Evaluierung iterativer Rekonstruktionsverfahren zur Optimierung der Bildqualität und Reduktion von Metallartefakten in der Computertomographie

Zusammenfassung
In dieser Studie wurde der Einfluss des iterativen Rekonstruktionsverfahrens SAFIRE und des iterativen Verfahrens zur Metallartefaktreduktion iMAR auf die Bildqualität untersucht. SAFIRE konnte das Bildrauschen um bis zu 50% oder die Dosis um bis zu 70% reduzieren. Der optische Bildeindruck verbessert sich durch die Metallartefaktreduktion iMAR signifikant, die quantitativen Parameter zur Beschreibung der Metallartefakte zeigen jedoch keine klare Verbesserung. Die erzielten Verbesserungen durch iMAR sind daher nicht ausreichend, um eine hochpräzise Protonentherapie gewährleisten zu können.

Abstract
In this study the influence of the iterative reconstruction method SAFIRE and the iterative method for metal artifact reduction iMAR on the image quality was investigated. SAFIRE was able to reduce the noise by 50% or the dose by 70%. The visual impression could be significantly improved by iMAR, although the quantitative parameters for the description of metal artifacts depend strongly on the investigated scan region. The achieved improvements by iMAR are not sufficient to ensure high precision proton therapy.

Einleitung
CT-Aufnahmen, die zur Bestrahlungsplanung verwendet werden, müssen hohe Qualitätsanforderungen erfüllen. Dies gilt insbesondere bei der Anwendung in der Protonentherapie. Es ist dabei entscheidend, dass sich CT-Zahlen für spezifische Gewebe trotz unterschiedlicher Patientenanatomie, das heißt unterschiedliche Strahlaufhärtungsverhältnisse, nicht unterscheiden, da auf deren Grundlage die Protonreichweite im Patienten berechnet wird.
Zunehmend werden von den CT-Herstellern iterative Rekonstruktionsverfahren angeboten, deren Auswirkung auf die strahlentherapeutische Anwendung evaluiert werden sollte. Ein Ziel dieser Untersuchung war den Einfluss des iterativen Rekonstruktionsverfahrens SAFIRE (Siemens Healthcare, Forchheim, Deutschland) auf Strahlaufhärtung und Bildrauschen in Abhängigkeit von der applizierten CT-Dosis für Single-energy (SECT) und Dual-energy (DECT) CT-Scans zu quantifizieren. Weiterhin wurde das iterative Verfahren zur Metallartefaktreduktion iMAR (Siemens Healthcare, Forchheim, Deutschland) auf CT-Aufnahmen mit Metallimplantaten angewendet, um dessen Effekt auf die Ausprägung von Metallartefakten zu analysieren.

Material und Methoden
Für die klinische Charakterisierung von SAFIRE hinsichtlich Bildrauschen und Strahlaufhärtung wurden 11 gewebeäquivalente Materialien, 5 Kunststoffe und Aluminium in einem Siemens SOMATOM Definition AS CT-Scanner in drei verschiedenen Messaufbauten, die unterschiedliche Körperregionen simulieren, aufgenommen. Hierbei wurde zum Einen bei konstanter Dosis (CTDIvol32cm = 28.5 mGy) die Hochspannung (80, 100, 120, 140 kV) und zum Anderen bei konstanter Hochspannung (SECT: 120kV, DECT: 80/140kV) die Dosis variiert (CTDIvol32cm = 28.3, 18.3, 8.1 mGy")" . Außerdem wurde der Einfluss von SAFIRE auf aus DECT-Scans berechneten pseudo-monoenergetischen CT-Datensätzen unterschiedlicher Energie (gewichtete Summe beider DECT-Aufnahmen) quantifiziert.
Die Evaluierung von iMAR erfolgte mit Hilfe eines Kopfphantoms der Firma CIRS (Norfolk, Virginia, USA), welches aufgrund eines Metallimplantates im Wirbelkörper und eines austauschbaren Zahnes (mit und ohne Metallfüllung) unterschiedlich stark ausgeprägte Artefakte aufweist. Für die Analyse wurden in ausgewählten Bereichen des Phantomes Konturen festgelegt, die von Metallartefakten beeinflusst werden. Für jede Kontur wurde anhand der mittleren CT-Zahl sowie deren Standardabweichung die Artefaktausprägung quantitativ evaluiert. Des Weiteren wurde der optische Bildeindruck von CT-Datensätzen, die mit iMAR rekonstruiert wurden, durch drei Ärzte und sechs Medizinphysikexperten (MPEs) bewertet. Mit dem Mann-Whitney-U-Test wurden die unterschiedlichen Bildeindrücke auf Signifikanz überprüft.

Ergebnisse
Die Abweichungen materialspezifischer CT-Zahlen zwischen gefilterter Rückprojektion (FBP) und iterativer Rekonstruktion mit SAFIRE sind für alle Messaufbauten stets kleiner als 3 HU. Da SAFIRE somit keinen relevanten Einfluss auf die im Rekonstruktionskern integrierte Strahlaufhärtungskorrektur hat, enthält ein mit SAFIRE rekonstruierter CT-Scan dieselben Materialeigenschaften wie ein FBP-Datensatz. Durch die Anwendung von SAFIRE kann jedoch das Bildrauchen um bis zu 50% für SECT-Scans und pseudo-monoenergetische CT-Datensätze im Vergleich zur FBP reduziert werden (Abb. 1). Um ein vergleichbares Bildrauschen zwischen FBP und SAFIRE zu erreichen, kann die applizierte CT-Dosis für SAFIRE-Rekonstruktionen um bis zu 70% reduziert werden (Abb. 1a).
Das iterative Verfahren iMAR kann zur Reduktion von Metallartefakten beitragen, wobei der Effekt stark vom betrachteten Bildbereich und der nach Anwendungsgebiet optimierten Korrektur (z. B. für Zahn-, Hüft oder Wirbelimplantate) abhängen. In artefaktreichen Gebieten kann iMAR zu einer Verringerung von Metallartefakten von bis zu 75% führen, wobei in artefaktarmen Gebieten teilweise künstliche Bildfehler erzeugt werden, die sich in einer bis zu 4-fach erhöhten Standardabweichung widerspiegeln. Der optische Bildeindruck kann durch iMAR für Ärzte und MPEs signifikant (p < 0,01) verbessert werden.

Diskussion und Zusammenfassung
Das iterative Rekonstruktionsverfahren SAFIRE kann basierend auf den Ergebnissen dieser Studie für die Bestrahlungsplanung in der Protonentherapie eingesetzt werden. Die durch den CT-Scan in den Patienten eingetragene Dosis kann durch SAFIRE ohne Bildqualitätsverlust deutlich reduziert werden. -Dies ist insbesondere für notwendige engmaschige Kontroll-CT-Aufnahmen während der Protonentherapie von Bedeutung. Diese sind in vielen Fällen notwendig, um den hohen Präzisionsanspruch der Protonentherapie und gegebenenfalls die rechtzeitige Planadaptation zu gewährleisten.
Mit Hilfe des iterativen Verfahrens iMAR können Metallartefakte in Abhängigkeit vom Anwendungsgebiet reduziert werden. Aufgrund des signifikant verbesserten optischen Bildeindruckes kann iMAR zu einer besseren Abgrenzung von Tumor bzw. Risikoorganen beitragen, die anderweitig durch Metallartefakte überlagert werden. Jedoch sind die Verbesserungen nicht ausreichend, um eine präzise Protonenreichweite und Dosisberechnung gewährleisten zu können, wodurch Metallartefakte weiterhin ein Ausschlusskriterium für die Protonentherapie sind. Darüber hinaus ist eine ausschließliche Verwendung von iMAR aufgrund von Bildveränderungen in nicht betroffenen Gebieten nicht zu empfehlen. Es sollten stets die CT-Bilder mit der Standardrekonstruktion verglichen werden.