Studien zur Artefaktreduktion in der Digitalen Volumentomographie: Vorbereitungen zur digitalen Generierung von Bissschienen

Abstract

Grundlegend für die durchgeführten Untersuchungen war der Ansatz, OP-Splints basierend auf 3D-Bilddaten eines digitalen Volumentomographen zu erstellen. Häufig sind DVT-Daten jedoch durch kieferorthopädische Implantate oder Zahnfüllungen sehr artefaktbelastet und können infolgedessen nicht zur Generierung von OP-Splints herangezogen werden. Ziel dieser Studie war es daher, die Möglichkeiten der Artefaktreduktion in DVT-Aufnahmen zu prüfen und damit zur Entwicklung von DVT-basierten OP-Splints beizutragen. Anhand von drei Röntgenphantomen (zwei Alderson-Phantome und einem Knochen-Silikon- Phantom) wurde untersucht, ob ein geneigter Aufnahmewinkel sich positiv auf die Abbildungsqualität der Okklusionsebene auswirkt. Ferner wurden Einflüsse von Implantatmaterial und –geometrie, von Strahlungsintensität sowie von den einzelnen Phantomen geprüft. Es wurden insgesamt 61 DVT-Aufnahmen von 14 unabhängigen Gutachtern in Form von 4270 Einzelnoten bewertet. Die Bewertungsergebnisse waren für alle Einflussgrößen stark signifikant (p < 2*10-16 bis p < 4,35*10-8). Bei allen Phantomen zeigten sich bessere Benotungen (Note 1 = sehr gut bis Note 5 = schlecht) in seitwärts geneigter Aufnahmeposition: Alderson-Phantom 1: 2,20 vs. 3,21, Alderson-Phantom 2: 2,53 vs. 2,76, Knochen-Silikon-Phantom 2,50 vs. 3,56. Im Materialvergleich wurden die durch Amalgam hervorgerufen Artefakte stärker bewertet (2,83), als die durch Stahl hervorgerufenen (2,18). Testkörper in Form von kieferorthopädischen Brackets führten zu schwereren Artefakten als zylinderförmige (2,46 vs. 2,18). Hinsichtlich der Strahlungsintensität wurden die Aufnahmen bei höherer Intensität (3,8 mA) schlechter (3,24) als bei niederer (1,0 mA) bewertet (2,96). Über alle Aufnahmen gemittelt wurden die Alderson-Phantome besser (Al.-Ph 1: 2,74, Al.-Ph. 2: 2,94) als das Knochen- Silikon-Phantom bewertet (3,21). Die aus den Ergebnissen gefolgerten Möglichkeiten der Artefaktreduktion wurden anhand einer zusätzlichen Anwendungsstudie verifiziert. Von einem weiteren Schädelphantom mit nivellierten Zahnstatus wurden DVT-Aufnahmen erstellt. Diese erfolgten ohne und mit kieferorthopädischen Brackets als Testkörper, in horizontaler und seitlich geneigter Aufnahmeposition. Von allen Aufnahmen wurden OP-Splints gefertigt und diese hinsichtlich ihrer Passgenauigkeit auf dem Gebiss des Phantoms verglichen. Auch hier zeigte sich eine deutlich verbesserte Abbildungsgenauigkeit bei den geneigten Aufnahmen, die sich in größerer Passgenauigkeit der Splints äußerte. Sowohl durch die Phantomstudien als auch durch die Anwendungsuntersuchung konnte somit gezeigt werden, dass sich die Artefaktbelastung der Okklusionsebene in DVT-Aufnahmen durch geneigte Aufnahmepositionen vermindern lässt. Zudem lassen sich Artefakte durch eine gezielte Wahl von Zahnsanierungsmaterialien sowie durch Verwendung spezieller kieferorthopädischer Implantate reduzieren. Unter idealisierten Bedingungen ließen sich so DVT-basierte OP-Splints erstellen.

The intention of this study was to create interventional splints based on 3D image data of a Cone Beam Computed Tomography (CBCT). CBCT data is often highly impaired by artifacts due to orthodontic implants or dental fillings and therefore cannot be used for generation of interventional splints. The aim of this study was to evaluate possibilities of artifact reduction in CBCT imaging and to contribute to the development of CBCT based interventional splints. By using three imaging phantoms (two Alderson phantoms and a bone- silicone phantom) this study analyzed if a tilted capture position of the phantom has a positive influence on the image quality of the occlusion layer. In addition, the influence of implant material and geometry, the radiation intensity as well as the influence of the phantoms was examined. This produced 61 CBCT data sets which have been evaluated by 14 independent experts with 4,270 grades. All influence factors were highly significant (p < 2*10-16 to p < 4,35*10-8). The phantoms showed better grades (grade 1 = very good to grade 5 = poor image quality) if the phantoms had been tilted laterally during the image capturing: Alderson phantom 1: 2,20 vs. 3,21, Alderson phantom 2: 2,53 vs. 2,76, bone-silicone phantom 2,50 vs. 3,56. When comparing the implant material, artifacts arising from amalgam were graded stronger (2.83) than from steel (2.18). Orthodontic bracket-formed test bodies led to stronger artifacts (2.46) compared to cylindric ones (2.18). Regarding radiation intensity, data sets taken at higher intensity (3,8 mA) were rated poorer (3.24) than at lower intensity (1,0 mA; 2.96). In all data sets, the Alderson phantoms were rated better (2.74 and 2.94) than the bone-silicone phantom (3.21). To further verify all examined options of artifact reduction, a supplementary application study has been conducted. This included CBCT images taken from a scull phantom with a leveled occlusion layer. The images were taken with and without orthodontic brackets as test bodies, in a horizontal and laterally tilted position. All data sets were used to generate interventional splints, which thereon were tested regarding the fitting accuracy on the phantom’s dentition. The previous results could be confirmed: The tiled data sets showed higher image fidelity and lead to a significant improved fitting accuracy. Thus, the conducted phantom studies and the application study both demonstrated that artifacts in CBCT images appearing on the occlusion layer could be reduced by means of tilted capture positions. Furthermore, by using special dental restoration material as well as specific orthodontic implants artifacts can be reduced. Under idealized conditions, CBCT based interventional splints could be generated.