Vergleich verschiedener mit dem 3D eXam (KaVo) erstellter Volumentomogramme eines menschlichen Kopfpräparats zur Analyse der Bildqualität

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H. Neller1, M.-A. Geibel2

Einführung: Unterschiede in der Bildqualität und der Darstellungsgenauigkeit von digitalen Volumentomogrammen eines humanen Kopfpräparats sollen durch visuelle Analyse und Vergleichen von Entfernungsmessungen und Messungen von Hounsfield Units beurteilt werden.

Methoden: 55 Datensätze eines humanen Kopfpräparats werden mit unterschiedlichen Einstellungsparametern mit dem 3D eXam (KaVo) erstellt und mittels der Software 3D eXam Vision (KaVo) ausgewertet.

Ergebnisse: Alle Datensätze haben reproduzierbare Ergebnisse. Die Analyse der Volumentomogramme zeigt eine steigende Bildqualität und Detailtreue mit zunehmender Auflösung. Die Vergleiche der Scans zeigen geringfügige Unterschiede bei den Entfernungsmessungen und den Messungen von Hounsfield Units.

Schlussfolgerung: Verschiedene Volumentomogramme zeigen eine bessere Bildqualität und Detailgenauigkeit bei steigender Auflösung, liefern aber geringfügig unterschiedliche Werte bei Entfernungsmessungen und Messungen von Hounsfield Units. Die geringfügig auftretenden Unterschiede sind jedoch vernachlässigbar. Sie kommen in gleicher Größenordnung auch beim Vergleich von Datensätzen, erstellt im exakt identischen Aufnahmemodus, vor.

Schlüsselwörter: digitale Volumentomographie; Auflösung; Entfernungsmessung; Hounsfield Unit; Bildqualität

Einleitung

Da Strukturen im Strahlengang bei der zweidimensionalen Bildgebung aufgrund von Summationseffekten überlagert werden, sind anatomische Details oft nicht deutlich sichtbar.
Außerdem setzt eine Vielzahl oraler Erkrankungen ebenfalls eine zweite Darstellungsebene für eine erfolgreiche Diagnostik und Behandlung voraus. Darüber hinaus erfordern umfangreiche traumatologische Geschehnisse und bildgestützte Operationsverfahren eine dreidimensionale Bildgebung.

So spielt die dreidimensionale radiologische Diagnostik oraler Regionen eine immer wichtigere Rolle für die Beurteilung anatomischer Verhältnisse und die Diagnose von pathologischen Prozessen im Mund-, Kiefer- und Gesichtsbereich. Ein standardisiertes Verfahren für die dreidimensionale Bildgebung ist die Computertomographie (CT). Durch neue technische Entwicklungen in der zahnärztlichen Radiologie hat sich mit der digitalen Volumentomographie (DVT) eine alternative Methode zur Computertomographie etabliert.

Das in der Studie verwendete 3D eXam (Kaltenbach & Voigt Dental GmbH, Bismarckring 39, 88400 Biberach/Riss, Deutschland) arbeitet nach dem Kegelstrahl-Prinzip. Die Röntgenquelle – mit der Detektoreinheit gegenüberliegend – umkreist den Kopf des Patienten. Der Patient sitzt im 3D eXam und sein Kopf ist durch ein Nackenband, eine Kinnstütze und einen Stirnhaltegurt fixiert, während die Erstellung des Datensatzes ausgelöst wird. Das Sichtfeld ist durch motorisierte Kollimation des Strahlengangs justiert und hat auswählbare voreingestellte Größen. Der Detektor hat eine Größe von 20 x 25 cm. Er besteht aus amorphem Silizium und ermöglicht einen pyramidenförmigen Röntgenstrahl und dadurch ein zylindrisches Rekonstruktionsvolumen. Abhängig vom gewählten Field of View (FOV) ist der Detektor horizontal bzw. vertikal zu verstellen. So wird durch Kollimation das Aufnahmefeld auf die Region of Interest (ROI) eingeblendet und dadurch eine Reduzierung der Strahlendosis und eine kürzere Scan- und Rekonstruktionszeit erreicht. Das 3D eXam arbeitet mit einer Röntgenquelle mit 90–120 kV, 3–8 mA, einem Focus von 0,5 mm und das Sichtfeld ermöglicht eine Auflösung mit Voxelgrößen von 0,4 mm, 0,3 mm, 0,25 mm, 0,2 mm bis 0,125 mm.

Die notwendige Größe und die Auflösung des Aufnahmevolumens unterscheiden sich je nach Fachbereich. So ergeben sich viele verschiedene Regions of Interest (ROIs), immer abhängig von der Indikationsstellung [3].

In diesem Zusammenhang ist es wichtig, die Größe der abgebildeten Region of Interest (ROI) genau zu bestimmen, um daraus die entsprechende Größe des gewünschten Sichtfelds (FOV) herzuleiten.

Ausschlaggebend für die zur Befundung notwendige Bildqualität der digitalen Volumentomogramme sind die Einstellungsparameter vor der Datenakquisition.

Zielsetzung

Durch visuelle Analyse einzelner Bildausschnitte und den Vergleich von Entfernungsmessungen und Messungen von Hounsfield Units sollen mögliche Unterschiede in der Bildqualität zwischen digitalen Volumentomogrammen eines humanen Kopfpräparats, die sich ausschlaggebend in der Einstellung des Field of Views und der Auflösung unterscheiden, aufgezeigt werden.

Material und Methoden

Zur Datenerfassung ist ein menschliches Kopfpräparat auf einem Holzgestell fest im 3D eXam fixiert (Abb. 1), so dass es sich während der Erstellung von 55 unterschiedlichen Datensätzen nicht in seiner Position verändern kann. Die Einstellungsparameter der 55 Datensätze unterscheiden sich auschlaggebend im Field of View und der Auflösung (Tab. 1). Bei der Einblendung des Field of Views werden die Voreinstellungen des 3D eXam verwendet (Tab. 1).

Zur Datenerfassung wird die Akquisitionssoftware 3D eXam und zur Auswertung von Daten am Befundungsmonitor die Bearbeitungssoftware 3D eXam Vision (beide Kaltenbach & Voigt Dental GmbH, Bismarckring 39, 88400 Biberach/Riss, Deutschland) verwendet.

In der sagittalen, axialen und koronalen Ansicht werden in der 3D eXam Vision Software anatomisch sich entsprechende Punkte markiert (Abb. 2–4) und als Parameter für die Bildqualität werden anhand dieser Entfernungsmessungen Messungen von Hounsfield Units in der Sagittal-, Axial-, und Koronalebene vorgenommen. Es werden zur Auswertung der Mittelwert sowie das Minimum und das Maximum der Messwerte herangezogen.

Ergebnisse

Die Messwerte der Messungen in der Sagittal-, Axial- und Koronalebene sind in den Tabellen 2 bis 4 dargestellt.

In der Sagittalebene ergibt sich für die Entfernungsmessung ein Mittelwert von 11,89 mm mit einer Standardabweichung von ± 0,06 mm bei einem Minimum von 11,79 mm und einem Maximum von 12,01 mm. Für die Messung der Hounsfield Units 1 ein Mittelwert von 770 HU ± 215 HU (Minimum: 510 HU, Maximum: 1206 HU), der Hounsfield Units 2 ein Mittelwert von 1259 HU ± 67 HU (Minimum: 1138 HU, Maximum: 1482 HU) und der Hounsfield Units 3 ein Mittelwert von –319 HU ± 50 HU (Minimum: –446 HU, Maximum: –205 HU).

In der Axialebene ergibt sich für die Entfernungsmessung ein Mittelwert von 9,55 mm mit einer Standardabweichung von ± 0,08 mm bei einem Minimum von 9,38 mm und einem Maximum von 9,63 mm. Für die Messung der Hounsfield Units 1 ein Mittelwert von 747 HU ± 314 HU (Minimum: 291 HU, Maximum: 1259 HU), der Hounsfield Units 2 ein Mittelwert von 1355 HU ± 92 HU (Minimum: 1058 HU, Maximum: 1548 HU) und der Hounsfield Units 3 ein Mittelwert von 9 HU ± 66 HU (Minimum: –97 HU, Maximum: 152 HU).

In der Koronalebene ergibt sich für die Entfernungsmessung ein Mittelwert von 9,55 mm mit einer Standardabweichung von ± 0,08 mm bei einem Minimum von 9,40 mm und einem Maximum von 9,63 mm. Für die Messung der Hounsfield Units 1 ein Mittelwert von 859 HU ± 294 HU (Minimum: 420 HU, Maximum: 1390 HU), der Hounsfild Units 2 ein Mittelwert von 1465 HU ± 65 HU (Minimum: 1292 HU, Maximum: 1605 HU) und der Hounsfild Units 3 ein Mittelwert von 96 HU ± 42 HU (Minimum: 13 HU, Maximum: 196 HU).

Diskussion

Vergleicht man die Maximalabweichungen mit den Mittelwerten, ergeben sich für alle Entfernungsmessungen Abweichungen zwischen den verschiedenen Volumentomogrammen, die unter dem Auflösungsvermögen der entsprechenden Datensätze liegen. Der Vergleich der Mittelwerte mit den Maximalwerten der Messungen der Hounsfield Units zeigt Abweichungen von bis zu 436 HU in der Saggital- bzw. 512 HU in der Axial- und 531 HU in der Koronalebene. Dies lässt sich allerdings im Rahmen der durch die Auflösung bedingten unterschiedlich großen kleinsten Messeinheiten nicht direkt auf die Darstellungsgenauigkeit übertragen. So ist bei einer Auflösung von 0,125 mm3 ein deutlich kleinerer Messbereich möglich als bei 0,4 mm3 und bedingt durch die Inhomogenität des Kopfpräparats lassen sich so die größeren Abweichungen erklären.

Beachtet man zusätzlich den Verlust an Bildqualität bei der Darstellung der Hounsfield Units in Grauwerten auf einem Befundungsmonitor, sind die Unterschiede rein visuell nicht mehr bemerkbar. So lässt sich bei der visuellen Auswertung der erstellten Volumentomogramme feststellen, dass die Bildqualität subjektiv für den Betrachter mit steigender Auflösung zunimmt. Die Eingrenzung des Field of Views lässt bei ansonsten gleichen Einstellungsparametern keinen Unterschied in der Bildqualität erkennen.

Schon Mozzo et al. untersuchten mittels Streckenmessung die geometrische Genauigkeit der digitalen Volumentomographie am DVT 9000. Der direkte Vergleich von am Objekt gemessenen Strecken mit Messungen anhand eines mit dem DVT 9000 erstellten DVT-Scans ergab Abweichungen in einem Rahmen von 0,8–2,2 % [8]. Auch Marmulla et al. zeigten diese Tendenz mit einem Mittel von 0,13 mm ± 0,09 mm bei ihren geometrischen Messungen am DVT 9000 [7]. Selbst Pinksy et al. konnten durch ihre an einem Acrylblock genommenen Messwerte, verglichen mit Messungen im DVT-Scan mittels i-CAT-System, kaum geringere Abweichungen feststellen. Sie zeigten eine mittlere Abweichung von 0,01 mm ± 0,02 mm in lateraler beziehungsweise 0,03 mm ± 0,01 mm in vertikaler Richtung. Die mittleren Abweichungen für die humane Mandibula betrugen 0,07 mm ± 0,02 mm und 0,27 mm ± 0,02 mm [9]. Auf vergleichbare Ergebnisse kamen Lagravere et al. [4]. Setzt man nun für das 3D eXam eine ähnliche Genauigkeit voraus, zeigen die Untersuchungen fortführend, dass sich die Werte der Entfernungsmessungen durch eine Änderung der Einstellungsparameter nicht verschlechtern.

Es liegen nur wenige Vorarbeiten zur Darstellung von Hounsfield Units in experimentellen Studien vor. Die Werte der Messungen der Hounsfield Units in der sagittalen, koronalen und axialen Ebene, die vorrangig an dargestelltem Hartgewebe erfolgen, korrelieren mit den Ergebnissen Loubeles et al. [6] und Scarfes et al. [10], die eine gleichbleibende Qualität in der Darstellung der Hounsfield Units von Hartgewebe zeigen. Jedoch zeigen auch Untersuchungen von Lagravere et al. eine sehr eingeschränkte Darstellbarkeit von Hounsfield Units des Weichgewebes und damit die Tendenz, die DVT im Gegensatz zur CT als hartgewebeorientierte zahnmedizinische Bildgebung anzusehen [5]. Auch eine Studie von Dränert et al. deutet darauf hin, dass von Weichgewebe nur wenige Bilddaten erfasst werden [1]. Verschiedene neuere Forschungsergebnisse zeigen, dass im Hinblick auf die langen Umlaufzeiten einer DVT-Aufnahme eine Ortsauflösung von unter 100–200 ?m am lebenden Patienten als unrealistisch anzusehen ist. Dies lässt sich insofern ergänzen, als durch die noch zu ungenauen mathematischen Berechnungen mit den zurzeit angewandten Rekonstruktionsalgorithmen, bei denen es sich meist um Modifikationen des bekannten, approximativen Feldkamp-Algorithmus handelt [2], die theoretisch erwartete erhöhte Bildqualität durch die Reduktion der Voxelkantenlänge unter 100–200 ?m nicht zu erreichen ist.

Schlussfolgerungen

Der Vergleich verschiedener mit dem digitalen Volumentomographen KaVo 3D eXam erstellter Datensätze eines humanen Kopfpräparats zeigt bei der Datenakquisition im exakt gleichen Aufnahmemodus keine für die Klinik relevanten Unterschiede in der Bildqualität. Wie erwartet, nehmen bei steigender Auflösung auch die Detailgenauigkeit und die Bildqualität zu. Werden Datensätze gegenübergestellt, die in unterschiedlichen Aufnahmemodi erstellt worden sind, zeigen rein visuelle Vergleiche sowie Vergleiche von Entfernungsmessungen und Messungen von Hounsfield Units keine klinisch relevanten Unterschiede. Die geringfügig auftretenden Unterschiede sind vernachlässigbar, da sie in gleicher Größenordnung auch beim Vergleich von Datensätzen, erstellt im exakt identischen Aufnahmemodus, vorkommen.

Das Field of View und die Auflösung sollten sorgfältig der gewünschten Darstellungsgenauigkeit und der zur Diagnosestellung erforderlichen Bildqualität angepasst werden.

Interessenkonflikt: Die Autoren erklären, dass keine Interessenkonflikte im Sinne der ICMJE bestehen.

Korrespondenzadresse

Priv. Doz. Dr. Margrit-Ann Geibel

Albert-Einstein-Allee 11

89081 Ulm (Germany)

Tel.: +49 (0) 731 500-64303

Fax: +49 (0) 731 500-64302

E-Mail: margrit-ann.geibel@uniklinik-ulm.de

Literatur

1. Dränert FG, Gebhart F, Neugebauer C, Coppenrath E, Müller-Lisse U: Imaging of bone transplants in the maxillofacial area by NewTom 9000 cone-beam computed tomography: a quality assessment. Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod 2008;106:31–35

2. Feldkamp LA, Davis LC, Kress JW: Practical cone-beam algorithm. J Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis 1984; 1:612–619

3. Geibel M-A: DVT-Kompendium. Kempten: ISBN 978-3880063006; 2011. p 5–79

4. Lagravere MO, Carey J, Toogood RW, Major PW: Three-dimensional accuracy of measurements made with software on cone-beam computed tomography images. Am J Orthod Dentofacial Orthop 2008;134:112–116

5. Lagravere MO, Fang Y, Carey J, Toogood RW, Packota GV, Major PW: Density conversion factor determined using a cone-beam computed tomography unit NewTom QR-DVT 9000. Dentomaxillofac Radiol 2006;35:407–409

6. Loubele M, Maes F, Schutyser F, Marchal G, Jacobs R, Suetens P: Assessment of bone segmentation quality of cone-beam CT versus multislice spiral CT: a pilot study. Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod 2006;102: 225–234

7. Marmulla R, Wörtche R, Muhling J, Hassfeld S: Geometric accuracy of the NewTom 9000 Cone Beam CT. Dentomaxillofac Radiol 2005;34:28–31

8. Mozzo P, Procacci C, Tacconi A, Martini PT, Andreis IA: A new volumetric CT machine for dental imaging based on the cone-beam technique: preliminary results. Eur Radiol 1998;8:1558–1564

9. Pinsky HM, Dyda S, Pinsky RW, Misch KA, Sarment DP: Accuracy of three-dimensional measurements using cone-beam CT. Dentomaxillofac Radiol 2006;35:410–416

10. Scarfe WC, Farman AG, Sukovic P: Clinical applications of cone-beam computed tomography in dental practice. J Can Dent Assoc 2006;72:75–80

Fussnoten

1 Zahnarzt, Fellbach, Deutschland

2 Oberärztin, Leitung dento-maxillo-faciale Radiologie, Klinik für Mund-Kiefer-Gesichtschirurgie, Department für Zahnheilkunde der Universität Ulm, Deutschland

DOI 10.3238/ZZI.2012.0212-0223


(Stand: 19.09.2012)

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