モデルベース再構成を用いた定量的コーンビームCTによる骨密度の測定

Quantitative Cone-Beam CT of Bone Mineral Density Using Model-Based Reconstruction.

抄録

目的:

コーンビームCT（CBCT）を骨塩量（BMD）の定量評価に適用するために、アーチファクト補正と画像再構成のためのモデルベースのフレームワークを開発し検証する。従来の定量的CTと比較して、このアプローチは、オブジェクトスキャン中に視野内にBMDキャリブレーションファントムを置く必要がない。

Purpose: We develop and validate a model-based framework for artifact correction and image reconstruction to enable application of Cone-Beam CT (CBCT) in quantitative assessment of bone mineral density (BMD). Compared to conventional quantitative CT, this approach does not require a BMD calibration phantom in the field-of-view during an object scan.

方法:

定量的CBCT（qCBCT）イメージングのフレームワークは、高速モンテカルロ（MC）散乱推定、検出器応答の正確なモデル、多エネルギー・ポアソン尤度（PolyPL、Elbakri 2003）を組み合わせたものである。基礎となるオブジェクトモデルは、組織が水と炭酸カルシウム（CaCO）の理想的な混合物であると仮定した。コンパクトな四肢用CBCTシステム（軸-検出器間距離56cm、X線ビーム90kVp、中心線量約16mGy）を模したベンチトップ試験により、qCBCTの精度と再現性を評価した。直径11cmから15cmの水筒にCaインサート（50-500mg/mL）を様々に配置し、視野内の複数の位置でスキャンを行い、合計20種類の配置を検討した。さらに、Caインサートと水槽を使用した場合と使用しない場合の5つのコンフィギュレーションで、死体の足首を撮像した。異なる実験構成間でのBMD値の変動係数（CV）を用いて、様々な撮像条件下での再現性を評価した。モデルベースqCBCTフレームワーク（MC＋PolyPL）の性能は、水中ビームハードニング補正およびMC散乱補正を行ったFDKと比較した。

Methods: The quantitative CBCT (qCBCT) imaging framework combined fast Monte Carlo (MC) scatter estimation, accurate models of detector response, and polyenergetic Poisson likelihood (PolyPL, Elbakri 2003). The underlying object model assumed that the tissues were ideal mixtures of water and calcium carbonate (CaCO). Accuracy and reproducibility of qCBCT was evaluated in benchtop test-retest studies emulating a compact extremity CBCT system (axis-detector distance=56 cm, 90 kVp x-ray beam, ~16 mGy central dose). Various arrangements of Ca inserts (50-500 mg/mL) were placed in water cylinders of ~11 cm to ~15 cm diameter and scanned at multiple positions inside the field-of-view for a total of 20 configurations. In addition, a cadaveric ankle was imaged in five configurations (with and without Ca inserts and water bath). Coefficient of variation (CV) of BMD values across different experimental configurations was used to assess reproducibility under varying imaging conditions. The performance of the model-based qCBCT framework (MC + PolyPL) was compared to FDK with water beam hardening correction and MC scatter correction.

結果:

PolyPLフレームワークは，すべての挿入密度および実験構成において，20 mg/mL以上の精度を達成した．これに対し、FDKに基づくBMD推定値の精度は、鉱化度が高くなるほど悪化し、500 mg/mL Caのインサートでは約120 mg/mLの誤差となった。さらに、モデルベースのアプローチは、FDK再構成に存在する残留ストリークを軽減した。両手法のCVは、50 mg/mL Caで〜15％、高密度インサートでは〜8％未満であり、PolyPLフレームワークはFDKベースのアプローチより20〜25％低いCVを達成した。

Results: The PolyPL framework achieved accuracy of 20 mg/mL or better across all insert densities and experimental configurations. By comparison, the accuracy of the FDK-based BMD estimates deteriorated with higher mineralization, resulting in ~120 mg/mL error for a 500 mg/mL Ca insert. Additionally, the model-based approach mitigated residual streaks that were present in FDK reconstructions. The CV of both methods was ~15% at 50 mg/mL Ca and less than ~8% for higher density inserts, where the PolyPL framework achieved 20-25% lower CV than the FDK-based approach.

結論:

四肢のCBCTにおいて正確で再現性のあるBMD測定が可能であり、骨折リスクの定量的モニタリング、骨粗鬆症治療、変形性関節症の早期治療などの臨床応用をサポートする。

Conclusion: Accurate and reproducible BMD measurements can be achieved in extremity CBCT, supporting clinical applications in quantitative monitoring of fracture risk, osteoporosis treatment, and early osteoarthritis.