Principais Artefatos na Tomografia Computadorizada de Feixe Cônico e Possíveis Soluções
Meu Trabalho de Conclusão de Curso:
Especialização em Tomografia Computadorizada com Ênfase em Protocolos Aplicáveis ao Radiodiagnóstico
PRINCIPAIS ARTEFATOS NA TOMOGRAFIA
COMPUTADORIZADA DE FEIXE CÔNICO E POSSÍVEIS SOLUÇÕES
MAIN ARTIFACTS IN CONE BEAM COMPUTED TOMOGRAPHY AND POSSIBLE SOLUTIONS
RESUMO
O
objetivo deste estudo é apresentar de maneira sintetizada os principais
artefatos da Tomografia Computadorizada de Feixe Cônico bem como os avanços e
as novas técnicas para solucioná-los ou amenizá-los. Para tanto, foi realizada
uma revisão de literatura de perfil integrativo com finalidade básica
estratégica, A pesquisa possui natureza descritiva com abordagem qualitativa.
Utilizando as palavras-chave nas bases de dados Google Acadêmico e Portal
Regional da Biblioteca Virtual em Saúde. Não houve restrição de língua ou ano
de publicação dos estudos. Portanto,
foram selecionados 19 artigos científicos que contemplavam o tema e os
critérios de elegibilidade. Embora os artefatos na TCFC sejam uma problemática
ainda não solucionada completamente, vários métodos novos estão sendo avaliados
e discutidos. Os avanços são significativos com a utilização de reconstruções
de método iterativo e algoritmos que os reduzem de forma expressiva, aumentando
a qualidade da imagem.
Palavras-chave: Tomografia Computadorizada de
Feixe Cônico. Artefatos. Endurecimento do Feixe. Ruído. Dispersão.
ABSTRACT
The aim of this study is to
synthetically present the main artifacts of Cone-Beam Computed Tomography as
well as the advances and new techniques to solve or mitigate them. To this end,
a literature review was performed through the Google Scholar databases and the
Regional Portal of the Virtual Health Library, using the keywords: cone beam
computed tomography, artifacts, noise and beam hardening. There was no language
restriction or year of publication of the studies. Therefore, 19 scientific
articles that covered the theme and the eligibility criteria were selected.
Although CBCT artifacts are a problem not yet completely solved, several new
methods are being evaluated and discussed. Advances are significant with the
use of iterative method reconstructions and algorithms that significantly
reduce them, increasing image quality.
Keywords:
Cone-Beam Computed Tomography. Artifacts. Beam Hardening. Noise. Scatter.
[1] Graduado em Tecnologia da Radiologia, Pós-graduando em Tomografia Computadorizada (UNICHRISTUS).
1 INTRODUÇÃO
A busca incessante pela melhora da qualidade da imagem
tomográfica tem despertado o interesse em solucionar os obstáculos deste método
desde o seu início. Os artefatos muitas vezes são a principal causa de imagens
de baixa qualidade e, consequentemente, inapropriadas para o diagnóstico. Entre
os diversos tipos de artefatos, existem aqueles que são frequentes na rotina
dos estudantes e profissionais da radiologia. Compreender e estudar suas
origens é necessário para minimizá-los ou até mesmo extingui-los.
Persiste também uma constante tentativa para minimizar as
doses de radiação em um nível que não prejudique a qualidade da imagem para o
diagnóstico, porém o maior problema é que alguns desses artefatos se mostram
mais pronunciados quando é utilizado uma baixa dose de radiação, como no caso
do ruído ocasionado pela falta de fótons e do artefato de endurecimento do
feixe, este último quando existe a presença de objeto de alta densidade.
A Tomografia Computadorizada de Feixe Cônico (TCFC) bem como
a Tomografia Computadorizada Multidetectores (TCMD) utilizam um complexo
sistema de formação das imagens baseado em projeções de feixes de raios X em
360º ao redor do paciente e, posteriormente, o resultado destas interações é
enviado para um computador que as processa por meio de algoritmos de
reconstrução até a demonstração final da imagem na tela do computador. Muitas
vezes no meio desse processo existem diversos fatores que podem distanciar a
imagem do que seria próxima do real objeto de estudo, causando os indesejados
artefatos de imagem.
Ambos os métodos de imagem apresentam artefatos semelhantes,
pois o processo de formação das reconstruções é parecido, sendo através da
retroprojeção filtrada, que é considerado um método bastante eficiente e
rápido. Entretanto, este método
apresenta desvantagens, como o favorecimento da formação de artefatos,
por isso alternativas visando a redução de alguns tipos de artefatos que são
gerados pela deficiência na fase de reconstrução da imagem em determinadas
situações têm sido desenvolvidas.
Muitos pesquisadores têm encarado o desafio de buscar
soluções mais adequadas para reduzir ou sanar os artefatos na imagem,
experimentando complexas equações matemáticas como também novos algoritmos
associados a outros métodos de reconstrução mais apropriados para cada situação
e tipo específico de artefato. Diversos trabalhos foram realizados baseados ou
não em testes anteriores para experimentar quais seriam os procedimentos mais
efetivos e satisfatórios para tal finalidade, contudo é notório uma escassez de
pesquisas que reúna os tipos de artefatos predominantes e que além disso
evidencie descobertas relevantes sobre este tema em um único artigo.
O presente estudo pretende, através de uma revisão da
literatura, apresentar de forma sintetizada os principais artefatos encontrados
nas imagens de TCFC assim como mostrar as possíveis soluções, avanços e novas
técnicas segundo os autores de renome na área que serão mencionados.
2 MÉTODOS
A pesquisa é de natureza descritiva com abordagem qualitativa,
quanto aos procedimentos foi realizado uma revisão de literatura de perfil
integrativo com finalidade básica estratégica. As bases de dados utilizadas
foram o Google Acadêmico e o Portal Regional da Biblioteca Virtual em Saúde.
Utilizou-se como palavras-chave: “TC de Feixe Cônico”, “Artefatos”,
“Endurecimento do Feixe“, “Ruído”, “Dispersão”, “Efeito de Volume Parcial” de
maneira isolada e correlata nos idiomas português e inglês, foram encontrados
mais de 400.000 resultados, dentre esses foram selecionados apenas 19 artigos
publicados em jornais, sendo sua maioria de autores já mencionados em pesquisas
anteriores que são referência no assunto. O levantamento bibliográfico foi
feito no período de julho a setembro de 2019.
3 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
3.1 Tomografia Computadorizada de Feixe Cônico
A técnica da Tomografia Computadorizada divide a estrutura
em uma série de cortes, escaneando o paciente por feixes de raios X que por sua
vez os que conseguem atravessar o paciente atingem os detectores de cintilação
e finalmente os dados obtidos são processados por um computador. A
sensibilidade da TC em distinguir tecidos moles supera o método da radiografia
convencional, pois anteriormente tais tecidos só poderiam ser diferenciados uns
dos outros se tivessem uma densidade bastante diferente. Isso é possível porque
os valores absolutos do procedimento do coeficiente de absorção dos tecidos são
obtidos e permitem que os tecidos de densidade semelhante apareçam distintos na
imagem (HOUNSFIELD, 1973).
O primeiro aparelho de TCFC dedicado a imagem
bucomaxilofacial utilizou uma técnica que permitia, em princípio, aquisições de
dados muito mais rápidas quando comparadas à TC tradicional utilizando um feixe
de radiação em formato de cone, além de oferecer baixo custo e dose de radiação
menor (MOZZO et al., 1998).
A TCFC produz imagens com espessuras de cortes milimétricas
e resolução espacial isotrópica tornando-se ideal para o estudo do complexo
dentomaxilofacial. A TCFC pode fornecer aos profissionais cirurgiões dentistas
uma solução completa para a realização de procedimentos diagnósticos e auxiliar
em cirurgias (SUKOVIC et al., 2003).
Muito semelhante à TCMD as reconstruções de volume na TCFC são baseadas em retroprojeção, intensidades dos fótons de raios X obtidas a partir de projeções localizadas em 360º ao redor do objeto enquanto uma matriz composta por voxels e baseada no coeficiente de atenuação dessas projeções é formada. Esses voxels são preenchidos com um valor de intensidade de cinza ou atenuação da estrutura. Como consequência, certos artefatos prejudicam ambos os métodos (SCHULZE et al., 2010).
3.2 Artefatos
“Um artefato é qualquer distorção ou erro na imagem que não
esteja relacionado ao objeto em estudo.” (SCARFE; FARMAN, 2008, tradução
nossa).
"Na tomografia computadorizada, o termo artefato é
empregado a qualquer diferença sistemática entre os números de TC na imagem e
os verdadeiros coeficientes de atenuação da estrutura." (BARRETT; KEAT,
2004, tradução nossa).
Imagens tomográficas são caracteristicamente propensas a
produzirem mais artefatos quando comparadas à radiografias convencionais,
porque a imagem é reconstruída a partir de milhões de medições das intensidades
dos fótons que atingem os detectores. A técnica de reconstrução supõe que todas
estas medições são compatíveis com o real, portanto, qualquer erro nesse
processo geralmente se reflete como um erro na imagem reconstruída. Artefatos
podem danificar seriamente a qualidade da imagem tomográfica, às vezes ao ponto
de torná-la ineficiente para o diagnóstico (BARRETT; KEAT, 2004).
3.2.1 Artefato de endurecimento do feixe
O artefato de endurecimento do feixe geralmente é causado
por materiais de alta densidade como: restaurações/preenchimentos e implantes
metálicos. Devido à absorção dos fótons de baixa energia ser maior do que os de
alta energia, quando na presença de materiais de alta densidade, são os fótons
de alta energia que em sua maioria atravessam o material e atingem o detector,
causando o chamado endurecimento do feixe, e assim é transmitido uma informação
errônea das proximidades do objeto na reconstrução da imagem, pela ausência de
fótons de média e baixa intensidade, dessa forma o valor da escala de cinza não
corresponde com o real e formam faixas escuras na direção do feixe de raios X.
Observe na figura 1 as regiões hipodensas (mais escuras) nas margens do
implante. Elas são causadas pela retroprojeção de uma intensidade medida, porém
não correspondente com a absorção real, porque os raios X de alta energia
ultrapassaram em maior quantidade o implante relativamente denso (SCHULZE et
al., 2010).
Figura 1 - Artefatos típicos de endurecimento de feixe causados por implantes dentários de titânio.
Fonte:
(SCHULZE et al., 2010)
Na imagem de TCFC o feixe é heterocromático e tem uma energia média de quilovolt mais baixa em comparação com a TCMD, por esse motivo esse artefato se torna frequente. Na prática, para minimizar esse artefato é aconselhável reduzir o campo de visão para evitar regiões de varredura suscetíveis ao endurecimento do feixe, o que pode ser conseguido por colimação, modificação de posicionamento do paciente, ou separação das arcadas dentárias, também é importante remover objetos metálicos, como joias, antes do exame.
O endurecimento do feixe resulta em dois tipos de artefatos:
artefato de escavação (cupping artifacts),
que apresenta distorção de estruturas metálicas na imagem devido ao diferencial
de absorção assim como listras e faixas escuras (dark bands e dark streaks) (SCARFE; FARMAN, 2008).
Apesar do método de retroprojeção filtrada ser um método
explícito além de uma maneira computacionalmente eficiente de reconstruir a
imagem tomográfica a partir dos seus dados de projeção, ele não é ideal quando
o objeto escaneado contém peças de metal. Uma variedade de algoritmos MAR (Metal Artefact Reduction) de
processamento de imagem foram desenvolvidos para reduzir artefatos de metal em
imagens de TC pós-aquisição. Eles podem ser classificados em quatro grupos: (1)
método de reconstrução iterativa; (2) método de correção da projeção; (3)
métodos de correção da reconstrução; e (4) a combinação dos métodos 1 e 3.
Consequentemente, apesar de tais métodos reduzirem
significativamente os artefatos de metal procedente de um único objeto
metálico, são muito menos eficazes quando vários objetos de metal estão
envolvidos. Dos algoritmos de redução do artefato de metal que foram
publicados, apenas um pequeno número é avaliados como computacionalmente
eficientes para artefatos de metal induzidos por múltiplas peças metálicas.
Estes incluem os métodos de correção de projeção de Kalender et al,Takahashi et
al e o método híbrido de Watzke e Kalender (TOHNAK et al., 2011).
Draenert et al (2007) conduziram um estudo sobre o artefato
de endurecimento do feixe, comparando entre TCFC e TCMD, no qual utilizou-se um
phantom em formato de crânio (SawBone-based skull model) com implante metálico
(Straumann ITI 4.1 mm), o aparelho empregado na comparação foi o NewTom 9000 de
feixe cônico e o Philips MX 8000 multidetectores. As imagens de TCMD mostraram uma
correta visualização do implante dentário em reconstruções axiais, coronais e
tridimensionais. A qualidade da TCMD foi classificada como melhor, em relação à
TCFC, pois apresentou um número menor de imagens afetadas pelo artefato.
Kalender et al (1987) na tentativa de reduzir o artefato de
endurecimento do feixe causado por objetos metálicos, desenvolveram um software utilizando o método de
interpolação linear dos dados perdidos. O algoritmo consiste nas seguintes
etapas: (a) reconstrução da imagem tomográfica a partir dos dados originais com
artefato, (h) delineamento aproximado do(s) implante(s) metálico(s) pelo
operador com uma caneta luminosa, (c) determinação automática dos limites exato
do implante dentro dos dados de projeção, (d) interpolação linear dos dados
perdidos, (e) adição de ruído aos dados interpolados (opcional) e (J)
reconstrução de uma imagem reduzida de artefato a partir do novo conjunto de
projeção.
O método foi mais bem-sucedido com objetos tendo geometrias
simples, como um phantom de água com formato circular, entretanto, foi
insatisfatório em regiões com muitas estruturas, como o esqueleto facial, que
apresenta muitas transições entre alta e baixa atenuação.
Figura 2 -
Tomografia computadorizada de mandíbula com obturação dentária
(a)
(a) imagem original; (b) com redução de artefato usando o algoritmo MAR proposto. Fonte: (Kalender et
al.,1987)
Vários métodos para redução de artefatos metálicos (MAR) na TCFC foram testados em estudos
anteriores. Um deles avaliou pacientes com dispositivos metálicos em seus
corpos durante a aquisição, o uso de um algoritmo MAR de pré-processamento resultou em imagens de melhor qualidade.
Em outro, o fator miliampère por segundo (mAs) ou o potencial do tubo de pico
(Kv) foram aumentados, o que levou a imagens de maior qualidade porque o
aumento da energia do feixe fez com que o mesmo não fosse absorvido totalmente
pelas estruturas metálicas, o que também inevitavelmente resulta em uma dose de
radiação maior para o paciente (BECHARA et al., 2012; LEE et al et al., 2007).
O efeito do algoritmo MAR
de reconstrução iterativa é superior ao do método de interpolação, a desvantagem
quando comparado com a retroprojeção filtrada é que uma maior quantidade de
cálculos e mais tempo de processamento são necessários (KIM et al., 2015).
Radiologistas devem também estar cientes dos artefatos que
são produzidos pela aplicação do algoritmo MAR
baseado em projeção. Para reduzir o risco de interpretações errôneas imagens
obtidas com e sem aplicação do algoritmo MAR
devem ser sempre analisadas em conjunto (KATSURA et al., 2018).
Safi et al. (2019) experimentaram uma nova técnica para minimizar
os artefatos de dentes anteriores com pinos e/ou coroas de metal. Nesta nova
técnica, o paciente que foi encaminhado para realizar o exame de TCFC por
motivo de cirurgia de implante, foi instruído a inflar suas bochechas/lábios
durante a aquisição tomográfica.
Após aplicar a técnica os artefatos metálicos ao redor dos dentes anteriores restaurados diminuíram significativamente, no entanto, a técnica não pode ser aplicada para dentes posteriores devido às estruturas ósseas existentes.
Figura 3 - Corte transversal e reconstrução
tridimensional axial com pinos metálicos nos dentes anteriores
a)
b)
(a)TCFC sem aplicação da técnica; (b) TCFC do mesmo paciente, com
técnica de inflar as bochechas. Fonte: (Safi et al., 2019)
3.2.2 Efeito de volume parcial
Ocorre quando a resolução de voxel selecionada da varredura
é maior do que a resolução espacial ou de contraste do objeto. Neste caso, o
pixel não é a representação do tecido ou limite, tornando-se uma média
ponderada dos diferentes valores de TC, pois o voxel mostra apenas um valor de
cinza por vez.
Por exemplo, se um voxel representa uma área de 75% de
tecido mole e 25% de osso cortical, o voxel aparecerá mais radiolucente que
radiopaco. Isso ocorre com mais freqüência ao longo da margem de um objeto ou
no limite de duas substâncias de diferentes densidades. Esse efeito pode
dificultar a diferenciação exata entre as densidades. A maneira mais eficaz de
diminuir a influência do efeito de volume parcial é diminuir o tamanho do
voxel. No entanto, há uma desvantagem ao usar tamanhos menores de voxel, já que
eles exigem mais radiação e são mais propensos ao ruído (SCARFE; FARMAN, 2008; MOLEN,
2010).
3.2.3 Movimento do paciente
O movimento do paciente pode causar um registro incorreto dos dados, que aparece como falta de nitidez na imagem reconstruída. Para reduzir este tipo de artefato pode ser utilizado uma contenção para a cabeça e quando possível, um tempo de varredura mais curto (SCARFE; FARMAN, 2008).
Figura 4 - TCFC de uma criança de 7 anos apresentando artefato de movimento.
Corte axial ao nível das coroas dentárias. Fonte: Arquivo pessoal
3.2.4 Ruído Causado Pela Falta de Fótons
Estruturas que possuem uma grande atenuação fazem com que o
número de fótons que precisam chegar aos detectores seja insuficiente. O
resultado é que imagens muito ruidosas são produzidas. Se a corrente do tubo
for aumentada durante a aquisição o problema da falta de fótons será resolvido,
contudo o paciente receberá uma dose desnecessária quando o feixe estiver
atingindo partes menos atenuantes (BARRETT; KEAT, 2004).
Aparelhos de TCFC,
por motivos de redução de dose, são operados com baixa miliamperagem em relação
aos aparelhos de TCMD. Assim, a relação sinal/ruído é muito menor do que na
TCMD e por esse motivo um ruído alto é esperado em todas as imagens de TCFC
(SCHULZE et al., 2011).
Na tomografia existe
um compromisso entre a qualidade da imagem e a dose de radiação ionizante. O
problema é que diminuindo as doses de radiação, a quantidade de ruído nas
imagens é aumentada. Isto acontece porque os detectores de tomografia recebem
uma menor quantidade de fótons, o que diminui a relação sinal/ruído (SNR). Como conseqüência o ruído pode
ocultar detalhes anatômicos e diminui a detectabilidade de lesões de baixo
contraste. Deste modo deve-se preservar um equilíbrio adequado (GIRALDO;
FLETCHER; MCCOLLOUGH, 2010).
Algoritmos de reconstrução de imagem iterativos têm o
potencial de produzir imagens com pouco ruído. (CHLEWICKI; HERMANSEN; HANSEN,
2004).
Wang et al (2006) com o propósito de produzir imagens com baixa dose de radiação e ao mesmo tempo minimizar o ruído oriundo desse processo compararam três métodos diferentes baseados em Mínimos Quadrados Ponderados Penalizados (MQPP) (penalized weighted least-squares - PWLS) e concluiu que o método que teve um melhor resultado foi o que utilizou a transformada de Karhunen-Loève (KL) associado ao método de reconstrução analítica de retroprojeção filtrada. A figura 5 mostra o resultado dessa comparação utilizando um fantoma que simulou a região dos ombros.
Figura 5 - Tomografia de fantoma do
ombro com protocolo de 10 mA.
3.2.5 Ruído Causado Pela Dispersão
A dispersão é causada pelos fótons que são difratados de seu caminho original após a interação com a matéria. Essa parcela adicional de raios X espalhados resulta em um aumento da mensuração dessa intensidade, uma vez que as intensidades dispersas simplesmente aumentam a intensidade primária, produzindo então intensidades superestimadas em cada voxel. Assim, o efeito de degradação da imagem pela radiação dispersa afetará mais as máquinas de TCFC do que os equipamentos de TC com feixe em forma de leque altamente colimados (SCHULZE et al., 2011).
A projeção do feixe
cônico resulta na irradiação de um grande volume e após a interação da radiação
com a matéria boa parte dos fótons causam efeito Compton e dispersam a
radiação, que por sua vez atingem o detector fazendo com que o voxel não
reflita a atenuação real do objeto. Parte dessa atenuação não linear é
registrada e contribui para a degradação da imagem (SCARFE; FARMAN, 2008).
Muitos métodos de correção da dispersão foram propostos na
literatura, e a pesquisa nesse campo ainda é muito ativa. Existem duas técnicas
principais para evitar a dispersão.
A primeira realiza a supressão de dispersão durante a
aquisição de dados de projeção, com base na diferença entre os ângulos de
incidência dos fótons primários e a dispersão dos fótons. Exemplos típicos
incluem a grade anti-difusora e o método de gap
aéreo.
A segunda apresenta uma capacidade mais aprimorada de
correção da dispersão, que é corrigida usando técnicas de pós-processamento nas
imagens afetadas, contudo o nível de ruído após essa correção é muito alto e
diminui a relação contraste/ruído (RCR) (contrast-to-noise ratio - CNR)
causando degradamento da imagem (ZHU; WANG; XING, 2009).
Zhu et al (2009) propuseram um método de
supressão de ruído da dispersão que é utilizado nas projeções após a correção
da dispersão. Este algoritmo é baseado no uso de Mínimos Quadrados Ponderados
Penalizados (MQPP) (penalized weighted
least-squares - PWLS) para reduzir o ruído nas imagens reconstruídas,
aumentando a relação contraste/ruído (RCR) e trazendo uma melhoria
significativa na qualidade da imagem, como mostra na figura 6.
(a) Sem correção da dispersão e sem supressão de ruído; (b) Com correção da dispersão, porém sem supressão de ruído; (c) Com correção da dispersão usando o algoritmo de supressão de ruído proposto; Fonte: (Zhu et al.,2009)
4 CONCLUSÃO
Embora os artefatos na TCFC sejam uma problemática ainda não
solucionada completamente, vários métodos novos estão sendo avaliados e
discutidos. Os avanços são significativos com a utilização de reconstruções de
método iterativo e algoritmos que os reduzem de forma expressiva, amplificando
a qualidade da imagem.
Alguns anos atrás uma das dificuldades era a limitação dos
computadores em processar extensos algoritmos de maneira rápida, por exemplo,
nas reconstruções iterativas, o que inviabilizava a aplicação desses métodos no
mercado.
Atualmente com computadores de configurações mais avançadas,
já existem softwares disponíveis para
serem usados no pós-processamento, empregando algoritmos de redução de artefato
de metal (MAR) e a aplicação de
filtros que reduzem o efeito da dispersão e o ruído na imagem. Visto que alguns
desses métodos acabam gerando alterações indesejadas e consequentemente
diminuem a segurança nos resultados, permanece o desafio de tornar esses novos
processos mais confiáveis para o diagnóstico.
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