English Title: Adaptive Cone-Beam Scan Trajectories for Interventional Applications

Preview

PDF, German Download (44MB) | Terms of use

Abstract

Adaptive Cone-Beam Scan-Trajektorien für interventionelle Anwendungen Die interventionelle Röntgenbildgebung stellt Ärzten während minimalinvasiven Eingriffen Informationen über die Patientenmorphologie bereit. Sie muss aber aufgrund der gewebeschädigenden Wirkung mit Bedacht eingesetzt werden. Derzeit können Ärzte nur zwischen dosisarmen Röntgenprojektionen ohne Tiefeninformation und strahlungsintensiven Cone-Beam- Computertomografien mit Tiefeninformation wählen. Viele medizinische Anwendungen wie Positionskontrollen erfordern zwar Tiefeninformation, aber keinen vollständigen 3D-Datensatz. Adaptive Scan-Trajektorien können diese Lücke schließen, indem sie Objekte gezielt unterabtasten und die relevanten Informationen so dosiseffizient in Erfahrung bringen. In dieser Arbeit wird eine Methode präsentiert, die eine Implementierung von neuen adaptiven Scan-Trajektorien an einem C-Bogen-System erlaubt. Am Beispiel einer Klasse von Scan-Trajektorien, der zirkulären Tomosynthese (ZT), wurde die Realisierbarkeit der Methode demonstriert. Streustrahlenmessungen ergaben, dass die ZT eine vorteilhaftere Streustrahlenverteilung als die klassischen 3D-Trajektorien aufweist. In kritischen Körperpartien wie oberer Torso und Gesicht, wurde eine geringere relative Dosis von 75% und 46% (ZT) als bei klassischen Trajektorien (100% und 63%) gemessen. Die Scan-Trajektorien wurden mit einer Kalibrierung kombiniert, die auch eine retrospektive Kalibrierung an beliebigen Positionen im Interventionsraum erlaubt. In Streßtests konnten die Positionen von Metallkugeln eines Evaluierungsphantoms mit einer mittleren Genauigkeit von (0,01 ± 0,08) mm und einer mittleren Radiusabweichung von (0,13 ± 0,07) mm bestimmt werden. Bei einer Voxelgröße von 0,48 mm sind die Abweichungen kleiner als die Messgenauigkeit des bildgebenden Systems. Die untersuchten Trajektorien verwenden nur ein Viertel bis ein Fünftel der Projektionen herkömmlicher 3D-Trajektorien. Die Unterabtastung des Objekts und die Dosiseinsparung verursachen Artefakte in den Bilddaten. Mithilfe eines vorwissenbasierten Ansatzes konnten diese Artefakte minimiert und die Bildqualität auf die eines konventionellen 3D-Datensatzes verbessert werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass adaptive Scan-Trajektorien die interventionelle Röntgenbildgebung um einen neuen Bildgebungsmodus erweitern können, der gegenüber derzeitigen Bildgebungsmodi relevante Bildinformationen bei reduzierter Dosis akquiriert.

Translation of abstract (English)

Adaptive Cone-Beam Scan Trajectories for Interventional Applications Interventional x-ray imaging provides physicians with morphological information of patients during minimally invasive procedures. However, due to its tissue-damaging effect, it must be used cautiously. Currently, physicians can either acquire X-ray projections without depth information or radiation-intensive cone-beam computed tomographies with depth information. Many medical applications such as position control require depth information, but not a complete 3D data set. Adaptive scan trajectories can provide a third option by intentionally undersampling an object and thus acquiring the relevant information in a more dose-efficient way. This thesis presents a method that allows the implementation of new adaptive scan trajectories on a C-arm system. The feasibility of this concept was demonstrated by implementing a certain class of adaptive scan trajectories, so-called circular tomosynthesis (ZT) on a C-arm system. Scatter radiation measurements showed that the ZT has a more advantageous scatter radiation distribution than the classical 3D trajectories. In critical parts of the body such as the upper torso and face of the physician, a lower relative dose of 75 % and 46 % (ZT) was measured compared to the conventional trajectories (100 % and 63 %). The scan trajectories were combined with a calibration, which is also capable of doing retrospective calibrations at any position in the interventional room. In stress tests, it was possible to determine the positions of metal balls of an evaluation phantom with a mean accuracy of (0.01 ± 0.08) mm and a mean radius deviation of (0.13 ± 0.07) mm. With a voxel size of 0.48 mm, the deviations are smaller than the resolution of the imaging system. The investigated trajectories use only a quarter to a fifth of the projections of conventional 3D trajectories. Through undersampling the object and thus saving dose, artifacts are introduced into the image data. Using a knowledge-based approach, these artifacts were minimized and the image quality was enhanced to that of a 3D dataset. The results of this work show that adaptive scan trajectories could introduce a new imaging protocol in interventional X-ray imaging that can acquire relevant image information at lower radiation doses than current imaging protocols.