Новый подход к измерению рентгеновских лучей может улучшить компьютерную томографию

Возможно, ученые NIST нашли лучший способ калибровки КТ-сканеров, потенциально оптимизируя лечение пациентов, улучшая связь между врачами. Кредит: Тайлер Олсон

Новый подход к измерению, предложенный учеными из Национального института стандартов и технологий (NIST), может привести к лучшему способу калибровки сканеров компьютерной томографии (КТ), потенциально оптимизируя лечение пациентов за счет улучшения связи между врачами.

Подход, подробно описанный в исследовательской статье в журнале PLOS ONE, показывает, как можно измерять рентгеновские лучи, генерируемые КТ, таким образом, чтобы можно было с пользой сравнивать сканы с разных устройств. Он также предлагает путь для создания первых стандартов измерения КТ, связанных с Международной системой единиц (СИ), путем более точного определения единиц измерения, используемых в КТ — чего не хватает в этой области.

«Если бы техническое сообщество могло договориться об определении, тогда поставщики могли бы создать измерения, которые являются взаимозаменяемыми», — сказал Захари Левин из NIST, физик и один из авторов статьи. «Сейчас калибровка не так тщательна, как могла бы быть».

Способность объекта блокировать рентгеновское излучение — его «радиоплотность» — измеряется в единицах Хаунсфилда (HU), названных в честь соавтора CT, получившего Нобелевскую премию. Калибровка компьютерной томографии, то, что каждый радиологический центр должен выполнять регулярно, включает сканирование объекта с известной радиоплотностью, называемого фантомом, и проверку, дают ли эти измерения правильное количество HU.

Проблема заключается в том, что трубка КТ-сканера — по сути, его «лампочка», генерирующая рентгеновские лучи — создает луч, представляющий собой рентгеновскую версию белого света, полный фотонов с различными длинами волн, которые соответствуют их энергии. (Если человеческий глаз мог видеть рентгеновские лучи, вы могли бы пропустить луч трубки через призму и увидеть, как он распадается на спектр цветов.) Поскольку проникающая способность фотона зависит от его энергии, общее воздействие луча на фантом должно усредняется, что затрудняет определение калибровки.

Еще более усложняет ситуацию то, как рентгеновский свет трубки должен меняться в зависимости от типа сканирования. Более плотные части тела нуждаются в большем количестве проникающих рентгеновских лучей, поэтому трубка имеет своего рода переключатель цвета, позволяющий оператору регулировать напряжениетрубки в соответствии с работой. Регулировка напряжения трубки изменяет спектр луча так, что он колеблется между чем-то вроде «холодного белого» и «теплого белого» лампочки. Переменный спектр затрудняет обеспечение правильности калибровки для всех напряжений.

Добавьте эти сложности к различиям, которые существуют между различными производителями станков КТ, и вы получите много проблем для тех, кто хочет связать калибровку любого данного сканера с универсальным стандартом. Но если бы это можно было сделать, это принесло бы далеко идущие выгоды как для промышленности, так и для медицины.

«Вам нужны взаимозаменяемые ответы независимо от того, какую компьютерную томографию вы используете и когда», — сказал Левин. «Во-первых, вы хотите, чтобы врачи могли общаться между больницами. Допустим, пациент нуждается в наблюдении, но находится где-то далеко от дома, или тот же сканер получил обновление программного обеспечения, которое изменяет количество HU. Если вы можете» Точное измерение, вы не можете улучшить свою технологию. «

По словам Левина, лучшая калибровка может сделать диагностику более эффективной и менее затратной.

«Лучшее сравнение среди сканеров может позволить нам установить точки отсечения для болезни — например, эмфиземы, получая определенный балл Хаунсфилда или ниже», — сказал он. «Также при компьютерной томографии обычно выявляют подозрительные опухоли, которые могут быть злокачественными, и врач обычно назначает МРТ в качестве последующего наблюдения. Мы могли бы устранить необходимость во второй процедуре».

Команда NIST должна была преодолеть неопределенности, создаваемые широким рентгеновским спектром трубки и настройкой напряжения трубки. Их идея состояла в том, чтобы наполнить несколько фантомов различными концентрациями порошкообразных химикатов, которые распространены в организме, и сравнить радиоплотность фантомов с помощью КТ. Сравнение поможет связать HU с количеством молей на кубический метр, которые являются единицами СИ.

«Выполнить эту идею было сложно, потому что объем моля зависит от размера данной химической молекулы», — сказал Левин. «Например, моль соли занимает больше места, чем моль углерода. А воздух в порошках представляет собой еще одно осложнение».

Эта хитрость заставит всех, кроме поклонника математики, вздрогнуть: каждое химическое вещество в смеси можно охарактеризовать двумя числами, но весь фантом создает 13-мерное пространство, которое усложняет анализ данных . К счастью, команда смогла использовать метод линейной алгебры, хорошо известный науке о данных, чтобы упростить данные до двух измерений, что было гораздо более управляемым.

«По сути, мы показали, что вы можете создать целевой показатель производительности сканера КТ, который может поразить любой инженер-конструктор», — сказал Левин. «Производители получали разные ответы на своих машинах в течение десятилетий, потому что никто не говорил своим инженерам, как обращаться с рентгеновским спектром. Для объединения их измерений требуется лишь небольшое изменение существующей практики».

Источник информации: https://phys.org/news/2019-03-x-ray-approach-ct-scanners.html#jCp

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

comments powered by HyperComments
Оценки статьи:
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...