Enhancement of image quality with a fast iterative scatter and beam hardening correction method for kV CBCT

The problem of the enormous amount of scattered radiation in kV CBCT (kilo voltage cone beam computer tomography) is addressed. Scatter causes undesirable streak- and cup-artifacts and results in a quantitative inaccuracy of reconstructed CT numbers, so that an accurate dose calculation might be impossible. Image contrast is also significantly reduced. Therefore we checked whether an appropriate implementation of the fast iterative scatter correction algorithm we have developed for MV (mega voltage) CBCT reduces the scatter contribution in a kV CBCT as well. This scatter correction method is based on a superposition of pre-calculated Monte Carlo generated pencil beam scatter kernels. The algorithm requires only a system calibration by measuring homogeneous slab phantoms with known water-equivalent thicknesses. In this study we compare scatter corrected CBCT images of several phantoms to the fan beam CT images acquired with a reduced cone angle (a slice-thickness of 14 mm in the isocenter) at the same system. Additional measurements at a different CBCT system were made (different energy spectrum and phantom-to-detector distance) and a first order approach of a fast beam hardening correction will be introduced.The observed image quality of the scatter corrected CBCT images is comparable concerning resolution, noise and contrast-to-noise ratio to the images acquired in fan beam geometry. Compared to the CBCT without any corrections the contrast of the contrast-and-resolution phantom with scatter correction and additional beam hardening correction is improved by a factor of about 1.5. The reconstructed attenuation coefficients and the CT numbers of the scatter corrected CBCT images are close to the values of the images acquired in fan beam geometry for the most pronounced tissue types. Only for extreme dense tissue types like cortical bone we see a difference in CT numbers of 5.2%, which can be improved to 4.4% with the additional beam hardening correction. Cupping is reduced from 20% to 4% with scatter correction and 3% with an additional beam hardening correction. After 3 iterations (small phantoms) and 6 to 7 iterations (large phantoms) the algorithm converges. Therefore the algorithm is very fast, that means 1.3 seconds per projection for 3 iterations on a standard PC.

ZusammenfassungHauptproblem moderner volumetrischer Kegelstrahl-Systeme ist der enorme Streuanteil der registrierten Strahlung. Die Streuung führt zu Cup- und Streak-Artefakten, zu quantitativen Ungenauigkeiten in den CT-Zahlen und einer deutlich schlechteren Bildqualität (Kontrast). In dieser Arbeit wird ein schnelles iteratives Streukorrekturverfahren vorgestellt, das bereits erfolgreich als MV-CBCT-Streukorrektur Anwendung fand. Das Verfahren basiert auf einer Superposition von mittels Monte-Carlo-Methoden voraus berechneten Pencil-beam-Streukernen und einer Systemkalibrierung mit RW3-Platten bekannter Dicke. In dieser Arbeit vergleichen wir streukorrigierte Kegelstrahl-Bilder verschiedener auch anthropomorpher Phantome mit Bildern aufgenommen in Fächerstrahl-Geometrie (14 mm isozentrische Schichtdicke) am gleichen System. Zudem wurden zwei unterschiedliche Systeme (verschiedene Energiespektren und Phantom-zu-Detektor-Abstände) untersucht. Eine einfache Strahlaufhärtungskorrektur wird vorgestellt.Die Bildqualität der streukorrigierten Kegelstrahl-Rekonstruktionen ist vergleichbar mit den Bildern aufgenommen in Fächerstrahl-Geometrie bezüglich Auflösung, Rauschen und Kontrast-zu-Rausch-Verhältnis. Des Weiteren führt die Streukorrektur zu einer deutlichen Kontrastverbesserung. Nach zusätzlicher Strahlaufhärtungskorrektur wird der Kontrast des Kontrastphantoms um einen Faktor von 1,5 verbessert verglichen mit den Bildern ohne Streukorrektur. Für die häufigsten Gewebearten liegen die linearen Schwächungskoeffizienten und CT-Zahlen der streukorrigierten CBCT-Bilder nahe an den Werten der Bilder aufgenommen in Fächerstrahl-Geometrie. Nur bei extrem dichten Geweben wie kortikalem Knochen sehen wir einen maximalen Unterschied von 5,2% in den CT-Zahlen, der sich durch die Strahlaufhärtungskorrektur auf 4,4% reduziert. Cup-Artefakte werden durch die Streukorrektur von 20% auf 4% und durch anschließende Strahlaufhärtungskorrektur auf 3% reduziert. Bei kleinen Phantomen konvergiert das Verfahren nach drei, bei großen Phantomen nach sechs bis sieben Iterationen. Damit steht dem/der Anwender/in nach nur 1,3 Sekunden (Standard-PC) ein kontrastreicheres Bild ohne Dosiserhöhung zur Verfügung.