एक्स - रे अनुकूली एक्सपोजर के माध्यम से fluoroscopic इमेजिंग में खुराक में कमी

Summary

हम एक गतिशील अनुकूली जोखिम हमारी स्कैनिंग बीम डिजिटल एक्स – रे प्रणाली का उपयोग तकनीक विकसित कर रहे हैं. बल्कि एक वस्तु समान रूप से उजागर से, जोखिम वस्तु की अस्पष्टता के आधार पर अनुकूल है. यहाँ हम एक anthropomorphic प्रेत है कि 30% की एक खुराक बचत के परिणामस्वरूप पर एक प्रयोग दिखाते हैं.

Abstract

X-ray fluoroscopy is widely used for image guidance during cardiac intervention. However, radiation dose in these procedures can be high, and this is a significant concern, particularly in pediatric applications. Pediatrics procedures are in general much more complex than those performed on adults and thus are on average four to eight times longer¹. Furthermore, children can undergo up to 10 fluoroscopic procedures by the age of 10, and have been shown to have a three-fold higher risk of developing fatal cancer throughout their life than the general population^2,3.

We have shown that radiation dose can be significantly reduced in adult cardiac procedures by using our scanning beam digital x-ray (SBDX) system⁴— a fluoroscopic imaging system that employs an inverse imaging geometry^5,6 (Figure 1, Movie 1 and Figure 2). Instead of a single focal spot and an extended detector as used in conventional systems, our approach utilizes an extended X-ray source with multiple focal spots focused on a small detector. Our X-ray source consists of a scanning electron beam sequentially illuminating up to 9,000 focal spot positions. Each focal spot projects a small portion of the imaging volume onto the detector. In contrast to a conventional system where the final image is directly projected onto the detector, the SBDX uses a dedicated algorithm to reconstruct the final image from the 9,000 detector images.

For pediatric applications, dose savings with the SBDX system are expected to be smaller than in adult procedures. However, the SBDX system allows for additional dose savings by implementing an electronic adaptive exposure technique. Key to this method is the multi-beam scanning technique of the SBDX system: rather than exposing every part of the image with the same radiation dose, we can dynamically vary the exposure depending on the opacity of the region exposed. Therefore, we can significantly reduce exposure in radiolucent areas and maintain exposure in more opaque regions. In our current implementation, the adaptive exposure requires user interaction (Figure 3). However, in the future, the adaptive exposure will be real time and fully automatic.

We have performed experiments with an anthropomorphic phantom and compared measured radiation dose with and without adaptive exposure using a dose area product (DAP) meter. In the experiment presented here, we find a dose reduction of 30%.

Protocol

1. सिस्टम सेटअप Isocenter (यानी collimator से 40 सेमी) में प्रेत सेट छवि के लिए. डीएपी मीटर सेट collimator के सामने (चित्रा 4) में एक्स – रे की खुराक उपाय. SBDX सिस्टम पर पावर. सिस्टम ऑपरेटिंग मोड का चयन करें. वर्तमान में हम 15fps के एक फ्रेम दर के साथ कर रहे हैं दृश्य (FOV) के एक 7 "फ़ील्ड का उपयोग कर एक्स – रे स्रोत पीक वोल्टेज 9kW स्रोत एक्स – रे सत्ता पर 80kVp करने के लिए सेट कर दिया जाता है.. 2. डाटा अधिग्रहण नियंत्रण कंप्यूटर से डाटा अधिग्रहण शुरू करो. डाटा अधिग्रहण के दौरान, डिटेक्टर छवियों सिस्टम स्मृति में बच रहे हैं. निम्न चरणों SBDX प्रणाली में जगह ले: इलेक्ट्रॉन बीम प्रत्येक केन्द्र हाजिर स्थिति sequentially स्कैन एक रेखापुंज (चित्रा 5) फैशन में है. इलेक्ट्रॉन बीम संचरण लक्ष्य हिट और एक्स रे (2 मूवी) उत्पन्न करता है. प्रत्येक केन्द्र हाजिर स्थिति में, एक्स – रे फोटॉनों एक ध्यान केंद्रित collimator का उपयोग कर डिटेक्टर रोशन, इस प्रकार डिटेक्टर पर इमेजिंग मात्रा के एक छोटे से हिस्से में पेश. प्रत्येक केन्द्र हाजिर स्थिति के लिए, डिटेक्टर एक डिटेक्टर छवि, जो सीधे सिस्टम स्मृति में संग्रहीत किया जाता है बनाता है. 7 के चयनित ऑपरेशन मोड''15fps 71×71 फोकल स्पॉट प्रदान करता है. प्रत्येक केन्द्र हाजिर स्थिति 8 μs के एक कुल के लिए प्रबुद्ध है. जोखिम समय 1 एक्स – रे लक्ष्य के थर्मल सीमाओं की वजह से से μs वेतन वृद्धि में टूट चाहिए. इस प्रकार, बीम 1 μs और अगले फोकल हाजिर स्थिति करने के लिए कदम के लिए प्रत्येक केन्द्र स्थान स्थान पर लक्ष्य illuminates. बाद में, प्रत्येक केन्द्र हाजिर करने के लिए 8 μs जोखिम पूर्ण revisited है. के रूप में एक डिटेक्टर छवि प्रत्येक फोकल जगह रोशनी के लिए बनाया है, वहाँ 40328 डिटेक्टर कि अधिग्रहण और 60ms के बारे में स्मृति में संग्रहीत छवियों की एक कुल रहे हैं. 3. छवि पुनर्निर्माण SBDX आंतरिक रूप से एक tomosynthesis प्रणाली है, वस्तु के रूप में स्रोत से अलग कोण के तहत प्रबुद्ध है. इमेजिंग collimator और डिटेक्तार के बीच स्थित मात्रा के भीतर किसी भी विमान को खंगाला जा सकता है. निम्नलिखित कदम कैसे आंशिक छवियों को अलग – अलग विमानों में reconstructed हैं, या एक समग्र या विमान चयनित छवि में वर्णन. नैदानिक ​​SBDX प्रणाली चरणों में 3,2 3,4 वास्तविक समय में प्रदर्शन किया जाएगा. पुनर्निर्माण सिम्युलेटर पर छवि पुनर्निर्माण मापदंडों का चयन करें. छवि पुनर्निर्माण एल्गोरिथ्म चलाएँ. छवि पुनर्निर्माण के दौरान एल्गोरिथ्म निम्नलिखित चरणों का प्रदर्शन: प्रत्येक व्यक्ति डिटेक्टर छवि पढ़ें. डिटेक्टर छवियों स्केल पुनर्निर्माण विमान के पैमाने मैच. उनके फोकल हाजिर स्रोत स्थान के अनुसार छवियों Shift और उन्हें पुनर्निर्माण विमान (3 मूवी) को जोड़ने. प्रत्येक फोकल स्थान स्थान के लिए पिछले दो चरणों को दोहराएँ. प्रदर्शन पोस्ट प्रोसेसिंग बदलाव आपरेशन के द्वारा बनाई गई पैटर्न निकालने के लिए फ़िल्टरिंग. इस बिंदु पर, एक विमान (चित्रा 6) खंगाला है, और हमारे वस्तु की शारीरिक रचना दिखाई देता है. यदि अनुरोध किया है, एक विमान चयनित छवि बनाने के लिए एल्गोरिथ्म चलाते हैं. एल्गोरिथ्म निम्नलिखित चरणों का प्रदर्शन: 3.2.6 के लिए 3.2.1 प्वाइंट से 32 विमानों विमान चयनित छवि के लिए आवश्यक बनाने के दोहराया जाता है. शिल्प आम तौर पर 0.5 मिमी (4 मूवी, 7 चित्रा और 5 मूवी) के एक रिक्ति है. छवि के प्रत्येक भाग के लिए, जिसमें ध्यान में वस्तु विमान अंतिम विमान चयनित छवि (8 चित्रा और मूवी 6) का हिस्सा होना चुना है. यदि आवश्यक हो, को देखने के क्षेत्र के केंद्र में दिल की जगह प्रेत reposition. प्रदर्शन 3,3 2,1 कदम है जब तक प्रेत सही ढंग से देखने के क्षेत्र के अंदर रखा गया है. इस गैर – बराबरी छवि के लिए डीएपी मीटर से खुराक क्षेत्र उत्पाद कीर्तिमान. 4. अनुकूली प्रदर्शन के लिए नई ऑपरेशन मोड फ़ाइल पीढ़ी अनुकूली जोखिम सिम्युलेटर में पहले अधिग्रहीत डिटेक्टर छवियों को लोड करें. अनुकूली जोखिम एल्गोरिथ्म मापदंडों का चयन करें. अनुकूली जोखिम सिम्युलेटर भागो. सिम्युलेटर निम्नलिखित चरणों का प्रदर्शन: चयनित उपयोगकर्ता दहलीज पर आधारित डिटेक्टर छवि प्रति photons के लक्ष्य संख्या निर्धारित किया है. प्रत्येक केन्द्र हाजिर स्थिति के लिए, डिटेक्टर छवि में फोटॉनों की संख्या निर्धारित है. कि फोकल स्थान की स्थिति से डिटेक्टर छवियाँ जब तक या तो photons के लक्ष्य की संख्या या आठ rescans की अधिकतम तक पहुँच जाता है (9 चित्रा) जमा कर रहे हैं. एक परिणाम के रूप में हम एक रिस्कैन नक्शा ब्यौरा कितनी बार प्रत्येक केन्द्र हाजिर स्थिति प्रबुद्ध है (चित्रा 10) प्राप्त करते हैं. रिस्कैन नक्शा ऑपरेशन मोड फ़ाइल है कि SBDX सिस्टम को चलाने के लिए प्रयोग किया जाता है के साथ विलय कर दिया है. 5. Equalized छवि अधिग्रहण में अद्यतन ऑपरेशन मोड फ़ाइल लोडSBDX प्रणाली. नियंत्रण कंप्यूटर से डाटा अधिग्रहण शुरू करो. डाटा अधिग्रहण 2.1.1 में 2.1.5 के लिए विस्तृत के रूप में किया जाता है. पिछले अधिग्रहण के लिए इसके विपरीत में, एक्स – रे किरण फोकल हाजिर पदों पर या बंद हमारे रिस्कैन नक्शा के अनुसार चालू है. Illuminations की कुल संख्या के रूप में मानक अधिग्रहण की तुलना में छोटा है, एक्स – रे खुराक कम है. खुराक क्षेत्र डीएपी मीटर द्वारा मापा उत्पाद रिकॉर्ड. 3.2 में 3.4 के लिए विस्तृत के रूप में नये अधिग्रहीत बराबरी डेटा पर छवि पुनर्निर्माण एल्गोरिथ्म चलाएँ. खंगाला बराबरी छवि (11 चित्रा) प्रदर्शित होता है. 6. डेटा विश्लेषण गैर – बराबरी छवियों और बराबरी छवियों के लिए मापा खुराक की तुलना करें. बराबरी और गैर – बराबरी को खंगाला छवियों के बीच अंतर को देखो. 7. प्रतिनिधि परिणाम: चित्रा 8 और चित्रा 11 एक मानक छवि और एक बराबरी छवि के बीच तुलना दिखाने. डीएपी मीटर के साथ खुराक माप बराबरी रिस्कैन 10 चित्र में सचित्र मुखौटा का उपयोग कर छवि में 30% की एक खुराक की बचत प्रदर्शित करता है. इसके अलावा, समकारी गतिशील रेंज सेक के लिए एक बहुत प्रभावी तरीका है, पोस्ट प्रोसेसिंग के लिए आवश्यकता के बिना छवि के एक अधिक सुखद दिखाई दे रही है. के रूप में दिखाया गया है, समकारी निस्पंदन खुराक बचाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. हालांकि, समकारी भी गैर – बराबरी छवि स्रोत शक्ति को बढ़ाने के द्वारा विकिरण खुराक मेल द्वारा छवि गुणवत्ता में सुधार के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. इस रास्ते में, छवि के अंधेरे क्षेत्रों अधिक photons प्राप्त करते हैं, कम छवि शोर में जिसके परिणामस्वरूप. चित्रा 1. परम्परागत प्रतिदीप्तिदर्शन प्रणाली एक परंपरागत प्रणाली एक एकल नाभीय हाजिर स्रोत एक्स – रे और एक बड़े क्षेत्र डिटेक्टर है. रोगी डिटेक्टर को बंद तैनात है. चित्रा 2. SBDX प्रणाली. SBDX प्रणाली व्युत्क्रम ज्यामिति में संचालित है . एक बड़े स्कैनिंग बीम स्रोत एक्स – रे एक छोटे से क्षेत्र डिटेक्टर illuminates. रोगी डिटेक्टर से दूर तैनात है. चित्रा 3. डाटा अधिग्रहण के फ्लो चार्ट 1) प्रेत की एक गैर – बराबरी छवि हासिल कर ली है. 2) डेटा डिस्क सरणी से निकाला जाता है. 3) अनुकूली जोखिम एल्गोरिथ्म इनपुट के रूप में एक जोखिम या रिस्कैन मुखौटा बनाने के लिए इस डेटा लेता है. 4) रिस्कैन मुखौटा मूल स्रोत नियंत्रण कंप्यूटर में ऑपरेटिंग मोड के साथ संयुक्त है. 5) एक ही प्रेत का एक बराबरी छवि हासिल कर ली है और डिस्क सरणी में संग्रहीत. 6) गैर – बराबरी और बराबरी डेटा सेट डिस्क सरणी से निकाले जाते हैं, और छवि पुनर्निर्माण सॉफ्टवेयर प्रत्येक डेटा सेट के विभिन्न विमानों reconstructs. 7) दोनों छवियों पुनर्निर्माण सॉफ्टवेयर का उत्पादन कर रहे हैं. 8) दोनों छवियों को प्रदर्शित कर रहे हैं. चित्रा 4. सिस्टम सेटअप. प्रेत स्रोत एक्स – रे और डिटेक्तार के बीच isocenter में रोगी की मेज पर रखा गया है. एक खुराक क्षेत्र उत्पाद मीटर एक्स – रे स्रोत और प्रेत के बीच रखा गया है. चित्रा 5. एक्स – रे स्रोत इलेक्ट्रॉन बंदूक से एक इलेक्ट्रॉन बीम उत्पन्न होता है और एक रेखापुंज फैशन में collimator के प्रत्येक छेद स्कैन. Collimator के एक तरफ से शुरू, बीम एक छेद sequentially स्कैन. पंक्ति के अंत में, बीम बंद कर दिया है और अगली पंक्ति के शुरुआत में तैनात, और उस पंक्ति के लिए स्कैन शुरू कर दिया है. इस तरह इलेक्ट्रॉन बीम पूरे collimator, 71 71 छेद द्वारा लगभग 60ms में आठ बार स्कैन कर रहे हैं स्कैन. चित्रा 6. मानक खंगाला छवि हमारे anthropomorphic iodinated कोरोनरी धमनियों के साथ दिल प्रदर्शित प्रेत के खंगाला छवि . छवि 7''FOV और 15fps में लिया गया था, और एक्स – रे लक्ष्य से एक 45cm पर एक विमान को खंगाला था. 7 चित्रा. Collimator और डिटेक्तार के बीच विभिन्न खंगाला विमानों के पुनर्निर्माण बहु विमान प्रतिनिधित्व. नीले शंकु वर्णन कैसे डिटेक्टर छवियों पुनर्निर्माण विमानों में backprojected हैं. 8 चित्रा. विमान छवि चयनित इस छवि को 32 विमानों के एक संरचना है. इसके विपरीत 6, चित्रा के लिए जहां केवल Selecte पर जहाजोंघ विमान ध्यान में हैं, हर पोत ध्यान में है. 9 चित्रा. समकारी निस्पंदन कदम के रूप में collimator (ऊपर) स्कैन, डिटेक्टर एक अलग गिनती ऑब्जेक्ट (नीचे) की अस्पष्टता के आधार पर दर प्राप्त करता है . प्रत्येक collimator छेद आठ बार (आठ rescans) स्कैन है. पहली रिस्कैन पर, फोकल स्पॉट sequentially पंक्ति के साथ प्रकाशित कर रहे हैं, बाएँ से शुरू, और प्रवाह प्रत्येक छेद के लिए मापा जाता है. अगले रिस्कैन पर, रोशनी पंक्ति की शुरुआत में शुरू करने के लिए दोहराया है. प्रत्येक फोकल स्थान के लिए मायने रखता है पिछले मूल्य के लिए जोड़ रहे हैं. अगर गिनती की कुल संख्या पहले से निर्धारित सीमा से अधिक है, इस छेद निम्नलिखित रिस्कैन को नहीं किया जा प्रबुद्ध जाएगा. वर्तमान कार्यान्वयन में इस प्रक्रिया को ऑफ़लाइन प्रदर्शन किया है और एक रिस्कैन मुखौटा है कि बाद में एक बराबरी छवि अधिग्रहण के लिए इस्तेमाल किया जाएगा के निर्माण के लिए जाता है. 10 चित्रा. Rescan नक्शा समकारी निस्पंदन एल्गोरिथ्म द्वारा उत्पन्न इस छवि के प्रत्येक पिक्सेल एक collimator का केन्द्र स्थान का प्रतिनिधित्व करता है. छवि इसलिए 71×71 पिक्सल. प्रत्येक पिक्सेल के ग्रे स्तर कि फोकल स्थान के लिए रिस्कैन की संख्या का प्रतिनिधित्व करता है, शून्य (काला) से आठ (सफेद). हम निरीक्षण है कि छवि के दाएँ भाग पर, रिस्कैन की संख्या बहुत कम है. एक परिणाम के रूप में, प्रत्येक इन फोकल स्पॉट के केवल एक या दो बार प्रबुद्ध हो जाएगा. इस क्षेत्र में हमारे खंगाला छवि के फेफड़ों क्षेत्र क्षेत्र (चित्रा 6), जहां छवि लगभग इस क्षेत्र के कम एक्स – रे अवशोषण की वजह से संतृप्त है से मेल खाती है है. 11 चित्रा. विमान बराबरी छवि का चयन इस छवि अनुकूली प्रदर्शन के बाद पुनर्निर्माण एल्गोरिथ्म के उत्पादन है. . 7 एक ही ऑपरेटिंग मोड "मानक छवि (चित्रा 8) के रूप में 15fps के साथ इस छवि का अधिग्रहण किया है, लेकिन अनुकूली जोखिम के साथ 10 चित्रा के स्कैन मुखौटा के आधार पर सक्षम होना चाहिए. छवि तीव्रता के संदर्भ में अधिक समान है, और फलस्वरूप जहाजों उच्च विपरीत में प्रदर्शित छवि के अंधेरे क्षेत्रों में विशेष रूप से दाहिने हाथ की तरफ, वहाँ फेफड़ों के क्षेत्र में नहीं रह संतृप्ति है.. 1 मूवी. SBDX प्रणाली एनिमेशन SBDX प्रणाली व्युत्क्रम ज्यामिति में संचालित है . एक बड़े स्कैनिंग बीम स्रोत एक्स – रे एक छोटे से क्षेत्र डिटेक्टर illuminates. रोगी डिटेक्टर से दूर तैनात है. यहाँ क्लिक करें फिल्म देखने. 2 मूवी. एक्स – रे पीढ़ी प्रत्येक फोकल स्थान पर है, इलेक्ट्रॉन बीम टंगस्टन लक्ष्य हिट और एक्स – रे उत्पन्न कर रहे हैं. collimator डिटेक्टर की ओर एक्स – रे किरण केंद्रित फिल्म को देखने के लिए यहाँ क्लिक करें . मूवी 3. छवि पुनर्निर्माण एनीमेशन. इस एनीमेशन अंतिम डिटेक्टर छवियों का उपयोग कर छवि के पुनर्निर्माण की प्रक्रिया का प्रतिनिधित्व करता है . Collimator (नीचे बाएँ) में से प्रत्येक केन्द्र स्थान के लिए, इसी डिटेक्टर छवि (ऊपरी बाएँ) विमान पर पेश है पुनर्निर्माण (दाएं). इस एनीमेशन में हम तीन विमानों है कि एक्स – रे स्रोत से अलग दूरी पर खंगाला जा रहा हैं है का प्रतिनिधित्व करते हैं. यहाँ क्लिक करें फिल्म देखने. मूवी 4. विमान चयन SBDX प्रणाली एक tomosynthesis इमेजिंग प्रणाली है. विमान को खंगाला और visualized किया जा के लिए उपयोगकर्ता द्वारा चयनित किया जा सकता है. यहाँ क्लिक करें फिल्म देखने. 5 मूवी. बहु विमान एनीमेशन इस वीडियो के विभिन्न विमानों से पता चलता है collimator से दूरी बढ़ाने के खंगाला. विशेष रूप से, iodinated कोरोनरी धमनियों में जाने के लिए और ध्यान देने की उनके भौतिक स्थान पर निर्भर करता है. यहाँ क्लिक करें फिल्म देखने. 6 मूवी. 3D विमान एनीमेशन खंगाला फोकल विमानों के 3 डी दृश्य चुना है.. फोकल विमानों और अधिक बढ़ती गहराई के साथ स्थानांतरित कर रहे हैं . यहाँ क्लिक करें फिल्म देखने .

Discussion

हमें दिखाना है कि खुराक बचत संभव समकारी तकनीक का उपयोग कर रहे हैं. इस पत्र में हम केवल दिखाने के लिए कैसे हमारी तकनीक लागू किया जाता है, छवि गुणवत्ता के लिए निहितार्थ पर चर्चा के बिना. हालांकि, यह नोट करना महत्वपूर्ण है कि हमारे लक्ष्य बराबरी छवियों में शोर अनुपात करने के लिए एक लक्ष्य संकेत बनाए रखने के है. अंतर्निहित धारणा यह है कि गैर – बराबरी छवियों में, शोर अनुपात करने के लिए संकेत अत्यधिक गैर वर्दी है. विशेष रूप से, फेफड़ों के क्षेत्र की तरह उज्ज्वल क्षेत्रों नैदानिक ​​कार्य करने के लिए आवश्यक से शोर अनुपात करने के लिए उच्च संकेत एक्ज़िबिट. समकारी हमें संकेत शोर अनुपात करने के लिए कम करने के लिए इन क्षेत्रों में और छवि के काले क्षेत्रों में शोर अनुपात संकेत बनाए रखने के लिए अनुमति देता है. वर्तमान में हम शोर माप के अध्ययन के लिए प्रदर्शन कर रहे हैं करने के लिए हमारे दृष्टिकोण को मान्य. प्रारंभिक परिणाम बताते हैं कि 30% के आदेश पर खुराक बचत बराबर संकेत प्राप्त छवि ^{7, 8} के अंधेरे क्षेत्रों में शोर अनुपात करने के लिए कर रहे हैं.

समकारी निस्पंदन की क्षमता कई वर्षों के लिए वैज्ञानिक साहित्य में पहचाना गया है. हालांकि, अभी तक सभी प्रकाशित कार्यान्वयन यांत्रिक बंद या फिल्टर शामिल है, काफी इस ^9,10 दृष्टिकोण की उपयोगिता impeding. यहाँ हम दिखाना है कि समकारी एक पूरी तरह से इलेक्ट्रॉनिक दृष्टिकोण के आधार पर किया जा सकता है है, यांत्रिक कार्यान्वयन के साथ समस्याओं पर काबू पाने.

नैदानिक ​​SBDX प्रणाली में, यहाँ प्रस्तुत कदम के सबसे हार्डवेयर में कार्यान्वित किया जाएगा है और वास्तविक समय में डाटा अधिग्रहण के दौरान प्रदर्शन किया जाएगा. समकारी एल्गोरिथ्म वास्तविक समय में चलाने के लिए, और प्रदर्शित छवि डिफ़ॉल्ट रूप से बराबरी जाएगा. एल्गोरिथ्म गतिशील विषय imaged किया जा रहा है, इस विषय की गति, और बदलते गैन्ट्री स्थिति के अनुसार उसके मापदंडों के अनुकूल होगा. हम करने के लिए हमारी एल्गोरिथ्म में सुधार जारी है, और हमारे विधि के आगे विकास के क्रम में वास्तविक समय कार्यान्वयन को सुविधाजनक बनाने के लिए आवश्यक हो जाएगा.