Ograniczenie promieniowania, poprawa jakości skanowania: nowa era obrazowania TK
W 2018 roku w całej UE przeprowadzono ok. 60 milionów badań przy użyciu tomografii komputerowej (TK). Tomografia komputerowa jest jedną z najczęściej używanych metod obrazowania medycznego i może być stosowana w przypadku wielu schorzeń, takich jak udar mózgu, choroby układu krążenia, urazy, choroby płuc i nowotwory. U dzieci badania przy użyciu TK są wykorzystywane m.in. do diagnozowania wrodzonych wad serca, wykrywania guzów, badania deformacji szkieletu, rozpoznawania zmian pourazowych w mózgu oraz planowania operacji. W niektórych przypadkach, np. raka, konieczne jest wykonanie wielu badań w celu śledzenia progresji choroby na przestrzeni czasu. Ponieważ promieniowanie jonizujące jest potencjalnie szkodliwe, dawka promieniowania musi być utrzymywana na możliwie najniższym poziomie, co jest szczególnie ważne w przypadku obrazowania u dzieci. W razie potrzeby korzyści przewyższają jednak ryzyko. Zespół unijnego projektu LowD-CT pracuje nad zmniejszeniem potrzeby narażenia na to promieniowanie. „Udało nam się opracować algorytm rekonstrukcji obrazu, który znacznie poprawił jakość otrzymywanych obrazów przy danej dawce promieniowania, choć nie oceniliśmy jeszcze jego wydajności w porównaniu z obecnym stanem technologii”, mówi główny badacz Mats Persson, adiunkt na wydziale fizyki szwedzkiego Królewskiego Instytutu Technologicznego KTH w Sztokholmie.
Ostrzejszy obraz przy mniejszym promieniowaniu
Podczas przeprowadzania badania przy użyciu tomografii komputerowej u pacjenta mierzona jest ilość promieniowania rentgenowskiego przechodzącego przez jego ciało z różnych kierunków. Następnie do przekształcenia danych pomiarowych w trójwymiarowy obraz – a dokładniej w mapę właściwości tłumienia promieniowania rentgenowskiego tkanki w każdym punkcie obszaru poddawanego obrazowaniu – wykorzystywany jest proces znany jako „rekonstrukcja obrazu”. Wszystkie komercyjne tomografy komputerowe, które były do tej pory stosowane w warunkach klinicznych, są oparte na typie detektora „integrującego energię”, co oznacza, że detektor mierzy całkowitą ilość padającej energii promieniowania rentgenowskiego w jednostce czasu. Z drugiej strony detektory zliczające fotony mogą liczyć poszczególne fotony i dokonywać pomiaru energii każdego z nich. Te dodatkowe informacje poprawiają jakość obrazu. Jak wyjaśnia Persson: „Dzięki detektorowi zliczającemu fotony, takiemu jak ten opracowany przez naszą grupę badawczą, możemy zredukować »szum« na tych obrazach, jednocześnie poprawiając rozdzielczość przestrzenną”. W ramach projektu oceniany jest również rozkład energii emitowanego promieniowania rentgenowskiego w celu określenia składu materiału w ciele. Na świecie jest niewiele prototypowych tomografów komputerowych zliczających fotony, a jeden z nich bazuje na detektorze krzemowym opracowanym w ramach większego, nadrzędnego projektu badawczego, którego częścią jest projekt LowD-CT. Podczas gdy celem większego projektu jest opracowanie technologii TK zliczającej fotony, obejmującej zarówno sprzęt, jak i oprogramowanie, zespół projektu LowD-CT, finansowanego z grantu działania Maria Skłodowska-Curie, skupił się na oprogramowaniu. „Opracowaliśmy nowe metody rekonstrukcji obrazu, które pozwalają na jak najlepsze wykorzystanie dokładniejszych informacji ze skanu”, zauważa Persson.
Z laboratorium na oddział: pilotaże i prototypy
Tomograf komputerowy z nowym detektorem krzemowym jest przygotowywany do instalacji w Szpitalu Uniwersyteckim Karolinska w Sztokholmie, gdzie będzie wykorzystywany do klinicznej oceny nowej technologii na pacjentach. „Mamy nadzieję, że dzięki temu tomografy komputerowe oparte na tej technologii będą w niedalekiej przyszłości dostępne na rynku”, dodaje Persson. Ponieważ prototyp tomografu komputerowego zliczającego fotony jest wciąż w fazie rozwoju, obróbka danych eksperymentalnych z zastosowaniem nowych metod rekonstrukcji obrazu i porównanie ich z aktualnym stanem technologii nie było możliwe. Jednak, jak wyjaśnia Persson, zespół był w stanie wykazać w symulacjach, że nowatorskie metody rekonstrukcji obrazu oparte na głębokim uczeniu znacznie przewyższają konwencjonalną rekonstrukcję obrazu z TK pod względem jakości uzyskiwanego obrazu. „Kolejnym krokiem będzie zatem ocena tej metody przy użyciu danych eksperymentalnych i porównanie z istniejącymi urządzeniami do obrazowania metodą TK”. Persson, który opublikował wiele prac na ten temat, jest współautorem opracowania „Photon-counting x-ray detectors for CT”, w którym opisano tę technologię. „Jestem pod wrażeniem znacznej poprawy jakości obrazu, jaką można uzyskać dzięki zastosowaniu metod rekonstrukcji obrazu opartych na technologii głębokiego uczenia”, mówi. W przyszłości badacz skupi się na dalszym rozwoju metod rekonstrukcji obrazu opartych na głębokim uczeniu, które w dotychczasowych badaniach przeprowadzonych w ramach projektu okazały się być bardzo skuteczne. „Jestem jednak również zaangażowany w rozwój następnej generacji detektorów zliczających fotony, które obiecują radykalną poprawę rozdzielczości przestrzennej w porównaniu z dzisiejszymi rozwiązaniami”, dodaje.
Słowa kluczowe
LowD-CT, obrazowanie, tomografia komputerowa, TK, promieniowanie, jakość obrazu, detektor krzemowy, detektory zliczające fotony, rekonstrukcja obrazu
