Cone-beam computertomografie is een snelle en veelbelovende techniek voor microstructurele beeldvorming in de klinische praktijk

Bot- en gewrichtsziektes (bv, osteoporosis, osteoarthritis en rheumatoid arthritis) zijn een belangrijke socio-economische belasting geworden door de toenemende levensverwachting. Door wetenschappers is reeds onderstreept dat het belangrijk is de opbouw van de botstructuur in klinische praktijk te onderzoeken. Maar toch blijft het nog steeds een uitdaging om dit in klinische praktijk effectief te doen.

Hoge resolutie in vivo beeldvorming werd mogelijk met de ontwikkeling van een hoge resolutie perifere computertomografie (HR-pQCT) scanner. Twee systemen zijn momenteel op de markt, XtremeCT-I en XtremeCT-II (Scanco Medical AG, Zwitserland) met een voxelgrootte tot 82µm en 60.7µm respectievelijk. Tot nu toe laat een doorbraak van de scanner voor wijdverspreide klinische toepassingen nog steeds op zich wachten. De twee grootste nadelen van de scanner zijn de trage scantijd (2 à 3min. voor een snede van 0.9 tot 1cm), wat het uitdagend maakt om grote volumes in vivo te scannen, en de specifieke aard van de scanner die het niet toelaat de scanner te gebruiken voor routine klinische toepassingen voor standaard musculoskeletale diagnostiek.

Een veelbelovend alternatief is een hoge resolutie cone-beam computertomografie (CBCT) scanner die reeds de gouden standaard is in vele dentale en maxillofaciale toepassingen. De meest performante hoge resolutie CBCT scanners op de markt, bv de CBCT NewTom 5G (Cefla, Italië), hebben een snelle scantijd (18 tot 31s.), een groot gezichtsveld (12x12x8cm3) en een lage stralingsdosis, bovenop een hoge resolutie (voxelgrootte tot 75µm). Deze aantrekkelijke specificaties worden echter overschaduwd door de aanwezigheid van beeldartefacten die het contrast beperken, wat er toe leidt dat CBCT momenteel enkel voor kwalitatieve evaluatie gebruikt wordt.

Het hoofddoel van dit doctoraat is om te bepalen of CBCT verbeterd kan worden via artefact correctiealgoritmes en geavanceerde segmentatietechnieken zodat het kan gebruikt worden om de botmicrostructuur te visualiseren en te kwantificeren en om botmechanische parameters te kwantificeren.

Om dit hoofddoel te bereiken, zijn vier subdoelen geformuleerd en uitgewerkt in dit doctoraat. Het eerste doel is om de CBCT artefacten te identificeren en de CBCT beelden te verbeteren. In literatuur wordt scattering meestal aanzien als de belangrijkste degraderende factor in CBCT beeldvorming en beam hardening is een ander belangrijk en vaak genoemd artefact. Om het belang van deze artefacten te bepalen, is een Monte Carlo simulatie alsook een C++ programma ontwikkeld. In tegenstelling tot wat vaak in literatuur verondersteld wordt, demonstreerden onze simulaties dat scattering gelimiteerd is wanneer een normale pols gescand wordt en dat de impact van de beam hardening meer uitgesproken is dan van de scattering. Naast beam hardening correctie, is een in-house reconstructie en projectie processing algoritme ontwikkeld dat de beelden reeds significant verbeterde, vergeleken met de standaard reconstructie van de scanner.

Het tweede doel van dit doctoraat was om de nauwkeurigheid van CBCT beelden te evalueren om botmicrostructuurparameters te kwantificeren. Om kwantificatie van botmicrostructuurparameters mogelijk te maken, moesten de beelden gesegmenteerd worden en een trabeculair studie-volume geselecteerd worden. Voor de segmentatie is een adaptieve segmentatietechniek in dit doctoraat voorgesteld. Deze adaptieve segmentatietechniek is een belangrijke sleutel om de nauwkeurigheid van de gekwantificeerde botmicrostructuurparameters te verbeteren, omdat het segmentatie van niet volledig homogene beelden mogelijk maakt. Om het trabeculair studie-volume automatisch te selecteren, is de techniek van Buiet et al. uitgebreid. Twee ex vivo validaties zijn uitgevoerd in dit doctoraat, één op 19 trapezia en één op 19 distale radii. Beide validaties demonstreerden dat onze verbeterde CBCT beelden in staat waren om botmicrostructuurparameters met hoge nauwkeurigheid te kwantificeren.

Het derde subdoel was om de nauwkeurigheid van CBCT beelden te evalueren om botmechanische parameters te kwantificeren. Momenteel worden meestal eenvoudige vlakke randvoorwaarden aangelegd op secties van een bot, zoals een sectie van een distale radius. Om randvoorwaarden aan te leggen op volledige botten of meerdere botten, zijn meer geavanceerde randvoorwaarden nodig. Daarom is software ontwikkeld om meer algemene randvoorwaarden aan te leggen. Daarna is de nauwkeurigheid van CBCT getest om botmechanische parameters te kwantificeren op dezelfde 19 trapezia en 19 distale radii als in de vorige sectie. Beide validaties demonstreerden dat de verbeterde CBCT beelden ook een adequate nauwkeurigheid hebben om botmechanische parameters te kwantificeren.

Het laatste subdoel was om de nauwkeurigheid van CBCT te vergelijken met HR-pQCT, de huidige standaard om in vivo hoge resolutie scans van extremiteiten te maken. Ofschoon CBCT visueel minder scherp is, geeft het een zeer gelijkaardige, weliswaar iets lagere nauwkeurigheid om botmicrostructuur- en mechanische parameters te kwantificeren vergeleken met XtremeCT-II, de nieuwste generatie HR-pQCT scanner.

Daaruit kunnen we besluiten dat onze verbeterde hoge resolutie CBCT beelden in staat zijn de botmicrostructuur- en botmechanische parameters met hoge nauwkeurigheid te kwantificeren. Door zijn aantrekkelijke kenmerken, zoals een korte scantijd voor een groot gezichtsveld en dit aan hoge resolutie met een lage stralingsdosis, is CBCT een veelbelovende scanner voor hoge resolutie beeldvorming in klinische praktijk.