通过自适应曝光的减少剂量X射线透视影像

Summary

我们正在开发一个动态自适应曝光技术，使用我们的扫描光束数字X射线系统。 ，而不是均匀暴露的对象，曝光调整，根据对象的不透明度。在这里，我们显示一个拟人化的幽灵，在节约30％的剂量的实验。

Abstract

广泛用于X射线透视图像引导，在心脏介入。然而，在这些程序中的辐射剂量可以高，这是一个重大关切，特别是在儿科的应用，。儿科程序一般比对成年人进行的复杂得多，因此长四到八倍，平均^1。此外，儿童可以接受由10岁至10透视程序，并已被证明有三倍其整个^2,3比一般人群的生活发展的致命癌症的风险较高。

我们已经表明，辐射剂量可显著减少成人心脏手术，通过使用我们的扫描光束数字化X射线系统^（SBDX）4 -透视成像系统，采用逆^成像几何5,6（图1，电影1和图2）。而不是一个单一的焦斑和扩展的探测器，在传统的系统中使用的，我们的方法利用扩展的X射线源与多个焦点集中于一个小型探测器点。我们的X射线源，由电子束扫描顺序照明可达9000焦斑位置。每个焦斑项目到探测器上的成像量的一小部分。在最终图像直接到探测器预计于传统的系统相比，SBDX使用一个专门的算法，从9000探测器图像重建的最终图像。

儿科的应用，预计将节约与SBDX系统的剂量小于成人程序。然而，SBDX系统允许通过实施电子自适应曝光技术，节省额外的剂量。这种方法的关键是多束扫描的SBDX系统技术，而不是具有相同的辐射剂量暴露的图像的每一个部分，我们可以动态地改变曝光取决于暴露了该地区的不透明度。因此，我们可以显着降低暴露在放射线地区和保持更多的不透明区域的曝光。在我国目前实施的自适应曝光需要用户交互（图3）。然而，在未来，自适应曝光将实时和全自动。

我们已经完成了拟人化的幻像的实验和比较测量辐射剂量与不使用剂量面积乘积（DAP）米的自适应曝光。这里介绍在实验中，我们发现30％的剂量减少。

Protocol

1。系统设置

1. 成立魅影图像等中心（即从准直仪40厘米）。
2. 成立磷酸二铵仪，X射线剂量测量前的准直器（图4）。
3. 对SBDX系统的电源。
4. 选择系统的运行模式。目前，我们正在使用的15fps的帧速率的视角（FOV）7“领域的X射线源的峰值电压设置在9KW X射线源动力80kVp。

2。数据采集

1. 从控制计算机启动数据采集。在数据采集过程中，探测器的图像被保存到系统内存。在SBDX系统下面的步骤：
   1. 电子束扫描每个焦斑位置，顺序栅格时尚（图5）。
   2. 电子束击中传输的目标，并产生X -射线（电影2）。
   3. 在每个焦斑位置，X射线光子照亮使用聚焦准直器的探测器，从而投射到探测器的成像量的一小部分。
   4. 对于每个焦斑位置，探测器将创建一个探测器的形象，这是直接存储在系统内存中。
   5. 7选定的操作模式“15fps的协调中心提供71x71点。每个焦斑位置是照亮共8微秒。曝光时间必须被打破，因为X射线目标的热限制为1微秒增量。因此，光束照亮每1微秒，并移动到下一个聚焦点位置的焦斑位置的目标。在稍后的时间，每个焦斑重新讨论，以完成8微秒曝光。作为一个探测器图像创建为每个焦斑照明，有共有40328探测器，在大约60ms的采集和存储到内存中的图像。

3。图像重建

1. 该SBDX本质上是一个断层合成系统，对象是根据不同的角度，从源头照明。位于准直器和检测器之间的成像体积内的任何飞机可以被重建。下列步骤说明如何重建个人飞机的部分图像，或将一个复合或平面选定的图像。在临床SBDX系统的步骤3.2至3.4将实时执行。
2. 重建模拟器上选择图像重建参数。
3. 运行图像重建算​​法。在图像重建算​​法执行以下步骤：
   1. 阅读每一个人的探测器形象。
   2. 规模探测器图像平面重建的规模相匹配。
   3. 转移的图像，根据他们的焦斑源位置，并把它们添加到重建的平面（电影3）。
   4. 为每个焦斑位置重复最后两个步骤。
   5. 执行后处理过滤，除去移位操作所造成的模式。
   6. 此时，一个平面重建（图6），解剖我们的对象是可见的。
4. 如果要求，运行算法来创建一个平面上选定的图像。该算法执行下列步骤：
   1. 重复点3.2.1至3.2.6创建平面选定的图像所需的32架飞机。飞机通常有一个0.5毫米（图7和电影5 4，电影）的间距。
   2. 对于每一个图像的一部分，包含在重点对象的飞机被选定为最终选定的平面图像（图8和电影6）的一部分。
5. 如果有必要，重新放置在视野的中心心脏的幻象。
6. 执行步骤2.1至3.3幻象是正确的，直到视野内。
7. 记录从这种非均衡的形象DAP米的剂量面积乘积。

4。自适应曝光的文件生成新的运作模式

1. 装入以前获得的探测器图像自适应曝光模拟器。
2. 选择算法参数自适应曝光。
3. 运行自适应曝光模拟器。模拟器执行下列步骤：
   1. 每个探测器形象的光子的目标是确定基于用户选择的门槛。
   2. 对于每个焦斑位置，在光子探测器的图像数目是确定的。从该焦斑位置探测器的图像积累，直到达到的光子的目标号码或最多8个重新扫描（图9）。
   3. 因此，我们得到了一个重新扫描地图，详细介绍每个焦斑位置是多少次亮起（图10）。
   4. 重新扫描地图是合并文件是用来运行的SBDX系统操作模式。

5。均衡的图像采集

1. 装入更新的运作模式文件SBDX系统。
2. 从控制计算机启动数据采集。数据采集​​是进行详细的2.1.1至2.1.5。在对比以前的收购，X射线束焦斑位置打开或关闭，根据我们的重新扫描地图。由于对照明的总人数小于标准收购，X射线剂量减少。
3. 记录磷酸二铵计测量剂量面积乘积。
4. 新收购扳平的详细在3.2至3.4的数据运行的图像重建算​​法。
5. 显示扳平重建的图像（图11）。

6。数据分析

1. 比较的非均衡的图像和均衡的图像测量的剂量。
2. 观察重建图像之间的均衡和非均衡的差异。

7。代表性的成果：

图8和图11显示了一个标准的形象和一个均衡的图像之间的比较。与DAP米的剂量测量证明节省30％的剂量，在均衡使用重新扫描遮罩，如图10所示的图像。

此外，均衡是一种非常有效的方式，压缩动态范围，使的图像更美观，无需后处理的需要。

如图所示，均衡过滤可用于保存剂量。然而，均衡还可以用来增加的源动力相匹配的非均衡形象的辐射剂量，提高图像质量。这样，图像的黑暗区域获得更多的光子，导致降低图像的噪点。

图1。常规的X线透视系统 。常规系统有一个单一的焦斑X射线源和大面积探测器。病人是定位接近探测器。

图2。 SBDX系统。SBDX系统在逆几何。一个大扫描束X射线源，照亮了小面积的探测器。病人是远从探测器定位。

图3。 1） 数据采集流程图。一个非均衡形象的幻影收购。 2）提取数据从磁盘阵列。 3）自适应曝光算法作为输入数据，创建一个曝光或重新扫描面具。 4）重新扫描面膜结合源控制计算机的原始操作模式。 5）一个相同的幻像扳平图像获取，存储到磁盘阵列中。 6）非均衡和均衡的数据集是从磁盘阵列中提取，图像重建软件重建每个数据集在不同的平面。 7）两个图像重建软件的输出。 8）这两种图像显示。

图4。系统设置。幻像是摆在等中心的X射线源和探测器之间的病人表。 X射线源和幻象之间放置一个剂量面积乘积米。

图5。 X射线源产生的电子束是由电子枪，扫描每个准直孔栅格方式。从准直仪的一侧开始，束扫描每一洞的顺序。在该行的结束，梁被关闭，并在下一行的开始位置，并扫描该行开始。通过这种方式，电子束扫描整个准直仪，由71孔71扫描约60ms的八倍。

图6。标准的重建图像 。我们的拟人化的显示与碘化冠状动脉心脏幻象的重建图像。 7“视野和15fps的图像，并在45厘米从单一平面的X射线的目标是重建。

图7。多平面重建表示准直器和检测器之间的不同重建飞机。蓝色锥体说明如何探测器图像重建飞机backprojected。

图8。选定的平面图像 ，这张图片是32架飞机组成。只有船只的selecte对比图6二维平面中的重点，每艘船是关注的焦点。

图9。均等过滤步骤。准直仪扫描（顶部），探测器接收到一个不同的计数率，根据对象的不透明度（底部）。每个准直孔是八倍（八重新扫描）扫描。在第一次重新扫描，联络点被点亮顺序沿行，从左边开始，和通量测量每孔。在未来重新扫描，照明是重复的行开始。对于每个焦斑，计数添加到以前的值。如果计数的总数超过了原先设定的阈值，这个洞不会被照亮在下面的重新扫描。在当前的实现，这个过程是离线执行，导致创造的面具，随后将被用于获取一个均衡的图像重新扫描。

图10。重新扫描地图生成均衡过滤算法 ，这个图片的每个像素代表的准直器的焦斑。因此，该图像是71x71像素。每个像素点​​的灰度级的重新扫描，焦斑，从0（黑）8个（白色）。我们观察到的图像的右侧部分，重新​​扫描数是非常低的。因此，这些联络点，每年只有一次或两次将亮起。这个区域对应的重建图像肺场区（图6），其中的图像几乎是因为这方面的低X射线吸收饱和的。

图11。飞机选择了扳平的形象 ，这个形象是自适应曝光后的重建算法的输出。此图片已获得相同的操作模式7“为标准的图像（图8）15fps的，但与自适应曝光，使基于扫描面具图10。图像更均匀强度，并因此船只出现在更高的对比度，尤其是在黑暗的地区，在图像的右侧，有没有在肺野不再饱和。

电影1。逆几何动画的SBDX系统。SBDX系统的运作。一个大扫描束X射线源，照亮了小面积的探测器。病人是从探测器定位为止。 点击这里查看电影。

电影2。产生X射线 ，在每个焦斑，电子束撞击钨靶产生X射线。重点朝着探测器的X射线束的准直器， 点击这里查看影片。

电影3。图像重建的动画，这个动画使用探测器图像重建的最终图像的过程。对于每个准直仪（左下）焦斑，相应的探测器（左上）被投影到平面重建（右）。在这个动画中，我们代表了三个在不同的X射线源的距离正在重建的飞机。点击这里查看电影。

电影4。平面选择。SBDX系统是一个断层合成成像系统。平面重建和可视化，可以由用户选择，点击这里查看电影。

电影5。多平面动画视频显示不同平面重建增加准直器的距离。值得注意的是，碘的冠状动脉和重点取决于它们的物理位置。点击这里查看影片 。

电影6。选择3D平面动画 ，三维可视化重建焦平面。焦平面随着深度的增加转向更多。 点击这里查看电影。

Discussion

我们表明，剂量节省可以使用均衡技术。在本文中，我们只能说明我们的技术是如何应用，不讨论图像质量的影响。但是，重要的是要注意，我们的目标是，保持均衡的图像目标信噪比。基本假设是，在非均衡的图像，信噪比是高度非均匀。特别是，像肺野的明亮区域表现出更高的信号噪音比率比要执行的诊断任务。均衡让我们降低了信号的信噪比，在这些领域，以保持信号在图像较暗区域的噪声比。目前，我们正在执行噪声测量的研究，以验证我们的做法。初步结果显示，节省30％的剂量是可以实现的，相当于信号暗区^{的图像7，8}信噪比。

在多年的科学文献，均衡过滤的潜力已被确认。但是，到目前为止，所有公布的实现涉及机械快门或过滤器，极大地阻碍^了这种方法9,10的实用工具。在这里，我们表明，均衡的基础上全面电子化的方式，克服机械实现的问题。

在临床SBDX系统，这里介绍的步骤大部分将在硬件中实现，并会在实时数据采集过程中进行。均衡算法实时运行，所显示的图像会被默认扳平。该算法将动态调整其参数，根据成像的主体，主体的议案，并改变龙门位置。我们将继续改善我们的算法，并进一步发展我们的方法将是必要的的，以便实时实现。