Первичные результаты клинического использования стоматологического компьютерного томографа "НьюТом 3G"

П. Моццо1, С. Прокаччи2, А. Таккони2, П. Тинацци Мартини2, И.А. Бергамо Андрейс2
1Отдел медицинской физики, Университетский Госпиталь, 1-37134 Верона, Италия,
2Отдел рентгенологии, Университетский Госпиталь, 1-37134 Верона, Италия

Резюме. Целью данной статьи является представить новый объемный компьютерный томограф итальянского производства "НьюТом 3G", в котором применён конический луч, вместо традиционного веерного рентгеновского луча. Указанный аппарат предназначен для получения рентгенограмм зубных рядов и отделов челюстно-лицевой области необходимых, в частности, при планировании реконструктивных вмешательств на опорных тканях лица, а также операций дентальной имплантации. Полученные изображения отображаются в виде различных двухмерных срезов и объемных реконструкций. Также представляется возможным проводить антропометрию с высокой точностью. Доза облучения, получаемая пациентом во время исследования на томографе "НьюТом 3G" существенно ниже той, которая возникает при работе с традиционными спиральными компьютерными томографами. Геометрическая точность, вычисленная применительно к различным реконструкционным модальностям и разным пространственным ориентациям, составляет 0,8 - 1 % по измерениям ширины и 2,2 % по измерениям высоты. Доза излучения, поглощенная в процессе сканирования отображает различные срезы по фронтальной, саггитальной и другим осям. Что касается максимального значения фронтальной проекции, доза, полученная от нового аппарата составляет приблизительно одну шестую от получаемой на традиционном спиральном КГ. Новая система представляется многообещающей для хирургической стоматологии, ортодонтии и челюстно-лицевой хирургии благодаря оптимальному соотношению между простотой эксплуатации и обслуживания, низкой себестоимостью системы наряду с малой дозой излучения получаемой пациентом.
Ключевые слова: Компьютерная томография - Излучение с конической диаграммой направленности - Формирование изображений зубного отдела.

Введение
В настоящее время компьютерная томография широко применяется при диагностике и планировании лечения стоматологических заболеваний, а особенно в оральной и челюстно-лицевой хирургии [1-5]. Специальное программное обеспечение позволяет получать, двухмерные снимки, перпендикулярные зубной дуге и панорамные проекции зубной дуги, а также трёхмерные реконструкции. Однако высочайшая стоимость самих компьютерных томографов в сочетании с большими эксплуатационными расходами наряду с проблемами, связанными с большой дозой излучения получаемой пациентом, ограничивают использование данного вида техники.

В данной статье представлены предварительные клинические результаты, полученные при помощи аппарата относящегося к новому поколению компьютерных томографов, предназначенному для получения изображений зубного и челюстно-лицевого отделов и основанного на коническом луче (КЛ). Ранее в рентгенологии КЛ применялся в рентгеноскопических системах или модифицированных имитаторов с целью получения поперечных срезов пациента в тех же геометрических условиях, которые подлежат лечению [6-11]. КЛ также применялся для получения изображений сосудов, а также для микротомографии маленьких образцов для биомедицинских и промышленных прикладных исследований. Методика представляется весьма многообещающей, благодаря свойственной ей быстроте объемного захвата и высокой эффективности применения рентгеновских волн. Более того, она позволяет выпускать недорогие компьютерные томографы. К потенциальным недостаткам, однако, относятся рассеиваемое излучение [12] и ограниченный динамический диапазон детекторов зоны рентгеновского излучения, которые представлены применяемыми в настоящее время электронно-оптических преобразователями и телевизионными системами. Что касается прикладных технологий компьютерной томографии, у электронно-оптических преобразователей также маленький диаметр; таким образом, могут встречаться артефакты с "усеченной проекцией" [13].

Томограф "НьюТом 3G" представляемый в данной статье является первой коммерческой системой КЛ, предназначенной для полученния изображений зубного и челюстно-лицевого отделов.

Материалы и методы
В новом аппарате "НьюТом 3G" (производство компании QR, г. Веро­на, Италия) используется конический рентгеновский луч, фокусируемый на детекторе (Рис. 1). Лампово-детекторная система осуществляет полное вращение на 360° вокруг головы пациента, в ходе чего производится ряд облучений (обычно по одному на каждый градус), что дает исходный цифровой материал для последующей реконструкции исследованного объема. Объем реконструкции представляет собой цилиндр высотой 15 см с диаметром 15 см.

Рентгеновское излучение импульсное и синхронизировано с системой захвата и сканером. Детектор зоны рентгеновского излучения представляет собой специальный электронно-оптический преобразователь (9 дюймов), спаренный с полупроводниковой (CCD) телевизионной камерой. Получаемые цифровые рентгенограммы имеют формат 512 х 512. Техни­ческие данные о сканированном изображении, так и о детекторе приведены в Таблице 1.

Таблица 1. Технические данные сканирования
Реконструкция объема (Ф x h)    15 х 15 см  
Угол сканирования360o
Время сканирования70 с
Истинное время облучения18 с

данных намного быстрее традиционной компьютерной томографии. Скорость в новом аппарате ограничена технологическими и экономическими факторами. На сегодняшний день время сканирования составляет 36 секунд, но скоро, возможно, оно будет сокращено. Более того, система особенно выгодна при использовании рентгеновского излучения. На самом деле, в методике, использующей излучение с веерной диаграммой на Таблице 1. Технические данные сканирования правленности, лишь (в среднем) несколько тысячных выпущенного излучения используется для формирования изображений, а в случае объемной реконструкции необходимо генерировать в N раз больше рентгеновских фотонов, используемых методикой КЛ (если N - количество фрагментов, необходимых для закрытия интересующего объема). Обычно, для NewTom необходимо 100 мА для полного сканирования верхней и нижней челюсти, и около 23 000 мА (330 мА на каждый ломтик х 70 1-мм ломтиков) требуется для реконструкции того же объема при помощи традиционного компьютерного томографа. Небольшая рентгенологическая мощность и малые механические требования, возникающие благодаря низкой скорости сканирования, определяют простоту производства и низкую стоимость аппарата.

В системе имеется устройство автоматической регулировки облучения (АЕС), позволяющее автоматически выбирать начальную интенсивность рентгеновского излучения в зависимости от размера пациента, а также изменять ее в процессе сканирования в зависимости от толщины преодолеваемых тканей. Также имеется устройство для управления величиной излучения и ограничения облучаемого объема.

Проблемы, вызванные ограниченным динамическим диапазоном детектора, преодолены путем использования специального клинообразного циркулярного фильтра, должным образом корректирующего интенсивность падающего луча, снижая интенсивность на границах по отношению к центру, в зависимости от приблизительно кругового поперечного сечения головы пациента, тем самым, снижая динамику посланного излучения.

Рассеянная радиация ограничивает отношение "сигнал/помеха" (SNR), однако, воздушного промежутка между предметом и детектором (длиной 30 см) достаточно для того, чтобы получить значительное улучшение SNR [14]; более того, малоконтрастная разрешающая способность не является главной целью данного аппарата.

Основной артефакт с усеченной проекцией (круговой край на границах поля) частично скрывается просто путем визуализации областей, более мелких, чем поле зрения. Искажение цифр компьютерной томографии в данном смысле не представляет никакого интереса, поскольку количественный анализ в данный момент не осуществляется.

Сырой материал проходит предварительную корректировку на предмет геометрических и динамических искажений детектора и затем детально прорабатывается при помощи модифицированной версии метода рирпроекции с трехмерным фильтром, предложенного Фелдкампом и пр. [15].

Базовое программное обеспечение позволяет получать, при помощи первичной (или непосредственной) реконструкции, все аксиальные срезы, заключенные в конкретную область, выбранную оператором на одной из боковых проекций головы, используемых в качестве рекогносцировочной проекции (принимая во внимание расхождение пучка). Срезы также могут быть параксиальными наклонными в сравнении с обычными аксиальными плоскостями (например, параллельным основанию нижней челюсти). Смежные срезы могут быть 1-2 мм в толщину. Несколько первичных реконструкций могут быть получены при помощи сырого материала одного единственного сканирования либо в разных плоскостях, либо с разной протяженностью реконструируемой области.

На рис. 2 приведены три параксиальных наклонных изображения верхней челюсти пациента, реконструированных в плоскостях, показанных в соответствующих рекогносцировочных проекциях. На рисунке 3 показаны три других наклонных изображения, реконструированных по тому же сырому материалу в плоскостях, параллельных основанию нижней челюсти (как показано в соответствующей рекогносцировочной проекции). Кольцевой артефакт на данном изображении вызван пока еще не удовлетворительной системой программного обеспечения, которое компенсирует неоднородность пиксельной оперативности камеры CCD. Также видны продолговатые артефакты, вызванные недостаточной выборкой (субдискретизацией), так как количество проекций несколько меньше, чем требуется для того, чтобы полностью определить реконструкционную матрицу.

Никакие артефакты не очевидны из-за расхождения рентгеновских лучей в плоскостях, отличных от средней плоскости [15], вероятно, из-за малых углов конуса. При помощи аксиальных или наклонных изображений (первичной реконструкции), путем переформатирования, которые называются вторичной реконструкцией (много­плоскостное переформатирование -MPR), можно получить двухмерные изображения, перпендикулярные зубной дуге (изображения PDA), двухмерные панорамные изображения, а также трехмерные проекции.

Двухмерные изображения получаются посредством переформатирования вдоль плоскостей, перпендикулярных плоскостям аксиальных (или наклонных) сечений. Они создаются на основе дуг параболы, расположенной на одной из аксиальных проекций зубной дуги. Они охватывают последовательности изображений, полученных вдоль плоскостей, перпендикулярных параболе (изображений PDA), а также проекции, соответствующие плоскостям, параллельным самой параболе (панорамные изображения).

На рис. 4-6 представлено несколько образцов вторичной реконструкции, относящихся к тому же исследованию, с которого взяты рис. 2 и 3. На всех двухмерных изображениях возможно измерить расстояния как вручную, выделяя мышью пределы исследуемого сегмента, так и автоматически в случаях, когда сегменты перекрывают оба края стыка мягких тканей кости.

Специальная опция программного обеспечения данного аппарата позволяет выделить цветным маркером какую-либо анатомическую деталь на двухмерной проекции и автоматически получить ту же деталь на всех остальных переформатированных двух­мерных срезах. Данная опция может использоваться, к примеру, для того, чтобы отметить направление канала нижней челюсти (рис. 7).

Аппарат оснащен рабочей станцией, совместимой с Windows NT, на базе процессоров типа: Intel Pentium, Indigo, или Alpha. С процессором Р6 Intel 200 МГц для первичной реконструкции 30 аксиальных сечений требуется приблизительно 10 минут. Вторичные реконструкции, напротив, осуществляются в режиме реального времени.

Таблица 2. Измерения вставок, использованных в фантомах для тестирования геометрической точности
 Внутренняя ширина
(истин.значен.: 12,10 мм)		Внешняя ширина
(истин.значен.: 6,25 мм)		Высота
(истин.значен.: 6,25 мм)
Аксиальная
(мм; наклон 0o)		12,006,40-
Наклонная
(мм; наклон 30o)		12,086,32-
PDA
(мм; наклон 0o)		12,086,237,92
PDA
(мм; наклон 30o)		11,756,258,00
Панорама
(мм; наклон 0o)		--7,75
Панорама
(мм; наклон 30o)		--8,00
Общее среднее (мм)11,986,306,30
Таблица 2.Результаты измерений по вставкам в фантоме с целью тестирования геометрической точности. Изображение, перпендикулярное зубной дуге — PDA
ИзмерениеВставка 1
(внутренний круг)		Вставка 2
(внешний круг)
Внутренний диаметр (мм)76,4094.60
Внешний диаметр (мм)82,10100,60
Высота (мм)8,108,10

Исследования проводились как на антропоморфных фантомах, так и на пациентах. Перед сканированием пациентов последние были проинформированы, и от них было получено соответствующее согласие. Кроме того, с целью оценить точность геометрических измерений было проведено изучение на геометрических фантомах, представлявшего собой цилиндр из по-лиметилметакрилата, 16 мм в диаметре и высотой 20 см, содержавший две концентрических, аналогичных кости, пластиковых вставки (рис. 8а), размеры которого приведены в таблице 2. Вставки схематически имитируют корковые стенки нижнечелюстной кости. Поглощенная доза измерялась термолюминесцентным дозиметром (TLD) пассивного действия (LiF-100). Детекторы были вставлены в фантом, аналогичный используемому при испытаниях на точность, но без вставок и с отверстиями для крепления дозиметров TLD. Точнее, эти отверстия расположены вдоль прямых, параллельных оси симметрии фантома, по его центру и в 10 см от поверхности (с интервалами 90°; рис. 8Ь), и разнесены между собой на 20 см. Характеристики фантома соответствуют характеристикам, определенным для головного дозиметрического фантома в FDA (21 CFR 1020.39) и в IEC (601-2-44, часть 2, в прессе). Сканирование фантома проведено по стандартным рентгенологическим параметрам, которые приведены в таблице 1 (100 мА на сканирование). Рентгеновское излучение было ограничено таким образом, чтобы было можно воссоздать 70-мм область. Для сравнения, тот же фантом прошел также исследование зубного сканирования при помощи традиционного компьютерного томографа Somatom Plus 4 (компания "Сименс", Эрланген, Германия) посредством 70 смежных сканирований срезов толщиной 1 мм при 120 kV и 330 мА.

Результаты
Геометрическая точность Геометрическая точность была оценена при помощи геометрического фантома с двумя круглыми вставками, представляющими корковые стенки нижнечелюстной кости. Было проведено два исследования, одно при помощи фантома в горизонтальном по­ложении (первичная аксиальная реконструкция), а второе с фантомом, расположенным под углом 30° (первичная реконструкция с тем же наклонным углом). В обоих случаях измерения проводились относительно имитируемой нижнечелюстной кости: внешняя и внутренняя ширина на аксиальном и наклонном изображениях, внешняя и внутренняя ширина, а так­же высота на изображениях PDA, a также высота панорамных проекций.

С целью проведения измерений, независимых от наблюдателя, насколько это было возможно, была использована автоматическая опция измерения. Посредством данной опции можно при помощи мыши выбрать сегмент, перекрывающий оба края исследуемых мягких тканей кости, после чего программное обеспечение анализирует соответствующий денситометрический профиль (рис. 9), автоматически устанавливая границы костей на половину высоты краев.

Все измерения были повторно проведены на трех разных точках, под углами 0о, 90ои 270о. Было проанализировано среднее значение трех измерений. Результаты приведены в таблице 3. Разница, наблюдаемая между истинным значением и общим средним значением составили 0,8 - 1 % для измерений по ширине и 2," % для измерений по высоте.

Данный тест демонстрирует высокую точность системы по отношению ко всем возможным пространственным ориентациям реконструируемого изображения. Все изображения могут быть распечатаны в масштабе 1:1. Точность измерений является одной из главных целей системы, преимущественно для формирования предимплантационных изображений

Поглощенная доза
Результаты измерения дозы показаны в виде профилей дозы, т.е. поглощенная доза в зависимости от положения вдоль прямых фантома. Посредством фантома для каждого измерения проанализированы пять профилей дозы (профиль центральной дозы и четырех периферийных). Положение вдоль каждого профиля проанализировано по отношению к центральной осевой плоскости; для аппарата NewTom 3G последняя ограничивается осью симметрии луча, а в случае применения традиционного компьютерного томографа центральным сечением сканированного объема.

Профили дозы, полученные как при помощи аппарата NewTom 3G, так и при помощи Siemens Somatom Plus 4, приведены, соответственно, на Рис. 10а и Ь. На рисунке 10с показаны, в сравнении, профили центральных доз, полученные от обоих аппаратов. Точность рассчитанных значений дозы составляет 2 %.

Асимметрия, выявленная в профи­лях периферийных доз на NewTom, может быть передана в систему АЕС, которая уменьшает интенсивность рентгеновского излучения в зависимости от латеро-боковых (LL) проекций пациента (углы 90o и 270o).

Как показало максимальное значение центральных профилей, доза, выдаваемая NewTom, составила 1/6 дозы, получаемой при использовании томографа Siemens Somatom Plus 4.

Меньшая поглощенная доза у нового аппарата компьютерной томографии частично объясняется несколько большим уровнем допустимых помех на изображении (что ограничивает малоконтрастную разрешающую способность, но не разрешение большого контраста, а следовательно и оценки костных деталей, что более важно для конкретных прикладных задач), частично отсутствием проблемы перекрытием "профилей дозы", что является характерной особенностью традиционных компьютерных томографов (в основном для срезов малой толщины), а также частично применением системы АЕС, которая позволяет регулировать интенсивность излучения и устанавливать его на минимальные значения, совместимые с размерами, исследуемых тканей. Эта последняя опция оказа­лась способной снижать дозу до 50 % от среднего значения.

Выводы
Растущий спрос на отображение зубного и челюстно-лицевого отдела, в особенности в интересах планирования имплантационных операций, оправдывает выпуск специализированных компьютерных томографов с низкой стоимостью. В этом отношении преимущества нового томографа "НьюТом 3G" подтверждаются предварительными результатами. Качество изображений представляется достаточным для конкретных диагностических потребностей. Геометрическая точность также на хорошем уровне. Кроме того, очень короткое время сканирования, и весьма мала доза поглощенного излучения. Эти свойства, в дополнение к экономической эффективности и простоте эксплуатации аппарата, делают его удобным для использования также и в небольших диагностических центрах.