Образец для цитирования:

Ivanov D. V., Kirillova I. V., Kossovich L. Y., Bessonov L. V., Petraikin A. V., Dol A. V., Ahmad E. S., Morozov S. P., Vladzymyrskyy A. V., Sergunova K. A., Kharlamov A. V. Influence of Convolution Kernel and Beam-Hardening Effect on the Assessment of Trabecular Bone Mineral Density Using Quantitative Computed Tomography [Иванов Д. В., Кириллова И. В., Коссович Л. Ю., Бессонов Л. В., Петряйкин А. В., Доль А. В., Ахмад Е. С., Морозов С. П., Владзимирский А. В., Сергунова К. А., Харламов А. В. Влияние конволюционных ядер и эффекта «упрочнения луча» на оценку минеральной плотности губчатой костной ткани с использованием количественной компьютерной томографии] // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Математика. Механика. Информатика. 2020. Т. 20, вып. 2. С. 205-219. DOI: https://doi.org/10.18500/1816-9791-2020-20-2-205-219


Опубликована онлайн: 
01.06.2020
Язык публикации: 
английский
Рубрика: 
УДК: 
539.3/617.547

Influence of Convolution Kernel and Beam-Hardening Effect on the Assessment of Trabecular Bone Mineral Density Using Quantitative Computed Tomography
[Влияние конволюционных ядер и эффекта «упрочнения луча» на оценку минеральной плотности губчатой костной ткани с использованием количественной компьютерной томографии]

Аннотация: 

Для оценки минеральной плотности и прочности костных тканей наряду с денситометрией применяется количественная компьютерная томография. «Сырые» данные, полученные при компьютерной томографии, преобразуются программным обеспечением томографа посредством сверточных (конволюционных) ядер. Известно, что при применении конволюционных ядер может существенно изменяться плотность тканей, выраженная в единицах Хаунсфилда. Описан эффект «упрочнения луча» (beam-hardening effect): при прохождении рентгеновского луча через объект происходит поглощение фотонов рентгеновского излучения с более низкой энергией. Поэтому сканирование объектов «на воздухе» без окружения мягких тканей тела человека дает искаженные числа Хаунсфилда относительно их реальных значений. Данная работа нацелена на то, чтобы оценить влияние различных конволюционных ядер, эффекта «упрочнения луча», а также других параметров настройки компьютерного томографа на единицы Хаунсфилда губчатой костной ткани головок бедра и калиброванных образцов водногораствора гидроортофосфата калия с известной минеральной плотностью. Образцы губчатой костной ткани головок бедра и калиброванные образцы водного раствора гидроортофосфата калия с известной минеральной плотностью сканировали на компьютерном томографе Toshiba Aquilion 64. Сканирование образцов осуществляли в различных режимах: при разном токе, «на воздухе» и внутри калибровочного фантома. Приэтом анализировались результирующие изображения, обработанные конволюционными ядрами FC17 и FC03. Было показано, что величина тока практически не влияет на числа Хаунсфилда. Различные конволюционные ядра демонстрируют существенно разные числа Хаунсфилда при сканировании «на воздухе» одних и тех же образцов. Эффект «beam hardening» существенно влияет на числа Хаунсфилда и должен учитываться при оценке минеральной плотности костной ткани. Не выявлены различия в измерениях «на воздухе» и в фантоме на уровне значимости 5% для ядра FC03, что подтверждает тот факт, что оно предназначено для корректировки эффекта «beam-hardening». Однако при малых минеральных плотностях сканируемых образцов отмечается неоднозначная зависимость между числами Хаунсфилда и минеральной плотностью для ядра FC03. Ядро FC17 считаем более предпочтительным и пригодным для оценки минеральной плотности костной ткани с учетом предварительной калибровки с помощью фантома для широкого диапазона заданных минеральных плотностей. Получены регрессионные зависимости для пересчета чисел Хаунсфилда из экспериментов «на воздухе» в числа Хаунсфилда тех же образцов с учетом окружающих тканей (в фантоме).

 

Библиографический список

1. Patel S. P., Lee J. J., Hecht G. G., Holcombe S. A., Wang S. C., Goulet G. A. Normative Vertebral Hounsfield Unit Values and Correlation with Bone Mineral Density. J Clin Exp Orthop., 2016, vol. 2, no. 14. DOI: https://doi.org/10.4172/2471-8416.100014
2. Kim K. J., Kim D. H., Lee J. I., Choi B. K., Han I. H., Nam K. H. Hounsfield Units on Lumbar Computed Tomography for Predicting Regional Bone Mineral Density. Open Med., 2019, vol. 14, iss. 1, pp. 545–551. DOI: https://doi.org/10.1515/med-2019-0061
3. Khan S. N., Warkhedkar R. M., Shyam A. K. Analysis of Hounsfield Unit of Human Bones for Strength Evaluation. Procedia Materials Science, 2014, vol. 6, pp. 512–519. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mspro.2014.07.065
4. Giambini H., Dragomir-Daescu D., Huddleston P. M., Camp J. J., An K. N., Nassr A. The Effect of Quantitative Computed Tomography Acquisition Protocols on Bone Mineral Density Estimation. J Biomech Eng., 2015, vol. 137, no. 11, p. 114502. DOI: https://doi.org/10.1115/1.4031572
5. Pickhardt P. J., Bodeen G., Brett A., Brown J. K., Binkley N. Comparison of femoral neck BMD evaluation obtained using lunar DXA and QCT with asynchronous calibration from CT colonography. J Clin Densitom, 2015, vol. 18, no. 1, pp. 5–12. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jocd.2014.03.002
6. Brown J. K., Timm W., Bodeen G., Chason A., Perry M., Vernacchia F., Delournett R. Asynchronously Calibrated Quantitative Bone Densitometry. J Clin Densitom, 2017, vol. 20, no. 2, pp. 216–225. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jocd.2015.11.001
7. Andersen H. K., Jensen K., Berstad A. E., Aalokken T. M., Kristiansen J., von Gohren Edwin B., Hagen G., Martinsen A. C. Choosing the best reconstruction technique in abdominal computed tomography: a systematic approach. J Comput Assist Tomogr, 2014, vol. 38, no. 6, pp. 853–858. DOI: https://doi.org/10.1097/RCT.0000000000000139
8. Michalski A. S., Edwards W. B., Boyd S. K. The Influence of Reconstruction Kernel on Bone Mineral and Strength Estimates Using Quantitative Computed Tomography and Finite Element Analysis. J Clin Densitom, 2019, vol. 22, no. 2, pp. 219–228. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jocd.2017.09.001
9. Birnbaum B. A., Hindman N., Lee J., Babb J. S. Multi-detector row CT attenuation measurements: assessment of intra- and interscanner variability with an anthropomorphic body CT phantom. Radiology, 2007, vol. 242, no. 1, pp. 109–119. DOI: https://doi.org/10.1148/radiol.2421052066
10. Free J., Eggermont F., Derikx L., van Leeuwen R., van der Linden Y., Jansen W., Raaijmakers E., Tanck E., Kaatee R. The effect of different CT scanners, scan parameters and scanning setup on Hounsfield units and calibrated bone density: a phantom study. Biomed. Phys. Eng. Express, 2018, vol. 4, no. 5, p. 055013. DOI: https://doi.org/10.1088/2057-1976/aad66a
11. Gromov А. I., Petraikin A. V., Kulberg N. S., Kim S. Yu., Morozov S. P., Sergunova K. A., Usanov M. S. The Problem of X-Ray Attenuation Estimation Accuracy in Multislice Computed Tomography. Medical Visualization, 2016, no. 6, pp. 133–142 (in Russian).
12. Crookshank M., Ploeg H.-L., Ellis R., Macintyre N. J. Repeatable calibration of Hounsfield units to mineral density and effect of scanning medium. Advances in Biomechanics and Applications, 2013, vol. 1, no. 1, pp. 015–022. DOI: http://dx.doi.org/10.12989/aba.2013.1.1.015
13. Witt R. M., Cameronand J. R. Improved bone standard containing dipotassium hydrogen phosphate solution for the intercomparison of different transmission bone scanning systems. Technical Report. 1970. NTIS Issue Number 197112. 6 p.
14. Morozov S. P., Sergunova K. A., Petryaykin A. V., Semenov D. S., Petryaykin F. A., Akhmad E. S., Nizovtsova L. A., Vladzimirsky A. V. Phantom device for testing x-ray methods of osteodensitometry. Utility Model Patent 186961. RF. No. 2018125297; declared 10.07.2018; published 11.02.2019. Bull. no. 5. 11 p. (in Russian).
15. Glantz S. A. Primer of biostatistics. Seventh Edition. New York, McGraw-Hill, 2011. 320 p.
16. Kobzar A. I. Applied Mathematical Statistics. For Engineers and Scientists. Мoscow, Fizmatlit, 2006. 816 p. (in Russian).

Полный текст в формате PDF: