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Development and validation of two novel x-ray filters in computed tomography with focus on fluence modulation for region-of-interest imaging
Development and validation of two novel x-ray filters in computed tomography with focus on fluence modulation for region-of-interest imaging
Die Röntgen-Computertomographie (CT) hat sich zu einem zentralen Element der klinischen Bildgebung entwickelt. Sie liefert Schichtbilder, die sich durch eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung bei sehr kurzen Aufnahmezeiten auszeichnen. Allerdings verwendet die CT zur Bildaufnahme ionisierende Röntgenstrahlung, die ein potenzielles Gesundheitsrisiko für den Patienten darstellt. Über die Jahre wurden viele Maßnahmen ergriffen, um die Strahlendosis zu reduzieren. Ein Ansatz ist die dynamische Vorfilterung des Röntgenstrahls, um die Abschwächung der Röntgenstrahlung durch den Patienten, die über die Projektionen und die Fächerstrahlbreite variiert, zu kompensieren. Bowtie-Filter moderner CT Systeme nach dem Stand der Technik sind jedoch statische Vollkörper und können sich nicht an die individuelle Patientenschwächung anpassen. Eine Lösung für patienten- und aufgabenspezifische CT Bildgebung ist die Modulation des Fluenzbereichs (FFM) unter Verwendung eines dynamischen Strahlabschwächers (DBA). DBAs ermöglichen es, die Röntgenfluenz während der Datenaufnahme anzupassen. Existierende DBA-Konzepte zeigen jedoch grundsätzliche Schwachstellen (z.B. zu groß oder zu langsam), die eine Realisierung in klinischen CT Systemen ausschließen. In dieser Thesis wurden zwei grundlegend neue DBA-Konzepte entwickelt, um die mangelnde Flexibilität derzeitiger Bowtie-Filter und die Einschränkungen bisheriger DBA-Ansätze zu überwinden. Der lamellenbasierte DBA (sbDBA) besteht aus einer Anordnung von stark röntgenabsorbierenden Lamellen. Je nach Verkippung des sbDBA verändert sich die Transmission durch den sbDBA – vergleichbar mit Jalousien. Auch der artverwandte, z-ausgerichtete sbDBA (z-sbDBA) besitzt Absorptionslamellen zur FFM, verwendet jedoch eine überarbeitete Strukturierung und eine einfachere Mechanik. Ausgehend von einfachen Skizzen wurden reale Prototypen des sbDBA und des z-sbDBA gebaut und in ein klinisches CT System integriert. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden das modifizierte CT System und Monte-Carlo Simulationen, die dieses CT System nachbilden, verwendet, um die DBAs zu untersuchen. In Versuchsmessungen konnten beide DBAs verschiedene Transmissionprofile erzeugen und somit FFM – die Hauptfunktion eines DBA – realisieren. Während der sbDBA auch die Verschiebung der Maximaltransmission erlaubte, wurden mit dem z-sbDBA geeignetere Verläufe der Transmissionsprofile erzielt. Ein Vergleich spektraler Abhängigkeit der Transmission und DBA-induzierter Streustrahlung zeigte bemerkenswerte Vorteile gegenüber herkömmlichen Bowtie-Filtern. Obwohl einzelne Ringartefakte in ersten Bildrekonstruktionen Herausforderung hinsichtlich der mechanischen Stabilität der DBAs aufzeigten, war die Bildqualität insgesamt vielversprechend. Im zweiten Teil wurde das Potenzial für Zielvolumen (ROI) Bildgebung untersucht, bei der nur ein bestimmter Bereich mit hoher Qualität dargestellt und im umliegenden Gewebe die Dosis minimiert wird. Zunächst wurde hierzu ein Optimierungskriterium entwickelt, mit dem die Kippbewegungen der DBAs hinsichtlich eines diagnostischen Ziels optimiert werden. Dabei soll die Patientendosis minimiert und die Bildqualität innerhalb der ROI maximiert werden. Die erzeugten DBA-Trajektorien passten die emittierte Röntgenfluenz an die Geometrie der ROI an. Anschließend wurden verschiedene FFM-Konfigurationen, einschließlich Röhrenstrommodulation und zweier Bowtie-Filter, mit den DBAs bezüglich ihrer Dosiseffizienz bei ROI-Bildgebung verglichen. Es zeigte sich, dass die DBAs die Röntgenstrahlung effizienter einsetzten als Bowtie-Filter moderner CT Systeme: Bei Verwendung der DBAs konnten die ROIs bei gleichbleibender Bildqualität mit bis zu 30 % (z-sbDBA) bzw. 60 % (sbDBA) weniger Dosis im Vergleich zu einem typischen Bowtie-Filter dargestellt werden. In dieser Arbeit wurden zwei neuartige DBA-Konzepte entwickelt und in ein klinisches CT System installiert. Diese DBAs wurden hinsichtlich FFM erfolgreich validiert und zeigten bei ROI-Bildgebung erhebliches Dosiseinsparpotential im Vergleich zu heutiger FFM-Technik. Die vielversprechenden Ergebnisse bilden eine Grundlage für zukünftige Dosisreduktionen und ebnen den Weg für ROI-Bildgebung in der CT Diagnostik., X-ray computed tomography (CT) imaging has become a workhorse of today’s clinical imaging. It provides cross-sectional diagnostic images featuring high temporal and spatial resolution at very short acquisition times. However, CT images are acquired using x-rays, which bears a potential health detriment to the patient due to ionization radiation. Over the decades, many efforts have been undertaken to reduce the radiation burden. One approach is to employ dynamic pre-filtration of the x-ray beam to compensate for the patient’s x-ray attenuation that changes across the projections and the fan beam angle. State-of-the-art bowtie filters in clinical CT systems, however, are static and therefore cannot adapt to patient attenuation individually. A solution for patient- and task-specific CT imaging is fluence field modulation (FFM) by employing a dynamic beam attenuator (DBA). DBAs are capable of adapting the x-ray fluence during the data acquisition. Existing DBA concepts, however, suffer from inherent limitations (e.g., too large or too slow) that preclude an implementation in clinical CT systems. In this thesis, two fundamentally new DBA concepts were developed to overcome the lack of flexibility of present bowtie filters and the pitfalls of previous DBA approaches. The sheet-based DBA (sbDBA) was composed of an array of highly x-ray attenuating sheets. Depending on the way the sbDBA was tilted, the transmission through the sbDBA changed – comparable to Persian blinds. Likewise, the z-aligned sbDBA (z-sbDBA) employed attenuation sheets for FFM, although it used a revised structuring and simplified mechanics. Starting from simple sketches, physical prototypes of the sbDBA and the z-sbDBA were built and integrated into a clinical CT system. In the first part of this thesis, the DBAs were investigated using the modified CT system and Monte Carlo simulations mimicking this CT system. In experimental measurements, both DBAs were able to realize a wide range of transmission profiles and therefore successfully demonstrated their feasibility of FFM — the key function of a DBA. While the sbDBA allowed to shape the transmission profiles more flexibly by shifting the peak transmission also laterally, the z-sbDBA realized more suitable shapes. A comparison regarding the spectral dependency of the transmission and attenuator-induced scatter revealed remarkable advantages over conventional bowtie filters. Although ring artifacts in first-time image reconstructions unveiled challenges concerning the mechanical reliability of the DBAs, the overall image quality was promising. In the second part, the potential for region-of-interest (ROI) imaging, where only a specific region is imaged at high quality while the dose is minimized in surrounding tissue, was explored. In the first step, an optimization objective was developed to optimize the angular movements of the DBA regarding a given imaging task. The optimization aims at minimizing the patient dose and maximizing the image quality inside the ROI. The optimized DBA movements reasonably adapted the emitted x-ray fluence to the geometry of the ROI. In the second step, different FFM configurations, including tube current modulation and different bowtie filters, were compared with the DBAs regarding their dose efficiency in ROI imaging. The DBAs were shown to exploit the x-ray radiation more efficiently than the bowtie filters of modern CT systems: using the DBAs, the ROIs were imaged with up to 30 % (z-sbDBA) or 60 % (sbDBA) less radiation dose compared to a typical bowtie filter while maintaining the image quality in the ROI. In conclusion, two novel DBA concepts were developed and installed into a clinical CT system. These DBAs were successfully validated regarding FFM and demonstrated a remarkable dose saving potential in ROI imaging compared to state-of-the-art FFM technology. The promising results give rise for future radiation dose reductions and pave the way to ROI imaging in diagnostic CT.
medical physics, medical imaging, computed tomography, ROI imaging
Huck, Sascha Manuel
2021
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Huck, Sascha Manuel (2021): Development and validation of two novel x-ray filters in computed tomography with focus on fluence modulation for region-of-interest imaging. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Die Röntgen-Computertomographie (CT) hat sich zu einem zentralen Element der klinischen Bildgebung entwickelt. Sie liefert Schichtbilder, die sich durch eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung bei sehr kurzen Aufnahmezeiten auszeichnen. Allerdings verwendet die CT zur Bildaufnahme ionisierende Röntgenstrahlung, die ein potenzielles Gesundheitsrisiko für den Patienten darstellt. Über die Jahre wurden viele Maßnahmen ergriffen, um die Strahlendosis zu reduzieren. Ein Ansatz ist die dynamische Vorfilterung des Röntgenstrahls, um die Abschwächung der Röntgenstrahlung durch den Patienten, die über die Projektionen und die Fächerstrahlbreite variiert, zu kompensieren. Bowtie-Filter moderner CT Systeme nach dem Stand der Technik sind jedoch statische Vollkörper und können sich nicht an die individuelle Patientenschwächung anpassen. Eine Lösung für patienten- und aufgabenspezifische CT Bildgebung ist die Modulation des Fluenzbereichs (FFM) unter Verwendung eines dynamischen Strahlabschwächers (DBA). DBAs ermöglichen es, die Röntgenfluenz während der Datenaufnahme anzupassen. Existierende DBA-Konzepte zeigen jedoch grundsätzliche Schwachstellen (z.B. zu groß oder zu langsam), die eine Realisierung in klinischen CT Systemen ausschließen. In dieser Thesis wurden zwei grundlegend neue DBA-Konzepte entwickelt, um die mangelnde Flexibilität derzeitiger Bowtie-Filter und die Einschränkungen bisheriger DBA-Ansätze zu überwinden. Der lamellenbasierte DBA (sbDBA) besteht aus einer Anordnung von stark röntgenabsorbierenden Lamellen. Je nach Verkippung des sbDBA verändert sich die Transmission durch den sbDBA – vergleichbar mit Jalousien. Auch der artverwandte, z-ausgerichtete sbDBA (z-sbDBA) besitzt Absorptionslamellen zur FFM, verwendet jedoch eine überarbeitete Strukturierung und eine einfachere Mechanik. Ausgehend von einfachen Skizzen wurden reale Prototypen des sbDBA und des z-sbDBA gebaut und in ein klinisches CT System integriert. Im ersten Teil dieser Arbeit wurden das modifizierte CT System und Monte-Carlo Simulationen, die dieses CT System nachbilden, verwendet, um die DBAs zu untersuchen. In Versuchsmessungen konnten beide DBAs verschiedene Transmissionprofile erzeugen und somit FFM – die Hauptfunktion eines DBA – realisieren. Während der sbDBA auch die Verschiebung der Maximaltransmission erlaubte, wurden mit dem z-sbDBA geeignetere Verläufe der Transmissionsprofile erzielt. Ein Vergleich spektraler Abhängigkeit der Transmission und DBA-induzierter Streustrahlung zeigte bemerkenswerte Vorteile gegenüber herkömmlichen Bowtie-Filtern. Obwohl einzelne Ringartefakte in ersten Bildrekonstruktionen Herausforderung hinsichtlich der mechanischen Stabilität der DBAs aufzeigten, war die Bildqualität insgesamt vielversprechend. Im zweiten Teil wurde das Potenzial für Zielvolumen (ROI) Bildgebung untersucht, bei der nur ein bestimmter Bereich mit hoher Qualität dargestellt und im umliegenden Gewebe die Dosis minimiert wird. Zunächst wurde hierzu ein Optimierungskriterium entwickelt, mit dem die Kippbewegungen der DBAs hinsichtlich eines diagnostischen Ziels optimiert werden. Dabei soll die Patientendosis minimiert und die Bildqualität innerhalb der ROI maximiert werden. Die erzeugten DBA-Trajektorien passten die emittierte Röntgenfluenz an die Geometrie der ROI an. Anschließend wurden verschiedene FFM-Konfigurationen, einschließlich Röhrenstrommodulation und zweier Bowtie-Filter, mit den DBAs bezüglich ihrer Dosiseffizienz bei ROI-Bildgebung verglichen. Es zeigte sich, dass die DBAs die Röntgenstrahlung effizienter einsetzten als Bowtie-Filter moderner CT Systeme: Bei Verwendung der DBAs konnten die ROIs bei gleichbleibender Bildqualität mit bis zu 30 % (z-sbDBA) bzw. 60 % (sbDBA) weniger Dosis im Vergleich zu einem typischen Bowtie-Filter dargestellt werden. In dieser Arbeit wurden zwei neuartige DBA-Konzepte entwickelt und in ein klinisches CT System installiert. Diese DBAs wurden hinsichtlich FFM erfolgreich validiert und zeigten bei ROI-Bildgebung erhebliches Dosiseinsparpotential im Vergleich zu heutiger FFM-Technik. Die vielversprechenden Ergebnisse bilden eine Grundlage für zukünftige Dosisreduktionen und ebnen den Weg für ROI-Bildgebung in der CT Diagnostik.

Abstract

X-ray computed tomography (CT) imaging has become a workhorse of today’s clinical imaging. It provides cross-sectional diagnostic images featuring high temporal and spatial resolution at very short acquisition times. However, CT images are acquired using x-rays, which bears a potential health detriment to the patient due to ionization radiation. Over the decades, many efforts have been undertaken to reduce the radiation burden. One approach is to employ dynamic pre-filtration of the x-ray beam to compensate for the patient’s x-ray attenuation that changes across the projections and the fan beam angle. State-of-the-art bowtie filters in clinical CT systems, however, are static and therefore cannot adapt to patient attenuation individually. A solution for patient- and task-specific CT imaging is fluence field modulation (FFM) by employing a dynamic beam attenuator (DBA). DBAs are capable of adapting the x-ray fluence during the data acquisition. Existing DBA concepts, however, suffer from inherent limitations (e.g., too large or too slow) that preclude an implementation in clinical CT systems. In this thesis, two fundamentally new DBA concepts were developed to overcome the lack of flexibility of present bowtie filters and the pitfalls of previous DBA approaches. The sheet-based DBA (sbDBA) was composed of an array of highly x-ray attenuating sheets. Depending on the way the sbDBA was tilted, the transmission through the sbDBA changed – comparable to Persian blinds. Likewise, the z-aligned sbDBA (z-sbDBA) employed attenuation sheets for FFM, although it used a revised structuring and simplified mechanics. Starting from simple sketches, physical prototypes of the sbDBA and the z-sbDBA were built and integrated into a clinical CT system. In the first part of this thesis, the DBAs were investigated using the modified CT system and Monte Carlo simulations mimicking this CT system. In experimental measurements, both DBAs were able to realize a wide range of transmission profiles and therefore successfully demonstrated their feasibility of FFM — the key function of a DBA. While the sbDBA allowed to shape the transmission profiles more flexibly by shifting the peak transmission also laterally, the z-sbDBA realized more suitable shapes. A comparison regarding the spectral dependency of the transmission and attenuator-induced scatter revealed remarkable advantages over conventional bowtie filters. Although ring artifacts in first-time image reconstructions unveiled challenges concerning the mechanical reliability of the DBAs, the overall image quality was promising. In the second part, the potential for region-of-interest (ROI) imaging, where only a specific region is imaged at high quality while the dose is minimized in surrounding tissue, was explored. In the first step, an optimization objective was developed to optimize the angular movements of the DBA regarding a given imaging task. The optimization aims at minimizing the patient dose and maximizing the image quality inside the ROI. The optimized DBA movements reasonably adapted the emitted x-ray fluence to the geometry of the ROI. In the second step, different FFM configurations, including tube current modulation and different bowtie filters, were compared with the DBAs regarding their dose efficiency in ROI imaging. The DBAs were shown to exploit the x-ray radiation more efficiently than the bowtie filters of modern CT systems: using the DBAs, the ROIs were imaged with up to 30 % (z-sbDBA) or 60 % (sbDBA) less radiation dose compared to a typical bowtie filter while maintaining the image quality in the ROI. In conclusion, two novel DBA concepts were developed and installed into a clinical CT system. These DBAs were successfully validated regarding FFM and demonstrated a remarkable dose saving potential in ROI imaging compared to state-of-the-art FFM technology. The promising results give rise for future radiation dose reductions and pave the way to ROI imaging in diagnostic CT.