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  • [Med Phys.] Convolutional neural network-based metal and streak artifacts reduction in dental CT images with sparse-view sampling scheme

    [Med Phys.] Convolutional neural network-based metal and streak artifacts reduction in dental CT images with sparse-view sampling scheme

    연세대 / 김성준, 안준현, 김성준, 백종덕*

  • 출처
    Med Phys.
  • 등재일
    2022 Sep
  • 저널이슈번호
    49(9):6253-6277. doi: 10.1002/mp.15884. Epub 2022 Aug 10.
  • 내용

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    Abstract
    Purpose: Sparse-view sampling has attracted attention for reducing the scan time and radiation dose of dental cone-beam computed tomography (CBCT). Recently, various deep learning-based image reconstruction techniques for sparse-view CT have been employed to produce high-quality image while effectively reducing streak artifacts caused by the lack of projection views. However, most of these methods do not fully consider the effects of metal implants. As sparse-view sampling strengthens the artifacts caused by metal objects, simultaneously reducing both metal and streak artifacts in sparse-view CT images has been challenging. To solve this problem, in this study, we propose a novel framework.

    Methods: The proposed method was based on the normalized metal artifact reduction (NMAR) method, and its performance was enhanced using two convolutional neural networks (CNNs). The first network reduced the initial artifacts while preserving the fine details to generate high-quality priors for NMAR processing. Subsequently, the second network was employed to reduce the streak artifacts after NMAR processing of sparse-view CT data. To validate the proposed method, we generated training and test data by computer simulations using both extended cardiac-torso (XCAT) and clinical data sets.

    Results: Visual inspection and quantitative evaluations demonstrated that the proposed method effectively reduced both metal and streak artifacts while preserving the details of anatomical structures compared with the conventional metal artifact reduction methods.

    Conclusions: We propose a framework for reconstructing accurate CT images in metal-inserted sparse-view CT. The proposed method reduces streak artifacts from both metal objects and sparse-view sampling while recovering the anatomical details, indicating the feasibility of fast-scan dental CBCT imaging.

     

     

    Affiliations

    Seongjun Kim 1, Junhyun Ahn 1, Byeongjoon Kim 1, Chulhong Kim 2, Jongduk Baek 1
    1School of Integrated Technology, Yonsei University, Incheon, South Korea.
    2Departments of Electrical Engineering, Convergence IT Engineering, Mechanical Engineering, School of Interdisciplinary Bioscience and Bioengineering, and Medical Device Innovation Center, Pohang University of Science and Technology, Pohang, South Korea

  • 키워드
    convolutional neural network; dental CT; metal artifact; sparse-view sampling.
  • 연구소개
    본 논문은 저선량 치과 CT 복원 영상을 얻는 과정에서 희박 (Sparse) 샘플링에 의한 streak artifact와 임플란트와 같은 금속 음영물에 의한 metal artifact를 동시에 제거하는 방법을 제시합니다. 특히 치과 CT에서는 환자의 머리 쪽에 X-ray가 조사될 수 있기 때문에 촬영 횟수를 줄이는 희박 샘플링을 이용하는 것이 중요한데, 환자 치아에 금속 음영물이 있을 경우 streak artifact는 metal에 의해 더욱 강화됩니다. 이를 해결하고자 본 논문은 metal artifact를 제거하는 대표적인 방법으로 prior를 활용하는 normalized metal artifact reduction (NMAR)을 활용합니다. 이때, NMAR을 수행하는 과정에서 보다 정확한 prior를 이용하기 위해 convolution neural network (CNN)을 활용하고, 더 나아가 CNN을 한 번 더 사용하여 metal과 streak artifact를 기존의 최신 방법보다 깨끗하게 제거할 수 있었습니다. 본 논문에서 제안하는 방법은 무거운 네트워크 모델을 사용하는 최신 방법에 비해 메모리 측면에서도 효율적이기 때문에 희박 샘플링 기반 저선량 치과 CT 복원 방법으로 많이 활용될 수 있을 것이라 생각합니다.
  • 편집위원

    본 연구에서는 CT 데이터에서 금속 물체와 sparse-view 샘플링 모두에 의해 발생하는 artifact를 감소를 할 수 있는, 두 개의 convolutional neural network (CNN)을 normalized metal artifact reduction (NMAR) 처리와 함께 사용한 새로운 framework을 제안한다. 치과용 CBCT 촬영 시 metal artifact를 감소시키는 방법으로 Sparse-view 샘플링이 주목받고 있다. 기존의 metal artifact reduction (MAR) 방법은 사이노그램 데이터의 금속의 흔적 영역 정보를 복원하는 보간 방법을 기반으로 한다. 그러나 금속 물체 주변의 구조는 LMAR에 의해 쉽게 왜곡된다. 그러나 본 연구에서 개발한 framework는 두개의 CNN을 NMAR처리와 함께 사용하여 이미지의 세부 구조를 보존함과 동시에 sparse-view 샘플링의 streak artifacts를 효과적으로 감소시킬 수 있다. 이를 통해 실제 임상에서 치아에 금속이 있는 환자의 CT 영상획득 시 metal artifact를 효과적으로 감소한 고품질 영상을 제공할 수 있을 것으로 기대된다

    2022-11-01 15:59:39

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