コーンビームコンピュータトモグラフィーにおけるカスタマイズされた軌道の最適化

Optimization for customized trajectories in Cone Beam Computed Tomography.

• Sepideh Hatamikia
• Ander Biguri
• Gernot Kronreif
• Joachim Kettenbach
• Tom Russ
• Hugo Furtado
• Lalith Kumar Shiyam
• Martin Buschmann
• Ewald Unger
• Michael Figl
• Dietmar Georg
• Wolfgang Birkfellner

抄録

目的:

我々は、事前の画像情報を組み込むことにより、制約のない3次元(3D)のソース-ディテクタ軌道を最適化するためのターゲットベースのコーンビームコンピュータトモグラフィ(CBCT)イメージングフレームワークを開発した。我々の主な目的は、最小限の投影数で、限られた角度の非円形スキャン軌道を使用して、ターゲットに関する局所的な情報を提供するCBCTシステムを可能にすることである。このようなカスタマイズされた軌跡は、患者のサイズまたは追加の外科的または放射線治療関連の機器に起因する可能性のある運動学的制約の下で、特定の関心領域（ＶＯＩ）を十分に再構成するのに十分な情報を含むべきである。

PURPOSE: We developed a target-based cone beam computed tomography (CBCT) imaging framework for optimizing an unconstrained three dimensional (3D) source-detector trajectory by incorporating prior image information. Our main aim is to enable a CBCT system to provide topical information about the target using a limited angle non-circular scan orbit with a minimal number of projections. Such a customized trajectory should include enough information to sufficiently reconstruct a particular volume of interest (VOI) under kinematic constraints which may result from the patient size or additional surgical or radiation therapy related equipment.

方法:

事前の診断用CT（Computed Tomography）ボリュームからの患者固有のモデルは、CBCT軌道シミュレーションのためのデジタルファントムとして使用されます。最適な投影ビューの選択は、デジタルファントムデータ上の異なるX線位置によって提供される画像品質によって与えられる客観関数を最大化することによって達成されます。最終的に最適化された軌跡は、限られた角度範囲と最小限の投影数を含み、これは一般的なソース-検出器の位置決めが可能なCアーム装置に適用することができます。提案したフレームワークの性能は、アルダーソン-ランドヘッドファントムと同様に、球状のターゲットを含む自作のボックスファントムを用いた実験で調査されています。再構成された画像の画質を定量化するために、球体ターゲットの平均全幅半値最大値(FWHM )と解剖学的ターゲットの特徴SIMilarity Index (FSIM)、Universal Quality Image (UQI)、Contrast-to-Noise Ratio (CNR)を使用しています。

METHODS: A patient specific model from a prior diagnostic computed tomography (CT) volume is used as a digital phantom for CBCT trajectory simulations. Selection of the best projection views is accomplished through maximizing an objective function fed by the imaging quality provided by different x-ray positions on the digital phantom data. The final optimized trajectory includes a limited angular range and a minimal number of projections which can be applied to a C-arm device capable of general source-detector positioning. The performance of the proposed framework is investigated in experiments involving an in-house-built box phantom including spherical targets as well as an Alderson-Rando head phantom. In order to quantify the image quality of the reconstructed image we use the average Full-Width-Half-Maximum (FWHM ) for the spherical target and Feature SIMilarity Index (FSIM), Universal Quality Image (UQI) and Contrast-to-Noise Ratio (CNR) for an anatomical target.

結果:

ボックスファントムとヘッドファントムの両方を用いた実験では、最適化された軌道は、標準的なCアーム円形CBCTと比較して、約4分の1の投影を使用しながら、VOIにおいて同等の画質を達成できることが示された。最適化された軌跡から再構成された画像と標準的なCアームCBCTとの間のFWHMの相対偏差は7%未満であり、すべての球体ターゲットで達成された。さらに、解剖学的ターゲットについては、提案軌道に関連した再構成画像と標準Cアーム円形CBCTとの間のFSIM、UQI、CNRの相対偏差は、それぞれ5.06%、6.89%、8.64%であることがわかった。また，提案軌道と同等のサンプリング角を持つ円形軌道を最適化軌道として比較した．その結果、VOIにおいては、最適化された軌道が単純な部分的な円軌道よりも画質の面で優れていることがわかりました。一般的に、最適化された軌道には116°～152°の角度範囲が使用されています。

RESULTS: Our experiments based on both the box and head phantom showed that optimized trajectories could achieve a comparable image quality in the VOI with respect to the standard C-arm circular CBCT while using approximately one quarter of projections. We achieved a relative deviation less than 7% for FWHM between the reconstructed images from the optimized trajectories and the standard C-arm CBCT for all spherical targets. Furthermore, for the anatomical target the relative deviation of FSIM, UQI and CNR between the reconstructed image related to the proposed trajectory and the standard C-arm circular CBCT were found to be 5.06%, 6.89% and 8.64% respectively. We also compared our proposed trajectories to circular trajectories with equivalent angular sampling as the optimized trajectories. Our results show that optimized trajectories can outperform simple partial circular trajectories in the VOI in term of image quality. Typically, an angular range between 116°- 152° was used for the optimized trajectories.

結論:

我々は、3次元空間内で最適化された配向を持つ限られた角度の非円形軌道を適用することで、特定の画像ターゲットに対して適切な画質を提供することができ、強い空間的制約の下での限られた角度と低線量のCBCTベースの介入の可能性があることを実証した。

CONCLUSION: We demonstrated that applying limited angle non-circular trajectories with optimized orientations in 3D space can provide a suitable image quality for particular image targets and has a potential for limited angle and low-dose CBCT-based interventions under strong spatial constraints.

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