Cone Beam CT ve stomatologii: Pohybové artefakty a jejich redukce

• Thesis title in Czech: Cone Beam CT ve stomatologii: Pohybové artefakty a jejich redukce
• Thesis title in English: Cone Be am CT in dentistry: Motion artifacts and their reduction
• Key words: CBCT, pohyb, artefakty, rozlišení, kvalita obrazu
• English key words: CBCT, movement, artifacts, resolution, image quality
• Academic year of topic announcement: 2012/2013
• Thesis type: dissertation
• Thesis language: čeština
• Department: Institute of Biophysics and Informatics First Faculty of Medicine Charles University (11-00170)
• Supervisor: prof. RNDr. MUDr. Jiří Beneš, CSc.
• Author: hidden - assigned and confirmed by the Study Dept.
• Date of registration: 24.05.2013
• Date of assignment: 24.05.2013
• Confirmed by Study dept. on: 24.05.2013
• Date and time of defence: 17.09.2013 14:00
• Venue of defence: Ústav biofyziky a informatiky 1. LF UK
• Date of electronic submission: 03.06.2013
• Date of proceeded defence: 17.09.2013
• Course: Defence of the dissertation (B90002)
• Opponents: doc. MUDr. František Charvát, Ph.D.

References

1. Abdelkarim A, Noujeim M, Sarkis T, Lee R, Mah P, Nummikoski P. Effect of movement on high-resolution cone-beam computed tomography images. Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod. 2007 Feb;103(2):e48
2. Arai Y, Tammisalo E, Iwai K, Hashimoto K, Shinoda K. Development of a compact computed tomographic apparatus for dental use. Dentomaxillofac Radiol. 1999 Jul;28(4):245-8.
3. Feldkamp LA, Davis LC, Kress JW. Practical cone-beam algorithm. J Opt Soc Am.1984;A1:612-9.
4. Hamidaddin A, Sarkis T, Lee R, Nummikoski P. A breath away from high resolution: Patient movement during cone-beam computed tomography exposure. Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod. 2007 Feb;103(2):e49
5. Hanzelka T, Foltán R, Horká E, Sedý J. Reduction of the negative influence of patient motion on quality of CBCT scan. Med Hypotheses. 2010 Dec;75(6):610-2.
6. Hanzelka T, Foltan R. Possible improvement of CBCT scan. J Craniomaxillofac Surg. 2012 Jan;40(1):1.
7. Hohlweg-Majert B, Metzger MC, Kummer T, Schulze D. Morphometric analysis - Cone beam computed tomography to predict bone quality and quantity. J Craniomaxillofac Surg. 2011 Jul;39(5):330-4.
8. LeeR,Azevedo B,Shintaku W,NoujeimM,Nummikoski P.Patient Movement in Three Different CBCT Units. Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod. 2008 Apr;105(4):e55
9. Marchant TE, Price GJ, Matuszewski BJ, Moore CJ. Reduction of motion artefacts in on-board cone beam CT by warping of projection images. Br J Radiol. 2011 Mar;84(999):251-64.
10. Mozzo P, Procacci C, Tacconi A, Martini PT, Andreis IA. A new volumetric CT machine for dental imaging based on the cone-beam technique: preliminary results. Eur Radiol. 1998;8(9):1558-64.
11. Pauwels R, Beinsberger J, Collaert B, Theodorakou C, Rogers J, Walker A, Cockmartin L, Bosmans H, Jacobs R, Bogaerts R, Horner K, SEDENTEXCT Project Consortium. Effective dose range for dental cone beam computed tomography scanners. Eur J Radiol. 2012 Feb;81(2):267-71.
12. Robb RA. The Dynamic Spatial Reconstructor: An X-Ray Video-Fluoroscopic CT Scanner for Dynamic Volume Imaging of Moving Organs. IEEE Trans Med Imaging. 1982;1(1):22-33
13. Scarfe WC, Farman AG. What is cone-beam CT and how does it work?. Dent Clin North Am. 2008 Oct;52(4):707-30.

Preliminary scope of work

Cone Beam Computed Tomography (CBCT) umožňuje prostorové zobrazení ve stomatologii. Plochý detektor na jedné straně a zdroj rentgenového záření na straně druhé se během snímání jednou otočí kolem hlavy pacienta. Paprsek má tvar kužele, který prochází celou oblastí zájmu. Během jediné otáčky, která trvá od několika sekund do několika desítek sekund, je detektorem zachyceno až několik set základních 2D snímků. Ty reprezentují různé úhly pohledu na oblast zájmu a jsou následně softwarově zpracovány do podoby prostorového obrazu. Pravděpodobně největší výhodou CBCT je možnost prostorového zobrazení při efektivních dávkách záření srovnatelných se standardními zobrazovacími metodami užívanými ve stomatologii (Pauwels et al., 2010).
Experimentální část práce je věnována jedné z největších slabin CBCT - pohybu pacienta během snímání. Ten má zásadní vliv na kvalitu obrazu a v současnosti je hlavním limitujícím faktorem dalšího rozvoje této technologie. V první části experimentu jsme zaznamenávali velikost pohybů pomocí vysokorychlostní kamery a následně analyzovali data v programu MatLab. Jako velmi významná se ukázala být velikost pohybu pacientů i samotného CBCT přístroje. Pohyb byl největší na začátku snímání v případě pacientů i CBCT přístroje. V druhé části experimentu je prezentován vlastní návrh původního řešení celého problému. Pacient je během celého snímaní sledován pomocí RTG kontrastních značek, které následně slouží k detekci pohybu a eliminaci jeho následného vlivu na kvalitu obrazu. Postup není finančně nákladný a při současném stavu poznání je dle našeho názoru technicky dobře proveditelný. Přínosem této metody by mohlo být zvýšení výsledného rozlišení nebo snížení radiační dávky.

Preliminary scope of work in English

Cone Beam Computed Tomography (CBCT) allows effective 3D imaging in dentistry. CBCT consists of a planar detector and a x-ray source that rotate once around patient`s head. The x-ray beam is cone-shaped and is directed through the whole volume of interest. All the data needed are obtained during a single rotation of the source and detector. This rotation takes from several to several tens of seconds, and during this time the CBCT captures several hundred of 2D images. They represent different points of view on the region of interest and are later reconstructed to form a 3D data set. The biggest advantage of CBCT is that it can produce 3D image using at radiation doses similar to those of conventional diagnostic methods used in dentistry (Pauwels et al., 2010).
In the experimental part of our experiment, we address one of the biggest weaknesses of CBCT - patient movement during scanning which has a major impact on the image quality and is currently the main limiting factor in the further development of this technology. In the first part of our experiment, we recorded movements of patients and CBCT scanner using a high speed camera and subsequently analyzed the data in MatLab program. Significant level of patient motion as well as motion of CBCT scanner was demonstrated. Motion was highest at the beginning of the procedure. The second part of our experiment presents our original solution of eliminating the negative effects of patient‘s movements. Radiopaque markers are used to monitor the patient throughout scanning. These markers are later used to detect motion artifacts and eliminate its consequent impact on image quality by a special software. Our solution is inexpensive and technically feasible at current state of art. Possible benefits would be better resolution or lower radiation dose.