Assessment of a micro-grid Ionization-chamber (EOS) for low-dose chest radiography

Abstract

EOS és una nova tecnologia d'imatge que fa servir un detector de radiació gasós, una cambra d'ionització de micro-reixeta, derivada del Micromegas desenvolupat per Georges Charpak (Premi Nobel 1992) per recerca en física d'altes energies al CERN (Ginebra, CH). Aquests detectors poden obtenir imatges mèdiques a baixa dosi, permetent col·limacions estrictes que eviten la radiació difusa que degrada dosi i qualitat. El prototip EOS, fent servir feixos de raigs-X molt fins (500 µm), va ser pensat per fer radiografia a baixa dosi de l'esquelet en bipedestació. Dissenyat amb dos tubs de raigs-X i dos detectors, realitza una adquisició per escanejat lineal biplanar sincrònica, de dues imatges (a 90º) del cos. Aquest mètode biplanar permet l'extracció automàtica de punts de referència anatòmics que poden ser matemàticament projectats com un model 3D de l'esquelet real del pacient. El programari EOS pot generar models 3D amb baixa dosi, entre 1/10 i 1/100, de les modalitats existents (radiografia computada (CR), radiografia digital (DR), o TC a baixa-dosi). L'objectiu principal de la recerca d'aquest prototip, la imatge de columna, va ser validat, i el seu subseqüent re-disseny industrial ha acabat com un dispositiu mèdic certificat per a estudis de l'esquelet: EOS ('EOS Imaging, Paris, France)'. Preparant la fase experimental de EOS en columna, un segon objectiu va ser considerat: valorar l'aplicabilitat del prototip EOS a l'exploració radiogràfica més freqüent: radiografia de tòrax. Si EOS fos validat, permetria aplicar-lo a un altre camp del radiodiagnòstic. La radiografia del tòrax és una prova que pot comportar algunes dificultats en un dispositiu voluminós, d'escanejat lineal, biplanar, amb baixa dosi i baixa resolució espacial, com són els detectors de micro-reixeta, a investigar. Material i mètodes: Es va preparar un estudi prospectiu comparant exploracions repetides entre EOS i un equip radiogràfic estat-de-l'art (DR, detector pla de aSi-Csi), per valorar l'aplicabilitat clínica, problemes tècnics, dosi i qualitat d'imatge. Un grup de 40 adults, amb radiografia de tòrax programada al Hôpital Univ. Erasme (Brussel·les, BE), van ser enrolats per a fer un estudi repetit amb EOS (amb 50% dosi de CR). Les imatges recollides van ser puntuades independentment per quatre radiòlegs seguint els 'European quality criteria in diagnostic imaging', incorporant reptes com valorar estructures anatòmiques fines. Es recolliren dades tècniques, estudis dosimètrics addicionals, comparatius amb CR, i mesura de dades de dosi i de rendiment del detector. Resultats: 37 dels 40 casos van ser analitzats. La radiografia va ser correcta amb EOS, amb 13,5% d'estudis repetits. La dosi de radiació es superior amb EOS (0.22 mGy) que amb DR (0.05) però menys que la DRL o dosi per CR. Artefactes de soroll i 'arrissat' redueixen la FTM (funció de transferència de la modulació) mesurada a 1-1.5 pl/mm. La puntuació en qualitat d'imatge entre EOS i DR va ser comparable, amb millor puntuació per a EOS en via aèria, mediastí o en cobertura anatòmica. Conclusió: EOS és una modalitat funcional que compleix les dosis de referència. La dosi és més alta que per DR i més baixa que per CR, per supressió de la radiació difusa. En qualitat d'imatge, EOS no mostra valoracions inferiors significants a la DR, fins i tot en estructures fines; pot atribuir-se a la resolució més gran de densitats i a l'absència de difusa que compensen la seva inferior resolució espacial. Caldrà fer desenvolupaments addicionals per millorar el control de la dosi i per millorar resolució, i caldrà fer recerca dirigida a validar resultats en sèries amb patologies clíniques.

The EOS is a new 2D/3D radio-imaging technology that uses a gaseous radiation detector and micro-grid ionization chamber derived from Micromegas, the micro-grid developed by the Nobel Prize winner Georges Charpak and extensively used in high-energy research (eg, CERN, Geneva, Switzerland). The detectors are very efficient and enable low-dose medical imaging by stringent collimation, which avoids the undesired scattered radiation that increases dose and degrades image quality. The EOS prototype uses very thin (500 µm) fan-like x-ray beams and was planned for low-dose standing radiography of the human skeleton. It has two x-ray tubes and two detectors that allow synchronous biplanar linear acquisition of two 90-degree images of the body. The biplanar method was designed for automatic extraction of anatomic reference points that can be mathematically projected as a 3D model of a patient's skeleton. EOS software can build 3D models using lower radiation doses (1/10 to 1/100) than existing systems (computed radiography [CR], digital radiography [DR], or low-dose CT). The main application of the prototype, spine imaging, has been validated, and the subsequent, re-designed industrial EOS (EOS Imaging, Paris, France) has attained certification for skeletal studies. While preparing the experimental phase of EOS for spine imaging, a second objective was considered: to assess applicability of the EOS prototype to another field of imaging, the chest x-ray, the most common radiologic exam. Chest x-rays could pose several difficulties for a large, linear-scanning, biplanar, low-dose and low-spatial-resolution technique, in this case micro-grid detectors, which would have to be investigated. Material and methods: A prospective study was designed to assess the clinical feasibility, technical problems, dose and image quality of EOS as compared to a state-of-the-art DR system, the aSi-CsI flat panel detector. Forty adult patients undergoing scheduled chest x-ray examinations at the Erasme University Hospital (Brussels, BE) were recruited for paired examinations using EOS (at 50% dose) and DR. Paired data and images were compiled. Image data sets were independently scored by 4 radiologists according to the European Quality Criteria in Diagnostic Imaging, with additional challenges, such as scoring of thin anatomical structures. The dosimetry data obtained were also compared to those of CR, and experimental laboratory data were compiled on collimation and detector performance. Results: 37 of 40 cases were available for complete analysis. EOS chest examinations were acquired with a 13,5% repeat rate. Radiation dose (PA) was higher for EOS (0.22 mGy) than with DX (0.05), but less than CR or reference doses (0.3 mGy). Noise and ripple artifacts lowered the MTF (Modulation Transfer Function) to 1-1.5 pl/mm. Image quality scores between EOS and DX were comparable, but with better scores for EOS in several items as air-ways, mediastinum or anatomic coverage. Conclusion: EOS is feasible for chest imaging and is compliant with the chest reference doses. Radiation dose was higher than with DR, but lower than with CR, achieved by suppressing scatter. EOS image quality scores were not significantly inferior from those of DR, even for thin structures, as the extended density resolution and absence of scatter of EOS compensated for the inferior spatial resolution. Further development is needed to reach better dose containment and improve resolution, with validation in patients having various clinical conditions.