실시간 구현을 촉진하기 위해 필요합니다.
Disclosures
저자는이 문서에서 사용되는 악기를 생산 트리플 링 기술 직원입니다.
Acknowledgments
저자는이 프로젝트에 그들의 기여에 대한 트리플 링 기술의 앤 샌드맨, 키이스 니시하라, 그리고 브라이언 Wilfley 감사하고 싶습니다. 이 작품은 NIH 도전 부여 5RC1HL100436 - 0으로 후원됩니다.
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