En ny mätmetod som föreslås av forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) kan leda till ett bättre sätt att kalibrera datortomografi (CT) skannrar, potentiellt effektivisera patientbehandlingen genom att förbättra kommunikationen mellan läkarna.

Tillvägagångssättet, detaljerat i en forskningsartikel i tidskriften PLOS ETT , föreslår hur röntgenstrålar som genereras av CT kan mätas på ett sätt som gör att skanningar från olika enheter kan jämföras med varandra. Det erbjuder också en väg för att skapa de första CT-mätstandarderna kopplade till International System of Units (SI) genom att skapa en mer exakt definition av enheterna som används i CT - något som fältet har saknat.

"Om det tekniska samfundet kunde komma överens om en definition, då kan leverantörerna skapa mått som är utbytbara, " sa NISTs Zachary Levine, en fysiker och en av tidningens författare. "Just nu, kalibreringen är inte så noggrann som den skulle kunna vara."

Ett objekts förmåga att blockera röntgenstrålar - dess "radiodensitet" - mäts i Hounsfield Units (HUs), uppkallad efter den Nobelprisvinnande meduppfinnaren av CT. Kalibrering av en CT-maskin, något varje röntgenklinik måste utföra regelbundet, går ut på att skanna ett objekt med känd radiodensitet som kallas fantom och kontrollera om dessa mätningar ger rätt antal HU.

Ett problem är att en CT-skanners rör - i huvudsak dess röntgengenererande "glödlampa" - skapar en stråle som är röntgenversionen av vitt ljus, full av fotoner med olika våglängder som motsvarar deras energi. (Om det mänskliga ögat kunde se röntgenstrålar, du kan köra rörets stråle genom ett prisma och se det bryta upp i ett spektrum av färger.) Eftersom en fotons penetrerande kraft beror på dess energi, strålens totala effekt på fantomen måste beräknas i medeltal, vilket gör det svårt att definiera kalibreringen.

Ytterligare komplicerar situationen är hur rörets röntgenljus måste förändras beroende på typ av skanning. Tätare kroppsdelar behöver mer genomträngande röntgenstrålar, så röret har en sorts färgomkopplare som gör att dess operatör kan justera rörspänningen för att matcha jobbet. Justering av rörets spänning ändrar strålens spektrum, så att den sträcker sig mellan något i stil med en "sval vit" och en "varmvit" glödlampa. Det variabla spektrumet gör det svårare att säkerställa att kalibreringen är korrekt för alla spänningar.

Lägg till dessa komplikationer till skillnaderna som finns mellan olika CT-maskintillverkare, och du får mycket problem för alla som vill koppla kalibreringen av en given skanner till en universell standard. Men om det kunde göras, det skulle vara långtgående fördelar för både industri och medicin.

"Du vill ha utbytbara svar oavsett vilken CT-maskin du använder och när, sa Levine. För det första, man vill att läkare ska kunna kommunicera mellan sjukhus. Låt oss säga att en patient behöver en uppföljning men är någonstans långt hemifrån, eller samma skanner fick en mjukvaruuppgradering som ändrar antalet HU. Om du inte kan mäta exakt, du kan inte förbättra din teknik."

Bättre kalibrering kan också göra diagnosen effektivare och billigare, sa Levine.

"Bättre jämförelser mellan skannrar kan göra det möjligt för oss att fastställa gränspunkter för sjukdom - som emfysem som får en viss Hounsfield-poäng eller lägre, " sa han. "Det är också vanligt att datortomografi visar misstänkta utväxter som kan vara cancer, och en läkare beställer vanligtvis en MRT som uppföljning. Vi kanske eliminerar behovet av det andra förfarandet."

NIST-teamet var tvungen att övervinna osäkerheten som skapades av rörets breda röntgenspektrum och rörspänningsinställning. Deras idé var att fylla flera fantomer med olika koncentrationer av pulveriserade kemikalier som är vanliga i kroppen, och jämför fantomernas radiodensitet med CT. Jämförelsen skulle hjälpa till att länka HU till antalet mol per kubikmeter, som båda är SI-enheter.

"Att genomföra den här idén var knepigt, eftersom volymen av en mol beror på storleken på en given kemisk molekyl, " sa Levine. "En mol salt tar mer plats än en mol kol, till exempel. Och luften i pulvren representerade en ytterligare komplikation."

Det knepiga skulle få allt utom en matematikaficionado att rycka till:Varje kemikalie i blandningen kan karakteriseras av två siffror, men hela fantomen skapade ett 13-dimensionellt utrymme som komplicerade dataanalysen. Lyckligtvis, teamet kunde använda en linjär algebrateknik som är välkänd för datavetenskapen för att förenkla data ner till två dimensioner, vilket var mycket mer hanterbart.

"I grund och botten, vi har visat att du kan skapa ett prestandamål för CT-skanner som vilken designingenjör som helst kan nå, ", sa Levine. "Tillverkare har fått olika svar i sina maskiner i årtionden eftersom ingen berättade för sina ingenjörer hur man hanterar röntgenspektrumet. Endast en liten förändring av befintlig praxis krävs för att förena deras mätningar."