A new method to reduce artifacts (MAR), produced by high-density objects, especially metal implants (MI), in X-ray CBCT is presented. MIs located in the field of view (FOV) result in artifacts influencing clinical diagnostics and treatments. The novel method reduces metal arti- facts by virtually replacing MIs by tissue objects of the same shape. This corrected data can be reconstructed with significantly reduced artifacts. After reconstruc- tion, the segmented 3D MIs were re-inserted into the corrected 3D volume. The method was developed for 0 2 mobile C-arm CBCTs, where misalignments between d original 2D data and forward projections must be ad- n justed before correction. a B While doing research on MAR it became obvious that - large MIs were hard to segment. Since a good segmen- k tation is a very important prerequisite for an efficient si y MAR, therefore it was necessary to develop a new seg- h mentation technique by combining two thresholding P processes with a reconstruction. e Manuel Meilinger h These techniques are applied to clinical data and the re- i e sults are presented. r Metal Artifact Reduction and s n o Image Processing of Cone-Beam i t a t Computed Tomography Data r e s s for Mobile C-Arm CT Devices i D a 20 r e g n i l i e M l e u ISBN 978-3-86845-074-3 ISBN 978-3-86845-074-3 n a M 9 783868450743 Manuel Meilinger Metal Artifact Reductio n and Image Processing of Con e-Beam Computed Tomogra phy Data for Mobile C-Arm CT Devices Metal Artifact Reduction and Image Processing of Cone-Beam Computed Tomography Data for Mobile C-Arm CT Devices Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.) der F akultät für Physik der Universität Regensburg vorgelegt von Manuel Meilinger aus Regensburg 2010 Die Arbeit wurde von Prof. Dr. Elmar W. Lang angeleitet. Das Promotionsgesuch wurde am 03.12.2010 eingereicht. Prüfungsausschuss: Vorsitzender: Prof. Dr. Ingo Morgenstern 1. Gutachter: Prof. Dr. Elmar W. Lang 2. Gutachter: Prof. Dr. Josef Zweck weiterer Prüfer: Prof. Dr. Karsten Rincke Dissertationsreihe der Fakultät für Physik der Universität Regensburg, Band 20 Herausgegeben vom Präsidium des Alumnivereins der Physikalischen Fakultät: Klaus Richter, Andreas Schäfer, Werner Wegscheider, Dieter Weiss Manuel Meilinger Metal Artifact Reducti on and Image Processing of Co ne-Beam Computed Tomography Data for Mobile C-Arm CT Devices . Fakultät für Biologie und Vorklinische Medizin Institut für Biophysik und physikalische Biochemie Computational Intelligence and Machine Learning Group Universität Regensburg Universitätsstraße 31 D-93040 Regensburg http://www-aglang.uni-regensburg.de In Zusammenarbeit mit: Siemens AG Healthcare Sector Special Systems Division SIM H WS SP S R&D 6 Allee am Röthelheimpark 2 D-91052 Erlangen http://www.medical.siemens.com Bibliografische Informationen der Deutschen Bibliothek. Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie. Detailierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar. 1. Auflage 2011 © 2011 Universitätsverlag, Regensburg Leibnizstraße 13, 93055 Regensburg Konzeption: Thomas Geiger Umschlagentwurf: Franz Stadler, Designcooperative Nittenau eG Layout: Manuel Meilin ger Druck: Docupoint, Magdeburg ISBN: 978-3-86845-074-3 Alle Rechte vorbehalten. Ohne ausdrückliche Genehmigung des Verlags ist es nicht gestattet, dieses Buch oder Teile daraus auf fototechnischem oder elektronischem Weg zu vervielfältigen. Weitere Informationen zum Verlagsprogramm erhalten Sie unter: www.univerlag-regensburg.de Metal Artifact Reduction and Image Processing of Cone-Beam Computed Tomography Data for Mobile C-Arm CT Devices DISSERTATION ZUR ERLANGUNG DES DOKTORGRADES DER NATURWISSENSCHAFTEN (DR. RER. NAT.) DER FAKULTÄT FÜR PHYSIK DER UNIVERSITÄT REGENSBURG vorgelegt von Manuel Meilinger aus Regensburg im Jahr 2010 Die Arbeit wurde durchgeführt am Institut für Biophysik und physikalische Biochemie unter der Anleitung von Prof. Dr. Elmar W. Lang in Zusammenarbeit mit dem Geschäftsgebiet ‚Special Systems‘ des Geschäftsbereiches ‚Healthcare Sector‘ der Siemens AG in Erlangen unter der Betreuung von Dr. Christian Schmidgunst und Dr. Oliver Schütz. Promotionsgesuch eingereicht am: 03.12.2010 Prüfungsausschuss: Vorsitzender: Prof. Dr. Ingo Morgenstern 1. Gutachter: Prof. Dr. Elmar W. Lang 2. Gutachter: Pro f. Dr. Josef Zweck weiterer Prüfer: Prof. Dr. Karsten Rincke Contents Acknowledgments 7 Introduction 9 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Chapter overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 List of own publications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1. Theory 15 1.1. Mobile C-Arm CBCT device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.1.1. Basic unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.1.2. Flat-panel detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2. Cone-beam computed tomography . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.2.1. Image acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.2.2. Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.2.3. Forward projection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.2.4. Field of view (FOV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.3. Metal artifacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.3.1. Beam Hardening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.3.2. Scatter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.3.3. Exponential Edge-Gradient Effect . . . . . . . . . . . . 32 1.3.4. Noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 1.3.5. Motion and Aliasing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 1.4. Image Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 1.4.1. Bilateral Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 1.4.2. Mutual Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 1.4.3. Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2. Metal artifact reduction 41 2.1. Image acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.2. Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 2.2.1. Reconstruction and segmentation . . . . . . . . . . . . . 43 2.2.2. Metal replacement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.2.3. Forward projections and alignment . . . . . . . . . . . . 48 5 Contents 2.2.4. Truncation correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.2.5. Metal area replacement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.2.6. Second reconstruction and metal transfer . . . . . . . . 55 2.3. Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3. Segmentation of metal objects 81 3.1. Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.2. Projective segmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 3.3. Reliability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.4. Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 Discussion and outlook 101 A. Stitching of 2D X-ray images 103 A.1. Image acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 A.2. Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 A.3. Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 A.4. Outlook and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 B. Hounsfield scale 107 List of figures 111 References 118 6 Acknowledgments Iwouldliketothankeverybodywhohelpedmeinanykindofwaytoconclude my dissertation. Universit¨at Regensburg • FirstI’dliketothankmydoctoralthesisadvisorProf.ElmarW.Lang for his professional advice and the cooperative working atmosphere. • Furthermore,IwanttothankthemembersofstaffoftheCIMLgroupfor their know-how and constructive reviews, especially Dr. Ingo Keck with whom I had a lot of interesting and inspiring discussions both aboutresearchandprivate,DietmarBirzerwhodidhisdiplomathesis about digital subtraction angiography in cooperation with Siemens and Sabrina Michailoff who did a internship about segmentation in our group. Siemens Healthcare Sector - Erlangen • First of all, special thanks go to my advisors Dr. Christian Schmid- gunst and Dr. Oliver Schu¨tz, who already supervised my diploma thesis. For each technical or private question, both were at hand and gave willing advice and answers. • Alexander Neagu, Ithankforthegoodworkingatmosphereandvery good reception in his group. • Further I want to thank all the other employees from Siemens in Er- langen, mainly Dr. Rainer Graumann, Dr. Holger Scherl, Dr. Markus Kowarschik and Stefan Schneider for their advice and the productive discussions during visits in Erlangen or on conferences. 7