Avaliação da qualidade de imagem com artefatos metálicos em

XXI Congresso Brasileiro de Física Médica
24 a 27 de Agosto de 2016
Florianópolis
Avaliação da qualidade de imagem com artefatos metálicos em
tomografia computadorizada de dupla energia com reconstrução em
MARs
Evaluation of images containing metal artifacts in dual energy CT with
reconstruction MARs
Giordana Salvi de Souza1, Guilherme Ribeiro Garcia1, Luis Felipe Silva Toschi1, Carlos
Jader Feldman1
1
Serviço de Investigação Diagnóstica por Imagem Ltda, Porto Alegre, Brasil
Resumo
Em tomografia computadorizada (TC), o termo artefato é aplicado a qualquer discrepância entre os
números de TC na imagem reconstruída e os verdadeiros valores do coeficiente de atenuação do objeto.
Este estudo visa avaliar a redução de artefatos em tomografia computadorizada de dupla energia
utilizando o algoritmo de reconstrução MARs (do inglês, Metal Artifact Reduction Software). Foram
realizadas duas aquisições de imagens no tomógrafo da GE Discovery CTHD 750, no modo normal em
120 kV e no modo espectral em 80kV-140kV e analisou-se a uniformidade, ruído e linearidade do número
de TC e denotou-se um comportamento semelhante em ambas técnicas. No que tange a reconstrução em
MARs realizada apenas no modo espectral, obteve-se resultados satisfatórios quanto à redução dos
artefatos metálicos em função do campo de visão, onde com a diminuição do mesmo tem-se a maior
redução nos artefatos.
Palavras-chave: processamento de imagens; tomografia computadorizada; reconstrução; MARS; controle
de qualidade.
Abstract
In computed tomography (CT), the artifact term is applied to any discrepancy between the CT numbers in
the reconstructed image and the true values of the object attenuation coefficient. This study aims to
evaluate the reduction of artifacts in computed tomography dual energy using MARs reconstruction
algorithm (Metal Artifact Reduction Software). There were made two acquisitions of images in the GE
Discovery CTHD 750 CT scanner, in normal mode at 120 kV and spectral mode in 80kV - 140kV and
analyzed uniformity, noise and linearity of the number of CT. A similar behavior was observed in both
techniques. Regarding the reconstruction MARs performed only in spectral mode, was obtained
satisfactory a result in the reduction of metal artifacts in function to the field of view, where with the
decrease of the same has the greatest reduction in artifacts.
Keywords: radiation protection; computed tomography; reconstruction MARS; quality control.
1. Introdução
Em tomografia computadorizada (TC), o termo artefato é aplicado a qualquer discrepância entre os
números de TC na imagem reconstruída e os verdadeiros valores do coeficiente de atenuação do objeto.
As imagens de TC são mais propensas a artefatos que radiografias convencionais, pois a imagem é
reconstruída a partir de milhões de medições independentes no detector. A técnica de reconstrução
assume que todas estas medições são consistentes, por isso, qualquer erro de medida reflete a um erro
1
na reconstrução da imagem .
Um artefato comum em imagens de TC é artefatos raias ou metálicos causado pela presença de objetos
de alta atenuação no campo de visão do tomógrafo. Implantes metálicos, tais como próteses de quadril,
2
grampos cirúrgicos, obturações dentárias podem causar este tipo de artefato .
A aplicação da tomografia computadorizada (TC) de dupla energia foi proposta na década de 1970 e foi
extensivamente estudada ao passar dos anos. Teoricamente, as imagens adquiridas com o método de
3
dupla energia estariam livres de artefatos de endurecimento do feixe . A redução destes artefatos e
valores mais precisos das atenuações são considerados os principais benefícios da TC de dupla energia.
Se a atenuação de raios X de um objeto é medida com dois espectros diferentes (baixo e alto kV),
alternando rapidamente de um campo para o próximo, é possível transformar matematicamente as
medições de atenuação para a densidade dos dois materiais que seriam necessários para a medida do
coeficiente de atenuação. Para a técnica desenvolvida pela GE este método é denominado imageamento
4
espectral gemstone ou GSI (do inglês, Gemstone spectral imaging) .
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Para melhorar a visualização de tecidos moles perto do artefato com energia mais baixa, utilizou-se o
5
algoritmo iterativo de redução de artefato metálico ou MARs (do inglês, metal artifact redution software),
específico da GE Healthcare (Milwaukee, WI, USA). Com o método GSI-MARs, que utiliza dupla energia,
o artefato metálico pode ser segmentado como uma imagem reconstruída com base em um limiar do
número de TC e também as regiões carentes em fótons são substituídas por informações derivadas
através de medições precisas utilizando a decomposição dos materiais(GSI), melhorando a qualidade da
6
imagem .
Este estudo avaliou a qualidade de imagem de aquisições em tomografia computadorizada de dupla
energia, com reconstrução em MARs, onde as imagens foram reconstruídas em diferentes campos de
visão (DFOV).
2. Materiais e Métodos
Existem diversos métodos disponíveis para mensurar a qualidade de imagem produzida por
equipamentos de tomografia computadorizada. De acordo com a norma IEC 1223-2-6, a qualidade da
imagem tomográfica deve ser expressa através de parâmetros físicos tais como uniformidade, linearidade
do número de TC, resolução espacial e ruído7.
O equipamento de tomografia computadorizada utilizado neste estudo foi o tomógrafo GE Healthcare,
modelo Discovery CT750 HD. O princípio fundamental da TC de dupla energia é a rápida comutação da
tensão de pico (fast kV switching), que tem duração de cerca de 150 milissegundos para alternar de 80
kVp para 140 kVp o espectro de radiação, em uma única rotação. Além de contar com detectores de
rápida cintilação denominados Gemstone que possibilitam a aquisição e processamento em tempo
mínimo. Estas imagens têm uma melhor visualização de importantes estruturas anatômicas adjacentes
das interfaces ósseas ou metálicas4.
8
O phantom utilizado para a avaliação da qualidade da imagem foi o CBCT que possui três secções
distintas, que permitem avaliar diferentes parâmetros referentes à qualidade de imagem: uniformidade de
campo; ruído da imagem; acurácia do número CT; resolução espacial; artefatos e resolução em contraste.
A estrutura (Figura 1.) tem corpo cilíndrico de 160 mm de diâmetro e 160 mm de altura, está dividido em 8
discos de PMMA com 20 mm de altura, sendo 6 discos com um padrão de furos de 4,0 mm de diâmetro,
igualmente espaçados de 6,0 mm entre si, um disco uniforme de PMMA e um disco com 7 locais para a
inserção de objetos de teste cilíndricos que contém diferentes materiais e estruturas que podem ser
intercambiáveis, de diâmetro 35 mm.
Artefatos e
linearidade
Avaliação da
uniformidade e
ruído
Figura 1. Estruturas do phantom CBCT utilizadas neste trabalho8:
Avaliação Foram realizadas duas aquisições, a primeira aquisição em um protocolo de crânio rotina em
modo helicoidal com os parâmetros de aquisição de: 120 kVp, 300 mA, tempo de rotação de 0,4
segundos, pitch de 0,516 e CTDIvol de 40,42 mGy. A segunda aquisição de imagem utilizou-se o modo
espectral de dupla energia com os parâmetros de: 80 kVp e 140 kVp, 630 mA, tempo de rotação de 0,5
segundos, pitch de 0,531 e e CTDIvol de 72,32 mGy.
As imagens adquiridas com dupla energia foram reconstruídas com o MARs variando o campo de visão
em 25 cm, 20 cm e 18 cm, pois o software possibilita a reconstrução de imagens tomográficas com
diferentes campos de visão (DFOV). Para a análise das imagens utilizou-se o software gratuito imageJ.
Foram avaliados os seguintes parâmetros físicos da qualidade de imagem: uniformidade, ruído,
linearidade do número de TC e artefatos metálicos.
2009  Associação Brasileira de Física Médica
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Uniformidade e Ruído
A Figura 1 apresenta o módulo da uniformidade. O método de avaliação baseou-se pelo Guia de
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Radiodiagnóstico Médico: Segurança e Equipamentos, disponibilizado pela ANVISA . Quando um objeto é
uniforme, cada pixel deve ter aproximadamente o mesmo valor.
Figura 2: Módulo da Uniformidade.
Para a avaliação da uniformidade foi selecionada cinco regiões de interesse ou ROI (do inglês, region of
interest) circulares com área de 500 mm² na posição central e horárias (3, 6, 9, 12). Em cada ROI foi
medido o valor médio do número de TC e o desvio padrão.
A uniformidade é calculada entre a diferença dos números de TC da ROI central, e a média das ROIs
periféricas. O ruído é o desvio padrão da ROI central.
Linearidade
A linearidade do número de TC foi medida utilizando os compartimentos de diferentes materiais cujos
valores de TC são conhecidos: LPDE, Delrin, PMMA, Alumínio, ar, como apresentado na Figura 2.
Figura 3: Módulo Linearidade do Número de TC e Artefatos.
Para verificar a linearidade do número de TC foi criada em cada inserção uma ROI, de modo a medir o
valor médio, comparando-o com o valor esperado. Para avaliar esta diferença entre os valores, é
construído um gráfico do número de TC esperado e o número de TC medido em cada aquisição e
reconstrução. A linearidade do número de TC é dada pelo coeficiente de correlação entre os dados e uma
reta.
Artefatos
O objeto metálico causa as estrias escuras e áreas com raias brilhantes em imagens tomográficas neste caso pela inserção de uma estrutura de Alumínio no phantom - a razão disto é o endurecimento e
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espalhamento do feixe de raios X .
A Figura 3 apresenta imagens do artefato com os diferentes método de aquisição de imagens, e com
diferentes reconstruções.
a)
b)
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c)
d)
Figura 4: a) Crânio Rotina b) GSI-MARs com DFOV de 25 cm c) GSI-MARs com DFOV de 20 cm d) GSI-MARs com DFOV de18 cm
Para analisar se houve ou não redução de artefatos metálicos com diferentes protocolos de aquisição e
reconstrução foi selecionado em cada imagem uma ROI na parte que continha o artefato, produzido por
uma A partir disto, foram obtidos histogramas de cada imagem e por meio da operação de segmentação
por thresholding, a quantificação dos artefatos produzidos pelas próteses no phantom. O valor limiar na
operação de segmentação por thresholding foi escolhido a partir do pico do histograma, que representa o
valor de nível de cinza de maior frequência na imagem.
3. Resultados
A Tabela 1 apresenta os protocolos utilizados neste estudo, com o modo de aquisição e reconstrução e
o tamanho do DFOV utilizado para a reconstrução.
Tabela 1. Comparação da uniformidade e ruído entre os protocolos utilizados
Protocolo
Modo de aquisição
DFOV(cm)
A
Crânio Rotina
25
B
Crânio GSI-MARs
25
C
Crânio GSI-MARs
20
D
Crânio GSI- MARs
18
A tabela 2 apresenta a comparação entre a uniformidade e ruído, dado em HU, das imagens adquiridas
com diferentes métodos.
Tabela 2. Comparação da uniformidade e ruído entre os protocolos utilizados.
Protocolo
Uniformidade (HU)
Ruído (HU)
A
0,198
0,68
B
1,774
0,64
C
0,531
0,63
D
0,916
0,65
Observou-se uma diferença mais significativa da uniformidade entre os protocolos de crânio rotina e de
dupla energia. Porém, entre os protocolos de dupla energia com a reconstrução em MARs com diferentes
DFOVs não há diferenças que alterariam a qualidade da imagem. Segundo o Guia da ANVISA, a
uniformidade pode variar entre ±5 HU, então todas as aquisições realizadas estão conformes.
Para analisar a linearidade do número de TC foi utilizado o coeficiente de correlação (R²) entre os
valores esperados e medidos. Quanto mais próximo de um este valor, mais linear é a imagem em termos
de número de TC.
Número de TC esperado(HU)
Linearidade do Número de TC
Crânio
Rotina
3000
R² = 0,9982
0,9993
0,9991
0,9987
1500
GSI-MARs 25 cm
0
-1500
0
1500
3000
-1500
Número de TC medido (HU)
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Figura 5: Linearidade do Número de TC .
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Para todas as aquisições o coeficiente de correlação obteve valor adequado. Não temos diferenças
significativas em termos de qualidade de imagem, pois os valores foram muito próximos, e sua diferença
pode justificar erros na medida juntamente com o desvio padrão.
As figuras de 6 a 9 apresentam a segmentação do artefato metálico por thresolding.
Figura 6: Método de aquisição com protocolo de crânio rotina sem reconstrução em MARs.
Figura 7: Método GSI-MARs com reconstrução com DFOV em 25 cm.
Figura 8: Método GSI-MARs com reconstrução com DFOV em 20 cm .
Figura 9: Método GSI-MARs com reconstrução com DFOV em 18 cm .
Podemos notar qualitativamente, observando as figuras, que o método que melhor reduziu os artefatos
metálicos foi com o método GSI-MARs com a reconstrução com o DFOV em 18 cm.
4. Discussão
As imagens adquiridas em dupla energia são processadas virtualmente em função de feixes
monoenergéticos, fornecem uma resolução de contraste superior do que proporcionada pela aquisição e
processamento em apenas um espectro policromático de raios X, otimizando o ruído. No entanto,
imagens monocromáticas de baixa energia são menos eficientes na redução de artefato de
endurecimento do feixe.
O endurecimento do feixe é visto em feixes de raios X policromáticos. Como os raios X passam através
do corpo, os fótons com baixa energia são atenuados mais facilmente. Entretanto, a transmissão do feixe
não segue um decaimento exponencial com os raios X monocromáticos. Isto é um problema para
materiais com alto número atômico (z), como osso, iodo ou metal. Comparando com materiais de baixo
número atômico, como água, estes materiais de alto número atômico tem um aumento drástico na
atenuação de baixas energias, pois para baixas energias a atenuação é primariamente feita pelo efeito
fotoelétrico que é proporcional a z³/E³. Em altas energias, a atenuação é primariamente feita pelo
espalhamento Compton, que é proporcional a 1/E. O espalhamento Compton causa nos fótons de raios X
uma mudança na direção do feixe de raios X e na energia, tornando-o detectável em outra região do
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conjunto de detectores, que não corresponde a real posição de interação na atenuação do fóton. Isto cria
um grande erro, pois um detector tem uma menor captação e outro maior que o esperado. Fundamentase assim a propriedade da dupla energia de otimizar esses processos de detecção, utilizando uma matriz
11
mais rica em informações de baixa e alta energia .
Imagens com artefatos metálicos influenciam na qualidade do diagnóstico, reduzindo o contraste,
obscurecendo detalhes e prejudicando, assim, a detecção de estruturas de interesse, e nos piores casos,
12
podendo acontecer um resultado falso-positivo . Na prática clínica é usual aumentar o kV para diminuir o
artefato metálico de uma imagem, pois quanto maior a energia que atravessa o metal, menor é a
absorção ou filtração. Entretanto este método tem desvantagens, pois prejudica a diferenciação dos
13
tecidos moles e aumenta a dose no paciente .
5. Conclusões
Os parâmetros medidos mostraram-se conforme as referências padrão das normas vigentes. As duas
técnicas apresentadas apresentaram resultados semelhantes no que tange o estudo da uniformidade do
HU, ruído e linearidade do número de TC. A análise dos artefatos foi suficiente para provar uma nítida
diferença entre as duas técnicas, onde a dupla energia denota maior potencial de redução nos efeitos
decorrentes do endurecimento e espalhamento de feixe. A variação do campo de visão mostrou-se uma
ferramenta funcional na reconstrução, onde com a diminuição do mesmo observa-se uma melhora na
redução do artefato. Possivelmente pela propriedade da reconstrução em MARs ser iterativa e dessa
forma ao reduzir-se a amostra de análise, o software realiza maior número de iterações por área
melhorando a imagem final.
Referências
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