Healthcare SectorImaging & IT Division - Mathematical approach contributes to lower radiation dose in computed tomography:Siemens develops innovative method for iterative reconstruction of CT images

Erlangen

Δευτέρα, 18 Ιανουαρίου 2010

Η Siemens αναπτύσσει πρωτοποριακή μέθοδο επαναληπτικής ανασύνθεσης των απεικονίσεων με αξονικό τομογράφο

Μαθηματική προσέγγιση συνεισφέρει σε χαμηλότερη δόση ακτινοβολίας στην υπολογιστική τομογραφία

Μια από τις κύριες προκλήσεις στην αξονική τομογραφία (CT) είναι να παρέχει εξαιρετική ποιότητα εικόνας εκθέτοντας τους ασθενείς σε όσο το δυνατόν λιγότερη ακτινοβολία. Οι μειώσεις στην παρεχόμενη δόση συνήθως οδηγούν σε αυξημένο θόρυβο στην εικόνα και στην απώλεια ποιότητας εικόνας. Για αυτό το λόγο, ο τομέας Υγείας της Siemens έχει αναπτύξει το «IRIS: Επαναληπτική  Ανασύνθεση στο Χώρο της Εικόνας» (Iterative Reconstruction in Image Space - IRIS) έτσι ώστε να δημιουργεί απεικονίσεις υψηλής ποιότητας, με χαμηλότερες δόσεις ακτινοβολίας. O αξονικός τομογράφος παίρνει μια πληθώρα από δεδομένα ακτίνων Χ από διαφορετικές κατευθύνσεις και χρησιμοποιεί την πληροφορία για να υπολογίσει κλινικές εικόνες, οι οποίες μπορούν να αναλυθούν από τους γιατρούς. Ο νεοεισαχθείς αλγόριθμος IRIS για την ανασύνθεση εικόνων από πρωτογενή δεδομένα αξονικού τομογράφου κάνει καλύτερη χρήση των πληροφοριών που περιέχονται στο αρχείο προέλευσης δεδομένων, ενώ είναι πολύ πιο γρήγορος από προηγούμενες προσεγγίσεις σε διαδικασίες επαναληπτικών ανασυνθέσεων. Συγκρινόμενη με την τρέχουσα μέθοδο για ανασύνθεση εικόνας, τη λεγόμενη οπισθοπροβολή, Filtered Back Projection (FBP), η IRIS προσφέρει δύο εναλλακτικές στους χρήστες της διαδικασίας της Siemens: Μπορούν είτε να δημιουργήσουν την ίδια ποιότητα εικόνας με το FBP μειώνοντας της δόση έως και 60 τοις εκατό, είτε να διατηρήσουν την ίδια δόση και να δημιουργήσουν σημαντικά καλύτερη ποιότητα εικόνας από το FBP. Η IRIS ήδη δοκιμάζεται από αρκετά πανεπιστημιακά νοσοκομεία. Τα περισσότερα συστήματα της οικογένειας προϊόντων SΟΜΑΤΟΜ Definition θα εξοπλιστούν με τη νέα τεχνολογία από το δεύτερο τρίμηνο του 2010.

Στα σύγχρονα συγκροτήματα  ελικοειδούς Αξονικής τομογραφίας (spiral CT), οι ασθενείς κινούνται μέσα στον αξονικό τομογράφο (gantry) με συγκεκριμένη ταχύτητα, ενώ ο συνδυασμός λυχνίας ακτινών Χ και ανιχνευτή περιστρέφονται συνεχώς γύρω από το σώμα των ασθενών.  Μαθηματικές διαδικασίες υπολογίζουν τον συντελεστή εξασθένησης (attenuation coefficient) στο πεδίο τομής όπως και την χωρική κατανομή της πυκνότητας από την εξασθένηση της ακτινοβολίας όπως περνά μέσα από το σώμα. Αυτά τα πρωτογενή  δεδομένα, χρησιμοποιούνται τότε για να ανασυνθέσουν κλινικές εικόνες σε διαφορετικά επίπεδα, όπως αξονικά, οβελιαία και στεφανιαία, κλπ. Η τυπική μέθοδος ανασύνθεσης που χρησιμοποιείται σήμερα είναι η μέθοδος της φιλτραρισμένης οπισθοπροβολής (Filtered Back Projection - FBP), ένας αλγόριθμος ουσιαστικά που μετατρέπει τα πρωτογενή δεδομένα σε δεδομένα εικόνας φιλτράροντας, και οπισθοπροβάλοντας τα στο επίπεδο της εικόνας. Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει έναν συμβιβασμό μεταξύ χωρικής ανάλυσης εικόνας και ποιότητας και θορύβου εικόνας. Η δόση ακτινοβολίας πρέπει να είναι αυξημένη για να μειώσει το θόρυβο της εικόνας και συνεπώς να βελτιώσει την ποιότητα της εικόνας.

Η επαναληπτική ανασύνθεση περιγράφηκε για πρώτη φορά τη δεκαετία του 70 ως μια ελπιδοφόρα μέθοδος για τη δημιουργία κλινικών εικόνων με χαμηλό θόρυβο. Η διαδικασία δημιουργίας εικόνας με αυτή τη μέθοδο περιλαμβάνει ένα «βρόχο διόρθωσης» (correction loop), στο οποίο οι εικόνες υπολογίζονται τμηματικά από μια σταδιακή προσέγγιση της πραγματικής κατανομής πυκνότητας του ιστού προς εξέταση. Για αυτό το σκοπό, το σύστημα κάνει μια υπόθεση σχετικά με την κατανομή της πυκνότητας και υπολογίζει την τελική εικόνα (output image). Από αυτή την τελική εικόνα δημιουργούνται νέα, δεδομένα συνθετικής προβολής και συγκρίνονται με τα πραγματικά, «αληθινά» μη επεξεργασμένα δεδομένα. Αν δεν ταιριάζουν, το σύστημα θα υπολογίσει μια αντίστοιχη διορθωτική εικόνα για να διορθώσει την τελική εικόνα. Σε επόμενο βήμα, το σύστημα θα συνθέσει ξανά τα δεδομένα προβολής και θα τα συγκρίνει με τα καταμετρημένα πρωτογενή δεδομένα. Αυτή η επανάληψη συνεχίζεται μέχρι να γίνει πλήρωση ενός συγκεκριμένου κριτήριου. Μετά από αυτή τη διαδικασία, η διορθωμένη εικόνα δείχνει βελτιωμένη χωρική ανάλυση σε περιοχές υψηλής αντίθεσης, καθώς ο θόρυβος εικόνας σε περιοχές χαμηλής αντίθεσης μειώνεται.  Η εικόνα γίνεται ομαλότερη σε περιοχές ιστού με ομογενοποιημένη πυκνότητα, ενώ τα όρια ιστών με υψηλή αντίθεση διατηρούνται. Αυτό έχει ως συνέπεια το ότι η ανάλυση εικόνας και ο θόρυβος εικόνας δεν είναι πια συνδεδεμένα. Ένα πρόβλημα που σχετίζεται με τη μέθοδο είναι το γεγονός ότι το υπολογιστικό σύστημα του αξονικού τομογράφου πρέπει να είναι ειδικά σχεδιασμένο και μάλιστα με συγκεκριμένο μαθηματικό μοντέλο ώστε να μπορεί να ανταποκριθεί κατά τη διάρκεια του υπολογισμού των δεδομένων συνθετικής προβολής, κάτι που απαιτεί εξαιρετικά μεγάλη υπολογιστική δύναμη. Επιπροσθέτως, απαιτείται μεγάλος αριθμός επαναλήψεων. Αυτό έχει ως συνέπεια ο χρόνος υπολογισμού για ανασύνθεση και οι απαιτήσεις υπολογιστικής ισχύος να αυξάνονται σε τέτοιο βαθμό που η διαδικασία να μην μπορεί ως τώρα να εφαρμοστεί πρακτικά σε κλινικό περιβάλλον.

Μέχρι πρόσφατα, η λεγόμενη «στατιστική επαναληπτική ανασύνθεση» θεωρούταν μια λύση. Αποφεύγει τον ακριβή μαθηματικό σχεδιασμό του υπολογιστικού συστήματος και μειώνει δραστικά τον αριθμό επαναλήψεων έτσι ώστε να αποφεύγονται οι παρατεταμένοι χρόνοι υπολογισμού. Ένα μεγάλο μέρος θορύβου απομακρύνεται στη βάση ενός απλού μοντέλου στατιστικής διόρθωσης, το οποίο επικεντρώνεται μόνο στις ιδιότητες θορύβου των δεδομένων μέτρησης. Αυτή η επιθετική μέθοδος επιταχύνει την ανακατασκευή εικόνων, αρκετά χαμηλότερου θορύβου , αλλά δημιουργεί εγκάρσιες εικόνες που μπορεί να διαφέρουν σημαντικά από τα αποτελέσματα του τυποποιημένου FBP, έτσι που οι ακτινολόγοι συχνά να ενοχλούνται από την υφή των εικόνων.

Σε αντίθεση με την «στατιστική επαναληπτική ανασύνθεση», ο αλγόριθμος αναδόμησης «Επαναληπτική  Ανασύνθεση στο Χώρο της Εικόνας» (Iterative Reconstruction in Image Space) του Τομέα Υγείας της Siemens χρησιμοποιεί μια διαφορετική προσέγγιση για να επιταχύνει την ανακατασκευή της εικόνας. Ο πυρήνας της πρωτοποριακής προσέγγισης είναι το γεγονός ότι όλα τα πρωτογενή δεδομένα μεταφέρονται από την περιοχή πρωτογενών  δεδομένων, όπου επεξεργάζονται με αργό ρυθμό, στην πιο αποτελεσματική περιοχή δεδομένων εικόνας στον πρώτο κύκλο ανασύνθεσης. Η απορρέουσα «πρότυπη εικόνα» (master image) περιέχει  λεπτομέρειες, αλλά και αρκετό θόρυβο εικόνας, ο οποίος απομακρύνεται στα επόμενα βήματα επανάληψης στην περιοχή δεδομένων εικόνας. Με αυτό τον τρόπο, η εικόνα σταδιακά καθαρίζει από θόρυβο και παράσιτα σε μικρά επαναλαμβανόμενα βήματα που δεν επηρεάζουν την υψηλή χωρική ανάλυση της εικόνας. Αυτό εξαλείφει την ανάγκη για χρονοβόρες διαδικασίες, όπως οι  οπισθοπροβολές (back projections). Η καινοτόμος αυτή  προσέγγιση επιτρέπει στους ειδικούς της Siemens να δημιουργήσουν έναν ακριβές είδωλο των πραγματικών στοιχείων της τελικής εικόνας από τα πρωτογενή δεδομένα μιας αξονικής τομογραφίας με σχετικά χαμηλή υπολογιστική προσπάθεια. Ο IRIS, που επιτρέπει σάρωση με έως και 60 τοις εκατό λιγότερη ακτινοβολία, μπορεί να επιτύχει το ίδιο λόγο σήματος προς  θόρυβο (signal to noise ratio) όπως και η κλασσική μέθοδος του Filtered Back Projection (FBP) με πλήρη δόση.

Συνεπώς ο νέος αλγόριθμος μπορεί να μειώσει σημαντικά τη δόση ακτινοβολίας χωρίς απώλειες σε ποιότητα της εικόνας. Εναλλακτικά, η μέθοδος επαναληπτικής ανακατασκευή εικόνων της Siemens μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αυξήσει σημαντικά την ποιότητα εικόνων που έχουν ληφθεί χρησιμοποιώντας την ίδια δόση. Αυτό επιβεβαιώθηκε από τον U. Joseph Schoepf, MD, Καθηγητή Ακτινολογίας και Καρδιολογίας, Διευθυντή Έρευνας και Τεχνολογίας Αξονικής Τομογραφίας στην Ιατρική Σχολή της Νότιας Καρολίνας: «Ο IRIS με βοηθάει να εξοικονομώ έως και 60 τοις εκατό από τη δόση ακτινοβολίας σε έναν αριθμό εφαρμογών ρουτίνας, διατηρώντας ταυτόχρονα τη συνηθισμένη εξαιρετική ποιότητα εικόνας».

«Η προστασία από την ακτινοβολία και η μείωση δόσης στην αξονική τομογραφία υπήρξαν κορυφαίες προτεραιότητες του Τομέα Υγείας της Siemens από τότε που η εταιρία παρουσίασε τον πρώτο αξονικό τομογράφο το 1974. Έχουμε ήδη παρουσιάσει μια σειρά τεχνολογικών καινοτομιών στα συστήματά μας που συνεισφέρουν στη μείωση της δόσης,» εξήγησε ο Δρ. Sami Atiya, CEO της μονάδας ΑξονικήςΤομογραφίας του Τομέα Υγείας της Siemens. «Με τον IRIS μπορούμε να μειώσουμε σημαντικά την έκθεση σε ακτινοβολία σε όλες ουσιαστικά τις εξετάσεις αξονικής τομογραφίας.»

Φωτογραφίες για τον Τύπο βρίσκονται στο http://www.siemens.com/med-pictures/IRIS

Σχετικά με τον Τομέα Υγείας της Siemens

Ο Τομέας Υγείας της Siemens  αποτελεί έναν από του κορυφαίους προμηθευτές του κλάδου της υγείας σε όλο τον κόσμο, καθορίζοντας τις τάσεις σε τομείς όπως η ιατρική απεικονιστική, τα εργαστηριακά διαγνωστικά συστήματα, οι λύσεις πληροφορικής για ιατρικούς οργανισμούς και τα ακουστικά βοηθήματα. Η Siemens είναι η μοναδική εταιρία που προσφέρει μέσω ενός σημείου προϊόντα και λύσεις για όλο το φάσμα της φροντίδας του ασθενούς – από την από την πρόληψη και την έγκαιρη πρόγνωση, έως τη διάγνωση, τη θεραπεία και τη φροντίδα του ασθενούς μετά τη θεραπεία. Βελτιστοποιώντας τη ροή εργασιών σε κλινικό επίπεδο για τις πλέον κοινές ασθένειες, η Siemens καθιστά τις υπηρεσίες υγείας ταχύτερες, καλύτερες και πιο αποδοτικές προς το κόστος. Ο Τομέας Υγείας της Siemens απασχολεί 49.000 εργαζομένους σε όλο τον κόσμο και δραστηριοποιείται σε 130 χώρες. Κατά το χρηματοοικονομικό έτος 2008 (έληξε στις 30 Σεπτεμβρίου), ο Τομέας Υγείας της Siemens σημείωσε έσοδα ύψους €11,2 δισεκατομμυρίων και κέρδη ύψους €1,2 δισεκατομμυρίων. Για περισσότερες πληροφορίες, παρακαλούμε επισκεφθείτε την ιστοσελίδα: www.siemens.com/healthcare.