402 research outputs found
Contributions to the improvement of image quality in CBCT and CBμCT and application in the development of a CBμCT system
During the last years cone-beam x-ray CT (CBCT) has been established as a widespread
imaging technique and a feasible alternative to conventional CT for dedicated imaging
tasks for which the limited flexibility offered by conventional CT advises the
development of dedicated designs. CBCT systems are starting to be routinely used in
image guided radiotherapy; image guided surgery using C-arms; scan of body parts
such as the sinuses, the breast or extremities; and, especially, in preclinical small-animal
imaging, often coupled to molecular imaging systems.
Despite the research efforts advocated to the advance of CBCT, the challenges
introduced by the use of large cone angles and two-dimensional detectors are a field of
vigorous research towards the improvement of CBCT image quality. Moreover, systems
for small-animal imaging add to the challenges posed by clinical CBCT the need of
higher resolution to obtain equivalent image quality in much smaller subjects.
This thesis contributes to the progress of CBCT imaging by addressing a variety of
issues affecting image quality in CBCT in general and in CBCT for small-animal
imaging (CBμCT).
As part of this work we have assessed and optimized the performance of CBμCT
systems for different imaging tasks. To this end, we have developed a new CBμCT
system with variable geometry and all the required software tools for acquisition,
calibration and reconstruction. The system served as a tool for the optimization of the
imaging process and for the study of image degradation effects in CBμCT, as well as a
platform for biological research using small animals. The set of tools for the accurate
study of CBCT was completed by developing a fast Monte Carlo simulation engine
based on GPUs, specifically devoted to the realistic estimation of scatter and its effects
on image quality in arbitrary CBCT configurations, with arbitrary spectra, detector
response, and antiscatter grids. This new Monte Carlo engine outperformed current
simulation platforms by more than an order of magnitude.
Due to the limited options for simulation of spectra in microfocus x-ray sources used in
CBμCT, we contributed in this thesis a new spectra generation model based on an
empirical model for conventional radiology and mammography sources modified in accordance to experimental data. The new spectral model showed good agreement with
experimental exposure and attenuation data for different materials.
The developed tools for CBμCT research were used for the study of detector
performance in terms of dynamic range. The dynamic range of the detector was
characterized together with its effect on image quality. As a result, a new simple method
for the extension of the dynamic range of flat-panel detectors was proposed and
evaluated. The method is based on a modified acquisition process and a mathematical
treatment of the acquired data.
Scatter is usually identified as one of the major causes of image quality degradation in
CBCT. For this reason the developed Monte Carlo engine was applied to the in-depth
study of the effects of scatter for a representative range of CBCT embodiments used in
the clinical and preclinical practice. We estimated the amount and spatial distribution of
the total scatter fluence and the individual components within. The effect of antiscatter
grids in improving image quality and in noise was also evaluated. We found a close
relation between scatter and the air gap of the system, in line with previous results in the
literature. We also observed a non-negligible contribution of forward-directed scatter
that is responsible to a great extent for streak artifacts in CBCT. The spatial distribution
of scatter was significantly affected by forward scatter, somewhat challenging the usual
assumption that the scatter distribution mostly contains low-frequencies. Antiscatter
grids showed to be effective for the reduction of cupping, but they showed a much
lower performance when dealing with streaks and a shift toward high frequencies of the
scatter distributions. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------A lo largo de los últimos años, el TAC de rayos X de haz cónico (CBCT, de “conebeam”
CT) se ha posicionado como una de las técnicas de imagen más ampliamente
usadas. El CBCT se ha convertido en una alternativa factible al TAC convencional en
tareas de imagen específicas para las que la flexibilidad limitada ofrecida por este hace
recomendable el desarrollo de sistemas de imagen dedicados. De esta forma, el CBCT
está empezando a usarse de forma rutinaria en varios campos entre los que se incluyen
la radioterapia guiada por imagen, la cirugía guiada por imagen usando arcos en C,
imagen de partes de la anatomía en las que el TAC convencional no es apropiado, como
los senos nasales, las extremidades o la mama, y, especialmente el campo de imagen
preclínica con pequeño animal. Los sistemas CBCT usados en este último campo se
encuentran habitualmente combinados con sistemas de imagen molecular.
A pesar del trabajo de investigación dedicado al avance de la técnica CBCT en los
últimos años, los retos introducidos por el uso de haces cónicos y de detectores
bidimensionales son un campo candente para la investigación médica, con el objetivo de
obtener una calidad de imagen equivalente o superior a la proporcionada por el TAC
convencional. En el caso de imagen preclínica, a los retos generados por el uso de
CBCT se une la necesidad de una mayor resolución de imagen que permita observar
estructuras anatómicas con el mismo nivel de detalle obtenido para humanos.
Esta tesis contribuye al progreso del CBCT mediante el estudio de usa serie de efectos
que afectan a la calidad de imagen de CBCT en general y en el ámbito preclínico en particular. Como parte de este trabajo, hemos evaluado y optimizado el rendimiento de
sistemas CBCT preclínicos en función de la tarea de imagen concreta. Con este fin se ha
desarrollado un sistema CBCT para pequeños animales con geometría variable y todas
las herramientas necesarias para la adquisición, calibración y reconstrucción de imagen.
El sistema sirve como base para la optimización de protocolos de adquisición y para el
estudio de fuentes de degradación de imagen además de constituir una plataforma para
la investigación biológica en pequeño animal.
El conjunto de herramientas para el estudio del CBCT se completó con el desarrollo de
una plataforma acelerada de simulación Monte Carlo basada en GPUs, optimizada para la estimación de radiación dispersa en CBCT y sus efectos en la calidad de imagen. La
plataforma desarrollada supera el rendimiento de las actuales en más de un orden de
magnitud y permite la inclusión de espectros policromáticos de rayos X, de la respuesta
realista del detector y de rejillas antiscatter.
Debido a las escasas opciones ofrecidas por la literatura para la estimación de espectros
de rayos X para fuentes microfoco usadas en imagen preclínica, en esta tesis se incluye
el desarrollo de un nuevo modelo de generación de espectros, basado en un modelo
existente para fuentes usadas en radiología y mamografía. El modelo fue modificado a
partir de datos experimentales. La precisión del modelo presentado se comprobó
mediante datos experimentales de exposición y atenuación para varios materiales.
Las herramientas desarrolladas se usaron para estudiar el rendimiento de detectores de
rayos tipo flat-panel en términos de rango dinámico, explorando los límites impuestos
por el mismo en la calidad de imagen. Como resultado se propuso y evaluó un método
para la extensión del rango dinámico de este tipo de detectores. El método se basa en la
modificación del proceso de adquisición de imagen y en una etapa de postproceso de los
datos adquiridos.
El simulador Monte Carlo se empleó para el estudio detallado de la naturaleza,
distribución espacial y efectos de la radiación dispersa en un rango de sistemas CBCT
que cubre el espectro de aplicaciones propuestas en el entorno clínico y preclínico.
Durante el estudio se inspeccionó la cantidad y distribución espacial de radiación dispersa y de sus componentes individuales y el efecto causado por la inclusión de
rejillas antiscatter en términos de mejora de calidad de imagen y de ruido en la imagen.
La distribución de radiación dispersa mostró una acentuada relación con la distancia
entre muestra y detector en el equipo, en línea con resultados publicados previamente
por otros autores. También se encontró una influencia no despreciable de componentes
de radiación dispersa con bajos ángulos de desviación, poniendo en tela de juicio la
tradicional asunción que considera que la distribución espacial de la radiación dispersa
está formada casi exclusivamente por componentes de muy baja frecuencia.
Las rejillas antiscatter demostraron ser efectivas para la reducción del artefacto de
cupping, pero su efectividad para tratar artefactos en forma de línea (principalmente
formados por radiación dispersa con bajo ángulo de desviación) resultó mucho menor.
La inclusión de estas rejillas también enfatiza las componentes de alta frecuencia de la
distribución espacial de la radiación dispersa
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