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Zukünftige Entwicklungen in der digitalen dentalen Volumentomografie – Teil 1
DruckenDie rasch fortschreitende technische Entwicklung führt dazu, dass neue Detektions- und Rekonstruktionsverfahren im Bereich des zahnärztlichen Röntgens zur Verfügung stehen. Auch die noch junge Technik der dentalen Volumentomografie (DVT), wie das Verfahren im offiziellen Sprachgebrauch des Bundesministeriums für Umwelt jetzt heißt, wird sich weiter entwickeln. Die DVT wird qualitativ besser werden und die Strahlendosis wird bei gleicher Qualität reduziert werden. 3D- und 4D-Techniken werden die traditionellen Aufnahmen zunehmend verdrängen. Das Matchen verschiedener Bildmodalitäten und Aufnahmearten wird allmählich zum Standard werden und dem Anwender neue technische Kenntnisse abverlangen. Dieser Artikel fasst die aktuellen Entwicklungen zusammen und gibt einen Ausblick auf die nähere Zukunft.
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Technische Entwicklung bis heute
Beginnend in den 1980er Jahren wurde die DVT-Technik als Alternative zur konventionellen Computertomografie (CT) [1, 2] entwickelt. Sie wird seit den 1990er Jahren zunehmend in der Zahnmedizin eingesetzt [3]. DVT-Geräte verwenden zur Bildaufnahme einen C-Arm, der die Strahlenquelle gegenüberliegend von einem Flächendetektor fixiert. Der Detektor besteht dabei aus einer Matrix von Tausenden einzelner Röntgendetektoren, welche die empfangene Strahlung proportional in ein elektrisches Signal umwandeln. Über den angeschlossenen Computer wird aus dem elektrischen Signal dann für jeden Bildpunkt (Pixel) ein Grauwert errechnet. Diese Projektionsaufnahmen entstehen daher identisch wie andere digitale Röntgenaufnahmen. Der C-Arm mit den beiden Komponenten (Strahlenquelle, Detektor) führt pro Aufnahme eines DVT-Datensatzes eine Rotationsbewegung zwischen 180° und 360° um den Patientenkopf durch. Dabei wird für jeden Winkelgrad ein oder mehrere Projektionsröntgenbild(er) aufgenommen. Aus den entstandenen Einzelbildern werden dann dreidimensionale Datensätze rekonstruiert. Die dafür genutzten Algorithmen sind entscheidend für die Qualität des 3D-Datensatzes. Auf die Entwicklungen in diesem Bereich wird später noch eingegangen.
Im Gegensatz zum klassischen CT kommt beim DVT ein kegel- bzw. konusförmiges Strahlenbündel zum Einsatz (daher der englische Begriff „Cone Beam Computed Tomography“). Es werden also nicht einzelne eindimensionale Projektionsprofile wie beim klassischen CT mithilfe eines Zeilensensors aufgenommen – was mehrfache Umläufe erfordern würde – sondern das ganze Volumen wird durch Einsatz des Strahlenkegels und eines Flächensensors registriert. Die Scanzeiten der DVT-Geräte liegen dabei üblicherweise zwischen 10 und 40 Sekunden. Zusätzlich kann die Strahlenquelle während des Umlaufs gepulst werden, was die effektive Expositionszeit verringert [4].
Ein Vorteil der DVT-Technik liegt in der im Durchschnitt verringerten Strahlenexposition im Vergleich zum CT [5, 6]. Anfänglich hieß es, die Strahlenexposition des kleinstvolumigen Accuitomo 3D (J. Morita Co., Kyoto, Japan) bewege sich in der Größenordnung einer einzelnen Intraoralaufnahme [4]. Diese Werte sollten aber mit großer Vorsicht interpretiert werden, da sie zum Teil aus Angaben der maßgeblich am Bau des Gerätes beteiligten Ingenieure aus einem Konferenzband zitiert wurden [7] und seither nie wieder in dieser geringen Höhe publiziert worden sind. Auch die bisher üblichen Detektoren, bestehend aus CCD-Sensor und Bildverstärker, wurden durch Flatpanel-Detektoren, z.B.
Tab. 1
Notwendigkeit weiterer Entwicklungen
Beim heutigen Stand der Technik erschweren zahlreiche Artefakte die diagnostische Auswertung der Bilder zum Teil. Grundsätzlich gilt, dass Artefakte durch die sehr vereinfachten mathematischen Annahmen bei der Berechnung des Volumendatensatzes entstehen, die nicht genau zum tatsächlichen physikalischen Messvorgang passen [12, 13].
Besonders auffällig sind sowohl in der CT als auch der DVT die Auslöschungs- und Aufhärtungsartefakte. Auslöschungen entstehen vor allem hinter sehr radioopaken Strukturen wie Metall- oder Keramikrestaurationen. Die vom Detektor registrierte Strahlenintensität befindet sich hinter diesen Objekten quasi bei Null. Somit kann an diesen Stellen keine korrekte Absorption berechnet werden, wodurch diese fehlerhaften Werte bei der Rekonstruktion ins Volumen zurückprojiziert werden. Wenn die Strahlung nicht komplett durch das dichte Metall absorbiert wird, entstehen sogenannte Aufhärtungsartefakte. Der mathematische Rekonstruktionsvorgang geht von nur einer Wellenlänge aus. Die emittierte Strahlung ist jedoch polychromatisch, beinhaltet also ein Spektrum verschiedenster Wellenlängen. Hierbei wird durch stark absorbierende Strukturen wie z.B. Metalle der niederenergetische Anteil des Spektrums (lange Wellenlänge) herausgefiltert, während die hochenergetische Strahlung die Struktur passiert. Ein derartiges Metall (z.B. ein Titanimplantat) ist daher technisch gesehen nichts anderes als ein Filter, der sich innerhalb des aufzunehmenden Objektes befindet [11]. Da der Rekonstruktionsvorgang diese Änderung zwischen ausgesandtem und detektiertem Spektrum einfach ignoriert, kommt es zu einem nichtlinearen Fehler in den berechneten Volumendaten. Diese werden immer in Projektionsrichtung verteilt, d.h. in der Ebene der Umlaufbahn des Gerätes.
Ein weiterer nicht einfach zu korrigierender Fehler entsteht bei kleinerem Field of View (FoV) durch das sogenannte lokale Tomografie-Problem [14]. Da das FoV sich inmitten des durchstrahlten Objektes befindet, repräsentieren die Grauwerte in DVT-Datensätzen nicht die tatsächliche Dichte des dargestellten Objektes. Dies liegt daran, dass die Röntgenstrahlen auf ihrem Weg durch das FoV bis zum Detektor weitere röntgenopake Strukturen passieren, deren Absorption sich zu der im FoV vorhandenen Absorption aufaddiert. Weiterhin wird aufgrund der hohen Kosten großer
Abb. 1: Wasserbehälter, aufgenommen mit einem kleinvolumigen DVT-Gerät. Deutlich sichtbar sind die Ringartefakte im axialen Schnitt (z-Slice), die sich in den beiden anderen Ebenen als vertikale parallele Linien darstellen.
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Zukünftige Entwicklungen in der digitalen dentalen Volumentomografie – Teil 2
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Literaturverzeichnis
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