Advanced

Digital Tomosynthesis Fundamental principles and comparison to conventional X-ray imaging

Bernhardsson, Christian (2006)
Medical Physics Programme
Abstract
During the last century several attempts have been made to overcome the fundamental problem of X-ray imaging, i.e. that anatomical information existing in 3-dimensions has to be represented on a 2-dimensional radiograph. In this thesis, digital tomosynthesis, a rened version of conventional tomography, has been investigated. Digital tomosynthesisenables retrospective reconstruction of an arbitrary plane in the imaged patient from a series of low dose projections, acquired with a limited tube movement. In the simplest method of reconstructing arbitrary planes, all the projections are shifted such that structures from only one plane line up exactly and thus remain fixed relative to the over- and underlying structures. To investigate the... (More)
During the last century several attempts have been made to overcome the fundamental problem of X-ray imaging, i.e. that anatomical information existing in 3-dimensions has to be represented on a 2-dimensional radiograph. In this thesis, digital tomosynthesis, a rened version of conventional tomography, has been investigated. Digital tomosynthesisenables retrospective reconstruction of an arbitrary plane in the imaged patient from a series of low dose projections, acquired with a limited tube movement. In the simplest method of reconstructing arbitrary planes, all the projections are shifted such that structures from only one plane line up exactly and thus remain fixed relative to the over- and underlying structures. To investigate the fundamental principles of tomosynthesis and evaluate the clinical potentiala prototype was built. Quality metrics such as signal difference to noise ratio (SDNR) and artifact spread function (ASF) were measured with dierent tomographic parameter settings. The tomosynthesis acquisition parameters were optimized and the image quality at different exposure levels were compared to conventional radiographs. The optimization evaluation showed that a large angular range with many projections can increase the image quality and reduce artifacts created from surrounding anatomy. It was also shown that small and obscuredobjects were easier to discern with tomosynthesis compared to conventional X-ray imaging, even at lower exposures. Reconstructed images of an anthropomorphic chest phantom showed an increased visibility of local structures in the lungs, structures which becomes superimposed on surrounding anatomy in a conventional X-ray image. These results are a consequence of the intrinsic property of tomosynthesis; each image, reconstructed from a series of projections, have high signal from in-focus objects and low signal from the surrounding anatomy that is repeated over the image proportional to the number of projections. The ability to separate the surrounding anatomy from the in-focus structures can be optimized with the appropriate combination of angular range and the number of projections acquired. (Less)
Abstract (Swedish)
Med röntgenstrålning går det i dagsläget att avbilda kroppens inre anatomi i antingen två eller tre dimensioner. Vid en vanlig slätröntgenundersökning (2D) tas en så kallad projektionsbild från en eller två vinklar, framifrån/bakifrån och från sidan. Detta genererar en tvådimensionell bild där alla (anatomiska) strukturer mellan röntgenröret och filmen överlagras, d.v.s. de går inte att separera från över-/underliggande vävnad. P.g.a. att alla strukturer i den avbildade volymen ”pressas samman” kan det vara svårt eller rent av omöjligt att upptäcka exempelvis en tumör i en vanlig röntgenbild. Fördelen med en sådan undersökning är att den är kostnadseffektiv och att man i många fall kan skilja mellan skada och frisk vävnad till en låg... (More)
Med röntgenstrålning går det i dagsläget att avbilda kroppens inre anatomi i antingen två eller tre dimensioner. Vid en vanlig slätröntgenundersökning (2D) tas en så kallad projektionsbild från en eller två vinklar, framifrån/bakifrån och från sidan. Detta genererar en tvådimensionell bild där alla (anatomiska) strukturer mellan röntgenröret och filmen överlagras, d.v.s. de går inte att separera från över-/underliggande vävnad. P.g.a. att alla strukturer i den avbildade volymen ”pressas samman” kan det vara svårt eller rent av omöjligt att upptäcka exempelvis en tumör i en vanlig röntgenbild. Fördelen med en sådan undersökning är att den är kostnadseffektiv och att man i många fall kan skilja mellan skada och frisk vävnad till en låg kostnad både i stråldos till patienten och i kronor. För att lokalisera en förändring i patienten måste man ha information (bilder) från olika vinklar. Bilderna kan sedan sättas samman på ett sådant sätt att de återskapar den volym (patienten) som varje bild är en del av. Denna typ av undersökning utförs med datortomografi (CT) och är förknippad med en mycket högre stråldos och är även en dyrare metod jämfört med vanlig slätröntgen. Därför används CT ofta som ett komplement till andra undersökningar som inte gett tillräckligt med information eller i de fall då man vill befria från misstanke.

I detta arbete undersöktes ett nytt sätt att skapa en tredimensionell bild av det för undersökningen intressanta området med en stråldos till patienten som är jämförbar med vanlig slätröntgen. Metoden kallas digital tomosyntes, vilket syftar på att man använder flera projektionsbilder från olika vinklar, vilka sedan sammanställs av en dator för att skapa en volym av bilder. Denna volym utgörs av ett antal olika snittbilder där varje bild är unik och endast innehåller strukturer från en specifik skiva (nivå) i patienten. Snittbilderna kan jämföras med skivorna av ett vörtbröd där man med tillräckligt tunna skivor kan lokalisera russinen (eller i patienten tumören). För att undersöka potentialen med tomosyntes konstruerades ett prototypsystem med den på UMAS befintliga utrustningen. De grundläggande parametrarna för bildinsamlingen så som tomografiskvinkel och antal projektioner studerades för att hitta optimala inställningar för systemet. Parametrarna optimerades genom olika kvalitetsmått i bilderna och därefter undersöktes hur låg dos det var möjligt att använda med tomosyntestekniken och ändå få jämförbar bildkvalitet med en konventionell slätröntgen. Som en mer klinisk jämförelse mellan slätröntgen och tomosyntes gjordes också undersökningar av ett antropomorfiskt lungfantom, tillverkat i olika material som är radiologiskt ekvivalenta med människokroppen.

Resultatet av de olika undersökningarna visar att valet av de tomografiska parametrarna är viktiga. Minst artefakter (bildfel) och därmed bäst bildkvalitet i de olika snitten får man vid en stor tomografisk vinkel och många projektioner. Det var också möjligt att vid rätt val av dessa parametrar lokalisera och separera små objekt som i en vanlig slätröntgenbild är skymda av över- och underliggande anatomi, i vissa fall även med en längre stråldos. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Bernhardsson, Christian
supervisor
organization
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
Röntgen
language
English
id
2156992
date added to LUP
2011-09-13 11:32:55
date last changed
2011-12-06 14:17:24
@misc{2156992,
  abstract     = {During the last century several attempts have been made to overcome the fundamental problem of X-ray imaging, i.e. that anatomical information existing in 3-dimensions has to be represented on a 2-dimensional radiograph. In this thesis, digital tomosynthesis, a rened version of conventional tomography, has been investigated. Digital tomosynthesisenables retrospective reconstruction of an arbitrary plane in the imaged patient from a series of low dose projections, acquired with a limited tube movement. In the simplest method of reconstructing arbitrary planes, all the projections are shifted such that structures from only one plane line up exactly and thus remain fixed relative to the over- and underlying structures. To investigate the fundamental principles of tomosynthesis and evaluate the clinical potentiala prototype was built. Quality metrics such as signal difference to noise ratio (SDNR) and artifact spread function (ASF) were measured with dierent tomographic parameter settings.  The tomosynthesis acquisition parameters were optimized and the image quality at different exposure levels were compared to conventional radiographs. The optimization evaluation showed that a large angular range with many projections can increase the image quality and reduce artifacts created from surrounding anatomy. It was also shown that small and obscuredobjects were easier to discern with tomosynthesis compared to conventional X-ray imaging, even at lower exposures. Reconstructed images of an anthropomorphic chest phantom showed an increased visibility of local structures in the lungs, structures which becomes superimposed on surrounding anatomy in a conventional X-ray image. These results are a consequence of the intrinsic property of tomosynthesis; each image, reconstructed from a series of projections, have high signal from in-focus objects and low signal from the surrounding anatomy that is repeated over the image proportional to the number of projections. The ability to separate the surrounding anatomy from the in-focus structures can be optimized with the appropriate combination of angular range and the number of projections acquired.},
  author       = {Bernhardsson, Christian},
  keyword      = {Röntgen},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Digital Tomosynthesis Fundamental principles and comparison to conventional X-ray imaging},
  year         = {2006},
}