The Effect of Exposure Factors on Reliability of Voxel Values from Cone-Beam Computed Tomography on Density Evaluation

Document Type : original article

Authors

1 Oral & Maxillofacial Diseases Research Center, Mashhad University of Medical Sciences, Mashhad, Iran

2 Alireza Sanaei Farrokhy, Oral & Maxillofacial Diseases Research Center, Mashhad University of Medical Sciences, Mashhad, Iran

3 PhD Candidate in Biostatistics Dept. of Epidemiology and Biostatistics, School of Public Health, Tehran University of Medical Sciences, Tehran, Iran.

Abstract

Introduction: Several factors affect the success rate of dental implants, including the quality of bone. Schwartz for the first time described the use of computed tomography (CT) to classify bone density. Cone-beam CT (CBCT) has replaced CT in various fields due to lower dose and cost. This study aimed to evaluate the effect of exposure factors on reliability of CBCT in determining density.
Materials & Methods: In this study, CT dose index phantoms including nine different concentrations of 76% meglumine with active ingredient of iodine were subjected to CBCT imaging with Planmecca 3D Mid under different exposure conditions. To obtain Hounsfield unit from CT, CT imaging from the phantoms was performed under standard conditions. Hounsfield unit and voxel values from CBCT and CT were recorded under all conditions, then, the difference and correlation between them was evaluated using paired-samples t-test and linear regression.
Results: The results of this study showed excellent correlation between voxel values from CBCT and Hounsfield unit from CT (R=0.847). With changing the kVp conditions and mA this correlation remained high (R>0.8). There was no significant difference between the voxel values from CBCT and Hounsfield unit from CT under standard exposure conditions (P=0.6). However, variation in the amount of radiation exposure factors caused a significant change in CT and CBCT values, which could affect reliability of voxel values from CBCT (P=0.049).
Conclusions: Our findings exhibited no significant difference between voxel values from CBCT and Hounsfield unit from CT. Furthermore, changes in exposure factors can affect the reliability of voxel values.

Keywords

Main Subjects

Full Text

مقدمه

عوامل مختلفی بر میزان موفقیت ایمپلنت های دندانی موثرند که از این میان می توان به کیفیت وکمیت استخوان در محل قرار گیری ایمپلنت اشاره کرد.(5-1) امروزه با به وجودآمدن تکنیک های تصویربرداری جدید از قبیل Multi Slice Computed Tomography،Cone Beam Computed Tomography،dual energy X-ray absorptiometry (DXA) و Digital Subtraction  تعیین میزان دانسیته استخوانی (BMD) میسر شده است.(10-6) استفاده از CT توسط شوارتز در طبقه بندی و تعیین دانسیته استخوانی توصیف و به سرعت گسترش یافت.(11)  امروزه استفاده از CBCT به دلیل دوز و هزینه کمتر در بسیاری از زمینه ها جایگزین CT شده است؛ برخی محققان استفاده از اعداد وکسل CBCT را جهت تخمین عدد هانسفیلد و BMD مناسب دانسته اند؛(14-12) و از سوی دیگر در برخی منابع از CBCT به عنوان یک روش غیرقابل اعتماد جهت بررسی BMD نام برده می شود.(17-15) دلایل شک در مورد دقت CBCT را می توان به وجود آرتیفکت ها، تغییر در فاکتورهای اکسپوژر و ماهیت مخروطی پرتو نسبت
داد.(20-18و15) حال با توجه به مزایای CBCT نسبت بهCT  و اهمیت تعیین BMD در درمان های دندانپزشکی از قبیل ایمپلنت، سوالی که مطرح می شود این است که تغییر در چه عواملی می تواند بر Gray value (سایه های خاکستری) حاصل از CBCT تاثیر داشته باشد و آیا استفاده از آن در تعیین BMD از دقت لازم برخوردار است یا خیر؟

این مطالعه با هدف ارزیابی تاثیر تغییر فاکتورهای تابش بر اعداد وکسل CBCT  در تعیین دانسیته انجام گرفت.

 مواد و روش ها

در مطالعه حاضر که به روش In vitro انجام شد، 9 دانسیته از ماده محلول رقیق شده ماده کنتراست Meglumine Compound 76%  که یون موثر آن ید می باشد در 9 غلظت مختلف (0، 05/0، 07/0، 1/0، 15/0، 25/0، 5/0، 8/0 و 1% مگلومین که به ترتیب حاوی  0، 18، 2/25، 36، 54، 90، 180، 288 میلی گرم ید به ازای میلی لیتر محلول می باشد) آماده شد. جهت رقیق کردن ماده کنتراست از آب مقطر خالص استفاده گردید. این محلول های آماده شده جداگانه درون سیلندرهای فانتوم استاندارد CTDICT Dose Index)) با عرض 20 میلیمتر و طول 200  میلیمتر ریخته شد.

به منظور گرفتن تصاویر CBCT از دستگاه Mid  Planmecca 3D استفاده گردید. ابتدا با فاکتورهای تابش استاندارد(9 mA= و 90kVp=) از کل فانتوم با حداکثر میدان تابش (20×16) تصویربرداری گردید. سپس فاکتورهای اکسپوژر mA و kVpتغییر یافت. تغییرات به گونه ای اعمال شد که میزان DAP (dose-area product) در شرایط جدید اکسپوژر ثابت باقی بماند. سپس تاثیر تغییر این متغیرها بر روی Gray Value بررسی گردید.

تصویربرداری CT با استفاده از دستگاه  CT -16 sliceساخت شرکت زیمنس آلمان در حالت استاندارد (40 mA= و 130kVp=) انجام  شد. HU(Hounsfield Unit)   یا عدد هانسفیلد تصاویر به دست آمده در پروتوکل سینوس، به عنوان Gold Standard در نظر گرفته شد.

تصاویر به دست آمده از CBCT در تمامی حالات آزمایش شده با فرمت Dicom ذخیره شده و به وسیله نرم افزار (3.4.1.R)Romexis در برش  اگزیال و کرونال در (ROI=1 cm3  (Region of interest  اعداد Gray value (سایه های خاکستری)  ثبت و با عدد هانسفیلد حاصل از تصاویر CT مقایسه شد. )تصویر 1)

بررسی داده ها توسط نرم افزار SPSS انجام شد. در ابتدا از طریق آزمون Kolmogorov-Smirnov به بررسی توزیع داده ها پرداختیم که توزیع همگی داده ها را نرمال نشان داد.

 برای بررسی میزان تفاوت ها و همبستگی میان اعداد وکسل حاصل از CBCT و اعداد هانسفیلد حاصل از CT، از آنالیزهای کمی و مقایسه ای از طریق آزمون های Regression، Linear و t-testPaired-sample استفاده گردید. سطح معنی داری در این مطالعه 05/0 در نظر گرفته شد.

 

 

تصویر 1 : اندازه گیری Voxel value  حاصل از  CBCT

 

یافته ها

یافته های حاصل از این مطالعه بیانگر همبستگی بالا بین اعداد CT و CBCT در شرایط اکسپوژر استاندارد بود. (847/0R2=). )نمودار 1)

در شرایط اکسپوژر استاندارد اختلاف آماری معنی داری بین اعداد CT و CBCT مشاهده نگردید. (6/0P=)

بزرگ ترین اعداد وکسل CBCT در شرایط اکسپوژر (12 mA= و 76kV=) مشاهده گردید. (جدول 1)


 

 

نمودار 1 : همبستگی میان اعداد وکسل CBCT با اعداد هانسفیلد CT در شرایط اکسپوژر استاندارد

 

 

جدول 1 : اعداد هانسفیلد CT و اعداد وکسل CBCT با لحاظ کردن متغیر mA و kV

ماده

غلظت

CT

CBCT

CBCT

CBCT

40 mA=       130kV=

9 mA=       90kV=

12 mA=       76kV=

3/6 mA=      90kV=

0

35-

128-

2/74-

116-

05/0

555

335

587

5/474

07/0

2/612

635

997

5/756

1/0

785

882

1232

5/946

15/0

4/2106

1302

1673

1304

25/0

2996

1583

2032

2/1631

5/0

3052

5/3092

3095

5/3086

8/0

3/3064

3095

3095

3093

1

3069

3085

3008

2846

* نتیجه آزمون

Paired-sample t-test (P-value)

--

605/0P=

049/0P=

559/0P=

* هر کدام از CBCTها با CT استاندارد مقایسه شده است.


نتایج آزمون Paired-sample t-test نشان داد در صورتی که kVp کاهش یابد تفاوت آماری معنی داری بین اعداد CT و CBCT به وجود می آید (049/0P=) در صورتی که اگر kVp تغییر نکرده و mA کاهش یابد، اختلافی بین اعداد CT  و CBCT ایجاد نمی شود. (جدول 2)

در مقایسه بین اعداد وکسل به دست آمده از CBCT در شرایط اکسپوژر متفاوت، نتایج حاکی از وجود اختلاف آماری معنی دار بین اعداد وکسل حاصل از تغییر kVp نسبت به تغییر mA بود. (جدول 3)


 

 

 

 

جدول 2 : مقایسه اعداد هانسفیلد CT و اعداد وکسل CBCT با لحاظ کردن متغیر mA و kV

جفت متغیر

نتیجه آزمون  Paired-sample t-test

(P-value)

CBCT (3/6 mA=، 90kV=)  –CT

559/0

CBCT (12 mA=، 76kV=)–CT

049/0

CBCT (9 mA=، 90kV=)–CT

605/0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

جدول 3 : بررسی ارتباط بین اعداد وکسل CBCT در شرایط مختلف اکسپوژر

جفت متغیر

نتیجه آزمون Pairwise Comparisons

(P-value)

CBCT (3/6 mA=، 90kV=)–CBCT (12 mA=، 76kV=)

004/0

CBCT (12 mA=، 76kV=)–CBCT (9 mA=، 90kV=)

001/0

CBCT (9 mA=، 90kV=)–CBCT (3/6 mA=، 90kV=)

743/0

 

 

 

 


بحث

برخی محققان استفاده از اعداد وکسل CBCT را جهت تخمین عدد هانسفیلد و BMD مناسب دانسته اند؛(14-12) و از سوی دیگر در برخی منابع از CBCT به عنوان یک روش غیرقابل اعتماد جهت بررسی BMD نام برده می شود.(16و15)

از موارد تعیین کننده در عدد وکسل، تغییرات mA و kVp می باشد. در این مطالعه به لحاظ آماری تنها بین اعداد وکسل در اکسپوژر (12 mA=و 76kV=) تصویربرداری CBCT با سایر شرایط اکسپوژر و تصویربرداری CT اختلاف آماری معنی داری مشاهده گردید. در این مطالعه مشاهده گردید که تنها با تغییر kVp، اعداد وکسل CBCT دچار تغییر شد. یکی از مهمترین فاکتورهای جذب اشعه X در دیتکتورهای دیجیتال CBCT فاکتور kVp می باشد. کاهش یا افزایش در انرژی پرتو از طریق کاهش یا افزایش در میزان kVp، باعث تغییر در جذب فتوالکتریک، ضریب تضعیف خطی اشعه  Xو در نتیجه عدد وکسل در CBCT می شود. در مطالعه ما تغییر kVp سبب شد که اعداد وکسل CBCT با اعداد هانسفیلد  CT از لحاظ آماری تفاوت داشته باشند. از طرفی کاهش kVp سبب کاهش نسبت سیگنال به Noise می گردد، این میزان بالاتر Noise می تواند موجب بروز بیشتر شدن بی ثباتی و انحراف معیار بزرگ تر در Gray value وکسل گردد.(22و21)

در مطالعه Nomura و همکاران(13) در تمام حالات  kVp و mA تفاوت آماری معنی دار بین اعداد CBCT با CT به دست آمد. اما در مطالعه حاضر تغییرات mA این تفاوت را ایجاد نکرد. اختلاف مطالعه ما با این مطالعه می تواند مربوط به تفاوت در دستگاه های به کار رفته باشد.

در مطالعه ما اختلاف آماری معنی داری بین اعداد هانسفیلد CT و اعداد وکسل CBCT در شرایط اکسپوژر استاندارد وجود نداشت. با توجه به ارتباط آماری بسیار بالای اعداد CT و CBCT (8/0R2>) در حالات ذکر شده به نظر می رسید که اعداد وکسل CBCT در این شرایط جهت تعیین دانسیته استخوانی قابل استفاده و اعتماد می باشند ولی با تغییر شرایط اکسپوژر اختلاف آماری معنی داری بین این دو ایجاد شده و اعداد CBCT قابل اعتماد نمی باشند. در مطالعه Hua و همکاران(17) از CBCT به عنوان یک روش معتبر در آنالیز فرکتال (Fractal) و اندازه گیری سطح استخوان یاد شده است ولی آن را برای ارزیابی دانسیته استخوان مناسب ندانسته اند. از جمله علل مطرح شده برای این مطلب، عوامل به وجود آورنده آرتیفکت نظیر میزان بالای پراکندگی، سختی اشعه
(Beam hardening) و اثر پاشنهای (Heel effect) عنوان شده است. در مطالعه ما نیز مشخص گردید که افزایش این آرتیفکت ها که می تواند همراه با افزایش میانگین انرژی اشعه باشد، سبب می شود که اعداد CBCT قابل اعتماد نباشند.

در مطالعه Nackaert و همکاران(15) که به تصویربرداری از یک فانتوم با یک اسکنر MSCT به عنوان مرجع و نیز پنج اسکنر CBCT پرداخت و بیان نمود که در روش CBCT، تغییرات زیادی در اعداد وکسل مشاهده می گردد ولی تغییرات در اعداد هانسفیلد حاصل از روش MSCT بسیار ناچیز می باشند و ثبات بیشتری دارند. بر این اساس، استفاده از اعداد وکسل حاصل از روش CBCT را به علت تأثیرپذیری بالای آن از نوع وسیله و پارامترها و جایگاه های تصویربرداری، قابل اعتماد ندانستند.

در مطالعه حاضر با توجه به 847/0R-square=، می توان نتیجه گرفت که حدود 85 درصد از تغییرات CT به وسیله CBCT بیان می شود.

در مطالعه Nomura و همکاران(13) مشابه با مطالعه ما مشخص گردید که ارتباط بین اعداد وکسل و هانسفیلد زیاد است. (682/0R-square=)

در میان مطالعاتی که به بررسی میزان اطمینان CBCT پرداخته اند، Naitoh و همکاران(23و12) در دو مطالعه به بررسی میزان اطمینان CBCT با استفاده از اسکن های بیماران حقیقی پرداختند. در این مطالعه اعداد هانسفیلد CT که با استفاده از اسکن مولتی اسلایس صورت گرفته بود، با استفاده از چارت BMD (تبدیل عدد هانسفیلد به BMD)، تبدیل به دانسیته استخوان واقعی شد و سپس ارتباط آن با اعداد وکسل CBCT مورد بررسی قرار گرفت. در این مطالعه با استفاده از مدل رگرسیون خطی، همبستگی بالایی بین عدد وکسل و BMD مشاهده گردید. هرچند تطابق تصاویر CBCT و MSCT به طور دستی صورت گرفته است و امکان خطا در آن وجود دارد. هم چنین بین این تصویربرداری ها به طور میانگین 21 ماه فاصله بود و ممکن است تغییرات پاتولوژیک یا فیزیولوژیکی طی این مدت رخ داده باشد.

نتیجه گیری

نتایج حاصل از مطالعه حاضر نشان داد که اختلاف آماری معنی داری بین اعداد وکسل CBCT و اعداد هانسفیلد CT وجود ندارد. تغییر در شرایط اکسپوژر می تواند پایایی اعداد وکسل CBCT را تحت تاثیر قرار دهد.

تشکر و قدردانی

بدینوسیله مراتب تشکر خود را از معاونت محترم پژوهشی دانشکده دندانپزشکی و اساتید محترم گروه فیزیک پزشکی دانشکده پزشکی دانشگاه علوم پزشکی مشهد آقایان دکتر مومن نژاد و ناصری که در مراحل انجام این پژوهش یاریمان کردند، به عمل می آوریم. شایان ذکر است این مقاله برگرفته از پایان نامه تخصصی با شماره 571 از دانشکده دندانپزشکی مشهد می باشد.

References

  1. Cheng SJ, Tseng IY, Lee JJ, Kok SH. A prospective study of the risk factors associated with failure of mini-implants used for orthodontic anchorage. Int J Oral Maxillofac Implants 2004; 19(1): 100-6.
  2. Molly L. Bone densityand primary stability in implant therapy. Clin Oral Implants Res 2006; 2: 124-35.
  3. Wilmes B, Rademacher C, Olthoff G, Drescher D. Parameters affecting primary stability of orthodontic mini-implants. J Orofac Orthop 2006; 67(3): 162-74.
  4. Turkyilmaz I, Ozan O, Yilmaz B, Ersoy AE. Determination of bone quality of 372 implant recipient sites using Hounsfield unit from computerized tomography: A clinical study. Clin Implant Dent Relat Res 2008; 10(4): 238-44.
  5. Fanuscu MI, Chang TL. Three-dimensional morphometric analysis of human cadaver bone: microstructural data from maxilla and mandible. Clin Oral Implants Res 2004; 15(2): 213-8.
  6. Isoda K, Ayukawa Y, Tsukiyama Y, Sogo M, Matsushita Y, Koyano K. Relationship between the bone densities estimated by cone-beam computed tomography and the primary stability of dental implants. Clin Oral Implants Res 2012; 23(7): 832-6.
  7. Gonzalez-Garcia R, Monje F. The reliability of cone-beam computed tomography to assess bone density at dental implant recipient sites: A histomorphometric analysis by micro-CT. Clin Oral Implants Res 2013; 24(8): 871-9.
  8. Fuster-Torres MA, Penarrocha-Diago M, Penarrocha-Oltra D, Penarrocha-Diago M. Relationships between bone density values from cone beam computed tomography, maximum insertion torque, and resonance frequency analysis at implant placement: A pilot study. Int J Oral Maxillofac Implants 2011; 26(5): 1051-6.
  9. Hanazawa T, Sano T, Seki K, Okano T. Radiologic measurements of the mandible: A comparison between CT-reformatted and conventional tomographic images. Clin Oral Implants Res 2004; 15(2): 226-32.
  10. Guerrero ME, Jacobs R,Loubele M, Schutyser F, Suetens P, van Steenberghe D. State-of-the-art on cone beam CT imaging for preoperative planning of implant placement. Clin Oral Investig 2006; 10(1): 1-7.
  11. Schwarz MS, Rothman SL, Chafetz N, Rhodes M. Computed tomography in dental implantation surgery. Dent Clin North Am 1989; 33(4): 555-97.
  12. Naitoh M, Hirukawa A, Katsumata A, Ariji E. Evaluation of voxel values in mandibular cancellous bone: Relationship between cone-beam computed tomography and multislice helical computed tomography. Clin Oral Implants Res 2009; 20(5): 503-6.
  13. Nomura Y, Watanabe H, Honda E, Kurabayashi T. Reliability of voxel values from cone-beam computed tomography for dental use in evaluating bone mineral density. Clin Oral Implants Res 2010; 21(5): 558-62.
  14. Aranyarachkul P, Caruso J, Gantes B, Schulz E, Riggs M, Dus I, et al. Bone density assessments of dental implant sites: Quantitative cone-beam computerized tomography. Int J Oral Maxillofac Implants 2005; 20(3): 416-24.
  15. Nackaerts O, Maes F, Yan H, Couto Souza P, Pauwels R, Jacobs R. Analysis of intensity variability in multislice and cone beam computed tomography. Clin Oral Implants Res 2011; 22(8): 873-9.
  16. Song YD, Jun SH, Kwon JJ. Correlation between bone qualities evaluated by cone-beam computerized tomography and implant primary stability. Int J Oral Maxillofac Implants 2009; 24(1): 59-64.
  17. Hua Y, Nackaerts O, Duyck J, Maes F, Jacobs R. Bone quality assessment based on cone beam computed tomography imaging. Clin Oral Implants Res 2009; 20(8): 767-71.
  18. Pauwels R, Nackaerts O, Bellaiche N, Stamatakis H, Tsiklakis K, Walker A, et al. Variability of dental cone beam CT grey values for density estimations. Br J Radiol 2013; 86(1021): 20120135.
  19. Nomura Y, Watanabe H, Shirotsu K, Honda E, Sumi Y, Kurabayshi T. Stability of voxel values from cone-beam computed tomography for dental use in evaluating bone mineral content. ClinOral Implants Res 2013; 24(5): 543-8.
  20. Mah P, Reeves TE, McDavid WD. Deriving Hounsfield units using grey levels in cone beam computed tomography. Dentod Maxillofac Radiol 2010; 39(6): 323-35.
  21. Araki K, Okano T. The effect of surrounding conditions on pixel value of cone beam computed tomography. Clin Oral Implants Res 2013; 24(8): 862-5.
  22. Maes F, Collignon A, Vandermeulen D, Marchal G, Suetens P. Multimodality image registration by maximization of mutual information. IEEE Trans Med Imaging 1997; 16(2): 187-98.
  23. Naitoh M, Hirukawa A, Katsumata A, Ariji E. Prospective study to estimate mandibular cancellous bone density using large-volume cone-beam computed tomography. Clin Oral Implants Res 2010; 21(12): 1309-13.

Files

History

  • Receive Date: 01 December 2016
  • Accept Date: 01 December 2016

Share

How to cite

Statistics