Postup použitý při stanovování základních parametrů CT skenování pro tvorbu 3D modelů skeletu – zobrazování kompaktní kosti

Při přípravě 3D výtisků částí skeletu je základním zdrojem tomografických dat CT zobrazení. CT systémy však disponují celou řadou akvizičních a rekonstrukčních nastavení, která ovlivňují podobu získaného obrazu z hlediska jeho kontrastu, prostorové rozlišovací schopnosti a hladiny šumu. Tyto základní parametry obrazu se promítají do segmentace obrazu a zásadním způsobem tedy ovlivňují kvalitu dat před samotným tiskem.

Má-li být segmentace CT obrazu co nejpřesnější, je nutné dodržovat některá základní pravidla, která jsou popsaná v „CT zobrazovacím protokolu pro tvorbu 3D modelů skeletu – obecná doporučení pro zobrazování kompaktní kosti“.

Abychom si ověřili, že doporučené postupy dávají smysl, provedli jsme experimentální CT zobrazení, segmentaci obrazu a tisk získaných modelů. Porovnáním skutečných rozměrů kompaktních kostí s vytištěnými modely jsme nalezli nejvhodnější nastavení pro CT přístroje, které byly v rámci této studie použity. To nám umožnilo popsat obecná pravidla CT zobrazování pro účely segmentačních úloh kompaktních kostí.

Zobrazovaným objektem bylo vepřové „koleno zadní“. Tento objekt o hmotnosti zhruba 1700 g obsahuje všechny tkáně, které se běžně vyskytují v podobné oblasti zájmu lidského těla a je tedy jeho vhodnou náhradou.

V klinické praxi se ve skenovaných objektech mohou nacházet kovové materiály dávající vzniknout různým formám CT artefaktů. K simulaci této situace posloužily běžně používané kovové materiály dodané Traumatologickou klinikou. Skenovaný objekt byl na několika místech prošroubován ocelovými a titanovými vruty.

K zobrazení byl použit CT přístroj GE Revolution a CT část přístroje PET/CT Siemens Biograph Vision600. Objekt byl opakovaně skenován při různých napětích a s použitím různých způsobů potlačení kovových artefaktů. Získaná data byla poté zrekonstruována s různým nastavením rekonstrukcí.

Skenovaný objekt byl následně vypreparován, kostěné struktury byly vyvařeny a vyčištěny, aby bylo možné změřit skutečné rozměry kostí.

Série CT dat byly segmentovány autory příspěvku nezávisle na sobě. Každý si zvolil vlastní segmentační postup, oba použili program 3D Slicer. Segmentační postup nebyl primárně zaměřen na eliminaci artefaktů vznikajících v CT obraze kvůli přítomnosti kovových materiálů. Následně byly stereolitografické soubory (.stl) připraveny k tisku pomocí programu PrusaSlicer a následně vytištěny. K tisku byly použity tiskárny Prusa i3 MK3 a TRILAB DeltiQ 2 Plus. Tiskovým materiálem byla PLA struna.

Kontrolní skenování vypreparované kosti bylo provedeno i optickou metodou s použitím skeneru Shining 3D EinScan-SE (s výrobcem udávanou přesností 0,1 mm).

Zleva: optické skenování, segmentace v 3D Slicer, příprava tisku v PrusaSlicer.

• GE (všechny s použitím rekonstrukčního filtru Bone, sFOV 250 mm)
  • 120 kV
  • 120 kV iMAR
  • dual energy 80+140 kV
  • dual energy 80+140 kV iMAR
• Siemens (small sFOV = 250 mm, large sFOV = 500 mm, 120 kV vždy)
  • filtr Br38, small, iMAR
  • filtr Br59, small, iMAR
  • filtr Br59, small, iMAR, EHU
  • filtr Br59, large, iMAR
  • filtr Br60, large
  • filtr Br60, large, EHU
• optické skenování (skener Shining 3D)

• JP
  • threshold 140 HU a více
  • remove small islands 2000 px
  • split islands to segments 1000 px (s vymazáním přebytečných struktur)
  • remove extrusions 1,5 mm
  • split islands to segments 1000 px (s vymazáním přebytečných struktur)
• MS
  • threshold 200 HU a více
  • scissors (nahrubo odstraněny přebytečné struktury – skenovací podložka, velké artefakty apod.)
  • keep largest island
  • manuální lokální erase a smoothing (kombinace remove extrusions a fill holes) k odstranění zjevných artefaktů – časově nejnáročnější část
  • keep largest island
• u optického skenování nebyla segmentace nutná

Na skutečné kosti a vytištěných vzorcích bylo identifikováno nejužší místo na tibii, které bylo označeno. Na této linii byla provedena měření rozměrů ve dvou osách tibie a fibuly.

Vyznačení os x a y použitých pro měření rozměrů výtisků.

Výsledky jsou shrnuty v následující tabulce.

Vzhledem k použitým segmentačním technikám se jako optimální jeví následující nastavení CT skeneru:

1. 120 kV
2. GE (filtr Bone), Siemens (Br ~ 59)
3. iMAR nehraje podstatnou roli
4. HU nebo EHU nehraje podstatnou roli
5. small sFOV

Vysvětlení k jednotlivým položkám:

1. Použití 140 kV sice přináší vyšší pronikavost svazku a teoreticky by mělo potlačit výskyt kovových artefaktů, avšak je to za cenu nižšího kontrastu obrazu. To nemusí nutně vadit při segmentaci solidní kosti, ale u méně masivních struktur (tenká kortikální vrstva) dochází ke splývání s měkkými tkáněmi v okolí. K potlačení artefaktů z kovových materiálů je lepší použít MAR/iMAR.
2. CT obrazy inherentně obsahují šum. Ten je tím větší, čím je nižší dávka záření spojená s vyšetřením. Příliš vysoký šum komplikuje použití jednoduchých prahovacích segmentačních postupů. Jeho potlačení se běžně použitím filtrů pro měkké tkáně (řada Body u GE, případně Br38 apod. u Siemens). Potlačení šumu je však vždy provázeno ztrátou prostorové rozlišovací schopnosti, a tedy zhoršenou přesností segmentace.
3. Redukce kovových artefaktů pomocí různých rekonstrukčních postupů nehraje podstatnou roli, pokud se jedná o čistou kost. Je-li segmentační úloha prováděna i pro oblast s výskytem kovu, potom je vhodné MAR/iMAR použít. Segmentační úloha bude jednodušší. Artefakty se nikdy nepodaří úplně zredukovat.
4. Použití standardního rozsahu HU je pro segmentaci dostatečné. Pokud je však součástí úlohy i segmentace kovových materiálů, poskytuje EHU výhodu. Standardní HU končí na hodnotě 3071. Kovové materiály však z definice mají výrazně vyšší HU ~ desítky tisíc HU. Díky pokračování stupnice CT čísel až k hodnotě 30710 v případě EHU je tak možné jednoduše oddělit kosti od kovu. Opět je však třeba počítat s výskytem artefaktů, které situaci různou měrou komplikují.
5. Za zcela zásadní je nutné považovat velikost zrekonstruovaného zorného pole. CT obraz je obvykle rekonstruován do matice 512×512 pixelů. Použitím 250 mm průměru zrekonstruovaného zorného pole místo 500 mm tak dojde k vzniku obrazu s poloviční velikostí pixelů (matice je vždy 512×512). Menší pixel zlepšuje robustnost segmentace vůči drobným změnám v rekonstrukčních filtrech, nepřesnostem v nastavení segmentačního prahu apod.

Všechny použité skenovací metody vykazují po provedení 3D tisku nadhodnocení skutečných rozměrů zobrazovaného objektu.

Dle očekávání se jako nejpřesnější ukázala metoda optického skenování. Přestože by teoreticky měla být její přesnost absolutní, po provedení 3D tisku jsou měřitelné drobné odchylky od skutečné velikosti.

U JP a MS se série Siemens Br59 small iMAR ext_HU umístila jako nejpřesnější, resp. druhá nejpřesnější. Naopak použití přílišného potlačení šumu u rekonstrukce Siemens B38 small iMAR přineslo zcela očekávané zhoršení výsledku.

Jak je vidět z naměřených rozdílů ve velikosti výtisků a předlohy, ani v případě stejných dat není dosaženo stejné přesnosti. Vliv orientace objektu při tisku (JP 45°, MS 0°) a dalších nastavení tiskáren (např. JP 0,3 mm/vrstva, MS 0,2 mm/vrstva), bude nutné ověřit v rámci dalších experimentů s přesně definovanými objekty.

I v případě co nejpřesnějšího nastavení skenování a 3D tisku zůstává v řetězci pacient – výtisk segmentační krok, jehož provedení má zásadní vliv na rozměrovou přesnost. Nelze počítat s tím, že skenované objekty budou vždy stejné. Tloušťka kosti, obsah kostních minerálů, okolní tkáně, přítomnost kovů a další faktory ovlivňují obrazovou informaci a tím pádem i segmentační krok. V každém jednotlivém případě tak bude nutné počítat s určitou nepřesností. Výše uvedený jednoduchý experiment, který byl záměrně prováděn nejhrubějšími možnými nástroji však ukazuje, že dosažení chyby pod 1 mm nebude nerealizovatelné.

Lze očekávat, že v případě tenkých kostěných struktur bude nutné použít mírně odlišná nastavení. CT zobrazení má u tenkých struktur tendenci průměrovat jejich CT číslo mezi více pixelů a tím jej v jednotlivých pixelech vlastně snižovat. Mnohdy až na hodnoty blízké CT číslu okolních tkání, což velmi komplikuje segmentační úlohu.

Autoři:

Jaroslav Ptáček (JP) – Oddělení lékařské fyziky a radiační ochrany, Fakultní nemocnice Olomouc
Martin Sněhota (MS) – Lékařská fakulta, Univerzita Palackého v Olomouci

Spolupráce:

David Kozák, Artur Koval – Oddělení lékařské fyziky a radiační ochrany, Fakultní nemocnice Olomouc
Radim Vinter – Traumatologická klinika, Fakultní nemocnice Olomouc