Design, engineering and assessment of a Cone Beam CT scanner for dental and maxillo-facial radiology : validation in bone densitometry

Contemporary dental diagnostics has always depended on x-ray devices and technology. In connection with this, x-ray computed tomography has experienced tremendous growth in recent years, in terms of both basic technology and new clinical applications, like dentistry and maxillofacial surgery. Much advancement has been achieved in major CT components, such as x-ray tube and relevant driving power electronics, detectors, data acquisition systems, algorithms and computing hardware, allowing the implementation of CT scanners labeled as “Cone Beam” CT. The interest toward the Cone Beam technology for medical-diagnostic applications has increased enormously: Cone Beam Computed Tomography (CBCT) has found a rapidly growing market in dental and maxillo-facial x-ray imaging in the last ten years. At the date of today there are more than ten CBCT manufacturers in the dental market worldwide. This because it can be achieved with a relatively simple instruments but at the same time has huge advantages, which can be summarized as follows: - Fast scanning and 3D reconstruction of the target volume; - Short acquisition and exposure time; - Less dose for the patient compared to medical multislice/spiral CT; - High spatial resolution of the images; - Great advantages in disease detection; - Hardware implementation relatively simple; - The resulting 3D, high-quality images have been proved to be useful for many dental specialties including implantology and other surgical applications. Together with the explanation of the theoretical background concerning the data reconstruction from projections, this thesis will show: 1) the research and engineering steps that led to the full creation and industrialization of a state of the art CBCT scanner and then to the performances reached by the same equipment in terms of image quality and clinical applications, including also important direct comparisons with other types of CT scanners; 2) the results connected to the HU values provided by the equipment in the clinical dataset in order to estimate the bone density at the implant site during the surgical planning procedure executed by software. According to the latter, the thesis will show the technical results obtained in respect of the linearity and spatial uniformity of the HU values provided by the equipment, which are correlated to the bone density, by means of experimental test executed using dedicated phantoms and bone-equivalent specimens of known density, normally used in QCT (Quantitative CT). Particularly, a very good linearity between the mean HU value in the ROIs and the declared value for linear attenuation coefficient of the plastic specimens (Linear fitting R2=0.9576) was found. The same result was found also with the linear data fitting with the scan of anthropomorphic phantom, verifying that a good correlation was maintained (R2=0.9973). These results may introduce the possibility of the direct use of the HU values provided by this CBCT equipment in order to properly predict the bone density of the implant site. This information could be very important since the primary implant stability, which is influenced by the bone density, is considered one important determinant of implant success. Simultaneously, ongoing studies performed directly on patients through the use of the same equipment, are showing an excellent correlation between the bone density of the implant site with the HU values provided by the dataset reconstructed and obtained with the same device.

L’imaging diagnostico moderno, soprattutto in ambito odontoiatrico, è sempre fortemente dipeso da tecnologie e dispositivi a raggi-X. In particolare, la tomografia computerizzata a raggi-X ha registrato uno sviluppo enorme nel corso degli ultimi anni, sia in termini di tecnologia di base sia in termini di nuove applicazioni cliniche, come l'odontoiatria e la chirurgia maxillo-facciale. Enormi progressi sono stati inoltre compiuti per quanto concerne i principali componenti: il tubo a raggi-X, la relativa elettronica di potenza e controllo, i rilevatori, sistemi di acquisizione dati, gli algoritmi di ricostruzione e la componentistica hardware, la quale ha reso i tempi di calcolo molto rapidi. Tutto ciò ha permesso la realizzazione di scanner CT chiamati “Cone Beam” CT. L'interesse verso la tecnologia Cone Beam per applicazioni medico-diagnostiche è pertanto cresciuta enormemente: tale tecnologia ha trovato un mercato in rapida crescita nel campo dell'imaging radiodiagnostico dentale e maxillo-facciale. Alla data di oggi, più di dieci produttori di dispositivi CBCT sono presenti nel mercato dentale in tutto il mondo. Questo perché queste apparecchiature possono essere realizzate con strumenti relativamente semplici, ma allo stesso tempo hanno enormi vantaggi, i quali possono essere così riassunti: - Veloce scansione e ricostruzione 3D del volume di interesse; - Accuratezza geometrica; - Tempi di esposizione ed acquisizione dati molto rapidi; - Inferiore di dose di radiazioni per i pazienti rispetto a tomografi a tecnologie multislice/spirale; - Elevata risoluzione spaziale delle immagini ricostruite; - Grandi vantaggi nell’individuazione specifica delle patologie; - Implementazione hardware relativamente semplice; - Le risultanti immagini 3D risultano essere di elevato standard qualitativo e hanno dimostrato essere un validissimo ausilio per molte specialità in ambito odontoiatrico, tra cui l’implantologia e altre applicazioni chirurgiche relative al distretto maxillo-facciale. Questo lavoro, insieme con i richiami teorici relativi alla trattazione analitica della ricostruzione CT, descrive: 1) i passi relativi alle attività di gestione del progetto, ricerca, progettazione ed industrializzazione che hanno portato alla realizzazione di un tomografo Cone Beam di ultima generazione e descrive sommariamente le prestazioni raggiunte dallo stesso dispositivo in termini di qualità delle immagini ottenute e le relative applicazioni cliniche, inclusi anche importanti confronti diretti con altre tipologie di scanner CT. 2) i risultati collegati ai valori HU forniti dall’apparecchiatura nel dataset di immagini ricostruite utilizzabili per valutare la densità ossea del sito implantare durante la procedura di pianificazione chirurgica eseguita tramite software di diagnosi 3D. La tesi presenta i risultati tecnici ottenuti per quanto concerne la linearità e l’uniformità spaziale dei valori HU forniti dal dispositivo, i quali sono correlati alla densità ossea, mediante prove sperimentali effettuate usando fantocci dedicati e campioni osso-equivalenti di densità nota, normalmente utilizzati in CT quantitativa. In particolare, è stata trovata una buona linearità tra il valore HU medio nelle ROI e il valore dichiarato per il coefficiente di attenuazione lineare dei campioni di densità nota (fitting lineare R2 = 0,9576). Lo stesso risultato è stato trovato anche con i dati ottenuti tramite fitting lineare attraverso la scansione di un fantoccio antropomorfo, verificando il mantenimento di una buona correlazione (R2 = 0,9973). Questi risultati potrebbero validare la possibilità di utilizzo diretto dei valori di HU forniti da questa apparecchiatura CBCT per prevedere correttamente la densità ossea del sito implantare. Questa informazione potrebbe essere molto importante nella pratica clinica, in quanto la stabilità primaria dell'impianto, che è influenzata dalla densità ossea, è considerata un importante determinante del successo della chirurgia implantare. Contemporaneamente, studi in corso direttamente su pazienti mediante l’utilizzo della stessa apparecchiatura, stanno dimostrando un’ottima correlazione tra la densità ossea del sito con i valori di HU forniti dal dataset ricostruito e ottenuto con il dispositivo in oggetto.