Advanced capabilities for planar X-ray systems

Abstract

The past decades have seen a rapid evolution towards the use of digital detectors in radiology and a more flexible robotized movement of the system components, X-ray tube and detector. This evolution opened the possibility for incorporating advanced capabilities in these planar X-ray systems, and for providing new valuable diagnostic information compared to the previous technology. Some of the current challenges for radiography are to obtain more quantitative images and to reduce the inherent superposition of tissues because of the 2D nature of the technique. Dual energy radiography, based on the acquisition of two images at different source voltages, enables a separate characterization of soft tissue and bone structures. Its benefits over conventional radiography have been proven in different applications, since it improves information content without adding significant extra acquisition time or radiation dose. In a different direction, a really disruptive advance would be to obtain 3D imaging with systems designed just for planar images. The incorporation of tomographic capabilities into these systems would have to deal with the acquisition of a limited number of projections, with non-standard geometrical configurations. This thesis presents original contributions in these two directions: dual energy radiography and 3D imaging with X-ray systems designed for planar imaging. The work is framed in a line of research of the Biomedical Imaging and Instrumentation Group from the Bioengineering and Aerospace Department of University Carlos III de Madrid working jointly with the University Hospital Gregorio Marañón, focused on the advance of radiology systems. This research line is carried out in collaboration with the group of Computer Architecture, Communications and Systems (ARCOS), from the same university, the Imaging Research Laboratory (IRL) of the University of Washington and the research center CREATIS, France. The research has a clear focus on technology transfer to the industry through the company Sedecal, a Spanish multinational among the 10 best world companies in the medical imaging field. The first contribution of this thesis is a complete novel protocol to incorporate dual energy capabilities that enable quantitative planar studies. The proposal is based on the use of a preliminary calibration with a very simple and low-cost phantom formed by two parts that represent soft tissue and bone equivalent materials. This calibration is performed automatically with no strict placement requirements. Compared to current Dual-energy X-ray Absorptiometry (DXA) systems, 1) it provides real mass-thickness values directly, enabling quantitative planar studies instead of relative comparisons, and 2) it is based on an automatic preliminary calibration without the need of interaction of an experienced technician. The second contribution is a novel protocol for the incorporation of tomographic capabilities into X-ray systems originally intended for planar imaging. For this purpose, we faced three main challenges. First, the geometrical trajectory of equipment follows non-standard circular orbits, thus posing severe difficulties for reconstruction. To handle this, the proposed protocol comprises a new geometrical calibration procedure that estimates all the system parameters per-projection. Second, the reconstruction of a limited number of projections from a reduced angular span leads to severe artifacts when using conventional reconstruction methods. To deal with these limited-view data, the protocol includes a novel advanced reconstruction method that incorporates the surface information of the sample, which can be extracted with a 3D light surface scanner. These data are introduced as an imposed constraint following the Split Bregman formulation. The restriction of the search space by exploiting the surface-based support becomes crucial for a complete recovery of the external contour of the sample and surroundings when the angular span is extremely reduced. The modular, efficient and flexible design followed for its implementation allows for the reconstruction of limited-view data with non-standard trajectories. Third, the optimization of the acquisition protocols has not yet explored with these systems. This thesis includes a study of the optimum acquisition protocols that allowed us to identify the possibilities and limitations of these planar systems. Using the surface-constrained method, it is possible to reduce the total number of projections up to 33% and the angular span down to 60 degrees. The contributions of this thesis open the way to provide depth and quantitative information very valuable for the improvement of radiological diagnosis. This could impact considerably the clinical practice, where conventional radiology is still the imaging modality most used, accounting for 80-90% of the total medical imaging exams. These advances open the possibility of new clinical applications in scenarios where 1) the reduction of the radiation dose is key, such as lung cancer screening or Pediatrics, according to the ALARA criteria (As Low As Reasonably Achievable), 2) a CT system is not usable due to movement limitations, such as during surgery or in an ICU and 3) where costs issues complicate the availability of CT systems, such as rural areas or underdeveloped countries. The results of this thesis has a clear application in the industry, since it is part of a proof of concept of the new generation of planar X-ray systems that will be commercialized worldwide by the company SEDECAL (Madrid, Spain).

Los últimos años están viendo un rápido avance de los sistemas de radiología hacia el uso de detectores digitales y a una mayor flexibilidad de movimientos de los principales componentes del sistema, el tubo de rayos X y el detector. Esta evolución abre la posibilidad de incorporar capacidades avanzadas en sistemas de imagen plana por rayos X proporcionando nueva información valiosa para el diagnóstico. Dos retos en radiografía son obtener imágenes cuantitativas y reducir la superposición de tejidos debida a la naturaleza proyectiva de la técnica. La radiografía de energía dual, basada en la adquisición de dos imágenes a diferente kilovoltaje, permite obtener imágenes de tejido blando y hueso por separado. Los beneficios de esta técnica que aumenta la cantidad de información sin añadir un tiempo de adquisición o de dosis de radiación extra significativos frente al uso de radiografía convencional, han sido demostrados en diferentes aplicaciones. En otra dirección, un avance realmente disruptivo sería la obtención de imagen 3D con sistemas diseñados únicamente para imagen plana. La incorporación de capacidades tomográficas en estos sistemas tendría que lidiar con la adquisición de un número limitado de proyecciones siguiendo trayectorias no estándar. Esta tesis presenta contribuciones originales en esas dos direcciones: radiografía de energía dual e imagen 3D con sistemas de rayos X diseñados para imagen plana. El trabajo se encuadra en una línea de investigación del grupo de Imagen Biomédica e Instrumentación del Departamento de Bioingeniería e Ingeniería Aerospacial de la Universidad Carlos III de Madrid junto con el Hospital Universitario Gregorio Marañon, centrada en el avance de sistemas de radiología. Esta línea de investigación se desarollada en colaboración con el grupo Computer Architecture, Communications and Systems (ARCOS), de la misma universidad, el grupo Imaging Research Laboratory (IRL) de la Universidad de Washington y el centro de investigación CREATIS, de Francia. Se trata de una línea de investigación con un claro enfoque de transferencia tecnológica a la industria a través de la compañía SEDECAL, una multinacional española de entre las 10 líderes del mundo en el campo de la radiología. La primera contribución de esta tesis es un protocolo completo para incorporar capacidades de energía dual que permitan estudios cuantitativos de imagen plana. La propuesta se basa en una calibración previa con un maniquí simple y de bajo coste formado por dos materiales equivalentes de tejido blando y hueso respectivamente. Comparado con los sistemas actuales DXA (Dual-energy X-ray Absorptiometry), 1) proporciona valores reales de tejido atravesado, 2) se basa en una calibración automática que no requiere la interacción de un técnico con gran experiencia. La segunda contribución es un protocolo nuevo para la incorporación de capacidades tomográficas en sistemas de rayos X originariamente diseñados para imagen plana. Para ello, nos enfrentamos a tres principales dificultades. En primer lugar, las trayectorias que pueden seguir la fuente y el detector en estos sistemas no constituyen órbitas circulares estándares, lo que plantea retos importantes en la caracterización geométrica. Para solventarlo, el protocolo propuesto incluye una calibración geométrica que estima todos los parámetros geométricos del sistema para cada proyección. En segundo lugar, la reconstrucción de un número limitado de proyecciones adquiridas en un rango angular reducido da lugar a artefactos graves cuando se reconstruye con algoritmos convencionales. Para lidiar con estos datos de ángulo limitado, el protocolo incluye un nuevo método avanzado de reconstrucción que incorpora la información de superficie de la muestra, que se puede se obtener con un escáner 3D. Esta información se impone como una restricción siguiendo la formulación de Split Bregman, para compensar la falta de datos. La restricción del espacio de búsqueda a través de la explotación del soporte basado en superficie, es crucial para una recuperación completa del contorno externo de la muestra cuando el rango angular es extremadamente pequeño. El diseño modular, eficiente y flexible de la implementación propuesta permite reconstruir datos de ángulo limitado obtenidos con posiciones de fuente y detector no estándar. En tercer lugar, hasta la fecha, no se ha explorado la optimización del protocolo de adquisición con estos sistemas. Esta tesis incluye un estudio de los protocolos óptimos de adquisición que permitió identificar las posibilidades y limitaciones de estos sistemas de imagen plana. Gracias al método de reconstrucción basado en superficie, es posible reducir el número total de proyecciones hasta el 33% y el rango angular hasta 60 grados. Las contribuciones de esta tesis abren la posibilidad de proporcionar información de profundidad y cuantitativa muy valiosa para la mejora del diagnóstico radiológico. Esto podría impactar considerablemente en la práctica clínica, donde la radiología convencional es todavía la modalidad de imagen más utilizada, abarcando el 80- 90% del total de los exámenes de imagen médica. Estos avances abren la posibilidad de nuevas aplicaciones clínicas en escenarios donde 1) la reducción de la dosis de radiación es clave, como en screening de cáncer de pulmón, de acuerdo con el criterio ALARA (As Low As Reasonably Achievable), 2) no se puede usar un sistema TAC por limitaciones de movimiento como en cirugía o UCI, o 3) el coste limita la disponibilidad de sistemas TAC, como en zonas rurales o en países subdesarrollados. Los resultados de esta tesis presentan una clara aplicación industrial, ya que son parte de un prototipo de la nueva generación de sistemas planos de rayos X que serán distribuidos mundialmente por la compañía SEDECAL.