Wpływ wypełnień stomatologicznych na jakość obrazu w tomografii komputerowej

Transkrypt

1 Czas. Stomat., 2006, LIX, 1 Wpływ wypełnień stomatologicznych na jakość obrazu w tomografii komputerowej The influence of dental fillings on the quality of CT imaging Ingrid Różyło-Kalinowska 1, Magdalena Jurkiewicz-Mazurek 2, Rafał Lenard 3, Agnieszka Czeszyk 3, Monika Łagowska 3 Z II Zakładu Radiologii Lekarskiej AM im prof. Feliksa Skubiszewskiego w Lublinie 1 Kierownik: prof. dr hab. n. med. J. Złomaniec Z Zakładu Radiologii Stomatologicznej i Szczękowo-Twarzowej AM im prof. Feliksa Skubiszewskiego w Lublinie 2 Kierownik: prof. dr hab. n. med. T. K. Różyło Ze Studenckiego Koła Naukowego przy II Zakładzie Radiologii Lekarskiej Akademii Medycznej im prof. Feliksa Skubiszewskiego w Lublinie 3 Opiekun Koła: dr hab. n. med. I. Różyło-Kalinowska Streszczenie Cel pracy: ocena wpływu różnych typów wypełnień stomatologicznych na jakość obrazu w tomografii komputerowej i nasilenie powstających artefaktów. Materiał i metody: w zębach trzonowych usuniętych ze wskazań klinicznych wykonano sztuczne ubytki o objętości około 1 mm 3, które wypełniano różnymi materiałami do wypełnień czasowych i stałych. Badania tomograficzne wypełnionych zębów wykonywano w przekrojach osiowych i czołowych o grubości 2 mm. Obserwowano nasilenie powstających artefaktów oraz mierzono gęstości poszczególnych materiałów wypełnieniowych w jednostkach Hounsfielda. Wyniki: wykazano zależność nasilenia artefaktów od rodzaju materiału wypełniającego, przy czym najbardziej wyrażone artefakty pasmowe pochodziły od wypełnień amalgamatowych. Najniższą gęstością charakteryzowały się materiały chemoutwardzalne. Artefakty pochodzące od wypełnień amalgamatowych uniemożliwiają wiarygodną ocenę w oknie miękkotkankowym i utrudniają ocenę w oknie kostnym. Summary Aim of the study: The evaluation of the influence of various types of dental fillings was undertaken to determine the quality of CT imaging and the intensity of produced artifacts. Material and methods: Molar teeth, which were extracted for clinical reasons, had artificial cavities drilled measuring about 1 mm 3 in volume. These were subsequently restored with a range of materials for temporary and permanent fillings. CTs of filled teeth were made in axial and coronal planes 2 mm thick. The intensity of created artefacts was observed and the density of each filling material was measured in Hounsfield units. Results: It was demonstrated that artefact intensity is related to the kind of filling material used, with amalgams producing the highest intensity. Self-curing materials had the lowest density. Artefacts resulting from amalgam fillings preclude a reliable evaluation in soft-tissue window and make evaluation in bone window difficult. HASŁA INDEKSOWE: tomografia komputerowa, wypełnienia stomatologiczne, artefakty KEYWORDS: computed tomography, dental fillings, artifacts 62

2 2006, LIX, 1 Wypełnienia stomatologiczne a jakość obrazu w TK Wstęp Badania wykonywane metodą tomografii komputerowej stanowią jedną z podstawowych, szeroko rozpowszechnionych technik obrazowania struktur części twarzowej czaszki, zwłaszcza kostnych (7). Do zalet tomografii komputerowej (TK) należy stosunkowo wysoka czułość i swoistość oraz duża dokładność w uwidocznieniu badanych narządów, tkanek i ich nieprawidłowych zmian morfologicznych, zwłaszcza dotyczących kości. Wadą badania jest obciążenie pacjenta dość wysoką dawką promieniowania jonizującego (w porównaniu z rentgenodiagnostyką konwencjonalną) oraz koszt. Jednakże w porównaniu z badaniami TK innych okolic ciała, specyfiką badania części twarzowej czaszki jest pojawianie się w obrazie TK artefaktów spowodowanych wypełnieniami materiałów. Dlatego celem pracy jest ocena wpływu różnych materiałów stosowanych do wypełnień na jakość obrazu w tomografii komputerowej i nasilenie powstających artefaktów. Materiał i metody W badaniach wykorzystano zęby ludzkie trzonowe, usunięte ze wskazań klinicznych, w których mechanicznie opracowano ubytki o standardowych wymiarach około 1 mm x 1 mm x 1mm (1 mm 3 ). Następnie ubytki wypełniano różnymi materiałami do wypełnień czasowych i stałych, takimi jak: amalgamat, tlenek cynku, wodorotlenek wapnia, fleczer, materiały chemoutwardzalne: cement szkło-jonomerowy ChemFil oraz materiał złożony Isopast, jak też światłoutwardzalne materiały złożone Herculite, Tetric, T-econom i Wave oraz kompomer światłoutwardzalny Dyract. Badania tomograficzne wypełnionych zębów unieruchomionych w nakładce zapewniającej powtarzalność ustawienia wykonywano aparatem TK Somatom AR.T (Siemens). Badania wykonano w przekrojach osiowych i czołowych o grubości 2 mm. Obserwowano nasilenie powstających artefaktów oraz mierzono gęstości poszczególnych materiałów wypełnieniowych w jednostkach Hounsfielda. Wyniki Wyniki uśrednionych pomiarów średniej, minimalnej i maksymalnej gęstości materiałów wypełnieniowych wyrażonej w jednostkach Hounsfielda zawarto w tab. I. Najniższymi gęstościami średnimi oraz minimalnymi cechowały się materiały chemoutwardzalne oraz światłoutwardzalny kompomer. Materiały światłoutwardzalne takie, jak Herculite i Wave cechowała również niska gęstość średnia, ale wyższa gęstość minimalna niż materiały chemoutwardzalne. Wyższe gęstości odnotowano dla fleczeru oraz światłoutwardzalnych materiałów złożonych Tetric i T-econom. Jednymi z najwyższych gęstości cechował się amalgamat. Przykłady nasilenia artefaktów dla różnych materiałów wypełnieniowych przedstawiono na rycinach 1-4. Stwierdzono, że rodzaj wypełnienia ma wpływ na jakość obrazu w TK i powstające artefakty. Najbardziej wyrażone artefakty pasmowe pochodziły od wypełnień amalgamatowych (ryc. 1). W praktyce klinicznej artefakty pochodzące od wypełnień amalgamatowych uniemożliwiają wiarygodną ocenę w oknie miękkotkankowym (ryc. 5) i utrudniają ocenę w oknie kostnym (ryc. 6). Dyskusja Badanie TK ze względu na swoje zalety jest ważnym narzędziem diagnostycznym od ponad 30 lat i znalazło trwałe miejsce w algorytmie badań diagnostycznych zmian patologicznych części twarzowej czaszki (4, 7). Jednakże artefakty pasmowe to jedna z głównych grup artefaktów związanych z tomografią komputerową (1, 3). Z reguły artefakt jest wywołany niezgodnością w pomiarach próbek projekcyjnych. Gdy w pomiarach próbek projekcyjnych dojdzie do powstania niezgodności, dane z sąsiadujących linii 63

3 I. Różyło-Kalinowska i in. Czas. Stomat., T a b e l a I. Gęstość materiałów wypełnieniowych podana w jednostkach Hounsfielda Gęstość średnia Gęstość maksymalna Gęstość minimalna Odchylenie standardowe Amalgamat Fleczer Tlenek cynku Wodorotlenek wapnia Materiały chemoutwardzalne: Chem-fil Isopast Materiały światłoutwardzalne: Dyract Herculite Tetric T-econom Wave wywołają powstanie pasm w obrazie w trakcie procesu rekonstrukcji. Taka niezgodność może być wynikiem ruchów pacjenta, zjawiska aliasingu, mechanicznych usterek tomografu, zbyt małym próbkowaniem danych czy też zjawiskiem uśredniania objętości (1, 3). Jednakże najważniejszym źródłem artefaktów pasmowych są metale (1). Obecność w badanym obiekcie metalu o wysokiej liczbie atomowej powoduje zwiększone osłabianie promieniowania rentgenowskiego przez metalowy obiekt, co oznacza, że mniej fotonów dociera do rzędu detektorów, a w obrazie Ryc. 1. Nasilone artefakty w oknie miękkotkankowym i kostnym pochodzące od amalgamatu. 64

4 2006, LIX, 1 Wypełnienia stomatologiczne a jakość obrazu w TK Ryc. 2. Słabo intensywne artefakty pasmowe wywołane przez wodorotlenek wapnia. Ryc. 3. Materiał chemoutwardzalny nie generuje nasilonych artefaktów zarówno w oknie kostnym, jak i miękkotkankowym. pojawiają się wyraźne ciemne i jasne pasma (8). Przyczyną jest szum, nieliniowy efekt uśredniania objętości, utwardzanie wiązki promieniowania rentgenowskiego oraz rozproszenie (1). Artefakty w dużym stopniu obniżają jakość obrazu, zwłaszcza w sąsiedztwie powierzchni metali (8). Wiele artefaktów pasmowych może naśladować zmiany patologiczne lub prowadzić do błędnych rozpoznań. Nasilone artefakty pasmowe mogą przesłaniać struktury anatomiczne i sprawiać, że przekroje TK nie są w ogóle przydatne w diagnostyce klinicznej. Dlatego też nie- 65

5 I. Różyło-Kalinowska i in. Czas. Stomat., Ryc. 4. Przykład artefaktów wywoływanych przez wypełnienie z materiału światłoutwardzalnego. Ryc. 5. Silne artefakty pasmowe w oknie; A miękkotkankowym w przekroju osiowym, B czołowym znacznie utrudniające ocenę tkanek miękkich dna jamy ustnej i języka oraz uniemożliwiające wiarygodny pomiar gęstości. zwykle ważnym jest zrozumienie przyczyn powstawania tych artefaktów i opracowanie schematów pozwalających na ich ograniczenie lub eliminację (1-3, 5, 6, 8). Najprostszą metodą rozwiązania problemu występowania artefaktów jest zwiększenie przenikliwości fotonów promieniowania rentgenowskiego. Można to osiągnąć zwiększając maksymalną energię fotonów generowanych przez lampę rentgenowską (np. z 120 do 140 kv). Jednakże konsekwencją jest pojawienie się szumu w obrazie oraz niska kontrastowość. Stąd w 66

6 2006, LIX, 1 Wypełnienia stomatologiczne a jakość obrazu w TK Ryc. 6. Artefakty generowane przez wypełnienia amalgamatowe są przyczyną artefaktów pasmowych również w obrazach w oknie kostnym, choć ich nasilenie jest mniejsze. wielu przypadkach klinicznych metoda ta nie może być stosowana. Alternatywną metodą jest zwiększenie liczby fotonów docierających do badanego obiektu, co jest osiągane za pomocą podwyższenia natężenia w lampie rentgenowskiej. Powoduje to jednak zwiększenie narażenia pacjenta na promieniowanie rentgenowskie, jak też wydłużenie czasu chłodzenia lampy rentgenowskiej oraz skrócenie czasu żywotności lampy. Dlatego też do eliminacji lub ograniczania artefaktów stosowane są różne techniki obróbki obrazu (3, 4). Niektóre z nich dotyczą obróbki tzw. surowych danych (ang. raw data). Inne mają na celu zwiększenie jakości obrazu w domenie przestrzennej, a więc są to techniki obróbki obrazu (postprocessingu), które nie wykorzystują zmierzonych wartości osłabienia promieniowania rentgenowskiego ani statystyki fotonów. Dlatego też korzystniejsze jest jednak filtrowanie surowych danych, którego słabością jest filtrowanie tylko w jednym wymiarze oraz stosunkowo długi czas rekonstrukcji obrazu (4). Opracowano wiele opcji filtrowania danych przede wszystkim z myślą o zastosowaniach w obrazowaniu w stomatologii, ortopedii, onkologii i medycynie wojskowej (8). Metody usuwania artefaktów z obrazu oparte są na algorytmie zmodyfikowanej rekonstrukcji, w którym obiekty metalowe są uznawane za cieniujące, a dane odpowiadające promieniom przechodzącym przez te obiekty traktowane są jako brakujące dane. Takie brakujące dane są odtwarzane za pomocą interpolacji liniowej lub wielomianowej, rozpoznawania wzoru, jak też metod predykcji liniowej. Stosowane są również metody wielokrotnościowe, które są modyfikowane w taki sposób, aby ignorować brakując dane (1). Najprostszą metodą eliminacji artefaktów pochodzących od metali pozostaje stosowanie innych materiałów, w mniejszym stopniu osłabiających promieniowanie rentgenowskie (1). W praktyce dotyczy to używania tytanu lub wszczepów o mniejszych rozmiarach. Analogicznie u osób, u których w najbliższej przyszłości zachodzi prawdopodobieństwo konieczności wykonania badania TK części twarzowej czaszki, polecane jest stosowanie wypełnień innych niż amalgamatowe, gdyż jak wykazano w badaniach własnych, cechują się one najwyższą gęstością spośród analizowanych materiałów oraz generują najbardziej nasilone artefakty. W miarę możliwości można rozważyć wymianę wypełnień amalgamatowych przed planowym badaniem TK. W materiale własnym wykazano, że materiały światło i chemoutwardzalne generują znacznie mniej artefaktów w obrazie. Cechuje je też niższa gęstość wyrażona w jednostkach Hounsfielda, a więc mniejszy współczynnik liniowego osłabiania promieniowania jonizującego. Sprawia to, że obecność wypełnień z materiałów złożonych jest korzystniejsza dla jakości obrazu w badaniu części twarzowej czaszki metodą TK. Wnioski 1. Stwierdzono wpływ obecności wypełnień stomatologicznych na jakość obrazu w badaniu TK. 67

7 I. Różyło-Kalinowska i in. Czas. Stomat., 2. Wykazano zależność nasilenia artefaktów od rodzaju materiału wypełniającego, przy czym najbardziej wyrażone artefakty pasmowe były spowodowane wypełnieniami z amalgamatu. 3. Artefakty pochodzące od wypełnień amalgamatowych uniemożliwiają wiarygodną ocenę w oknie miękkotkankowym i utrudniają ocenę w oknie kostnym. 4. U osób, u których w najbliższej przyszłości zachodzi prawdopodobieństwo konieczności wykonania badania TK części twarzowej czaszki, polecane jest stosowanie wypełnień innych niż amalgamatowe, a nawet w miarę możliwości wymiana wypełnień amalgamatowych przed badaniem TK. Piśmiennictwo 1. De Man B., Nuyts J., Dupont P., Marchal G, Suetens P.: Reduction of metal streak artifacts in x- ray computed tomography using a transmission maximum a posteriori algorithm. IEEE Trans. Nucl. Sci., 2000, 47, De Man B., Nuyts J.: Metal streak artifacts in X-ray computed tomography: A simulation study. IEEE Trans. Nucl. Sci., 1999, 46, Hsieh J.: Adaptive streak artifact reduction in computed tomography resulting from excessive x-ray photon noise. Med. Phys., 1998, 25, Kachelriess M., Watzke O., Kalender W. A.: Generalized multi-dimensional adaptive filtering for conventional and spiral single-slice, multislice and cone-beam CT. Med. Phys., 2001, 28, Kalender W. A., Heberl R., Ebersberger J.: Reduction of CT artifacts caused by metallic implants. Radiol., 1987, 164, Restrepo A., Bovic A. C.: Adaptive trimmed mean filters for image restoration. IEEE Transaction on acoustic, speech and signal processing. 1988, 36, Różyło-Kalinowska I., Różyło T. K., Tomaszewski T.: Algorytm zastosowania technik obrazowania w diagnostyce złamań środkowego piętra części twarzowej czaszki o bocznej strefie przyłożenia w klasyfikacji według Wanyury. Czas. Stomat., 2000, 53, Wang G., Snyder D. L., O Sullivan A., Vannier M. W.: Iterative deblurring for CT metal artifact reduction. IEEE Trans. Med. Imag., 1996, 15, Otrzymano: dnia 4.V.2005 r. Adres autorów: Lublin, ul. Dudzińskiego