C-arm Computed Tomography with Extended Axial Field-of-View

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2014-02-05
Issue Year
2014
Authors
Yu, Zhicong
Editor
Abstract

C-arm computed tomography (CT) is an innovative imaging technique in the interventional room that enables a C-arm system to generate 3D images like a CT system. Clinical reports demonstrate that this technique can help reduce treatment-related complications and may improve interventional efficacy and safety. However, currently, C-arm CT is only capable of imaging axially-short object, because it employs a single circular data acquisition geometry. This shortcoming can be a problem in some intraoperative cases when imaging a long object, e.g., the entire spine, is crucial. A new technique, C-arm CT for axially-long objects, namely extended-volume C-arm CT, has to be developed. This thesis aims at achieving this development. In particular, this thesis designs and analyzes data acquisition geometries as well as develops and implements reconstruction algorithms for extended-volume C-arm CT. The thesis consists of three parts. In the first part, we studied three data acquisition geometries and invented two thereof. For these geometries, we investigated their feasibility on a C-arm system and analyzed their possibility for efficient, theoretically-exact and -stable (TES) reconstruction algorithms. We observed that the reverse helical trajectory is a good start for real data test and the novel ellipse-line-ellipse trajectory is a good candidate for efficient TES image reconstruction. In the second part, we developed and implemented geometry-specific reconstruction algorithms. For the reverse helix, we designed three Feldkamp-Davis-Kress (FDK)-type reconstruction methods. Among the three methods, the Fusion-RFDK and Fusion-HFDK methods are preferred as they are more practical and produce acceptable images for extended-volume C-arm CT. For the ellipse-line-ellipse trajectory, we established an efficient TES reconstruction scheme, which makes proficient use of the geometry of this trajectory. In the third part, we conducted the first experiment for extended-volume C-arm CT on a laboratorial Artis zeego system. In this experiment, cone-beam data were reliably acquired using the reverse helical trajectory and 3D images were successfully reconstructed by the Fusion-RFDK method. The consistency among theoretical understanding, simulation results and achieved image quality from a real system strongly demonstrate feasibility of extended-volume C-arm CT in the interventional room.

Abstract

Die C-Bogen Computertomographie (CT) ist eine bahnbrechende Bildgebungstechnologie, die es im Interventionsraum erlaubt, mit einem angiographischen C-Bogen System tomographische 3D Bilder wie mit einem CT System zu erzeugen. Klinische Studien haben gezeigt, dass diese Technologie in der interventionellen Behandlung helfen kann, Komplikationen zu reduzieren und die Effizienz und Sicherheit des Eingriffs zu verbessern. Jedoch kann heute die C-Bogen CT nur einen axial kurzen Abschnitt des Objektes darstellen, da nur eine einzige, kreisfoermige Rotationsaufnahme durchgefuehrt wird. Diese Limitation kann in einigen intraoperativen Situationen zu Beeintraechtigungen fuehren, wenn die Darstellung eines laengeren Abschnitts wichtig waere wie z.B. bei Wirbelsaeuleneingriffen. Ein neues Verfahren, die C-Bogen CT langer Objekte, soll entwickelt werden. Diese Arbeit moechte zu dieser Entwicklung beitragen. Fuer die C-Bogen CT langer Objekte werden Aufnahmegeometrien und zugehoerige Rekonstruktionsalgorithmen entwickelt, analysiert und implementiert.

Diese Arbeit besteht aus drei Teilen. Im ersten Teil werden drei Aufnahmegeometrien untersucht, wovon zwei neu erfunden wurden. Es wird gezeigt, dass diese Aufnahmegeometrien auf C-Bogen Systemen ausfuehrbar sind. Die Moeglichkeiten recheneffizienter, theoretisch exakter und stabiler (TES) Rekonstruktionsalgorithmen zu diesen Aufnahmegeometrien werden analysiert. Es wird beobachtet, dass die reverse Helixbahn ideal ist fuer einen ersten Test einer realen Datenaufnahme. Dagegen wurde die neuartige Ellipse-Linie-Ellipse Bahn als guter Kandidat fuer ein effizientes TES Rekonstruktionsverfahren identifiziert. Im zweiten Teil werden geometriespezifische Rekonstruktionsalgorithmen entwickelt und implementiert. Fuer die reverse Helixbahn werden drei Feldkamp-Davis-Kress-artige (FDK) Rekonstruktionsmethoden entworfen. Die Fusion-RFDK und Fusion-HFDK Techniken werden bevorzugt, da sie sehr einfach und robust sind und akzeptables Bildmaterial schaffen. Fuer die Ellipse-Linie-Ellipse Bahn wurde ein effizientes TES Rekonstruktionsschema geschaffen, welches die Eigenschaften der Aufnahmegeometrie geschickt nutzt. Im dritten Teil werden erste Experimente zur C-Bogen CT langer Objekte an einem Artis zeego System im Labor durchgefuehrt. In diesem Experiment wurden mit der reversen Helixbahn Kegelstrahldaten zuverlaessig aufgenommen und daraus 3D Bilder mit der Fusion-RFDK Methode erfolgreich rekonstruiert. Der Einklang des theoretischen Verstaendnisses, der Simulationsergebnisse und der Bildqualitaet von echten Systemen zeigt deutlich die Realisierbarkeit der C-Bogen CT langer Objekte im Interventionsraum.

DOI
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