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Moving Metal Artifact Reduction and Intrinsic Gating for Cone-Beam CT Scans of the Thorax Region

Hahn, Andreas

German Title: Bewegte Metallartefaktreduktion und intrinsisches Gating Kegelstrahl-CT Scans der Thorax Region

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Abstract

In this work, novel algorithms in the field of retrospective intrinsic respiratory and cardiac gating and moving metal artifact reduction (MMAR) for cone-beam CT (CBCT) scans that are used in image-guided radiation therapy (IGRT) were developed. The added difficulty for CBCT scans is the relatively long acquisition time of up to 60 s compared to 0.25 s for clinical CT scans. The occuring respiratory and cardiac motion in combination with metal inserts cannot be handled with classical metal artifact reduction (MAR) methods. The proposed MMAR algorithms utilize an approach that combines the fields of motion compensation (MoCo) with classical MAR methods. In order for the MMAR methods to work, the motion state has to be known for every projection angle. A novel intrinsic gating approach, that automatically generates a list of potential motion surrogate candidates and identifies the best, was developed and used as a basis for the MMAR algorithms, so they can be applied for patients where no externally recorded motion signal is available. Whereas classical approaches for intrinsic gating are not designed for a laterally shifted detector, that is commonly used in IGRT with a CBCT, the novel algorithm works on scans with or without a shifted detector. It can also be used as a basis for 4D (3D + respiratory) or 5D (3D + respiratory + cardiac) MoCo algorithms.

Translation of abstract (German)

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Algorithmen im Bereich des retrospektiven intrinsischen Atem- und Herzgatings und im Bereich der bewegten Metallartefaktreduktion (MMAR) für Kegelstrahl-CT (CBCT) Scans, die in der bildgestützten Strahlentherapie (IGRT) verwendet werden, entwickelt. Die zusätzliche Erschwernis bei diesen CBCT Scans ist die vergleichsweise lange Scanzeit von bis zu 60 s im Vergleich zu 0.25 s bei einem klinischen CT. Die auftretende Atem- und Herzbewegung in Kombination mit Metallteilen kann durch klassische Metallartefaktkorrekturmethoden (MARMethoden) nicht behandelt werden. Die vorgeschlagenen MMAR Algorithmen verwenden einen Ansatz, der Methoden aus dem Bereich der Bewegungskompensation (MoCo) mit klassischen MAR Methoden verbindet. Damit diese MMAR Algorithmen funktionieren muss der Bewegungszustand für jeden Projektionswinkel bekannt sein. Ein neuer Ansatz für intrinsisches Gating, der automatisch eine Liste mit potentiellen Kandidaten für eine Bewegungssignal generiert und das beste auswählt, wurde entwickelt und als Basis für die MMAR Algorithmen verwendet, damit sie auch bei Patienten ohne extern aufgenommenes Atemsignal verwendet werden können. Während klassische Ansätze für intrinsisches Gating nicht für einen lateral verschobenen Detektor, der für gewöhnlich in der bildgestützten Strahlentherapie mit einem CBCT verwendet wird, ausgelegt sind, funktioniert der neue Algorithmus auf Scans mit und ohne lateral verschobenen Detektor. Er kann außerdem als Grundlage für 4D (3D + Atmung) oder 5D (3D + Atmung + Herz) MoCo Algorithmen verwendet werden.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Bachert, Prof. Dr. Peter
Date of thesis defense: 22 July 2019
Date Deposited: 06 Aug 2019 08:42
Date: 2019
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 000 Generalities, Science
530 Physics
600 Technology (Applied sciences)
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