Influence of convolution kernel and beam-hardening effect on the assessment of trabecular bone mineral density using quantitative computed tomography

Для оценки минеральной плотности и прочности костных тканей наряду с денситометрией применяется количественная компьютерная томография. «Сырые» данные, полученные при компьютерной томографии, преобразуются программным обеспечением томографа посредством сверточных (конволюционных) ядер. Известно, что при применении конволюционных ядер может существенно изменяться плотность тканей, выраженная в единицах Хаунсфилда. Описан эффект «упрочнения луча» (beam-hardening effect): при прохождении рентгеновского луча через объект происходит поглощение фотонов рентгеновского излучения с более низкой энергией. Поэтому сканирование объектов «на воздухе» без окружения мягких тканей тела человека дает искаженные числа Хаунсфилда относительно их реальных значений. Данная работа нацелена на то, чтобы оценить влияние различных конволюционных ядер, эффекта «упрочнения луча», а также других параметров настройки компьютерного томографа на единицы Хаунсфилда губчатой костной ткани головок бедра и калиброванных образцов водного раствора гидроортофосфата калия с известной минеральной плотностью. Образцы губчатой костной ткани головок бедра и калиброванные образцы водного раствора гидроортофосфата калия с известной минеральной плотностью сканировали на компьютерном томографе Toshiba Aquilion 64. Сканирование образцов осуществляли в различных режимах: при разном токе, «на воздухе» и внутри калибровочного фантома. При этом анализировались результирующие изображения, обработанные конволюционными ядрами FC17 и FC03. Было показано, что величина тока практически не влияет на числа Хаунсфилда. Различные конволюционные ядра демонстрируют существенно разные числа Хаунсфилда при сканировании «на воздухе» одних и тех же образцов. Эффект «beam hardening» существенно влияет на числа Хаунсфилда и должен учитываться при оценке минеральной плотности костной ткани. Не выявлены различия в измерениях «на воздухе» и в фантоме на уровне значимости 5$\%$ для ядра FC03, что подтверждает тот факт, что оно предназначено для корректировки эффекта «beam-hardening». Однако при малых минеральных плотностях сканируемых образцов отмечается неоднозначная зависимость между числами Хаунсфилда и минеральной плотностью для ядра FC03. Ядро FC17 считаем более предпочтительным и пригодным для оценки минеральной плотности костной ткани с учетом предварительной калибровки с помощью фантома для широкого диапазона заданных минеральных плотностей. Получены регрессионные зависимости для пересчета чисел Хаунсфилда из экспериментов «на воздухе» в числа Хаунсфилда тех же образцов с учетом окружающих тканей (в фантоме).