An Advanced Approach to Reconstruct CT Images from limited-angle projections, reducing radiation dose and tube load.
Date
2023-12-12
Authors
Doaa Housni Ali Bani Odeh
دعاء حسني علي بني عودة
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Al-Quds University
Abstract
Concerns regarding ionizing radiation doses to individuals and patients have arisen as a result of the remarkable advancements in computed tomography (CT) technology and applications over the last ten years, so Computed tomography (CT) scanners and CT exams have increased continuously. Researchers aim to minimize ionizing radiation dose via introducing new CT protocols and providing diagnostic CT images with lower radiation doses to patient. Nevertheless, these investigations have challenges: reducing the radiation dose results in decreased image quality, which might occasionally be non-diagnostic. In This study, the researcher aims to investigate the possibility of forming a CT brain image from a limited number of projections at a projection angle of less than 180 degrees While maintaining image quality based on the ALARA principle and decreasing radiation dose. then determine if the images match the quality criteria of Brain CT. This effort spanned from January 2023 to September 2023.
The process of reconstructing CT scan images from limited angle projections is critical and requires strict adherence to the ALARA principle. This principle is designed to minimize radiation exposure while maintaining image quality. Our study utilized filter back-projection (FBP) and algebraic iterative reconstruction (IR) algorithms to reconstruct brain CT images from 500 projection lines with a 100 x 100 and 200 x 200 matrix size. In addition to researching the effect of the reconstruction angle on image quality, two degrees were taken at an angle of 90 and 45 degrees. The images were evaluated for image quality criteria by 10 expert medical imaging technicians and 2 radiologists and specific evaluations were given. Then, a simple descriptive statistical analysis was conducted, including calculating percentages for expert medical imaging technicians and radiologists evaluations and p-values.
By combining the results of a MATLAB 2021 functions with the insights of a radiologist, we can produce high-quality images that decrease radiation dose and tube load. Our findings reveal that the algebraic method is superior to the filter back-projection in preserving image quality when utilizing limited-angle projections. In addition to the Statistical t-test (P<.001), which confirms the existence of statistical differences between the two algorithms. With a percentage of 41%, or a moderate scale, the IR algorithm matches quality requirements better. Conversely, the FBP exhibits a proportion of < 25%, signifying a weak scale.
Based on the percentages of evaluation, we can confirm that the size of the Matrix 200 x 200 is superior to the size of the Matrix 100 x 100, as it formed a percentage of 36.25%, which is equivalent to a moderate scale. In addition, the reconstruction angle of 90 provides better quality and its percentage was 41.75%, equivalent to a moderate scale. So the IR algorithm at 90 degree with 500 projection only provides images that match the quality criteria for brain CT. while FBP fails to provide any meaningful insights when working with angles of 45 and 90 degrees.
إنَّ التطوراتِ الكبيرةَ لجهازِ التصويرِ المقطعيّ المحوسبِ والاقبالِ على استخدامِهِ كجهازٍ تشخيصي ٍّ دقيق , أدى الى زيادةِ الطلبِ المستمرِ عليهِ وبالتّالي زيادةِ مخاطرِ الجهازِ على المرضى من حيث زيادة الاشعاع المؤيّن على المرضى ، الأمرُ الذي دفعَ كثيراً من الباحثينَ إلى إيجادِ طرقٍ تساعدُ في تقليلِ جرعةِ الاشعةِ المؤينةِ الموجهةِ للمريضِ معَ المحافظةِ على جودةِ الصورةِ حسبَ مبدأ (ALARA) . لذلكَ تعتبرُ هذهِ الدراسةُ احدى المحاولاتِ في تقديمِ منهجٍ جديدٍ لتقليلِ جرعةِ الاشعةِ المؤينةِ الموجهةِ للمريضِ , حيث يهدف الباحثون في هذهِ الدراسةِ إلى التحققِ من إمكانيةِ تكوينِ صورةٍ مقطعيةٍ محوسبةٍ للدماغِ من عددٍ لا يتجاوزُ الخَمسة مئةِ اسقاطٍ شعاعيّ بزاويةٍ اقلُّ من مئةٍ وثمانينَ درجةٍ(180درجة) فيما يسمى ( Limited angle CT reconstruction ) معَ الحفاظِ على جودةِ الصورة، وتقليلِ جرعةِ الاشعاعِ المستخدمة . وأيضاً تمَّ التحققُّ من إذا كانت الصورةُ الناتجةُ تتوافقُ معَ معاييرِ الجودةِ لصورِ الدماغَ المقطعية . امتدّت هذهِ الدِّراسةُ مِنْ شهرِ يناير 2023 إلى شهرِ سبتمبر 2023 .تُعَدُّ عمليةُ إعادةِ بناءِ صورِ الأشعةِ المقطعيةِ من إسقاطاتٍ ذاتَ زاويةٍ محدودةٍ أمْراً بالغِ الأهمية ، وتتطلبُ التزامًا صارمًا بمبدأ (ِ (ALARAتم تصميمُ هذا المبدأِ لتقليلِ التعرضِ للإشعاعِ معَ الحفاظِ على جودةِ الصورة. استخدمتْ دراستُنا برنامج (MATLAB 2021) ّلإعادةِ بناءِ صورِ التصويرِ المقطعي َ المحوسب للدماغِ باستخدامِ مرشحِ الإسقاطِ الخلفيّ(FBP) وخوارزمياتِ إعادةِ البناءِ التكراريّ الجبريّ (IR) لإعادةِ بناءِ صورِ الأشعةِ المقطعية للدماغِ من خمسَة مئةِ اسقاطٍ(500) شعاعيّ بحجمِ مصفوفةِ 100 × 100 ، و200 × 200. بالإضافةِ إلى بحثِ تأثيرِ زاويةِ إعادةِ البناءُ على جودةِ الصورة، تمَّ استخدامُ زاويتين للإسقاطِ الشعاعيّ (90 و45 درجة). تمَّ تقييمُ الصورِ وفقًا لمعاييرِ جودةِ الصورة من قِبَلِ 10 فنيينَ خُبراء في التصويرِ المقطعيّ المحوسب واثنانِ من أخصائي الأشعةِ وتمَّ إجراءُ تقييماتٍ محددة. بعدَ ذلك، تمَّ إجراءُ تحليلٍ إحصائيٍّ وصفيٍّ بسيط، بما في ذلكَ حسابَ النسبِ المئوية لتقييماتِ فنيّي التصويرِ الطبيِ وأخصائي الأشعةِ الخبراء والقيمِ الاحتمالية. من خلال الجمع بينَ نتائج برنامج (MATLAP 2021) ورؤى أخصائي الأشعة ، يمكنُنا إنتاجَ صورٍ عاليةِ الجودةِ تقللُّ منْ جرعةِ الإشعاعِ وحملِ الأنبوب. تكشفُ النتائجُ التي توصلّنا إليها أنَّ الطريقةَ الجبرية تتفوقُ على الإسقاطِ الخلفيّ للمرشحِ في الحفاظِ على جودةِ الصورة عندَ استخدامِ الإسقاطاتِ ذاتَ الزاويةِ المحدودة. بالإضافةِ إلى إنتائج الاختبارِ الاحصائيّ (t-test)((P<.001الذي يؤكدُّ وجودَ فروقٍ إحصائية بين الخوارزميتين. حيثُ شكلتْ خوارزميةُ إعادةِ البناء التكراريةِ الجبرية (IR) نسبةَ 41% منْ مجموعِ النِّسبِ المئوية لتقييمِ اخصّائي الأشعة ، أو ما يعادلُ تقديرَ متوسط حسبَ المعاييرِ المقدمة لأخصائي الأشعة في الاستبيانِ الموَزَّع ، تتوافقُ خوارزميةُ إعادةِ البناءِ الجبرية ( IR) معَ متطلباتِ الجودة بشكلٍ أفضل. وعلى العكسِ منْ ذلك، يُظهرْ FBP نسبةَ أقل مِن 25%، ممّا يدلُ على تقديرٍ ضعيف حسبَ التقييماتِ المعتمدة في الاستبيان. اعتماداًعلى النسبِ المئوية يُمكنُنا أن نُؤكدَ أنَّ حجمَ المصفوفةِ 200×200 يتفوقُ على حجمِ المصفوفةِ 100×100، حيثُ شكلتْ نسبة 36.25% منْمعدلِ نسبِ تقييماتِ اخصّائي الأشعةِ ، وهوَ ما يُعادلُ مقياسَ متوسط،الذي يؤكدُ تفوقَ حجمَ المصفوفة 200×020 على الاخرى, بالإضافةِ إلىذلك فإن زاويةَ إعادةِ البناءِ البالغة 90 توَّفرُ جودةً أفضَلْ وكانَتْ نِسبتها41.75% أي ما يعادِلُ مقياسَ متوسط. لذا فإن خوارزميةَ اعادةِ البناءِالجبرية عندَ 90 درجة معَ 500 إسقاطٍ على حجمِ مصفوفة 200×200 توفرُ صورًا تتوافقُ معَ معاييرِ الجودةِ للتصويرِ المقطعيّ للدماغ. بينمايَفشلُ FBP في تقديمِ أي رؤى مفيدة عند العملِ بزوايا 45 و90 درجة.
إنَّ التطوراتِ الكبيرةَ لجهازِ التصويرِ المقطعيّ المحوسبِ والاقبالِ على استخدامِهِ كجهازٍ تشخيصي ٍّ دقيق , أدى الى زيادةِ الطلبِ المستمرِ عليهِ وبالتّالي زيادةِ مخاطرِ الجهازِ على المرضى من حيث زيادة الاشعاع المؤيّن على المرضى ، الأمرُ الذي دفعَ كثيراً من الباحثينَ إلى إيجادِ طرقٍ تساعدُ في تقليلِ جرعةِ الاشعةِ المؤينةِ الموجهةِ للمريضِ معَ المحافظةِ على جودةِ الصورةِ حسبَ مبدأ (ALARA) . لذلكَ تعتبرُ هذهِ الدراسةُ احدى المحاولاتِ في تقديمِ منهجٍ جديدٍ لتقليلِ جرعةِ الاشعةِ المؤينةِ الموجهةِ للمريضِ , حيث يهدف الباحثون في هذهِ الدراسةِ إلى التحققِ من إمكانيةِ تكوينِ صورةٍ مقطعيةٍ محوسبةٍ للدماغِ من عددٍ لا يتجاوزُ الخَمسة مئةِ اسقاطٍ شعاعيّ بزاويةٍ اقلُّ من مئةٍ وثمانينَ درجةٍ(180درجة) فيما يسمى ( Limited angle CT reconstruction ) معَ الحفاظِ على جودةِ الصورة، وتقليلِ جرعةِ الاشعاعِ المستخدمة . وأيضاً تمَّ التحققُّ من إذا كانت الصورةُ الناتجةُ تتوافقُ معَ معاييرِ الجودةِ لصورِ الدماغَ المقطعية . امتدّت هذهِ الدِّراسةُ مِنْ شهرِ يناير 2023 إلى شهرِ سبتمبر 2023 .تُعَدُّ عمليةُ إعادةِ بناءِ صورِ الأشعةِ المقطعيةِ من إسقاطاتٍ ذاتَ زاويةٍ محدودةٍ أمْراً بالغِ الأهمية ، وتتطلبُ التزامًا صارمًا بمبدأ (ِ (ALARAتم تصميمُ هذا المبدأِ لتقليلِ التعرضِ للإشعاعِ معَ الحفاظِ على جودةِ الصورة. استخدمتْ دراستُنا برنامج (MATLAB 2021) ّلإعادةِ بناءِ صورِ التصويرِ المقطعي َ المحوسب للدماغِ باستخدامِ مرشحِ الإسقاطِ الخلفيّ(FBP) وخوارزمياتِ إعادةِ البناءِ التكراريّ الجبريّ (IR) لإعادةِ بناءِ صورِ الأشعةِ المقطعية للدماغِ من خمسَة مئةِ اسقاطٍ(500) شعاعيّ بحجمِ مصفوفةِ 100 × 100 ، و200 × 200. بالإضافةِ إلى بحثِ تأثيرِ زاويةِ إعادةِ البناءُ على جودةِ الصورة، تمَّ استخدامُ زاويتين للإسقاطِ الشعاعيّ (90 و45 درجة). تمَّ تقييمُ الصورِ وفقًا لمعاييرِ جودةِ الصورة من قِبَلِ 10 فنيينَ خُبراء في التصويرِ المقطعيّ المحوسب واثنانِ من أخصائي الأشعةِ وتمَّ إجراءُ تقييماتٍ محددة. بعدَ ذلك، تمَّ إجراءُ تحليلٍ إحصائيٍّ وصفيٍّ بسيط، بما في ذلكَ حسابَ النسبِ المئوية لتقييماتِ فنيّي التصويرِ الطبيِ وأخصائي الأشعةِ الخبراء والقيمِ الاحتمالية. من خلال الجمع بينَ نتائج برنامج (MATLAP 2021) ورؤى أخصائي الأشعة ، يمكنُنا إنتاجَ صورٍ عاليةِ الجودةِ تقللُّ منْ جرعةِ الإشعاعِ وحملِ الأنبوب. تكشفُ النتائجُ التي توصلّنا إليها أنَّ الطريقةَ الجبرية تتفوقُ على الإسقاطِ الخلفيّ للمرشحِ في الحفاظِ على جودةِ الصورة عندَ استخدامِ الإسقاطاتِ ذاتَ الزاويةِ المحدودة. بالإضافةِ إلى إنتائج الاختبارِ الاحصائيّ (t-test)((P<.001الذي يؤكدُّ وجودَ فروقٍ إحصائية بين الخوارزميتين. حيثُ شكلتْ خوارزميةُ إعادةِ البناء التكراريةِ الجبرية (IR) نسبةَ 41% منْ مجموعِ النِّسبِ المئوية لتقييمِ اخصّائي الأشعة ، أو ما يعادلُ تقديرَ متوسط حسبَ المعاييرِ المقدمة لأخصائي الأشعة في الاستبيانِ الموَزَّع ، تتوافقُ خوارزميةُ إعادةِ البناءِ الجبرية ( IR) معَ متطلباتِ الجودة بشكلٍ أفضل. وعلى العكسِ منْ ذلك، يُظهرْ FBP نسبةَ أقل مِن 25%، ممّا يدلُ على تقديرٍ ضعيف حسبَ التقييماتِ المعتمدة في الاستبيان. اعتماداًعلى النسبِ المئوية يُمكنُنا أن نُؤكدَ أنَّ حجمَ المصفوفةِ 200×200 يتفوقُ على حجمِ المصفوفةِ 100×100، حيثُ شكلتْ نسبة 36.25% منْمعدلِ نسبِ تقييماتِ اخصّائي الأشعةِ ، وهوَ ما يُعادلُ مقياسَ متوسط،الذي يؤكدُ تفوقَ حجمَ المصفوفة 200×020 على الاخرى, بالإضافةِ إلىذلك فإن زاويةَ إعادةِ البناءِ البالغة 90 توَّفرُ جودةً أفضَلْ وكانَتْ نِسبتها41.75% أي ما يعادِلُ مقياسَ متوسط. لذا فإن خوارزميةَ اعادةِ البناءِالجبرية عندَ 90 درجة معَ 500 إسقاطٍ على حجمِ مصفوفة 200×200 توفرُ صورًا تتوافقُ معَ معاييرِ الجودةِ للتصويرِ المقطعيّ للدماغ. بينمايَفشلُ FBP في تقديمِ أي رؤى مفيدة عند العملِ بزوايا 45 و90 درجة.