A fast, linear Boltzmann transport equation solver for computed tomography dose calculation (Acuros CTD)

Purpose To improve dose reporting of CT scans, patient‐specific organ doses are highly desired. However, estimating the dose distribution in a fast and accurate manner remains challenging, despite advances in Monte Carlo methods. In this work, we present an alternative method that deterministically solves the linear Boltzmann transport equation (LBTE), which governs the behavior of x‐ray photon transport through an object. Methods Our deterministic solver for CT dose (Acuros CTD) is based on the same approach used to estimate scatter in projection images of a CT scan (Acuros CTS). A deterministic method is used to compute photon fluence within the object, which is then converted to deposited energy by multiplying by known, material‐specific conversion factors. To benchmark Acuros CTD, we used the AAPM Task Group 195 test for CT dose, which models an axial, fan beam scan (10 mm thick beam) and calculates energy deposited in each organ of an anthropomorphic phantom. We also validated our own Monte Carlo implementation of Geant4 to use as a reference to compare Acuros against for other common geometries like an axial, cone beam scan (160 mm thick beam) and a helical scan (40 mm thick beam with table motion for a pitch of 1). Results For the fan beam scan, Acuros CTD accurately estimated organ dose, with a maximum error of 2.7% and RMSE of 1.4% when excluding organs with3provided marginal improvement to the accuracy for the cone beam scan but came at the expense of increased run time. Across the different scan geometries, run time of Acuros CTD ranged from 8 to 23 s. Conclusions In this digital phantom study, a deterministic LBTE solver was capable of fast and accurate organ dose estimates

Artefaktreduktion und Verbesserung der Bildqualität mittels iterativem Bildrekonstruktionsalgorithmus in der CT-Bildgebung des Neurocraniums

Zielsetzung: Klinisch-prospektiver Vergleich der resultierenden Bildqualität des modellbasierten iterativen Rekonstruktionsalgorithmus MBIR mit derjenigen des iterativen Standard-Algorithmus ASiR bei der Bildberechnung aus CT-Rohdaten am speziellen Beispiel der sehr häufig durchgeführten und klinisch relevanten, aber oft durch Artefakte beeinträchtigten CT-Untersuchung des Neurocraniums. Material und Methoden: 100 Patienten erhielten an einem 64-Zeilen CT-Gerät (CT750HD Discovery, GE Healthcare Waukesha, WI, USA) eine klinisch indizierte native Untersuchung des Schädels nach institutsinternem Standardprotokoll (120kV Röhrenspannung, 50-260 mAs Röhrenstrommodulation, 20mm Detektorkollimation, 0,984 Pitchfaktor, 1,0 s Rotationsdauer). Die Rohdatensätze wurden sowohl mittels ASiR als auch mit MBIR zu Dünnschicht-Bildserien rekonstruiert, anonymisiert und daraus zur Betrachtung geeignete Bildserien mit jeweils 2,5 mm Schichtdicke multiplanar reformatiert. Signal-to-noise ratio (SNR) und Contrast-to-noise ratio (CNR) wurden aus Dichtewerten an jeweils identischer Position standardisiert supra- und infratentoriell in grauer und weißer Substanz sowie in Liquor errechnet. Unabhängig voneinander und bezüglich des verwendeten Rekonstruktionsalgorithmus verblindet beurteilten zwei Radiologen qualitativ anhand einer 5-Punkte-Skala (0: inakzeptabel, 1: unterdurchschnittlich, 2: durchschnittlich, 3: überdurchschnittlich, 4: exzellent) die Darstellung anatomischer Strukturen und den Einfluss von Artefakten auf die allgemeine Bildqualität. Die Signifikanz wurde mittels ANOVA und Mann-Whitney-U-Test geprüft und die statistische Übereinstimmung mit ICC korreliert. Ergebnisse: Im Vergleich zu ASiR resultierte MBIR in einer besseren allgemeinen Bildqualität (Median: MBIR = 2, ASiR = 1, p<0.01). Zudem reduzierte MBIR die Artefakte bei der Darstellung anatomischer Strukturen (Median: MBIR= 3, ASiR = 2, p<0,01). Für MBIR war SNR jeweils durchschnittlich um 28,9% und CNR um 37,29% höher als für ASiR (p<0,01). Schlussfolgerung: MBIR zeigte gegenüber ASiR jeweils signifikant sowohl eine Verbesserung der Bildqualität als auch eine Reduktion der Artefakte. Somit könnte der Einsatz von MBIR im klinischen Alltag bei gleicher diagnostischer Bildqualität eine deutliche Senkung der Strahlenexposition durch medizinische Untersuchungen bewirken. Dieses Potenzial wird derzeit noch durch die deutlich längere Rekonstruktionszeit mit MBIR limitiert (ASIR ca. 49 s, MBIR ca. 1921 s pro Bildserie)

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 Robotics

The first generation of surgical robots are already being installed in a number of operating rooms around the world. Robotics is being introduced to medicine because it allows for unprecedented control and precision of surgical instruments in minimally invasive procedures. So far, robots have been used to position an endoscope, perform gallbladder surgery and correct gastroesophogeal reflux and heartburn. The ultimate goal of the robotic surgery field is to design a robot that can be used to perform closed-chest, beating-heart surgery. The use of robotics in surgery will expand over the next decades without any doubt. Minimally Invasive Surgery (MIS) is a revolutionary approach in surgery. In MIS, the operation is performed with instruments and viewing equipment inserted into the body through small incisions created by the surgeon, in contrast to open surgery with large incisions. This minimizes surgical trauma and damage to healthy tissue, resulting in shorter patient recovery time. The aim of this book is to provide an overview of the state-of-art, to present new ideas, original results and practical experiences in this expanding area. Nevertheless, many chapters in the book concern advanced research on this growing area. The book provides critical analysis of clinical trials, assessment of the benefits and risks of the application of these technologies. This book is certainly a small sample of the research activity on Medical Robotics going on around the globe as you read it, but it surely covers a good deal of what has been done in the field recently, and as such it works as a valuable source for researchers interested in the involved subjects, whether they are currently “medical roboticists” or not

Suivi des vaisseaux sanguins en temps réel à partir d’images ultrasonores mode-B et reconstruction 3D : application à la caractérisation des sténoses artérielles

La maladie des artères périphériques (MAP) se manifeste par une réduction (sténose) de la lumière de l’artère des membres inférieurs. Elle est causée par l’athérosclérose, une accumulation de cellules spumeuses, de graisse, de calcium et de débris cellulaires dans la paroi artérielle, généralement dans les bifurcations et les ramifications. Par ailleurs, la MAP peut être causée par d`autres facteurs associés comme l’inflammation, une malformation anatomique et dans de rares cas, au niveau des artères iliaques et fémorales, par la dysplasie fibromusculaire. L’imagerie ultrasonore est le premier moyen de diagnostic de la MAP. La littérature clinique rapporte qu’au niveau de l’artère fémorale, l’écho-Doppler montre une sensibilité de 80 à 98 % et une spécificité de 89 à 99 % à détecter une sténose supérieure à 50 %. Cependant, l’écho-Doppler ne permet pas une cartographie de l’ensemble des artères des membres inférieurs. D’autre part, la reconstruction 3D à partir des images échographiques 2D des artères atteintes de la MAP est fortement opérateur dépendant à cause de la grande variabilité des mesures pendant l’examen par les cliniciens. Pour planifier une intervention chirurgicale, les cliniciens utilisent la tomodensitométrie (CTA), l’angiographie par résonance magnétique (MRA) et l’angiographie par soustraction numérique (DSA). Il est vrai que ces modalités sont très performantes. La CTA montre une grande précision dans la détection et l’évaluation des sténoses supérieures à 50 % avec une sensibilité de 92 à 97 % et une spécificité entre 93 et 97 %. Par contre, elle est ionisante (rayon x) et invasive à cause du produit de contraste, qui peut causer des néphropathies. La MRA avec injection de contraste (CE MRA) est maintenant la plus utilisée. Elle offre une sensibilité de 92 à 99.5 % et une spécificité entre 64 et 99 %. Cependant, elle sous-estime les sténoses et peut aussi causer une néphropathie dans de rares cas. De plus les patients avec stents, implants métalliques ou bien claustrophobes sont exclus de ce type d`examen. La DSA est très performante mais s`avère invasive et ionisante. Aujourd’hui, l’imagerie ultrasonore (3D US) s’est généralisée surtout en obstétrique et échocardiographie. En angiographie il est possible de calculer le volume de la plaque grâce à l’imagerie ultrasonore 3D, ce qui permet un suivi de l’évolution de la plaque athéromateuse au niveau des vaisseaux. L’imagerie intravasculaire ultrasonore (IVUS) est une technique qui mesure ce volume. Cependant, elle est invasive, dispendieuse et risquée. Des études in vivo ont montré qu’avec l’imagerie 3D-US on est capable de quantifier la plaque au niveau de la carotide et de caractériser la géométrie 3D de l'anastomose dans les artères périphériques. Par contre, ces systèmes ne fonctionnent que sur de courtes distances. Par conséquent, ils ne sont pas adaptés pour l’examen de l’artère fémorale, à cause de sa longueur et de sa forme tortueuse. L’intérêt pour la robotique médicale date des années 70. Depuis, plusieurs robots médicaux ont été proposés pour la chirurgie, la thérapie et le diagnostic. Dans le cas du diagnostic artériel, seuls deux prototypes sont proposés, mais non commercialisés. Hippocrate est le premier robot de type maitre/esclave conçu pour des examens des petits segments d’artères (carotide). Il est composé d’un bras à 6 degrés de liberté (ddl) suspendu au-dessus du patient sur un socle rigide. À partir de ce prototype, un contrôleur automatisant les déplacements du robot par rétroaction des images échographiques a été conçu et testé sur des fantômes. Le deuxième est le robot de la Colombie Britannique conçu pour les examens à distance de la carotide. Le mouvement de la sonde est asservi par rétroaction des images US. Les travaux publiés avec les deux robots se limitent à la carotide. Afin d’examiner un long segment d’artère, un système robotique US a été conçu dans notre laboratoire. Le système possède deux modes de fonctionnement, le mode teach/replay (voir annexe 3) et le mode commande libre par l’utilisateur. Dans ce dernier mode, l’utilisateur peut implémenter des programmes personnalisés comme ceux utilisés dans ce projet afin de contrôler les mouvements du robot. Le but de ce projet est de démontrer les performances de ce système robotique dans des conditions proches au contexte clinique avec le mode commande libre par l’utilisateur. Deux objectifs étaient visés: (1) évaluer in vitro le suivi automatique et la reconstruction 3D en temps réel d’une artère en utilisant trois fantômes ayant des géométries réalistes. (2) évaluer in vivo la capacité de ce système d'imagerie robotique pour la cartographie 3D en temps réel d'une artère fémorale normale. Pour le premier objectif, la reconstruction 3D US a été comparée avec les fichiers CAD (computer-aided-design) des fantômes. De plus, pour le troisième fantôme, la reconstruction 3D US a été comparée avec sa reconstruction CTA, considéré comme examen de référence pour évaluer la MAP. Cinq chapitres composent ce mémoire. Dans le premier chapitre, la MAP sera expliquée, puis dans les deuxième et troisième chapitres, l’imagerie 3D ultrasonore et la robotique médicale seront développées. Le quatrième chapitre sera consacré à la présentation d’un article intitulé " A robotic ultrasound scanner for automatic vessel tracking and three-dimensional reconstruction of B-mode images" qui résume les résultats obtenus dans ce projet de maîtrise. Une discussion générale conclura ce mémoire. L’article intitulé " A 3D ultrasound imaging robotic system to detect and quantify lower limb arterial stenoses: in vivo feasibility " de Marie-Ange Janvier et al dans l’annexe 3, permettra également au lecteur de mieux comprendre notre système robotisé. Ma contribution dans cet article était l’acquisition des images mode B, la reconstruction 3D et l’analyse des résultats pour le patient sain.Locating and quantifying stenosis length and severity are essential for planning adequate treatment of peripheral arterial disease (PAD). To do this, clinicians use imaging methods such as ultrasound (US), Magnetic Resonance Angiography (MRA) and Computed Tomography Angiography (CTA). However, US examination cannot provide maps of entire lower limb arteries in 3D, MRA is expensive and invasive, CTA is ionizing and also invasive. We propose a new 3D-US robotic system with B-mode images, which is non-ionizing, non-invasive, and is able to track and reconstruct in 3D the superficial femoral artery from the iliac down to the popliteal artery, in real time. In vitro, 3D-US reconstruction was evaluated for simple and complex geometries phantoms in comparison with their computer-aided-design (CAD) file in terms of lengths, cross sectional areas and stenosis severity. In addition, for the phantom with a complex geometry, an evaluation was realized using Hausdorff distance, cross-sectional area and stenosis severity in comparison with 3D reconstruction with CTA. A mean Hausdorff distance of 0.97± 0.46 mm was found for 3D-US compared to 3D-CTA vessel representations. In vitro investigation to evaluate stenosis severity when compared with the original phantom CAD file showed that 3D-US reconstruction, with 3%-6% error, is better than 3D-CTA reconstruction, with 4-13% error. The in vivo system’s feasibility to reconstruct a normal femoral artery segment of a volunteer was also investigated. All of these promising results show that our ultrasound robotic system is able to track automatically the vessel and reconstruct it in 3D as well as CTA. Clinically, our system will allow firstly to the radiologist to have 3D images readily interpretable and secondly, to avoid radiation and contrast agent for patients

Learning Distributions of Functions on a Continuous Time Domain

This work presents several contributions on the topic of learning representations of function spaces, as well as on learning the dynamics of glioma growth as a particular instance thereof. We begin with two preparatory efforts, showing how expert knowledge can be leveraged efficiently in an interactive segmentation context, and presenting a proof of concept for inferring non-deterministic glioma growth patterns purely from data. The remainder of our work builds upon the framework of Neural Processes. We show how these models represent function spaces and discover that they can implicitly decompose the space into different frequency components, not unlike a Fourier transform. In this context we derive an upper bound on the maximum signal frequency Neural Processes can represent and show how to control the learned representations to only contain certain frequencies. We continue with an improvement of a more recent addition to the Neural Process family called ConvCNP, which we combine with a Gaussian Process to make it non-deterministic and to improve generalization. Finally, we show how to perform segmentation in the Neural Process framework by extending a typical segmentation architecture with spatio-temporal attention. The resulting model can interpolate complex spatial variations of segmentations over time and, applied to glioma growth, it is able to represent multiple temporally consistent growth trajectories, exhibiting realistic and diverse spatial growth patterns

Dynamic Analysis of X-ray Angiography for Image-Guided Coronary Interventions

Percutaneous coronary intervention (PCI) is a minimally-invasive procedure for treating patients with coronary artery disease. PCI is typically performed with image guidance using X-ray angiograms (XA) in which coronary arter