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Advisors: Vaquero López, Juan José

Department-Institute: Universidad Carlos III de Madrid. Departamento de Bioingeniería e Ingeniería Aeroespacial

Issued date: 2013-06

Defense date: 2013-06-24

Review: PeerReviewed

Keywords: Image processing , Biomedical applications , CBCT , Cone-beam x-ray CT

Rights: Atribución-NoComercial-SinDerivadas 3.0 España

Abstract: 

During the last years cone-beam x-ray CT CBCT has been established as a widespreadimaging technique and a feasible alternative to conventional CT for dedicated imagingtasks for which the limited flexibility offered by conventional CT advises thedevelopDuring the last years cone-beam x-ray CT CBCT has been established as a widespreadimaging technique and a feasible alternative to conventional CT for dedicated imagingtasks for which the limited flexibility offered by conventional CT advises thedevelopment of dedicated designs. CBCT systems are starting to be routinely used inimage guided radiotherapy; image guided surgery using C-arms; scan of body partssuch as the sinuses, the breast or extremities; and, especially, in preclinical small-animalimaging, often coupled to molecular imaging systems.Despite the research efforts advocated to the advance of CBCT, the challengesintroduced by the use of large cone angles and two-dimensional detectors are a field ofvigorous research towards the improvement of CBCT image quality. Moreover, systemsfor small-animal imaging add to the challenges posed by clinical CBCT the need ofhigher resolution to obtain equivalent image quality in much smaller subjects.This thesis contributes to the progress of CBCT imaging by addressing a variety ofissues affecting image quality in CBCT in general and in CBCT for small-animalimaging CBμCT.As part of this work we have assessed and optimized the performance of CBμCTsystems for different imaging tasks. To this end, we have developed a new CBμCTsystem with variable geometry and all the required software tools for acquisition,calibration and reconstruction. The system served as a tool for the optimization of theimaging process and for the study of image degradation effects in CBμCT, as well as aplatform for biological research using small animals. The set of tools for the accuratestudy of CBCT was completed by developing a fast Monte Carlo simulation enginebased on GPUs, specifically devoted to the realistic estimation of scatter and its effectson image quality in arbitrary CBCT configurations, with arbitrary spectra, detectorresponse, and antiscatter grids. This new Monte Carlo engine outperformed currentsimulation platforms by more than an order of magnitude.Due to the limited options for simulation of spectra in microfocus x-ray sources used inCBμCT, we contributed in this thesis a new spectra generation model based on anempirical model for conventional radiology and mammography sources modified in accordance to experimental data. The new spectral model showed good agreement withexperimental exposure and attenuation data for different materials.The developed tools for CBμCT research were used for the study of detectorperformance in terms of dynamic range. The dynamic range of the detector wascharacterized together with its effect on image quality. As a result, a new simple methodfor the extension of the dynamic range of flat-panel detectors was proposed andevaluated. The method is based on a modified acquisition process and a mathematicaltreatment of the acquired data.Scatter is usually identified as one of the major causes of image quality degradation inCBCT. For this reason the developed Monte Carlo engine was applied to the in-depthstudy of the effects of scatter for a representative range of CBCT embodiments used inthe clinical and preclinical practice. We estimated the amount and spatial distribution ofthe total scatter fluence and the individual components within. The effect of antiscattergrids in improving image quality and in noise was also evaluated. We found a closerelation between scatter and the air gap of the system, in line with previous results in theliterature. We also observed a non-negligible contribution of forward-directed scatterthat is responsible to a great extent for streak artifacts in CBCT. The spatial distributionof scatter was significantly affected by forward scatter, somewhat challenging the usualassumption that the scatter distribution mostly contains low-frequencies. Antiscattergrids showed to be effective for the reduction of cupping, but they showed a muchlower performance when dealing with streaks and a shift toward high frequencies of thescatter 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 ampliamenteusadas. El CBCT se ha convertido en una alternativa factible al TAC convencional entareas de imageA 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 ampliamenteusadas. El CBCT se ha convertido en una alternativa factible al TAC convencional entareas de imagen específicas para las que la flexibilidad limitada ofrecida por este hacerecomendable el desarrollo de sistemas de imagen dedicados. De esta forma, el CBCTestá empezando a usarse de forma rutinaria en varios campos entre los que se incluyenla 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, comolos senos nasales, las extremidades o la mama, y, especialmente el campo de imagenpreclínica con pequeño animal. Los sistemas CBCT usados en este último campo seencuentran habitualmente combinados con sistemas de imagen molecular.A pesar del trabajo de investigación dedicado al avance de la técnica CBCT en losúltimos años, los retos introducidos por el uso de haces cónicos y de detectoresbidimensionales son un campo candente para la investigación médica, con el objetivo deobtener una calidad de imagen equivalente o superior a la proporcionada por el TACconvencional. En el caso de imagen preclínica, a los retos generados por el uso deCBCT se une la necesidad de una mayor resolución de imagen que permita observarestructuras anatómicas con el mismo nivel de detalle obtenido para humanos.Esta tesis contribuye al progreso del CBCT mediante el estudio de usa serie de efectosque 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 desistemas CBCT preclínicos en función de la tarea de imagen concreta. Con este fin se hadesarrollado un sistema CBCT para pequeños animales con geometría variable y todaslas herramientas necesarias para la adquisición, calibración y reconstrucción de imagen.El sistema sirve como base para la optimización de protocolos de adquisición y para elestudio de fuentes de degradación de imagen además de constituir una plataforma parala investigación biológica en pequeño animal.El conjunto de herramientas para el estudio del CBCT se completó con el desarrollo deuna 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. Laplataforma desarrollada supera el rendimiento de las actuales en más de un orden demagnitud y permite la inclusión de espectros policromáticos de rayos X, de la respuestarealista del detector y de rejillas antiscatter.Debido a las escasas opciones ofrecidas por la literatura para la estimación de espectrosde rayos X para fuentes microfoco usadas en imagen preclínica, en esta tesis se incluyeel desarrollo de un nuevo modelo de generación de espectros, basado en un modeloexistente para fuentes usadas en radiología y mamografía. El modelo fue modificado apartir de datos experimentales. La precisión del modelo presentado se comprobómediante datos experimentales de exposición y atenuación para varios materiales.Las herramientas desarrolladas se usaron para estudiar el rendimiento de detectores derayos tipo flat-panel en términos de rango dinámico, explorando los límites impuestospor el mismo en la calidad de imagen. Como resultado se propuso y evaluó un métodopara la extensión del rango dinámico de este tipo de detectores. El método se basa en lamodificación del proceso de adquisición de imagen y en una etapa de postproceso de losdatos 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 CBCTque 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 derejillas 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 distanciaentre muestra y detector en el equipo, en línea con resultados publicados previamentepor otros autores. También se encontró una influencia no despreciable de componentesde radiación dispersa con bajos ángulos de desviación, poniendo en tela de juicio latradicional asunción que considera que la distribución espacial de la radiación dispersaestá formada casi exclusivamente por componentes de muy baja frecuencia.Las rejillas antiscatter demostraron ser efectivas para la reducción del artefacto decupping, pero su efectividad para tratar artefactos en forma de línea principalmenteformados por radiación dispersa con bajo ángulo de desviación resultó mucho menor.La inclusión de estas rejillas también enfatiza las componentes de alta frecuencia de ladistribución espacial de la radiación dispersa.+- 







Autor: Sisniega Crespo, Alejandro

Fuente: http://e-archivo.uc3m.es


Introducción



Universidad Carlos III de Madrid Repositorio institucional e-Archivo http:--e-archivo.uc3m.es Tesis Tesis Doctorales 2013-06 Contributions to the improvement of þÿimage quality in CBCT and CB¼CT and application in the development of a þÿCB¼CT system Sisniega Crespo, Alejandro http:--hdl.handle.net-10016-17861 Descargado de e-Archivo, repositorio institucional de la Universidad Carlos III de Madrid TESIS DOCTORAL Contributions to the improvement of image quality in CBCT and CBCT and application in the development of a CBCT system Autor: Alejandro Sisniega Crespo Director: Juan José Vaquero López DEPARTAMENTO DE BIOINGENIERÍA E INGENIERÍA AEROESPACIAL Leganés, 5 de junio de 2013   TESIS DOCTORAL CONTRIBUTIONS TO THE IMPROVEMENT OF IMAGE QUALITY IN CBCT AND CBCT AND APPLICATION IN THE DEVELOPMENT OF A CBCT SYSTEM Autor: Alejandro Sisniega Crespo Director: Juan José Vaquero López Firma del Tribunal Calificador: Firma Presidente: Vocal: Secretario: Calificación: Leganés, de de     Agradecimientos    Durante estos años que han desembocado en el desarrollo de esta tesis he tenido la suerte de contar con la ayuda y apoyo de un montón de excelentes personas, todas las cuales han aportado su grano de arena. En primer lugar me gustaría agradecer a Juanjo y a Manolo por la oportunidad que me ofrecieron de entrar en este mundo.
Desde ese momento han sabido guiarme y ofrecerme su apoyo en todo momento a la vez que libertad absoluta para proponer ideas y explorar caminos.
Es muy difícil encontrar directores de su categoría científica y personal y sin ellos no habría despertado en mí la pasión por la investigación. En cuanto al LIM, he de decir que no imagino un ambiente mejor en todos los sentidos, es un gustazo contar con estos compañeros, que no son sólo compañeros, sino amigos dispuestos igualmente a echarte un cable en lo que sea o a echarse unas birras entre risas.
Todos habéis contribuido a que est...





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