RT Dissertation/Thesis
T1 Advanced capabilities for planar X-ray systems
A1 Molina Gómez, Claudia de
AB The past decades have seen a rapid evolution towards the use of digital detectorsin radiology and a more flexible robotized movement of the system components,X-ray tube and detector. This evolution opened the possibility for incorporatingadvanced capabilities in these planar X-ray systems, and for providing new valuablediagnostic information compared to the previous technology. Some of the currentchallenges for radiography are to obtain more quantitative images and to reduce theinherent superposition of tissues because of the 2D nature of the technique.Dual energy radiography, based on the acquisition of two images at differentsource 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 extraacquisition time or radiation dose.In a different direction, a really disruptive advance would be to obtain 3D imagingwith systems designed just for planar images. The incorporation of tomographiccapabilities into these systems would have to deal with the acquisition of a limitednumber of projections, with non-standard geometrical configurations.This thesis presents original contributions in these two directions: dual energyradiography and 3D imaging with X-ray systems designed for planar imaging. Thework is framed in a line of research of the Biomedical Imaging and InstrumentationGroup from the Bioengineering and Aerospace Department of University Carlos IIIde Madrid working jointly with the University Hospital Gregorio Marañón, focusedon the advance of radiology systems. This research line is carried out in collaborationwith the group of Computer Architecture, Communications and Systems (ARCOS),from the same university, the Imaging Research Laboratory (IRL) of the Universityof Washington and the research center CREATIS, France. The research has a clearfocus on technology transfer to the industry through the company Sedecal, a Spanishmultinational among the 10 best world companies in the medical imaging field.The first contribution of this thesis is a complete novel protocol to incorporatedual energy capabilities that enable quantitative planar studies. The proposal isbased on the use of a preliminary calibration with a very simple and low-cost phantomformed 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 providesreal mass-thickness values directly, enabling quantitative planar studies insteadof 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 tomographiccapabilities 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 proposedprotocol comprises a new geometrical calibration procedure that estimates all thesystem parameters per-projection.Second, the reconstruction of a limited number of projections from a reduced angularspan leads to severe artifacts when using conventional reconstruction methods.To deal with these limited-view data, the protocol includes a novel advanced reconstructionmethod that incorporates the surface information of the sample, whichcan be extracted with a 3D light surface scanner. These data are introduced as animposed constraint following the Split Bregman formulation. The restriction of thesearch space by exploiting the surface-based support becomes crucial for a completerecovery of the external contour of the sample and surroundings when the angularspan is extremely reduced. The modular, efficient and flexible design followed for itsimplementation allows for the reconstruction of limited-view data with non-standardtrajectories.Third, the optimization of the acquisition protocols has not yet explored withthese systems. This thesis includes a study of the optimum acquisition protocolsthat 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 ofprojections up to 33% and the angular span down to 60 degrees.The contributions of this thesis open the way to provide depth and quantitativeinformation very valuable for the improvement of radiological diagnosis. This couldimpact considerably the clinical practice, where conventional radiology is still theimaging modality most used, accounting for 80-90% of the total medical imagingexams. These advances open the possibility of new clinical applications in scenarioswhere 1) the reduction of the radiation dose is key, such as lung cancer screening orPediatrics, according to the ALARA criteria (As Low As Reasonably Achievable),2) a CT system is not usable due to movement limitations, such as during surgeryor 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 partof a proof of concept of the new generation of planar X-ray systems that will becommercialized worldwide by the company SEDECAL (Madrid, Spain).
AB Los últimos años están viendo un rápido avance de los sistemas de radiología hacia eluso de detectores digitales y a una mayor flexibilidad de movimientos de los principalescomponentes del sistema, el tubo de rayos X y el detector. Esta evolución abrela posibilidad de incorporar capacidades avanzadas en sistemas de imagen plana porrayos X proporcionando nueva información valiosa para el diagnóstico. Dos retos enradiografía son obtener imágenes cuantitativas y reducir la superposición de tejidosdebida a la naturaleza proyectiva de la técnica.La radiografía de energía dual, basada en la adquisición de dos imágenes a diferentekilovoltaje, permite obtener imágenes de tejido blando y hueso por separado.Los beneficios de esta técnica que aumenta la cantidad de información sin añadirun tiempo de adquisición o de dosis de radiación extra significativos frente al uso deradiografía convencional, han sido demostrados en diferentes aplicaciones.En otra dirección, un avance realmente disruptivo sería la obtención de imagen3D con sistemas diseñados únicamente para imagen plana. La incorporación de capacidadestomográficas en estos sistemas tendría que lidiar con la adquisición de unnúmero limitado de proyecciones siguiendo trayectorias no estándar.Esta tesis presenta contribuciones originales en esas dos direcciones: radiografíade 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 Biomédicae Instrumentación del Departamento de Bioingeniería e Ingeniería Aerospacial dela Universidad Carlos III de Madrid junto con el Hospital Universitario GregorioMarañon, centrada en el avance de sistemas de radiología. Esta línea de investigaciónse desarollada en colaboración con el grupo Computer Architecture, Communicationsand 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 transferenciatecnológica a la industria a través de la compañía SEDECAL, una multinacionalespañola de entre las 10 líderes del mundo en el campo de la radiología.La primera contribución de esta tesis es un protocolo completo para incorporarcapacidades 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 costeformado 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 calibraciónautomática que no requiere la interacción de un técnico con gran experiencia. La segunda contribución es un protocolo nuevo para la incorporación de capacidadestomográficas en sistemas de rayos X originariamente diseñados para imagenplana. Para ello, nos enfrentamos a tres principales dificultades.En primer lugar, las trayectorias que pueden seguir la fuente y el detector enestos sistemas no constituyen órbitas circulares estándares, lo que plantea retos importantesen la caracterización geométrica. Para solventarlo, el protocolo propuestoincluye una calibración geométrica que estima todos los parámetros geométricos delsistema para cada proyección.En segundo lugar, la reconstrucción de un número limitado de proyeccionesadquiridas en un rango angular reducido da lugar a artefactos graves cuando sereconstruye con algoritmos convencionales. Para lidiar con estos datos de ángulolimitado, el protocolo incluye un nuevo método avanzado de reconstrucción que incorporala información de superficie de la muestra, que se puede se obtener con unescáner 3D. Esta información se impone como una restricción siguiendo la formulaciónde Split Bregman, para compensar la falta de datos. La restricción del espaciode búsqueda a través de la explotación del soporte basado en superficie, es crucialpara una recuperación completa del contorno externo de la muestra cuando el rangoangular es extremadamente pequeño. El diseño modular, eficiente y flexible de laimplementación propuesta permite reconstruir datos de ángulo limitado obtenidoscon posiciones de fuente y detector no estándar.En tercer lugar, hasta la fecha, no se ha explorado la optimización del protocolode adquisición con estos sistemas. Esta tesis incluye un estudio de los protocolosóptimos de adquisición que permitió identificar las posibilidades y limitaciones deestos sistemas de imagen plana. Gracias al método de reconstrucción basado ensuperficie, es posible reducir el número total de proyecciones hasta el 33% y el rangoangular hasta 60 grados.Las contribuciones de esta tesis abren la posibilidad de proporcionar informaciónde profundidad y cuantitativa muy valiosa para la mejora del diagnóstico radiológico.Esto podría impactar considerablemente en la práctica clínica, donde la radiologíaconvencional es todavía la modalidad de imagen más utilizada, abarcando el 80-90% del total de los exámenes de imagen médica. Estos avances abren la posibilidadde nuevas aplicaciones clínicas en escenarios donde 1) la reducción de la dosis deradiación es clave, como en screening de cáncer de pulmón, de acuerdo con el criterioALARA (As Low As Reasonably Achievable), 2) no se puede usar un sistemaTAC por limitaciones de movimiento como en cirugía o UCI, o 3) el coste limita ladisponibilidad de sistemas TAC, como en zonas rurales o en países subdesarrollados.Los resultados de esta tesis presentan una clara aplicación industrial, ya queson parte de un prototipo de la nueva generación de sistemas planos de rayos X queserán distribuidos mundialmente por la compañía SEDECAL.
YR 2018
FD 2018-07
LK https://hdl.handle.net/10016/27801
UL https://hdl.handle.net/10016/27801
LA eng
NO Mención Internacional en el título de doctor
NO This thesis has been developed as part of several research projects with public funding:- DPI2016-79075-R. ”Nuevos escenarios de tomografía por rayos X”, IP: MónicaAbella García, Ministerio de Economía y Competitividad, 01/01/2017-31/12/2019,147.620 e.- ”Nuevos escenarios de tomografía por rayos X (NEXT) DPI2016-79075-R.Ministerio de Economía”, Industria y Competitividad. (Universidad CarlosIII de Madrid). 30/12/2016-29/12/2019. 147.620 e.(…)- FP7-IMI-2012 (GA-115337), ”PreDict-TB: Model-based preclinical developmentof anti-tuberculosis drug combinations”. FP7-IMI - Seventh FrameworkProgramme (EC-EFPIA). Unión Europea. (Universidad Carlos III de Madrid).01/05/2012-31/10/2017.(…)- TEC2013-47270-R, ”Avances en Imagen Radiológica (AIR)”, Ministerio deEconomía y Competitividad”, 01/01/2014-31/12/2016. IP: Mónica Abella Garciaand Manuel Desco Menéndez. 160.204 e(…)- RTC-2014-3028-1, ”Nuevos Escenarios Clínicos con Radiología Avanzada (NECRA)”,Ministerio de Economía y Competitividad, 01/06/2014-31/12/2016 IP: MónicaAbella García. 2014-2016. 219.458,96 e- IDI-20130301, ”Nuevo sistema integral de radiografía (INNPROVE: INNovativeimage PROcessing in medicine and VEterinary)”, IP: Mónica Abella Garcíaand Manuel Desco Menéndez. Ministerio de Economía y Competitividad.Subcontratación CDTI, 14/01/2013-31/03/2015. Total: 1.860.629e (UC3M:325.000e). (Art. 83)-  IPT-2012-0401-300000 INNPACTO 2012, ”Tecnologías para ProcedimientosIntraoperatorios Seguros y Precisos. XIORT. MINECO. (Universidad CarlosIII de Madrid). 01/01/2013-31/12/2015.
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