Reduzierung von Metallartefakten in Ultra - Shijiazhuang Schwanensee Co., Ltd

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 15549 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Die Kegelstrahl-Computertomographie (CBCT) hat sich als leistungsstarkes Werkzeug für die 3D-Bildgebung des Blinddarmskeletts erwiesen und ermöglicht eine detaillierte Visualisierung der Knochenmikroarchitektur. Diese Studie wurde entwickelt, um Artefakte bei Vorhandensein von osteosynthetischen Implantaten zwischen CBCT und Multidetektor-Computertomographie (MDCT) bei Handgelenksscans von Leichen zu vergleichen. Insgesamt wurden 32 Scan-Protokolle mit unterschiedlichem Röhrenpotential und -strom eingesetzt: Es wurden sowohl konventionelle DVT- als auch MDCT-Studien mit Röhrenspannungen von 60 bis 140 kVp sowie zusätzliche MDCT-Protokolle mit spezieller Spektralformung durch Zinnvorfiltration einbezogen. Unabhängig vom Scannertyp wurden alle Untersuchungen im ultrahochauflösenden (UHR) Scanmodus durchgeführt. Zur Rekonstruktion von UHR-CBCT-Scans wurde ein zusätzlicher iterativer Algorithmus zur Reduzierung von Metallartefakten eingesetzt, ein Bildkorrekturtool, das nicht in Kombination mit UHR-MDCT verwendet werden kann. Um die angewandten Strahlungsdosen zwischen beiden Scannern zu vergleichen, wurde der Volumen-Computertomographie-Dosisindex für ein 16-cm-Phantom (CTDIvol) ausgewertet. Die Bilder wurden hinsichtlich der subjektiven und objektiven Bildqualität beurteilt. Ohne automatische Röhrenstrommodulation oder Röhrenpotentialsteuerung lagen die Strahlungsdosen im UHR-MDCT zwischen 1,3 mGy (mit 70 kVp und 50,0 effektiven mAs) und 75,2 mGy (mit 140 kVp und 383,0 effektiven mAs). Unter Verwendung der gepulsten Bildaufnahmemethode des CBCT-Scanners lag der CTDIvol zwischen 2,3 mGy (mit 60 kVp und 0,6 mittleren mAs pro Impuls) und 61,0 mGy (mit 133 kVp und 2,5 mittleren mAs pro Impuls). Im Wesentlichen wurde festgestellt, dass alle UHR-CBCT-Protokolle, die ein Röhrenpotential von 80 kVp oder mehr verwenden, im Vergleich zur UHR-MDCT eine bessere Gesamtbildqualität und Artefaktreduzierung bieten (alle p < 0,050). Die Interrater-Zuverlässigkeit von sieben Radiologen hinsichtlich der Bildqualität war bei der Gewebebeurteilung beträchtlich und bei der Artefaktbeurteilung moderat mit einem Fleiss-Kappa von 0,652 (95 %-Konfidenzintervall 0,618–0,686; p < 0,001) und 0,570 (95 %-Konfidenzintervall 0,535–0,606; p < 0,001). ), jeweils. Unsere Ergebnisse zeigen, dass der UHR-CBCT-Scanmodus eines Doppelroboter-Röntgensystems eine hervorragende Visualisierung des Blinddarmskeletts bei Vorhandensein von Metallimplantaten ermöglicht. Die erreichbare Bildqualität und Artefaktreduzierung sind der dosisvergleichbaren UHR-MDCT überlegen, und selbst MDCT-Protokolle, die Spektralformung mit Zinnvorfiltration verwenden, erreichen nicht das gleiche Maß an Artefaktreduzierung im angrenzenden Weichgewebe.

In der postoperativen Nachsorge nach Gelenkendoprothetik ist die einfache Radiographie aufgrund der allgegenwärtigen Verfügbarkeit, Kosteneffizienz und schnellen Bildgebungsergebnisse bei relativ niedrigen Strahlendosen das primäre bildgebende Verfahren. Für eine detailliertere Analyse vermuteter Komplikationen nach der Operation kann eine zusätzliche CT erforderlich sein, die allerdings mit einem höheren Dosisnachteil verbunden ist. Allerdings können in postoperativen Situationen durch Metallimplantate verursachte Artefakte die diagnostische Genauigkeit bei der Beurteilung des Implantats selbst, der Implantat-Knochen-Grenzfläche sowie des angrenzenden Gewebes beeinträchtigen1,2. Typische Metallartefakte sind Strahlaufhärtung und Photonenmangel: Strahlaufhärtung tritt auf, wenn polychromatische Röntgenphotonen dichte Objekte durchdringen, was zu einer stärkeren Absorption von Photonen mit niedriger Energie führt, was zu hyperdichten Artefakten mit angrenzenden dunklen Streifen führt. Im Gegensatz dazu treten Photonenmangelartefakte aufgrund der vollständigen Absorption von Photonen auf, was zu hypodensen Streifen führt3,4,5. Daher kann die Erkennung von Komplikationen beim Vorhandensein von Metallimplantaten, wie z. B. sekundäre Luxationen, Bereiche mit Knochenresorption oder Implantatlockerung, die durch einen umgebenden strahlendurchlässigen Rand oder sogar Flüssigkeitsansammlungen im Weichgewebe angezeigt werden, eine erhebliche Herausforderung darstellen.

Verschiedene Ansätze zur Reduzierung von Metallartefakten (MAR) wurden in der Vergangenheit vor allem für herkömmliche Gantry-basierte Multidetektor-CT-Scanner (MDCT) evaluiert6,7. Der Photonenmangel kann verringert werden, indem der Röhrenstrom erhöht wird, um die Anzahl der Photonen im Röntgenstrahl zu erhöhen. Eine erhöhte Röhrenspannung und damit eine höhere Photonenenergie führt zu einer höheren Durchdringungsrate von dichtem Material. Bei höheren Röhrenspannungen können Bildrauschen und Photonenmangel auf Kosten eines verringerten Gewebekontrasts minimiert werden. Allerdings ist die Reduzierung von Metallartefakten auf Kosten höherer Strahlendosen umstritten, insbesondere bei jungen Patienten und Patienten mit wiederkehrenden Untersuchungen8. Ein ähnlicher Effekt lässt sich beim Einsatz der Zinnvorfiltration beobachten, die die Photonendurchdringung erhöht, indem sie die Menge an niederenergetischen Photonen reduziert und somit den Röntgenstrahl härtet7,9. Während diese protokollbasierten MAR-Ansätze vor der Bildaufnahme etabliert werden müssen, können Algorithmen wie iterative Rekonstruktionstechniken nachträglich ausgeführt werden, ohne die Strahlendosis negativ zu beeinflussen. Auf der anderen Seite können iterative Rekonstruktionsalgorithmen sekundäre Artefakte einführen und es wurde berichtet, dass sie Bildinformationen im Allgemeinen verändern10,11. Darüber hinaus können Bilddaten in der Nähe der Metallkante durch Interpolation verloren gehen12. Neben der Optimierung von Metallimplantaten und Scanprotokollen gibt es weitere Ansätze zur Reduzierung solcher Artefakte, darunter modellbasierte Datenkorrektur und bildbasierte Nachbearbeitung13.

Aufgrund der hervorragenden Bildqualität von Knochengewebe bei relativ geringer Dosis hat sich die Kegelstrahl-CT (CBCT) in jüngster Zeit zu einer wachsenden Nische in der Bildgebung des Bewegungsapparates entwickelt. Bei der Traumabeurteilung hat sich die CBCT bereits als praktikable Alternative für die Darstellung der oberen und unteren Extremität herausgestellt14,15,16,17,18. Allerdings wurde der Wert nicht-zahnmedizinischer DVT-Systeme im Rahmen einer Nachbehandlung bisher nicht gründlich untersucht. Insbesondere bei Patienten mit eingeschränkter Mobilität nach Osteosynthese können die für optimale Bildgebungsbedingungen bei Handgelenksscans erforderliche Bauchlage und Armhöhe bei gantrybasierten MDCT-Scannern problematisch sein. Die Beseitigung dieser Einschränkung mit der Option des untersuchten gantryfreien Mehrzweckscanners zur Tischpositionierung der oberen Extremität kann im Hinblick auf Bildqualität und Strahlendosis von Vorteil sein19.

Ziel dieser Studie war es, die Möglichkeiten zur Reduzierung von Metallartefakten eines Doppelroboter-Röntgensystems mit einem ultrahochauflösenden (UHR)-CBCT-Scanmodus in einer experimentellen Umgebung zu untersuchen. Daher verglichen wir die Leistung des Scanners mit der UHR-MDCT bei Handgelenksscans von Leichen nach einer Endoprothetik, mit dem Ziel, den besten Kompromiss zwischen Strahlendosis und Bildqualität zu finden.

Unsere Studie wurde vom Institutional Review Board der Universität Würzburg, Deutschland, genehmigt. Zu Lebzeiten stellten Spender ihren Körper ehrenamtlich dem Anatomischen Institut der Universität zu Studien- und Forschungszwecken zur Verfügung. Eine zusätzliche schriftliche Einverständniserklärung war nicht erforderlich.

Alle Methoden wurden in Übereinstimmung mit den relevanten Richtlinien und Vorschriften durchgeführt. Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

Zwei Unfallchirurgen führten eine volare Verriegelungsplattenfixierung (Aptus, Medartis, Basel, Schweiz) am distalen Radius einer mit Formalin fixierten Leichenprobe durch. Anschließend wurde das Handgelenk mit einem vielseitigen Doppelroboter-Röntgensystem für die DVT-Bildgebung und einem High-End-MDCT-Scanner untersucht. MDCT-Untersuchungen wurden in der sogenannten „Superman-Haltung“ durchgeführt, wobei sich die Probe in Bauchlage befand und der jeweilige Arm über den Kopf gehoben war. CBCT-Studien wurden in Rückenlage durchgeführt, wobei die obere Extremität für eine Scanposition am Tisch in einem 90°-Winkel abduziert wurde.

Das verwendete Mehrzweck-Röntgensystem mit implementiertem 3D-DVT-Modus (Multitom Rax, Siemens Healthineers, Erlangen, Deutschland) ist mit zwei Teleskoparmen ausgestattet, die die Röntgenröhre und den Flachdetektor tragen, und ist mit drei an Deckenschienen angeschlossen translatorische und zwei rotatorische Freiheitsgrade. Die Röntgenröhre kann Ströme von 0,5 bis 800 mA und Spannungen von 40 bis 150 kV liefern. Das Eingabefeld des Flachdetektors misst 23 cm × 23 cm mit einer 3D-Matrix von 1440 × 1440 nicht gebündelten Pixeln, was zu einer effektiven Pixelgröße von 148 μm führt. Gleichzeitig schränkt das Eingabefeld das maximale Sichtfeld des DVT ein, da Tischbewegungen und Spiralaufnahmen mit diesem System nicht möglich sind. Für die Erfassung von 3D-Projektionsdaten im CBCT-Scanmodus bewegen sich die Arme gleichzeitig und synchronisiert entlang vordefinierter Scantrajektorien. Die Trajektorie am Tisch für die Bildgebung der oberen Extremitäten hat einen Schwenkwinkel von 200° um das Isozentrum mit einem asymmetrischen Abstand zwischen Quelle und Bild von 115 cm (Abstand zwischen Röhre und Isozentrum 85 cm, Abstand zwischen Detektor und Isozentrum 30 cm). Für die Zwecke der Studie wurde das Handgelenk zusätzlich mit einem High-End-Gantry-basierten MDCT-Scanner und mehreren Protokollen im Single-Energy-Modus (Somatom Force, Siemens Healthineers) gescannt.

Es wurden verschiedene Scanprotokolle ausgewertet, wobei Vorfiltration, Röhrenspannung und Röhrenstrom-Belichtungszeit-Produkte variiert wurden. Im UHR-Modus wurden 32 Scans des Leichenhandgelenks mit volarer Verriegelungsplattenfixierung durchgeführt. Insgesamt wurden 15 UHR-CBCT-Scans mit Röhrenspannungen im Bereich von 60 bis 133 kVp und Röhrenstrom-Expositionszeit-Produkten von 0,6 mAs, 1,2 mAs und 2,5 mAs ausgewertet. Bemerkenswert ist, dass die Standardhardware des CBCT-Systems nicht über die Option einer Zinnvorfiltration verfügt. Die Protokolle zum Abgleichen von UHR-MDCT-Scans (15 übereinstimmende MDCT-Protokolle) wurden mit einer Röhrenspannung im Bereich von 70 bis 140 kVp und Referenz-mA-Werten erstellt, die den CTDI-Werten ihrer CBCT-Gegenstücke entsprechen sollten. Zusätzlich wurden zwei Protokolle (100 kVp und 150 kVp) mit 0,4 mm Zinnvorfiltration eingesetzt, was insgesamt 19 MDCT-Protokolle ergab. Detaillierte Scanparameter für CBCT- und MDCT-Protokolle sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Zum Vergleich der angewendeten Strahlendosen zwischen CBCT und MDCT wurde der Volumen-Computertomographie-Dosisindex für ein 16-cm-Phantom (CTDIvol) ausgewertet. Zur Abschätzung der Strahlendosis bei der MDCT wurden Dosislängenprodukte und CTDIvol notiert. CTDIvol-äquivalente Werte für CBCT wurden durch Multiplikation des Dosis-Flächen-Produkts mit einem linearen Skalierungsfaktor berechnet, der vom Hersteller auf der Grundlage früherer Phantommessungen bereitgestellt wurde. Für jede Kombination aus Aufnahmegeometrie, Röhrenspannung und Strahlfilterung (z. B. Kupferfilter) wurde vorab der Skalierungsfaktor ermittelt. Das Dosis-Längen-Produkt wurde in fünf Kammern eines herkömmlichen Polymethylmethacrylat-Dosimetriephantoms (IEC 60601-2-44:2009) mit einem Durchmesser von 160 mm, einer Länge von 300 mm und einem Standard-Dosimetriesystem (Nomex Dosimeter, PTW, Freiburg im Breisgau, Deutschland) mit einer 300 mm Ionisationskammer. Zur Ermittlung der Volumendosis-Längen-Produktwerte (DLPvol) wurde ein Standardgewichtungsschema für Dosismessungen angewendet. Die CTDIvol-Werte wurden berechnet, indem die DLPvol-Werte durch das Sichtfeld in Z-Richtung dividiert wurden, was der Strahlbreite entspricht. Schließlich wurde der Skalierungsfaktor berechnet, indem CTDIvol durch Dosis-Flächen-Produktwerte dividiert wurde. Aus dem automatisch erstellten Scanbericht wurden Dosisflächenprodukte für alle Untersuchungen extrahiert.

Die scannerseitige Rohdatenrekonstruktion wurde unter Verwendung eines speziellen hochauflösenden Kernels für eine sehr scharfe Darstellung von Knochenstrukturen (Ur77; Siemens Healthineers) gemäß dem klinischen Standard für die Nachbearbeitung von MDCT-Untersuchungen an unserer Einrichtung durchgeführt. Multiplanare Rekonstruktionen wurden für CBCT und MDCT mit spezieller 3D-Verarbeitungssoftware (syngo.via View&GO und syngo.via, beide Siemens Healthineers) durchgeführt. Zur Rekonstruktion von UHR-CBCT-Scans wurde zusätzlich die iterative Metallartefaktreduktion (MAR) eingesetzt. Die Rekonstruktionsparameter für die axiale, koronale und sagittale Ebene wurden unabhängig vom Dosisprotokoll und dem Scanner mit einer Schichtdicke von 1,0 mm, einem Inkrement von 0,5 mm, einem Sichtfeld von 80 mm und einer Bildmatrix von 1024 × 1024 Pixeln festgelegt. Für eine optimale Knochendarstellung wurden Fensterbreite und -niveau von 3000 und 1000 Hounsfield-Einheiten (HU) vordefiniert. Den Lesern war es jedoch gestattet, die Fenstereinstellungen nach persönlichem Bedarf zu ändern.

Die Bilder wurden unabhängig voneinander randomisiert und verblindet mithilfe einer Software zur Archivierung und Kommunikation klinischer Bilder (Merlin, Phoenix-PACS, Freiburg im Breisgau, Deutschland) von sieben Radiologen mit unterschiedlichem Erfahrungsniveau in der muskuloskelettalen Bildgebung (ASK 8, TSP 2, KSL 7, VH 6, RH 4, HH 6 und JPG 5 Jahre Erfahrung). Für die Lektüre wurde keine Zeitbeschränkung festgelegt. Die Leser wurden gebeten, die Bildqualität im Hinblick auf Knochen- und Weichgewebe sowie das Ausmaß der Artefakte anhand einer siebenstufigen Skala zu bewerten (7 = ausgezeichnet/keine Artefakte, 6 = sehr gut/nahezu keine Artefakte, 5 = gut). /leichte Artefakte, 4 = zufriedenstellende/mäßige Artefakte, 3 = mittelmäßig, /erhebliche Artefakte 2 = schlechte/schwere Artefakte, 1 = sehr schlecht/nicht diagnostisch aufgrund von Artefakten). Basierend auf diesen Ergebnissen haben wir FOM-Werte (Figure of Merit) für Knochen- und Artefaktbewertungen berechnet, um die Leistung des Scanprotokolls zu charakterisieren und die Bildqualität im Verhältnis zur Strahlendosis zu bewerten, indem wir die folgende Formel verwenden:

Die objektive Bildanalyse wurde von einem Radiologen mit 5 Jahren Erfahrung in der Bildgebung des Bewegungsapparates (JPG) durchgeführt. Kreisförmige Regionen von Interesse (ROI) wurden manuell in der umgebenden Luft und im Weichgewebe positioniert, um als Referenz die Signaldämpfung im mittleren HU zu messen. Die Artefakte wurden quantifiziert, indem ein ROI in den Bereichen mit den stärksten hypo- und hyperdichten Artefakten sowie im durch Artefakte beeinträchtigten Weichteilgewebe platziert wurde. Artefaktmessungen wurden jeweils dreimal durchgeführt und gemittelt, um eine hohe Messgenauigkeit und Datenkonsistenz zu gewährleisten.

Für deskriptive Statistiken und Datenanalysen wurde spezielle Software verwendet (SPSS Statistics Version 28, IBM, Armonk, New York, USA). P-Werte unter 0,05 wurden als Hinweis auf statistische Signifikanz angesehen. Kolmogorov-Smirnov-Tests wurden angewendet, um kontinuierliche Daten auf Normalverteilung zu analysieren. Bei Normalverteilung werden kontinuierliche Daten als Mittelwert ± Standardabweichung dargestellt. Mittelwerte normalverteilter Variablen wurden mit einfaktoriellen ANOVA- und Dunnett-T3-Post-hoc-Tests verglichen, wobei die p-Werte für mehrere Vergleiche angepasst wurden. Die mittleren Ränge der kategorialen Elemente wurden mit Friedman-Tests und Post-hoc-Analysen homogener Teilmengen verglichen. Der Fleiss-Kappa wurde berechnet, um die Interrater-Zuverlässigkeit bei der subjektiven Beurteilung der Bildqualität zu untersuchen. Die Übereinstimmung wurde gemäß Landis und Koch interpretiert (1,00–0,81 = nahezu perfekt; 0,80–0,61 = erheblich; 0,60–0,41 = mäßig; 0,40–0,21 = mittelmäßig; 0,20–0,00 gering; < 0,00 schlechte Übereinstimmung)20.

In dieser Studie wurden 32 Scanprotokolle mit unterschiedlicher Vorfiltration, Röhrenspannung und Strom-Zeit-Produkt angewendet (17 UHR-MDCT, 15 UHR-CBCT). Ohne automatische Röhrenstrommodulation oder Röhrenpotentialsteuerung betrugen die höchsten und niedrigsten Strahlendosen, die bei der konventionellen MDCT erreicht wurden, 75,2 mGy (mit 140 kVp und 383,0 effektiven mAs) und 1,3 mGy (mit 70 kVp und 50,0 effektiven mAs). Unter Verwendung der gepulsten Bilderfassungsmethode des CBCT-Scanners betrug der CTDIvol von Ultra-Niedrigdosis-Scans 2,3 mGy (mit 60 kVp und 0,6 mittleren mAs pro Puls), während die höchstmögliche Dosis 61,0 mGy (mit 133 kVp und 2,5 mittleren mAs) betrug pro Impuls). Die CTDIvol-Werte sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Zum visuellen Vergleich der Bildqualität und der Metallartefaktintensität mit verschiedenen Kombinationen von Röhrenpotential und -strom auf beiden Scannern sind in Abb. 1 (UHR-MDCT) und Abb. 2 (UHR-MDCT) repräsentative Bilder des distalen Unterarms nach einer Palmarplattenosteoplastik dargestellt. DVT). Die ROI-basierte Quantifizierung der Signaldämpfung bei hyperdichter Strahlaufhärtung (alle p < 0,036) und hypodensen Photonenmangelartefakten (alle p < 0,008) ergab günstige Ergebnisse für UHR-CBCT-Protokolle mit mindestens 80 kVp im Vergleich zur UHR-MDCT-Bildgebung (Abb. 3). Obwohl die Zinnvorfiltration im Vergleich zu UHR-DVT-Protokollen schlechtere Ergebnisse lieferte, verringerte sie das Ausmaß hyperdenser und hypodenser Artefakte im Vergleich zum Standard-UHR-MDCT erheblich (alle p < 0,003). Bei aktivierter Zinnvorfiltration zeigten 150-kVp-Scans eine stärkere Artefaktreduzierung als 100-kVp-Bildgebung (p = 0,034). Auch die Beeinträchtigung des angrenzenden Weichgewebes durch Artefakte wurde mit Zinn-vorgefilterten Scanprotokollen deutlich reduziert (alle p < 0,029), obwohl UHR-CBCT mit 80 kVp oder mehr in dieser Studie die beste Darstellung von durch Artefakte beeinträchtigtem Weichgewebe ermöglichte (alle p < 0,001). Es wurden keine signifikanten Unterschiede zwischen UHR-DVT-Scanprotokollen mit mindestens 80 kVp festgestellt (alle p > 0,366). Die Ergebnisse der objektiven Artefaktintensitätsbewertung für beide Scanner sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Darüber hinaus werden Boxplot-Diagramme bereitgestellt, um die Unterschiede zwischen UHR-MDCT und UHR-CBCT für jeden Artefakttyp zu veranschaulichen (Abb. 4).

Knochenbildqualität und Intensität von Metallartefakten durch palmare Plattenosteosynthese in herkömmlichen ultrahochauflösenden MDCT-Scanprotokollen.

Knochenbildqualität und Intensität von Metallartefakten durch Osteosynthese der Palmarplatte in ultrahochauflösenden DVT-Scanprotokollen.

Platzierung der Region of Interest (ROI) zur objektiven Beurteilung der Intensität von Metallartefakten. Hinweis: A = hyperdichte Artefakte; B = hypodense Artefakte; C = durch Artefakte beeinträchtigtes Weichgewebe.

Boxplots mit Signaldämpfung in Artefakten und artefaktbeeinträchtigtem Weichgewebe. Hinweis: Boxplots (Median und 50 % der Fälle innerhalb der Boxen) veranschaulichen die korrigierte Signaldämpfung in Hounsfield-Einheiten (HU) für hyperdichte Artefakte, hypodense Artefakte und durch Artefakte beeinträchtigtes Weichgewebe in der Kegelstrahl-Computertomographie (CBCT) und der Multidetektor-Computertomographie (MDCT) mit unterschiedlich hoher Röhrenspannung (kVp = Kilovolt-Peak).

Die FOM-Analyse (Tabelle 3) zeigte, dass UHR-CBCT-Protokolle eine bessere Leistung erbrachten als die dosisvergleichbaren UHR-MDCT-Protokolle, was in erster Linie auf relativ gute Bewertungen für Protokolle mit geringer Strahlenbelastung zurückzuführen war (mit Ausnahme eines Teils der 60-kVp-Scans, bei denen die Bildqualität schlechter war). Knochengewebe wurde für den klinischen Einsatz als unzureichend erachtet). Das insgesamt beste Protokoll war der aktuelle klinische Standard (80 kVp, 0,6 mittlere mAs pro Puls). Trotz günstiger Bewertungen erzielten die Protokolle mit höherer Spannung auf beiden Scannern aufgrund ihrer höheren Strahlendosis schlechtere FOM-Werte. Bemerkenswert ist, dass zinngefilterte UHR-MDCT-Scans hinsichtlich Knochenbildqualität und Artefaktintensität erheblich bessere FOM-Werte als Standard-UHR-MDCT-Untersuchungen erzielten. Eine homogene Teilmengenanalyse von Scanprotokollen basierend auf Röhrenspannungsgruppen zeigte höhere mittlere Rangwerte für UHR-CBCT-Studien mit mindestens 80 kVp hinsichtlich der Knochengewebeabgrenzung (Tabelle 4) und Artefakte (Tabelle 5) (alle p < 0,050). Die Interrater-Zuverlässigkeit von sieben Radiologen war für Knochen erheblich und für die Artefaktbeurteilung mäßig, was durch Fleiss-Kappa von 0,652 (95 %-Konfidenzintervall 0,618–0,686; p < 0,001) und 0,570 (95 %-Konfidenzintervall 0,535–0,606; p < 0,001) angezeigt wurde ), jeweils.

In dieser experimentellen Studie mit mehreren Beobachtern haben wir das Potenzial der UHR-CBCT-Bildgebung bei einem vorhandenen Metallimplantat im Vergleich zu einem Dual-Source-MDCT-Scanner der dritten Generation mit UHR-Option bewertet. Zu diesem Zweck wurden insgesamt 32 Protokolle mit unterschiedlichen Aufnahmeparametern an einer menschlichen Leichenprobe angewendet. Für Röhrenpotentiale von 80 kVp und mehr konnten wir zeigen, dass die UHR-DVT eine überlegene Leistung hinsichtlich Bildartefakten gemäß objektiver Analyse und hinsichtlich der Bildqualität gemäß subjektiver Analyse durch sieben Radiologen zeigte. Darüber hinaus war die angewandte Strahlendosis bei UHR-CBCT im Vergleich zu UHR-MDCT-Protokollen mit ähnlicher Bildqualität in Knochen und Weichgewebe günstig.

Die verwendeten Protokolle für MDCT bestanden aus konventioneller CT-Bildgebung mit Röhrenspannungen im Bereich von 70 bis 140 kVp sowie zwei Protokollen, die eine Zinnvorfiltration zur gezielten Reduzierung von Metallartefakten nutzten (Sn 100 kVp und Sn 150 kVp). Um die Vergleichbarkeit zwischen CBCT und MDCT aufrechtzuerhalten, wurden alle Scans im UHR-Modus und ohne Verwendung von Dual-Energy-Protokollen durchgeführt. In anderen Situationen hat sich gezeigt, dass die spektrale Formung mittels Zinnvorfiltration die angewandte Dosis erheblich reduziert, insbesondere bei adipösen Patienten im Vergleich zur Dual-Energy-Bildgebung und dem Einsatz virtueller monochromatischer Rekonstruktionen21. Bemerkenswerterweise und im Gegensatz zur UHR-CBCT zwingt die Notwendigkeit, bei aktuellen Dual-Source-CT-Scannern der dritten Generation einen zusätzlichen Kammfilter für die UHR-Bildgebung einzusetzen, effektiv zur Wahl zwischen der Verwendung der UHR-Erfassung und einer zusätzlichen iterativen MAR. Während UHR-MDCT-Protokolle mit spektraler Formung mittels Zinnvorfiltration die Metallartefakte im Vergleich zum Standard-UHR-MDCT deutlich reduzierten, ermöglichte UHR-CBCT mit 80 kVp oder mehr eine noch bessere Artefaktreduzierung und Beurteilbarkeit des angrenzenden Weichgewebes. Auch hinsichtlich der subjektiven Bildqualität zeigten UHR-CBCT-Protokolle mit einer Röhrenspannung von 80 kVp oder mehr eine überlegene Leistung im Vergleich zur UHR-MDCT-Bildgebung. Eine Erklärung für die Leistung des CBCT liegt in seiner inhärenten überlegenen Dosiseffizienz, die durch die einzigartige Erfassungsgeometrie des Systems realisiert wird: Während herkömmliche Gantry-basierte Scanner mit symmetrischen Abständen zwischen Röntgenröhre und Patient sowie Patient und Detektor arbeiten, arbeiten die Die beiden Teleskoparme von CBCT ermöglichen einen asymmetrischen Abstand zwischen Quelle und Bild bei geringer Vergrößerung, der die räumliche Auflösung verbessert, indem er dem begrenzenden Effekt der Brennfleckgröße entgegenwirkt22.

Angesichts der jüngsten Veröffentlichungen, die das Potenzial und die Vorteile der UHR-CBCT-Bildgebung des Blinddarmskeletts am Tisch bei Traumasituationen19,22 belegen, sind die berichteten Ergebnisse bemerkenswert. In Bezug auf die angewandte Durchschnittsdosis wurde in einer aktuellen Metaanalyse von Nardi et al. gibt an, dass CBCT eine deutliche Reduzierung gegenüber MDCT23 verspricht. Allerdings hängt die Qualität des CBCT-Bildes aufgrund der begrenzten Anzahl erfasster Einzelbilder von der Platzierung des interessierenden Objekts im Isozentrum des Systems ab. Diese Tatsache ist ausgeprägter als bei der MDCT und erfordert möglicherweise eine spezielle Schulung und eine explizite Betreuung durch die Radiologen.

Die CT-Bildgebung bei vorhandenen Metallimplantaten gehört seit Jahrzehnten zur klinischen Routine. Allerdings ist die Artefaktreduktion im angrenzenden Gewebe oft von größter Bedeutung, da selbst subtile Befunde wie Fissurenfrakturen eine spezifische Nachbehandlung bis hin zur sekundären chirurgischen Revision erfordern. Während bei diesen Scans eine hohe Bildqualität unerlässlich ist, können Bemühungen zur Dosisreduktion einen gegenteiligen Effekt auf die Bildqualität haben. Da sich herausstellte, dass herkömmliche UHR-MDCT-Protokolle deutlich unterlegen waren und selbst UHR-MDCT-Protokolle mit spektraler Formung der UHR-CBCT-Bildgebung nicht ebenbürtig waren, schlagen die Autoren zukünftige Studien im klinischen Umfeld vor, um diese vielversprechende Bildgebungstechnik weiter zu evaluieren. Darüber hinaus sind spezielle Studien zur Quantifizierung der Wirkung des iterativen Algorithmus zur Reduzierung von Metallartefakten mit DVT erforderlich.

In Bezug auf diese Studie sollten einige Einschränkungen erwähnt werden. Zum einen beschränkten sich die Scans auf eine einzelne Leichenprobe und auf einen Implantattyp. Daher wurde der Einfluss der Implantatzusammensetzung und -größe auf die resultierenden Artefakte nicht bewertet. Auch wenn Patienten die erforderliche Aufnahmezeit von 14 s im DVT aufgrund der bequemen Tischpositionierung gut vertragen, können mögliche Bewegungsartefakte einen limitierenden Faktor für die klinische Routine darstellen23. Es liegt jedoch in der Natur des Studiendesigns, dass Bewegungsartefakte für diese Untersuchung keine Rolle spielten. Darüber hinaus wurde berichtet, dass die Formalinfixierung im Laufe der Zeit eine Demineralisierung des Knochens hervorruft, was die Bildqualität unabhängig vom Scanner und Scanprotokoll beeinträchtigt24,25. Obwohl die Beobachter hinsichtlich der Art des Scans (UHR-CBCT vs. UHR-MDCT) blind waren, ist ein gewisses Maß an Verzerrung aufgrund des typischen Bildeindrucks jeder Bildgebungsmodalität denkbar. Schließlich ist Multitom Rax (Siemens Healthineers) nicht in allen Ländern im Handel erhältlich, daher kann die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse eingeschränkt sein.

Mit dem Kegelstrahl-CT-Scanmodus eines gantryfreien Zwillingsroboter-Röntgensystems kann eine ultrahochauflösende Bildgebung des Blinddarmskeletts bei Vorhandensein von Metallimplantaten realisiert werden. Während das verglichene Dual-Source-Multidetektor-CT-System der dritten Generation keine iterativen Algorithmen zur Reduzierung von Metallartefakten im UHR-Modus unterstützt, sind die mit der Kegelstrahl-CT erreichbare Bildqualität und Artefaktreduzierung der dosisvergleichbaren konventionellen UHR-Multidetektor-CT überlegen sogar Multidetektor-CT-Protokolle, die Spektralformung mit Zinnvorfiltration verwenden.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Kegelstrahl-Computertomographie

Volumen-Computertomographie-Dosisindex für ein 16-cm-Phantom (mGy)

Reduzierung von Metallartefakten

Multidetektor-Computertomographie

Region von Interesse

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Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Andreas Steven Kunz und Theresa Sophie Patzer.

Abteilung für Diagnostische und Interventionelle Radiologie, Universitätsklinikum Würzburg, Oberdürrbacher Straße 6, 97080, Würzburg, Deutschland

Andreas Steven Kunz, Theresa Sophie Patzer, Jan-Peter Grunz, Karsten Sebastian Luetkens, Viktor Hartung, Robin Hendel, Thorsten Alexander Bley & Henner Huflage

Klinik für Unfall-, Hand-, Plastische und Wiederherstellungschirurgie, Universitätsklinikum Würzburg, Oberdürrbacher Straße 6, 97080, Würzburg, Deutschland

Tabea Fieber

Orthopedic Clinic König-Ludwig-Haus, Julius-Maximilians-Universität Würzburg, Brettreichstr. 11, 97070, Würzburg, Germany

Franca Genest

Institut für Anatomie und Zellbiologie, Universität Würzburg, Köllikerstr. 6, 97070, Würzburg, Deutschland

Süleyman Ergun

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ASK und TSP trugen gleichermaßen als Erstautoren bei, analysierten alle Daten und erstellten das Manuskript. Die Beobachteranalyse wurde von ASK, TSP, KSL, VH, RH, HH und JPGTF durchgeführt und FG unterstützte die Erstellung des Manuskripts und der Abbildungen. JPG führte eine statistische Analyse durch und überarbeitete das Manuskript. TAB und SE trugen zur Erstellung des Manuskripts bei und sorgten für die Qualitätskontrolle. SE bereitete die Leichenprobe vor, während TF und FG eine palmare Plattenosteoplastik durchführten. HH konzipierte und überwachte die Studie. Alle Autoren haben das endgültige Manuskript gelesen und genehmigt.

Korrespondenz mit Andreas Steven Kunz.

JPG wurde vom Interdisziplinären Zentrum für Klinische Forschung Würzburg, Deutschland, gefördert [Fördernummer Z-2/CSP-06] und fungiert als Forschungsberater für Siemens Healthineers. Die Abteilung für Diagnostische und Interventionelle Radiologie erhält Forschungsförderung von Siemens Healthineers. Die Autoren dieses Manuskripts erklären keine weiteren Beziehungen zu Unternehmen, deren Produkte oder Dienstleistungen mit dem Thema des Artikels in Zusammenhang stehen könnten.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Kunz, AS, Patzer, TS, Grunz, JP. et al. Reduzierung von Metallartefakten in der ultrahochauflösenden Kegelstrahl-CT-Bildgebung mit einem Doppelroboter-Röntgensystem. Sci Rep 12, 15549 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19978-9

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Eingegangen: 05. März 2022

Angenommen: 07. September 2022

Veröffentlicht: 16. September 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19978-9

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