Riassunto analitico
Le reti di sensori wireless sono un’importante tecnologia utilizzata su vasta scala di applicazioni, le quali utilizzano sensori per monitorare le grandezze di interesse con alta risoluzione spaziale e temporale. Nelle applicazioni mediche prototipi e dispositivi commerciali sono stati realizzati per fornire un efficiente metodo per il monitoraggio dei pazienti in tempo reale. Per tali applicazioni, i vincoli di progettazione sono limitati circa alla quantità di energia disponibile, alla capacità di trasmissione della rete (intervallo di comunicazione e larghezza di banda), alle risorse per l'elaborazione e alla memoria disponibile.
Questo lavoro presenta un nuovo approccio per effettuare il monitoraggio in tempo reale degli operatori medici durante le procedure di Radiologia Interventistica (RI) utilizzando un dispositivo basato su un sensore di pixel attivi nel quadro del progetto INFN Real-Time Active Pixel Dosimeter (RAPID).
La Radiologia Interventistica è una tecnica ben consolidata in campo medico che mira ad ottenere tramite l'utilizzo di raggi X un'immagine della zona interessata minimizzando la radiazione assorbita dai pazienti e operatori. Dal punto di vista della radioprotezione, queste procedure sono considerate potenzialmente dannose per l'operatore e quindi necessitano di un monitoraggio individuale, valutando la dose assorbita alle estremità come mani e occhi, attraverso l'uso di dosimetri passivi calibrati in termini di dose personale equivalente HP(10), HP(0.07) e HP(3).
In questo lavoro, viene descritta la progettazione di una rete di sensori dedicata al monitoraggio in tempo reale della dose assorbita dagli operatori durante differenti procedure mediche implementando una trasmissione dati su reti wireless in ambienti clinici. Inizialmente viene descritto lo studio e la caratterizzazione del sensore CMOS di immagine come rivelatore di raggi X. Le prestazioni del sensore sono state analizzate con un adeguato apparato sperimentale: il numero di fotoni rilevati in un frame del sensore e la somma dell’energia dei fotoni ricostruiti in un frame del sensore vengono utilizzate come osservabili dosimetriche attraverso un algoritmo di conteggio fotoni a due soglie.
L'implementazione di diverse versioni dei prototipi viene descritta con lo scopo di migliorare il consumo di potenza e la portabilità del sistema finale. Sia la risposta del sistema che le prestazioni dell'algoritmo sono state studiate e la coerenza con i risultati ottenuti viene dimostrata utilizzando lo stesso modello di sensore CMOS con il proprio sistema di acquisizione fornito dal produttore.
Inoltre, la correlazione delle due osservabili è stata analizzata rispetto alle misure di riferimento della dose fornite dal dosimetro passivo: è stata dimostrata una buona linearità e la differenza di risposta tra le modalità operative pulsata e continua è stata ridotta a meno del 10%, segnando un netto miglioramento rispetto ai dosimetri commerciale attivi.
Infine la caratterizzazione sperimentale del prototipo viene descritta durante differenti procedure mediche. Il collegamento wireless del prototipo è stato caratterizzato misurando la perdita di pacchetti del sistema in diversi scenari: il risultato medio ottenuto è di circa 0,3%, accettabile per l'applicazione specifica. Una correlazione lineare è stata osservata tra le osservabili dosimetriche per le differenti condizioni di lavoro. Le misure della dose assorbita (Gy) sono calcolate per le differenti procedure mediche e confrontate con la risposta dei dosimetri passivi. I punti misurati giacciono sulla retta con pendenza uno, confermando che il sistema può essere usato per monitorare sia il rateo di dose che la dose totale assorbita degli operatori.
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Abstract
Wireless Sensor Networks (WSN) are an important technology for large-scale monitoring, providing sensor measurements at high temporal and spatial resolution. In healthcare applications, a variety of system Prototypes and commercial products have been designed with the aim to provide an alternative and more efficient method for real time patient monitoring. For such applications, design constraints are limited for energy, network capacity (short communication range and low bandwidth) and processing and memory resources in each node.
In this work, a novel approach to perform on-line monitoring of the operators (surgeons and technicians) by using a device based on an Active Pixel Sensor (APS) during Interventional Radiology (IRad) procedures has been considered. The work has been performed in the framework of the Real-Time Active PIxel Dosimetry (RAPID) INFN Italian project.
The Interventional Radiology is a well-established technique in medical domain aiming to obtain a good X-ray image quality while minimizing the radiation dose absorbed by patients and operators. From a radioprotection point of view, these procedures are considered potentially harmful for the operators then individual monitoring is mandatory and it is performed by assessing effective dose, equivalent dose to the extremities and eye lens, by using passive dosimeters (e.g. TLDs) calibrated in terms of personal dose equivalent HP(10), HP(0.07) and HP(3), respectively.
In this work, we describe the design of a dedicated WSN for real time monitoring of the absorbed dose by the operators during the different IRad procedures that shows the possibility to achieve data delivery over wireless networks deployed in clinical environments. First the study and characterization of an image CMOS sensor as an X-ray detector has been described. The performance of the sensor has been evaluated with a proper experimental setup: the number of detected photons in a sensor frame and the sum of the reconstructed photon signals in a sensor frame have been assessed as dosimetric observables from frames acquired by the sensor using a two-threshold modified photon counting algorithm.
Then the implementation of different versions of the system prototypes has been described with the aim to decrease the power consumption and improve the portability of the final system. Both system response and algorithm performance have been investigated and consistency with results obtained using the same model of CMOS sensor with its own acquisition system provided by the manufacturer has been demonstrated.
Moreover, the correlation of these observables with passive dosimeter dose measurements has been analyzed: a good linearity has been demonstrated, and the response difference between pulsed and continuous operational modes is reduced to less than 10%, marking a distinct improvement with respect to commercial Active Personal Dosimeters (APDs).
Finally, the experimental characterization of the prototype has been performed by using the system during several IRad procedures. The wireless link of the prototype has been characterized by measuring the Packet Error Rate (PER) of the network in different scenarios: the worst case result was lower than 0.4%, which is acceptable for the specific application. A linear correlation has also been observed between the observables during working conditions. The measurements of the absorbed dose have been calculated for different IRad procedures and compared with the response of the passive dosimeters. The measured points lie on a line with slope equal to one, showing that the systems can be used to perform both a real time monitoring of dose-rate and also to measure the total absorbed dose of the operators.
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