On the data acquisition, image reconstruction, cone beam artifacts, and their suppression in axial MDCT and CBCT – A review

Abstract

Purpose: In the clinic, computed tomography (CT) has evolved into an essential modality for diagnostic imaging by multidetector row CT (MDCT) and image guided intervention by cone beam CT (CBCT). Recognizing the increasing importance of axial MDCT/CBCT in clinical and preclinical applications, and the existence of CB artifacts in MDCT/CBCT images, we provide a review of CB artifacts' root causes, rendering mechanisms and morphology, and possible solutions for elimination and/or reduction of the artifacts. Methods: By examining the null space in Radon and Fourier domain, the root cause of CB artifacts (i.e., data insufficiency) in axial MDCT/CBCT is analytically investigated, followed by a review of the data sufficiency conditions and the "circle +" source trajectories. The rendering mechanisms and morphology of CB artifacts in axial MDCT/CBCT and their special cases (e.g., half/short scan and full scan with latitudinally displaced detector) are then analyzed, followed by a survey of the potential solutions to suppress the artifacts. The phenomenon of imaged zone indention and its variation over FBP, BPF/DBPF, two-pass and iterative CB reconstruction algorithms and/or schemes are discussed in detail.Results: An interdomain examination of the null space provides an insightful understanding of the root cause of CB artifacts in axial MDCT/CBCT. The decomposition of CB artifacts rendering mechanisms facilitates understanding of the artifacts' behavior under different conditions and the potential solutions to suppress them. An inspection of the imaged zone intention phenomenon provides guidance on the design and implementation of CB image reconstruction algorithms and schemes for CB artifacts suppression in axial MDCT/CBCT. Conclusions: With increasing importance of axial MDCT/CBCT in clinical and preclinical applications, this review article can update the community with in-depth information and clarification on the latest progress in dealing with CB artifacts and thus increase clinical/preclinical confidence.

Avaliação da expressão de artefatos de imagem gerados por materiais de alta densidade em tomografia computadorizada de feixe cônico, micro e nanotomografia computadorizadas

“…A utilização da TCFC como ferramenta complementar de diagnóstico por imagem no planejamento e na proservação do tratamento endodôntico tem sido cada vez mais frequente (SEDENTEXCT, 2012;SZABO et al, 2012;DOMARK et al, 2013;MARCA et al, 2013;EE et al, 2014;ELNAGHY;ELSAKA, 2014;PATEL et al, 2014;RAJASEKHARAN et al, 2014;ESTRELA et al, 2015a;ESTRELA et al, 2015b;MICHETTI et al, 2015;SEIXAS et al, 2015;SUOMALAIMEN et al, 2015;VASCONCELOS et al, 2015;AAE, 2016;ESTRELA et al, 2016;KOCASARAC et al, 2016;PATEL, 2016;PATEL et al, 2016;CELIKTEN et al, 2017;CODARI et al, 2017;EZELDEEN et al, 2017;FAKHAR et al, 2017;MAMEDE-NETO et al, 2017;ORDINOLA-ZAPATTA et al, 2017;QUEIROZ et al, 2017;AMINOSHARIAE;SYED, 2018;BEACHMAN et al, 2018;DE MARTIN E SILVA et al, 2018;DOYLE et al, 2018;ESTRELA et al, 2018;FONTANELE et al, 2018;LO GIUDICE et al, 2018;MARTINS et al, 2018;PAUWELS, 2018;FARMAN, 2018;TANG et al, 2018;TOLENTINO et al, 2018;WANDERLEY et al, 2018). Entretanto, a presença de materiais obturadores nos canais radiculares leva à ocorrência do fenômeno de endurecimento dos feixes de raios X, e consequentemente à formação de artefatos (estrias escuras, áreas hipodensa...…”

“…Assim, conforme os valores de absorção K aumentam, o número de fótons transmitidos diminui (CURRY; DOWDEY; MURRAY, 1984;. Os aparelhos de TCFC que operam com valores de kVp mais baixos (60 -80), levam ao aumento da intensidade no endurecimento dos feixes e, consequentemente, à maior expressão de artefatos (estrias escuras, áreas hipodensas e distorção) provenientes do material obturador (SCHULZE et al, 2011;DECÚRCIO et al, 2012;VASCONCELOS et al, 2015;CELIKTEN et al, 2016;CELIKTEN et al, 2017;DOYLE et al, 2018;PAUWELS et al, 2018;QUEIROZ et al, 2018a;QUEIROZ et al, 2018b) Todos os TCFCs avaliados apresentaram o mesmo tipo de detector, flat panel detector, que na teoria propõe eliminar a necessidade de processos específicos de compensação para correção de discrepâncias e erros antes da reconstrução dos volumes obtidos e, ainda produzir diferenciação das escalas de cinza de forma precisa, melhorando o contraste e relação sinal/ruído e, reduzindo a quantidade de artefatos produzidos (BARRET; KEAT, 2004;FARMAN, 2008;SCHULZE et al, 2010;SCHULZE et al, 2011;METSKA et al, 2012;ESMAEILI et al, 2013;PAUWELS et al, 2013;PATEL et al, 2015;SUOMALAIMEN et al, 2015;TANG et al, 2018). Entretanto, este fator parece não ter influenciado, uma vez que os resultados observados não foram lineares.…”

Avaliação da super e subestimação dos parâmetros morfométricos bidimensionais de canais radiculares de molares inferiores em imagens tomográficas utilizando a microtomografia como padrão de referência

“…Entretanto, destacase que este recurso imaginológico pode apresentar limitações como a presença de artefatos que levam a distorções das imagens, quando comparadas às estruturas reais (SCHULZE et al, 2011;FLORES-MIR et al, 2014;DARBY et al, 2015;YUAN et al, 2016; (OTSU, 1979;SAUVOLA;PIETAKSINEN, 2000;MOREIRA et al, 2012;KORFIATIS;MATSOPOULOS, 2017). Entretanto, as especificações da configuração geométrica dos TCFCs resultam em quantidade maior de radiação dispersa detectada, o que leva à redução significativa do contraste em qualquer TCFC quando comparado à microCT (JACOBS, 2011;PAUWELS et al, 2012;NEMTOI et al, 2013;MARET et al, 2014;MICHETTI et al, 2015;PAUWELS, 2018) (JACOBS, 2011;PAUWELS et al, 2012;NEMTOI et al, 2013;MARET et al, 2014;MICHETTI et al, 2015;PAUWELS, 2018 KEAT, 2004;FARMAN, 2008;SCHULZE et al, 2011;METSKA et al, 2012;JOHARI;HADDADI, 2013;PATEL et al, 2015;SUOMALAINEN;ROBINSON, 2015;TANG et al, 2018). Entretanto, este fator parece não ter influenciado, uma vez que os resultados observados não tiveram um padrão e apresentaram alta porcentagem de erro absoluto.…”

“…Apesar das particularidades de cada equipamento de TCFC, existem ainda diferenças entre os algoritmos de reconstrução utilizados, influenciando diretamente na quantidade de artefatos produzidos. Entretanto, essas informações são mantidas em sigilo por parte dos fabricantes, dificultando o entendimento da utilização, em cada equipamento, de alguma sequência para reduzir os artefatos e se os resultados obtidos após este processo são reais (SCHULZE et al, 2011;DECURCIO et al, 2012;ESTRELA et al, 2018;FAKHAR et al, 2018;FREITAS et al, 2018;TANG et al, 2018;VASCONCELOS et al, 2018).…”

“…Os resultados obtidos no presente estudo evidenciam que os artefatos de distorção, caracterizados pela super ou subestimação das estruturas avaliadas nas imagens de TCFC, produzidos pela radiação X policromática, são intrínsecos aos processos de escaneamento e reconstrução, e que sua ocorrência pode prejudicar a análise quali-quantitativa, bem como influenciar de forma negativa o processo de diagnóstico clínico em Endodontia (PATEL et al, 2015;VASCONCELOS et al, 2015;ESTRELA et al, 2018;FONTENELE et al, 2018;TANG et al, 2018;VASCONCELOS et al, 2018), uma vez que impossibilitam a delimitação exata da forma original das estruturas avaliadas (SCHULZE et al, 2011;DECURCIO et al, 2012;BRITO et al, 2014;VASCONCELOS et al, 2015;CODARI et al, 2017;GAETA-ARAUJO et al, 2017;VERSIANI et al, 2018). Nesse sentido, pode-se inferir que a sub ou superestimação das estruturas dificultam a interpretação das imagens de TCFC, levando a análises inconclusivas, podendo mascarar ou influenciar o diagnóstico de fraturas e perfurações (NAGARAJAPPA; DWIVEDI; TIWARI, 2015;CODARI et al, 2017;VASCONCELOS et al, 2018;VERSIANI et al, 2018), de variações anatômicas como istmos, canais acessórios e laterais (VIZZOTTO et al, 2013;VASCONCELOS et al, 2015), bem como de sub ou sobreobturação, levando muitas vezes à realização de erros nos planejamentos e protocolos de tratamento (COSTA et al, 2012;HASSAN et al, 2012;MELO et al, 2013;VIZZOTTO et al, 2013;BRITO et al, 2014;NAGARAJAPPA;DWIVEDI;TIWARI, 2015;CODARI et al, 2017;HUANG et al, 2017;VASCONCELOS et al, 2018;VERSIANI et al, 2018).…”