Image processing methods for limited angle tomography and sparse angle tomography

Abstract

The purpose of this thesis was two-fold: Firstly, to evaluate if limited angle tomography is suitable for clinical implant planning. Secondly, to improve clinical image quality and workflow of the limited angle tomography by developing new imaging processing algorithms.

Conventional computed tomography (CT) design is not optimal in the sense of cost, workflow or dose for two reasons. Firstly, CT devices are typically expensive and bulky devices because they require a stable X-ray production, rigid gantry with accurate and repeatable movements, high scanning speed, solid patient support and a low-noise X-ray detector. Secondly, current non-regularized reconstruction techniques require high dose per projection image as well as a huge number of projection image. This also limits the usage of the CT imaging to serious trauma cases and other lethal diseases.

To overcome the limitations mentioned above, new approaches have been introduced to replace conventional CT imaging. For example, year 2007 a dental imaging technology company Palodex Group released an upgrade kit for standard panoramic X-ray device, called Volumetric Tomography (VT), which is based on limited angle tomography.

In the first article, we demonstrated that limited angle tomography is able to give similar clinical information as CT devices in dental implant planning. Therefore, the implant planning could be executed more cost and dose effectively when suitable algorithms are applied throughout the reconstruction process.

Since limited angle tomography system applies small number of X-ray images taken from a limited aperture, new image processing methods are required for clinically suitable image quality. For that reason, two novel imaging processing methods and one analyzing method were created and documented in this work.

In the second article, a new image processing method based on modification of the constrained least-square filter for extremely sparse situations was introduced. In this method, called Wiener-filter based iterative reconstruction technique (WIRT), we considered the uncertainty of the interpolation as noise and utilized the regularization only in the regions where the uncertainty is the dominating factor.

In the third article, a new sinogram estimation algorithm called sinogram interpolation technique (SINT) was created, where the missing sinogram columns were estimated based on the known columns.

In the fourth article, a method named mutual information based technology (MINT) was developed to estimate the imaging geometry directly from the projection data. In this method, the imaging angles can be estimated based on the projection images without any external markers or additional constructions to the device. Therefore, this method simplifies workflow and the improves imaging angle accuracy significantly.

Tämän väitöstyön tarkoituksena oli arvioida alhaisen sädeannoksen tuottavan tietokonetomografialaitteen käyttöä implanttisuunnittelussa sekä luoda uusia kuvanlaatua ja käytettävyyttä parantavia menetelmiä tähän konseptiin sekä yleisesti alhaisen säteilyn omaaviin tietokonetomografialaitteisiin.

Tietokonetomografian tarkoitus on luoda kolmeulotteinen malli kohteesta perustuen useisiin röntgenkuviin, jotka ovat otettu eri suunnista kohdetta. Verrattuna tavalliseen röntgenkuvaukseen tietokonetomografia lisää röntgenkuvauksen kliinistä hyötyä, sillä se mahdollistaa kappaleiden muotojen ja niiden välisten etäisyyksien mittaamisen.

Perinteinen tietokonetomografia ei kuitenkaan aina ole optimaalinen kustannuksen, käytettävyyden tai annoksen suhteen. Tämä johtuu siitä, että se perustuu mekaanisesti tarkkaan laitteistoon, joka suunnataan oikeassa ja ennalta määrätyssä kulmassa potilaaseen nähden ja kykenee ottamaan useita, jopa satoja, röntgenkuvia mahdollisimman lyhyessä ajassa. Tästä syystä tietokonetomografialaitteet ovat perinteisesti olleet hyvin raskaita ja kalliita laitteita, jotka tuottavat potilaalle korkean sädeannoksen.

Edellä mainituista syistä on viimevuosina kehitelty uusia kolmeulotteisia kuvausmenetelmiä, joissa laitteisto on pyritty kehittämään kevyemmäksi ja sädeannokseltaan pienemmäksi kuin perinteiset tietokonetomografialaitteet.

Pieni röntgenkuvamäärä asettaa kuitenkin suuria haasteita kolmeulotteisen tiedon muodostamiseen. Koska nykyiset tietokonetomografiassa käytetyt kuvankäsittelyoperaatiot on suunniteltu suurille säde-annoksille, ne eivät sellaisenaan sovellu pienannoksiseen tomografialaskentaan.

Tässä työssä pyrittiin toteuttamaan, arvioimaan ja dokumentoimaan uusia kuvankäsittelyoperaatioita jotka soveltuvat pienemmän sädeannoksen kuvaukseen eli ns. harva- ja rajoitetun kulman tomografiaan. Väitöskirja sisältää kolme täysin uutta kuvankäsittelymenetelmää joista kaksi parantaa kliinistä kuvanlaatua ja kolmas laitteiston käytettävyyttä.

Tässä väitöskirjassa osoitetaan myös että vaikka pienannoksinen tietokonetomografialaite ei tuota niin tarkkaa kuvaa kuin perinteinen tietokonetomografialaite, sillä saadaan riittävän tarkka tieto hammasimplanttisuunniteluun.