Βελτίωση ποιότητας εικόνας και μείωση δόσης, στην υπολογιστική τομογραφία διπλής ενέργειας

• Κύριος συγγραφέας: Βγενόπουλος, Ανδρέας
• Άλλοι συγγραφείς: Κωσταρίδου, Ελένη
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2016
• Θέματα: Υπολογιστική τομογραφία διπλής ενέργειας; Συντελεστής εξασθένησης υλικών; Ακτινοβολία; Dual Energy CT (DECT); Attenuation coefficient of materials; Radiation; 616.075 75

Η υπολογιστική τομογραφία διπλής ενέργειας (Dual Energy CT, DECT) είναι μια καινούρια και συνεχώς εξελισσόμενη τεχνική, η οποία πραγματοποιεί διαφοροποίηση υλικών, βάσει των φασματικών τους ιδιοτήτων. Αυτό συμβαίνει μέσω της χρήσης 2 ενεργειακών φασμάτων που ακτινοβολούν τα εκάστοτε υλικά, διαχωρίζοντας έτσι υλικά που έχουν σημαντικές διαφορές στον ατομικό τους αριθμό. π.χ το ιώδιο που χρησιμοποιείται ως σκιαγραφική ουσία (Ζ=53) και οι ασβεστώσεις (Ζ=20) μπορούν να διαχωριστούν από τα υπόλοιπα στοιχεία που αποτελείται το σώμα, όπως το υδρογόνο (Ζ=1), οξυγόνο (Ζ=8), άνθρακα (Ζ=6) και άζωτο (Ζ=7), που είναι όλα υλικά χαμηλού ατομικού αριθμού. Αυτό συμβαίνει λόγω της εξάρτησης του συντελεστή εξασθένησης των υλικών με υψηλό ατομικό αριθμό από το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, σε αντίθεση με τα υλικά με χαμηλό ατομικό αριθμό. Πιo συγκεκριμένα, ο συντελεστής εξασθένησης ενός υλικού εξαρτάται από την ενέργεια του φάσματος, την πυκνότητα του υλικού και τον ατομικό του αριθμό. Στο φάσμα ενεργειών που χρησιμοποιείται στην ακτινολογία,οι δύο κύριες φυσικές διαδικασίες απο τις οποίες εξαρτάται η εξασθένηση της ακτινοβολίας απο την ύλη είναι η σκέδαση Compton και το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, η πιθανότητα να πραγματοποιηθεί, εξαρτάται απο την ενέργεια( 1/Ε3) και απο τον ατομικό αριθμό (Ζ4) ενώ για την σκέδαση Compton, εξαρτάται μόνο απο τον ατομικο αριθμό(Ζ1). Έτσι υλικά με μεγάλο Ζ έχουν μεγάλους συντελεστές εξασθένησης, για χαμηλές ενέργειες ακτινοβόλησης, σε σχέση με υλικά χαμηλόύ Ζ, οδηγώντας έτσι σε εικόνες υψηλής αντίθεσης, αλλά και υψηλού θορύβου. Οι εικόνες χαμηλών και υψηλών kV μπορούν να συνδυαστούν, μέσω γραμμικού συνδυασμού, προκειμένου να δημιουργηθούν γραμμικά συνθετικές εικόνες. Αυτές οι εικόνες, έχουν ως στόχο να εξισσοροπήσουν τον υψηλό θόρυβο των εικόνων με χαμηλά kV μέσω του χαμηλού θορύβου των εικόνων των υψηλών kV ενώ ταυτόχρονα να εκμεταλεύονται την υψηλή αντίθεση των εικόνων με τα χαμηλά kV. Η τεχνική απεικόνισης υπολογιστικής τομογραφίας διπλής ενέργειας που χρησιμοποιείται σε αυτή την μελέτη είναι μέσω υπολογιστικού τομογράφου που έχει 2 λυχνίες που ακτινοβολούν ταυτόχρονα, η μία σε υψηλά και η άλλη σε χαμηλά kV, με 2 σειρές ανιχνευτών. Έτσι λαμβάνονται ταυτόχρονα δεδομένα και απο την υψηλή και απο την χαμηλή ενέργεια ακτινοβόλησης. Η μία λυχνία ακτινοβολεί με υψηλή τάση 80 kV και η άλλη με 140kV. Σε αυτή την μελέτη αρχικά εξετάστηκε η συμπεριφορά υλικών όπως ισοδύναμο οστού, νερού, ιώδιο σε διαφορετικές συγκεντρώσεις, ασβέστιο πολυαιθυλαίνιο,πολυστυρένιο,polycarbonate,nylon και plexiglass(που χρησιμοποιηθηκε ως υπόβαθρο για τον υπολογισμό των τιμών του CNR και της αντίθεσης όλων των υλικών),όταν αυτά ακτινοβολούνται από DECT. Συγκεκριμένα, μελετήθηκαν οι συνθετικές εικόνες που παρήχθησαν με γραμμικό συνδυασμό συντελεστών συμμετοχής της λυχνίας 80 kV και που υπολογίζονται μέσω της εξίσωσης, x = w · xlow+ (1-w) · xhigh , όπου xlow , xhigh είναι οι αριθμοί υπολογιστικού τομογράφου (CT numbers) των εικόνων 80kV και 140kV αντίστοιχα, w είναι ο συντελεστής βαρύτητας των εικόνων της λυχνίας των 80kV και x το CT number των συνθετικών εικόνων.Τα w που εξετάστηκαν στην παρούσα έρευνα ήταν w:( 0,1 0,3 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9) . Χρησιμοποιήθηκαν 4 πρωτόκολλα λήψεων υπολογιστικής τομογραφίας διπλής ενέργειας (DECT) για εξέταση αγγείων του εγκεφάλου (Head Angio Protocol) με 4 διαφορετικές τιμές φορτίων (mAs) της λυχνίας υψηλής τάσης 140 kV. Αρχικά χρησιμοποιήθηκε το πρωτόκολλο κλινικής πρακτικής με φορτίο 50 mAs (πρώτο πρωτόκολλο), και στη συνέχεια 3 πρωτόκολλα με μείωση του φορτίου. Συγκεκριμένα, το φορτίο μειώθηκε στα 44 mAs (δεύτερο πρωτόκολλο), στα 37 mAs (τρίτο πρωτόκολλο) και στα 25 mAs (τέταρτο πρωτόκολλο). Η μείωση του φορτίου αναμένεται να οδηγήσει σε αναλογική μείωση της δόσης που λαμβάνουν τα ακτινοβολούμενα υλικά, δηλαδή κατά 10%, 25% και 50% αντίστοιχα. Εκτός όμως από τη μείωση της δόσης, η μείωση του φορτίου (mAs) της λυχνίας οδηγεί στην αύξηση του θορύβου της εικόνας. Αυτό είναι κάτι που παρατηρήθηκε σχεδόν σε όλα τα ακτινοβοληθέντα υλικά και για όλους τους συντελεστές βαρύτητας συνθετικών εικόνων καθώς ο θόρυβος είναι αντιστρόφως ανάλογος, της τετραγωνικής ρίζας των mAs της λυχνίας. Στα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν, μετρήθηκαν οι Αριθμοί Υπολογιστικού Τομογράφου (CT number) των υλικών, η Αντίθεση (Contrast), ο Θόρυβος (Noise), o Λόγος Σήματος προς Θόρυβο (Signal-to-Noise Ratio, SNR) και ο Λόγος Αντίθεσης προς Θόρυβο (Contrast-to-Noise Ratio, CNR). Επίσης, πραγματοποιήθηκε σύγκριση των ανωτέρω ποσοτικών δεικτών μεταξύ των συνθετικών εικόνων για όλες τις τιμές φορτίου (mAs) που μελετήθηκαν. Στη συνέχεια εφαρμόσθηκε στις συνθετικές (fused) εικόνες και των 4 πρωτοκόλλων, ένας αλγόριθμος μείωσης θορύβου που χρησιμοποιεί μη γραμμική ανισοτροπική δίαχυση προκειμένου να μειώσει τον θόρυβο της εικόνας διατηρώντας παράλληλα τις ακμές. Ο αλγόριθμος αυτός ονομάζεται Εdge Enhancing Diffusion (EED) και εφαρμόστηκε σε όλες τις συνθετικές εικόνες, μετά την ανακατασκευή τους από τον υπολογιστικό τομογράφο δηλαδή ως μετεπεξεργασία (post-processing). Tα αποτελέσματα έδειξαν ότι για όλα τα ακτινοβολούμενα υλικά, ο αλγόριθμος ΕΕD δεν μεταβάλει καθόλου το CT number, άρα και την αντίθεση τους, ενώ παράλληλα μειώνει σε σημαντικό βαθμό τον θόρυβο για όλα τα υλικά που μελετήθηκαν, για τα mAs που χρησιμοποιήθηκαν, και για όλους τους συντελεστές βαρύτητας συμμετοχής της λυχνίας των 80 kV στις συνθετικές εικόνες.Αξίζει να αναφερθεί οτι ακόμα και για τον υποδιπλασιασμό του φορτίου (από 50 mAs σε 25 mAs), ο θόρυβος μετά την εφαρμογή του αλγορίθμου ,είναι μικρότερος από τον θόρυβο που μετρήθηκε χωρίς την εφαρμογή του, για όλα τα υλικά και για όλους τους συντελεστές βαρύτητας. Οι τιμές SNR ακολουθούν αντιστρόφως ανάλογη συμπεριφορά με αυτή του θορύβου, και είναι πάντοτε μεγαλύτερες για όλα τα υλικά και όλους τους συντελεστές βαρύτητας ακόμα και στην περίπτωση του υποδιπλασιασμού του φορτίου (mAs) της λυχνίας των 140 kV. Για παράδειγμα στο ομοίωμα οστού, ο μέσος όρος μείωσης του θορύβου είναι 43,4% για τα 50 mAs, 48,4% για τα 44 mAs, 51,3% για τα 37 mAs και 55,2% για τα 25 mAs. Οι τιμές του SNR αυξάνονται για όλες τις τιμές του φορτίου και όλους τους συντελεστές που μελετήθηκαν. Συγκεκριμένα, ο μέσος όρος αύξησης του SNR είναι 77,6% για τα 50 mAs, 94,2% για τα 44 mAs, 106,3% για τα 37 mAs και 123,8% για τα 25 mAs. Οι τιμές του CNR αυξάνονται για όλα τα mAs και όλους τους συντελεστές. Συγκεκριμένα, ο μέσος όρος αύξησης του CNR είναι 153,3% για τα 50 mAs, 118,2% για τα 44 mAs, 135,8% για τα 37 mAs και 145,6% για τα 25 mAs. Τέλος, για τις συνθετικές εικόνες που μελετήθηκαν χωρίς την εφαρμογή του αλγορίθμου, οι ποσοτικοί δείκτες ποιότητας που υπολογίστηκαν παρουσιάζουν παρόμοια συμπεριφορά για όλα τα υλικά ως προς την μεταβολή του συντελεστή βαρύτητας. Το CT number και η αντίθεση, παρουσιάζουν γραμμική συμπεριφορά, ενώ το ίδιο ακριβώς συμβαίνει για τους 2 εν λόγω δείκτες ποιότητας και μετά την εφαρμογή του αλγορίθμου, αφού δεν μεταβάλλονται καθόλου τα CT numbers των υλικών που μελετήθηκαν. Ο θόρυβος παρουσιάζει μη γραμμική συμπεριφορά με ένα ελάχιστο, συνήθως στον συντελεστή βαρύτητας 0,5 για όλα τα υλικά, ενώ τα SNR και CNR παρουσιάζουν μορφή καμπύλης με ένα μέγιστο όπου εξαρτάται από το ελάχιστο του θόρυβου, καθώς και από την μεταβολή του CT number του εκάστοτε υλικού ως αποτέλεσμα της μεταβολής του συντελεστή βαρύτητας. Οι 3 δείκτες ποιότητας (Θόρυβος εικόνας,SNR,CNR), οι οποίοι επηρεάζονται μετά την εφαρμογή του αλγόριθμου, δεν παρουσιάζουν συμπεριφορά αντίστοιχη με την συμπεριφορά τους πριν εφαρμοστεί. Δηλαδή παρουσιάζουν σε πολλές περιπτώσεις πάνω απο ένα μέγιστα και ελάχιστα και παρουσιάζουν ένα πιο πολύπλοκη μη γραμμική συμπεριφορά σε σχέση με αυτή που είχαν πριν την εφαρμογή του αλγορίθμου. Συμπέρασμα της παρούσας μελέτης είναι, οτι η εφαρμογή ΕΕD αλγορίθμου μείωσης θορύβου σε ομοίωμα , βελτιώνει την ποιότητα εικόνας σε βαθμό τέτοιο, που δίνεται η δυνατότητα να υποδιπλασιαστεί το φορτίο ακτινοβόλησης (mAs) και άρα να υποδιπλασιαστεί η δόση, προσφέροντας παράλληλα συνθετικές εικόνες αντίστοιχης ή καλύτερης ποιότητας, ακόμα και απο τις εικόνες διπλάσιου φορτίου-δόσης, πριν την εφαρμογή του αλγορίθμου.