Radiation dose saving through the use of cone

Radiol med
DOI 10.1007/s11547-009-0462-y
HEAD AND NECK RADIOLOGY
RADIOLOGIA DEL CAPO E COLLO
Radiation dose saving through the use of cone-beam CT in hearingimpaired patients
Riduzione di dose radiante mediante utilizzo della TC a fascio conico nei
pazienti ipoacusici
N. Faccioli1 • M. Barillari1 • S. Guariglia2 • E. Zivelonghi2 • A. Rizzotti2 • R. Cerini1
R. Pozzi Mucelli1
1
Istituto di Radiologia, Policlinico G.B. Rossi, Università di Verona, P.le L.A. Scuro, 37134 Verona, Italy
U.O. Fisica Sanitaria, Azienda Ospedaliera di Verona, Verona, Italy
Correspondence to: N. Faccioli, Tel.: +39-045-8124301, Fax:+39-045-8027490, e-mail: [email protected]
2
Received: 22 February 2008 / Accepted: 8 July 2008
© Springer-Verlag 2009
Abstract
Purpose. Bionic ear implants provide a solution for
deafness. Patients treated with these hearing devices are
often children who require close follow-up with frequent
functional and radiological examinations; in particular,
multislice computed tomography (MSCT). Dental
volumetric cone-beam CT (CBCT) has been reported as a
reliable technique for acquiring images of the temporal
bone while delivering low radiation doses and containing
costs. The aim of this study was to assess, in terms of
radiation dose and image quality, the possibility of using
CBCT as an alternative to MSCT in patients with bionic
ear implants.
Materials and methods. One hundred patients (mean age
26 years, range 7–43) with Vibrant SoundBridge implants
on the round window underwent follow-up: 85 with CBCT
and 15 with MSCT. We measured the average tissueabsorbed doses during both MSCT and CBCT scans. Each
scan was focused on the temporal bone with the smallest
field of view and a low-dose protocol. In order to estimate
image quality, we obtained data about slice thickness,
high- and low-contrast resolution, uniformity and noise by
using an AAPM CT performance phantom.
Results. Although the CBCT images were qualitatively
inferior to those of MSCT, they were sufficiently
diagnostic to allow evaluation of the position of the
implants. The effective dose of MSCT was almost three
times higher than that of CBCT.
Conclusions. Owing to low radiation dose and sufficient
image quality, CBCT could be considered an adequate
Riassunto
Obiettivo. Gli impianti bionici all’orecchio rappresentano
una soluzione contro la sordità. I pazienti trattati con questi
tipi di ausili, spesso bambini, necessitano di un follow-up di
esami sia funzionali che radiologici, in particolare
mediante tomografia computerizzata multistrato (MSTC).
La TC volumetrica dentale a fascio conico (CBCT) è una
metodica utile allo studio dell’osso temporale, con il
vantaggio di erogare basse dosi di radiazioni ionizzanti e di
avere costi di gestione contenuti. Lo scopo dello studio è di
valutare la CBCT in termini di dose radiante e di qualità
d’immagine: il suo eventuale impiego in alternativa alla
MSTC (con il protocollo attualmente utilizzato)
comporterebbe infatti una sostanziale riduzione della dose
ai pazienti con orecchio bionico.
Materiali e metodi. Sono stati inclusi 100 pazienti
ipoacusici (età media 26 anni, range 7–43), trattati
mediante protesi Vibrant SoundBridge alla finestra
rotonda, 15 studiati in follow-up mediante TC e 85
mediante CBCT, calcolando le dosi medie assorbite per
tessuto sia durante esame MSTC che CBCT: ogni studio
era focalizzato sull’osso temporale utilizzando il più
piccolo campo di vista ed il protocollo a bassa dose
radiante. Per la stima della qualità dell’immagine, sono
stati ottenuti i valori di spessore di strato, risoluzione ad
alto e basso contrasto e uniformità/rumore mediante l’uso
di fantoccio AAPM CT performance.
Risultati. Le immagini ottenute con la CBCT sono di
qualità inferiore rispetto alla MSTC, ma sufficientemente
diagnostiche, permettendo di valutare con sicurezza la
Radiol med
technique for postoperative imaging and follow-up of
patients with bionic ear implants.
Keywords Bionic ear implants · Cone-beam computed
tomography · Radiation dose
posizione delle estremità degli impianti acustici. La dose
efficace della MSTC è risultata circa tre volte superiore
rispetto a quella della CBCT.
Conclusioni. La CBCT, grazie alla bassa dose impartita e
alla sufficiente qualità delle immagini, può essere
considerata tecnica radiologica adeguata per i controlli
postoperatori ed il follow-up dei pazienti con orecchio
bionico.
Parole chiave Orecchio bionico, impianti acustici ·
Tomografia computerizzata a fascio conico · Dose radiante
Introduction
Introduzione
Cone-beam computed tomography (CBCT) is an evolution
of conventional computed tomography (CT) from which it
has inherited some physical features, such as the use of
ionising radiation, the ability to provide high-quality images
and the possibility of imaging anatomical structures with
multiplanar and three-dimensional (3D) reconstructions. It
differs from its parent technique in its small size, low cost,
limited field of view and lower radiation dose to the patient
[1–4]. The first applications of CBCT were in the fields of
dental and maxillofacial imaging, where it replaced in part
orthopantomography and multislice CT (MSTC), which
were limited by insufficient spatial information and high
radiation doses, respectively. CBCT has played a primary
role in dental implantology owing to its ability to provide an
estimate of the thickness and depth of residual alveolar bone
and visualise anatomical structures at risk during surgery,
such as the mandibular canal, the mental foramen, the
nasopalatine duct and the maxillary sinus. CBCT has also
been employed to study the temporomandibular joints, bone
neoplasms and single dental elements [5–7].
The use of CBCT is establishing itself in the otological
field, where MSCT is the gold standard [8, 9]. The first clinical indications were middle-ear diseases causing conductive hearing impairment, in which it was used to identify
the damaged conduction structure or to follow-up patients
after ossiculoplasty [10]. CBCT was subsequently used for
postoperative imaging and follow-up of patients with
Vibrant SoundBridge (VSB) electromagnetic implants, both
on the incus and on the round window [11, 12]. CBCT may
offer a valuable alternative to MSCT in VSB hearing
implants, as the patients – most of whom are children –
require periodic follow-up, and CBCT delivers lower radiation doses.
The purpose of this study was to evaluate a cohort of
hearing-impaired patients with middle ear implants to determine how much dose could be saved by studying the
La cone beam computed tomography (CBCT) o tomografia
a fascio conico rappresenta una evoluzione della tomografia computerizzata convenzionale (TC), condividendone
caratteristiche di natura fisica, come l’utilizzo di radiazioni
ionizzanti, la capacità di ottenere immagini di elevata
qualità, e la possibilità di studiare le varie strutture anatomiche con ricostruzioni multiplanari e tridimensionali; si
differenzia dalla progenitrice TC per le dimensioni ridotte, i
costi contenuti, il limitato campo di vista e la minore dose
radiante somministrata al paziente [1–4]. Le prime applicazioni della CBCT sono state realizzate in campo odontoiatrico e maxillo-facciale, in parte sostituendo l’ortopantomografia e la TC multistrato (MSTC), per le quali l’insufficiente informazione spaziale per la prima, e la dose
radiante per la seconda rappresentavano dei limiti. La
CBCT ha rivestito un ruolo primario nell’implantologia
dentale, per la capacità di fornire una stima dello spessore
e della profondità dell’osso alveolare residuo e nell’evidenziare strutture anatomiche a rischio durante le procedure
chirurgiche, come il canale mandibolare, il foro mentoniero, il dotto naso-palatino ed il seno mascellare; inoltre,
la CBCT trova impiego anche nella valutazione delle articolazioni temporo-mandibolari, delle lesioni neoplastiche
dell’osso, e dei singoli elementi dentari [5–7].
L’utilizzo della CBCT si sta imponendo in campo otologico, dove la MSTC rappresenta il gold standard [8, 9]. Le
prime indicazioni cliniche hanno riguardato patologie
dell’orecchio medio che determinavano ipoacusia di tipo
trasmissivo, al fine di comprendere quale struttura di conduzione fosse lesa, o per il follow-up dei pazienti sottoposti ad
intervento di ossiculoplastica [10]. Successivamente la
CBCT è stata impiegata per l’imaging postoperatorio ed il
follow-up dei pazienti impiantati con protesi elettromagnetiche Vibrant SoundBridge (VSB) sia all’incudine che alla
finestra rotonda [11, 12]. La CBCT può rappresentare una
valida alternativa allo studio MSTC in questo tipo di
Radiol med
petrous bones with CBCT rather than with MSTC, as well
as to evaluate image quality obtained with the two techniques.
Materials and methods
Patients
The study was conducted on 100 hearing-impaired patients
(mean age 26 years, range 7–43) who, after initial clinical
and aetiological assessment at our hospital’s Ear, Nose and
Throat department, were treated with VSB implants on the
round window. The time period considered spanned from
May 2004 to November 2007.
Postoperative follow-up included periodic functional
tests to demonstrate restoration of hearing and radiological
examinations to define the position of the implant and identify possible dislocations where clinically suspected.
Patients underwent conventional radiology (anteroposterior
and lateral skull radiography) and/or computed tomography
(MSCT/CBCT).
Equipment
CBCT images were obtained with Maxiscan equipment
(QR-DVT 9000, Verona, Italy), which generates a pulsed
emission of a fixed 110-kVp conical beam of X-rays
rotating around the patient’s head and is capable of reconstructing a cylindrical volume with a diameter and height of
15 cm. The 400-cm2-wide detector is made up of an image
intensifier coupled with a CCD camera [1, 2, 13, 14]. Raw
data are processed with primary reconstruction to obtain
sections in the axial plane or other planes specified by the
operator of a nominal thickness of 1 mm (in the protocol
used). On the basis of the anteroposterior and lateral projection tomograms, CBCT calculates the milliampere per
second (mAs) values for the axial scan (generally between
100 and 150 mAs).
MSCT images of the petrous bones were obtained with a
120-kVp, 60-mAs, low-exposure protocol in the transverse
plane with electronic reconstruction in the coronal plane
(thickness 1 mm; spiral technique; pitch 0.4) using a Brilliance CT 6 MSCT device (Philips, Eindhoven, The Netherlands).
Measurement of values of exposure to ionising radiation
A comparison between the doses delivered to the patients
and the associated radiological risk was performed with
both devices. Measurements were obtained by placing 46
thermoluminescent dosimeters (TLDs) inside the head of a
RANDO anthropomorphic phantom (Alderson Research
impianti acustici con un risparmio di dose in pazienti, per lo
più pediatrici, che devono sottoporsi a controlli periodici.
Lo scopo del presente lavoro è quello di valutare una
coorte di pazienti ipoacusici impiantati all’orecchio medio
per definire il risparmio di dose ottenibile eseguendo lo
studio delle rocche petrose mediante CBCT rispetto
all’esame MSTC e di valutare la qualità delle immagini
ottenute con le due diverse tecniche.
Materiali e metodi
Pazienti
Sono stati inclusi 100 pazienti ipoacusici (età media 26
anni, range 7–43), inizialmente inquadrati dal punto di
vista clinico ed eziologico presso l’Istituto di Otorinolaringoiatria della nostra struttura e successivamente trattati
mediante posizionamento di protesi VSB alla finestra
rotonda. L’intervallo di tempo considerato è stato tra il
Maggio 2004 ed il novembre 2007.
Il follow-up post-operatorio di questi pazienti includeva
l’esecuzione periodica di test funzionali, in grado di
provare la ripresa della capacità uditiva, nonché di esami
radiologici, per la valutazione della posizione della protesi
e la sua eventuale dislocazione, qualora clinicamente
sospettata. Questi pazienti sono stati sottoposti ad indagini
di radiologia convenzionale (Rx cranio in antero-posteriore
e latero-laterale) e/o tecniche tomografiche computerizzate
(MSTC/CBCT).
Apparecchiature
Le immagini CBCT sono state ottenute utilizzando l’apparecchiatura Maxiscan (QR-DVT 9000, Verona, Italia) che
genera una emissione pulsata di un fascio conico di raggi X,
con tensione di 110 kVp, non modificabile, che ruota
attorno alla testa del paziente, ed è in grado di ricostruire
un volume cilindrico con diametro e altezza di 15 cm. Il
rivelatore, con estensione di 400 cm2, è costituito da un
intensificatore di brillanza accoppiato ad una videocamera
con schermo CCD [1, 2, 13, 14]. I dati grezzi ottenuti sono
rielaborati mediante ricostruzione primaria, ottenendo
sezioni assiali o su altri piani indicati dall’operatore, con
spessore nominale di 1 mm (nel protocollo da noi utilizzato). La CBCT in base ai tomogrammi in proiezione
antero-posteriore e latero-laterale calcola i valori dei mAs
per la scansione assiale (generalmente tra 100 e 150 mAs).
Le immagini MSCT mirate alla rocca petrosa sono state
ottenute, mediante protocollo a bassa esposizione da 120
kVp e 60 mAs, sul piano trasversale con ricostruzione elettronica sul piano coronale (spessore 1 mm; tecnica spirale;
pitch 0,4), mediante apparecchiatura MSCT Brilliance CT 6
(Philips, Eindowen, Olanda).
Radiol med
Laboratories, Stanford, CN, USA). The TLDs were
wrapped in polyethylene and inserted into the holes in the
phantom at the sites of interest (crystalline lens, thyroid,
cerebrum, hypophysis and marrow of the skull and of C1,
C2 and C7 vertebrae and nuchal skin) and at other significant sites to determine the dose distribution.
The TLDs, GR200A lithium fluorides (Central Research
Laboratory, Beijing, China), were read with a PCL3 reader
(Fimel, Vélizy, France) while the annealing process
occurred inside an ETT oven (Fimel, Vélizy, France). The
dosimeters were calibrated in terms of air kerma for doses
between 5 mGy and 30 mGy using an X-ray tube with 80
kVp and 2.8 mm Al filtration, through comparison with an
ionisation chamber. Three TLDs were not irradiated in order
to allow subtraction of the background signal. The phantom
was examined at different times with CBCT and MSCT,
following the manufacturer’s protocols for the specific
examination (Table 1).
The TLDs readings were used to derive the air kerma
values. Tissue dose was obtained by multiplying the air
kerma values by the ratio of air–muscle mass-energy
absorption coefficients [15]. The calculation was performed
according to the latest guidelines of the International
Commission on Radiological Protection (ICRP) [16, 17].
The equivalent doses delivered to the different organs (Ht,
measured in millisievert (mSv)] were calculated by multiplying the dose obtained with the TLDs by the volume fraction of the irradiated organ (Dt, measured in mGy) and by
the weight coefficient of ionising radiation (WR): the weight
coefficient of radiation is considered equal to 1.
The contribution of a single organ/tissue in determining
overall patient risk during exposure to radiation was
obtained by multiplying the equivalent dose (Ht) by the
tissue-weight coefficient (WT). The summation of the
weighted products of the single organs gives the value of
effective dose (E, measured in mSv), which is the dose
Table 1 Standard exposure parameters of multislice computed tomography
(MSCT) and cone-beam computed tomography (CBCT) for the protocols
used for middle-ear evaluation
Potential difference (kV)
Exposure time (mAs)
Indicated dose (mGy)
MSCT
CBCT
120
60
11.8
110
226.13
9.03
Tabella 1 Parametri espositivi standard di MSTC e CBCT per i protocolli
valutativi dell’orecchio medio
Differenza di potenziale (kV)
Tempo di posa (mAs)
Dose indicata (mGy)
MSTC
CBCT
120
60
11,8
110
226,13
9,03
Misurazione dei valori di esposizione alle radiazioni
ionizzanti
Il confronto fra le dosi impartite ai pazienti ed il rischio
radiologico associato è stato effettuato con entrambe le
apparecchiature. Le misure sono state effettuate posizionando 46 dosimetri termoluminescenti (TLDs) all’interno
della testa di un fantoccio antropomorfo RANDO (Alderson
Research Laboratories, Stanford, CN, USA). I TLDs sono
stati avvolti nel polietilene e quindi inseriti negli appositi
fori del fantoccio sia in siti di interesse (cristallino, tiroide,
cervello, ipofisi, midollo osseo delle ossa della teca e delle
vertebre cervicali C1, C2 e C7, cute nucale) che in altre
posizioni significative per la determinazione della distribuzione di dose.
I TLDs, fluoruri di litio del tipo GR200A (Central
Research Laboratory, Pechino, Cina), sono stati letti con
lettore PCL3 (Fimel, Vélizy, Francia) mentre il processo di
annealing (temperaggio) è stato eseguito con un forno ETT
(Fimel, Vélizy, Francia). I dosimetri sono tarati in termini
di kerma in aria per dosi comprese tra 5 mGy e 30 mGy,
utilizzando un tubo radiologico con 80 kVp e filtrazione di
2,8 mm Al, mediante confronto con camera a ionizzazione.
Tre TLDs non sono stati irradiati in modo da poter sottrarre
il segnale di fondo. Il fantoccio è stato esaminato in
momenti diversi alla CBCT e alla MSCT seguendo i protocolli predisposti dalle rispettive ditte fornitrici per l’esame
in oggetto (Tabella 1).
Dalla lettura dei TLDs sono stati ricavati i valori di
kerma in aria; moltiplicando questi ultimi per il rapporto
dei coefficienti di assorbimento di energia massici ariamuscolo [15] si è ottenuta la dose in tessuto. La determinazione è stata effettuata secondo le più aggiornate linee
guida dell’International Commission on Radiology Protection (ICRP) [16, 17]. Le dosi equivalenti impartite ai diversi
organi (Ht, misurato in mSv) sono state ricavate moltiplicando la dose ottenuta mediante TLDs per la frazione del
volume dell’organo irradiato (Dt, misurato in mGy) e per il
coefficiente di peso della radiazione ionizzante (WR): il coefficiente di peso per la radiazione è considerato uguale a 1.
Il contributo di un singolo organo/tessuto nel determinare il rischio globale del paziente durante l’esposizione
radiante viene ottenuto moltiplicando la dose equivalente
(Ht) per il coefficiente di peso del tessuto (WT). La sommatoria dei prodotti pesati per i singoli organi fornisce il
valore di dose efficace (E, misurato in mSv) che è la grandezza dosimetrica legata al rischio stocastico, somatico e
genetico (E=兺Ht×Wt).
Qualità dell’immagine
Il confronto della qualità dell’immagine tra le due TC è stato
effettuato utilizzando un fantoccio di forma cilindrica con
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magnitude related to the stochastic, somatic and genetic risk
(E=兺Ht×Wt).
Image quality
Image quality of the two CT techniques was compared
using a dedicated cylindrical phantom measuring 21.6 cm in
diameter (AAPM CT Performance Phantom 76-411,
Victoreen Instruments, Mödling, Austria) equipped with
inserts allowing image quality to be evaluated in terms of
slice thickness, high- and low-contrast resolution and ratio
between signal uniformity and noise. Axial images of the
phantom inserts were acquired using CBCT and MSTC with
the protocols described for dose measurements. The image
obtained with CBCT measures 15 cm in diameter and therefore does not cover the whole phantom section.
The slice thickness of the reconstructed image was determined by measuring its width at half the height of the
profile of the lamellae fitted into the appropriate insert. To
avoid sampling errors, average size was determined in
different image positions.
To allow determination of high-contrast spatial resolution, the plexiglas phantom contains eight sets of five round,
air-filled holes between 2.5 mm and 0.75 mm in diameter
and spaced in such a way that the distance between their
centres is twice their diameters. The visibility of details was
evaluated by selecting grey-scale with a minimal window
and choosing the level at which the details were best identified. Details were considered visible if they were distinct.
Contrast pins with a diameter of 1 in. (25.4 mm) were
immersed in water inside the phantom. The pins have the
following densities: polycarbonate = 1.20 g/cm3, acrylic =
1.19 g/cm3, nylon = 1.10 g/cm3, polystyrene = 1.05 g/cm3
and polyethylene = 0.95 g/cm3. These inserts can provide
some indication of low-contrast resolution. When
measuring uniformity, the value considered was the
maximum ratio between the average pixel values in the
regions of interest (ROI) placed at the centre and in four
peripheral locations of an image of the homogeneous insert
of the phantom.
Finally, we assessed whether it was possible to visualise
the various anatomical components of the tympanic cavity
and specifically of the VSB implants to determine the position of the distal end at the level of the round window or of
the long apophysis of the incus.
Results
All 100 patients underwent MSCT within 6 h of surgery,
according to the protocol. During follow-up, 2/100 patients
underwent skull radiography in orthogonal projections,
15/100 were studied with MSCT of the petrous bones and
diametro di 21,6 cm dedicato (AAPM CT Performance
Phantom 76-411, Victoreen Instruments, Mödling, Austria),
dotato di inserti per valutare la qualità dell’immagine in
termini di spessore di strato, di alta e bassa risoluzione di
contrasto e rapporto uniformità/rumore del segnale.
Mediante CBCT e MSTC sono state ricavate immagini
assiali degli inserti del fantoccio, utilizzando i protocolli
precedentemente descritti per la misurazione delle dosi. Per
le scansioni con la CBCT l’immagine ottenuta ha diametro di
15 cm, quindi non comprende l’intera sezione del fantoccio.
Lo spessore di strato dell’immagine ricostruita è stato
determinato misurando la larghezza a metà altezza del
profilo delle lamelle inserite nell’apposito inserto; per
evitare l’errore dovuto al campionamento è stata determinata la media delle dimensioni in diverse posizioni
dell’immagine.
Per la determinazione della risoluzione spaziale ad alto
contrasto, nel fantoccio in plexiglas sono presenti otto serie
di cinque fori pieni d’aria a sezione circolare con diametro
da 2,5 mm a 0,75 mm distanziati fra loro in modo tale che la
distanza fra i centri sia doppia del diametro del foro. Per
valutare la visibilità dei particolari è stata selezionata la
scala di grigi con finestra ridotta al minimo scegliendo il
livello che meglio permette di distinguerli; questi vengono
considerati visibili se risultano tutti distinti.
Nel fantoccio sono inseriti dei cilindri con diametro di un
pollice (25,4 mm) immersi in acqua con le seguenti densità:
policarbonato=1,20 g/cm3, acrilico=1,19 g/cm3, nylon=1,10
g/cm3, polistirene=1,05 g/cm3, polietilene=0,95 g/cm3.
Questi inserti possono fornire una indicazione della risoluzione a basso contrasto. Per la misura dell’uniformità viene
considerato il massimo rapporto fra i valori medi dei pixel
nelle regioni di interesse (ROI) posizionate al centro ed in
quattro posizioni alla periferia di una immagine acquisita in
corrispondenza dell’inserto omogeneo del fantoccio.
È stata infine valutata la possibilità di evidenziare le
diverse componenti anatomiche presenti all’interno del
cavo timpanico, e nel caso specifico delle protesi VSB, in
particolare per definire con certezza la posizione
dell’estremo distale a livello della finestra rotonda o
all’apofisi lunga dell’incudine.
Risultati
Tutti i 100 pazienti sono stati sottoposti a esame MSTC
entro le 6 ore dall’intervento, come da protocollo postchirurgico. Successivamente, in corso di follow-up, i
pazienti che hanno eseguito Rx cranio nelle proiezioni ortogonali sono stati 2/100; i pazienti studiati mediante MSTC
delle rocche petrose sono stati 15/100, e 85/100 mediante
CBCT. L’analisi delle immagini di radiologia convenzionale non permetteva di fornire una precisa stima della
Radiol med
a
b
Fig. 1a,b Patient with a Vibrant SoundBridge device implanted on the round
window. Axial multislice computed tomography (a) compared with the cone-beam
computed tomography scan (b) showing the
correct position of the floating mass.
Fig. 1a,b Paziente portatore di impianto
Vibrant Soundbridge alla finestra rotonda.
Sezione assiale MSCT (a) e corrispondente
immagine CBCT (b) che mostra il corretto
posizionamento della massa vibrante.
85/100 were studied with CBCT. Conventional radiography
failed to allow accurate definition of the position of the
implant, whereas this proved possible with both crosssectional imaging techniques. Although the images obtained
with CBCT were of lower quality, they were sufficiently
diagnostic to permit confident reporting by the radiologist of
the position of implant extremities (Fig. 1).
The weighted equivalent doses for the single tissues and
the effective dose obtained using the RANDO phantom
after CBCT and MSCT are listed in Table 2. With regard to
the crystalline lens, the measured dose was 4.5 mGy for
CBCT and 15.5 mGy for MSCT, values that are substantially lower than those likely to cause deterministic effects,
even after repeated exams.
An overall analysis of the single results shows that the
effective dose delivered to the individual patient during
CBCT of the ear was equal to 39.2% of the dose imparted
during MSCT. In particular, the effective MSCT dose was
0.28 mSv, whereas that of CBCT was 0.11 mSv.
Results of the assessment of image quality are
summarised in Table 3. In particular, slice thickness was 1
posizione della protesi, al contrario fornita da entrambe le
tecniche tomografiche. Le immagini ottenute con la CBCT
sono di qualità inferiore ma sufficientemente diagnostiche
per il medico radiologo che deve refertare l’esame, permettendo di valutare con sicurezza la posizione delle estremità
degli impianti acustici (Fig. 1).
Le dosi equivalenti ponderate per i singoli tessuti e la
dose efficace ottenute mediante il fantoccio RANDO dopo
scansione CBCT e MSTC sono elencate in Tabella 2. Per
quanto riguarda il cristallino la dose è risultata pari a 4,5
mGy per la CBCT ed a 15,5 mGy per la MSTC, valori decisamente inferiori a quelli che possono provocare effetti
deterministici anche per esami ripetuti.
Da una analisi globale dei singoli risultati si evince come
la dose efficace somministrata ad un paziente durante
esame CBCT dell’orecchio sia il 39,2% rispetto a quella di
un’indagine MSTC: nello specifico la dose efficace della
MSTC è stata di 0,28 mSv, mentre quella della CBCT è stata
di 0,11 mSv.
Per quanto riguarda gli studi mirati a valutare la qualità
dell’immagine i dati sono riassunti in Tabella 3. In partico-
Table 2 Tissue and organ equivalent and effective doses for multislice computed tomography (MSCT) and cone-beam computed tomography (CBCT)
MSCT
CBCT
Organ/tissue
Absorbed
dose (mGy)
% vol.
Wt
Weighted
equivalent
dose (mSv)
Absorbed
dose
(mGy)
% vol.
Wt
Weighted
equivalent
dose (mSv)
Bone marrow
Oesophagus
Thyroid
Bone surface
Brain
Salivary glands
Skin
Other
7.01
16.5
10
100
16.5
20
100
5
5
0.12
0.05
0.05
0.01
0.01
0.01
0.01
0.1
0.14
0.00
0.03
0.01
0.02
0.04
0.01
0.03
2.27
0.32
2.23
2.97
2.52
3.16
2.42
16.5
10
100
16.5
20
100
5
5
0.12
0.05
0.05
0.01
0.01
0.01
0.01
0.1
0.04
0.00
0.02
0.00
0.01
0.03
0.00
0.01
0.28
Total effective dose (mSv)
0.60
7.50
7.92
4.16
11.41
6.78
Total effective dose (mSv)
MSCT, multislice computed tomography; CBCT, cone-beam computed tomography, Wt , tissue-weight coefficient
0.11
Radiol med
Tabella 2 Dosi equivalenti agli organi e tessuti e dose efficace per le due tecniche TC
MSTC
Midollo osseo
Esofago
Tiroide
Sup. ossea
Encefalo
Ghiandole salivari
Pelle
Rimanenti
CBCT
Dose
assorbita
(mGy)
% vol
Wt
Dose
equivalente
pesata (mSv)
Dose
assorbita
(mGy)
% vol
Wt
Dose
equivalente
pesata (mSv)
7,01
16,5
10
100
16,5
20
100
5
5
0,12
0,05
0,05
0,01
0,01
0,01
0,01
0,1
0,14
0,00
0,03
0,01
0,02
0,02
0,01
0,03
2,27
0,32
2,23
2,97
2,97
3,16
2,42
16,5
10
100
16,5
20
20
5
5
0,12
0,05
0,05
0,01
0,01
0,01
0,01
0,1
0,04
0,00
0,02
0,00
0,01
0,01
0,00
0,01
0,28
Dose efficace totale (mSv)
0,60
7,50
7,92
4,16
11,41
6,78
Dose efficace totale (mSv)
0,11
MSTC, tomografia computerizzata multistrato; CBCT, tomografia computerizzata a fascio conico; Wt , coefficiente di peso del tessuto
Table 3 Results of the image quality evaluation by means of the AAPM
CT performance phantom
Slice thickness (mm)
High-contrast resolution (pl/cm)
No. of visible low-contrast inserts
(out of 5)
Uniformity/noise ratio
MSCT
CBCT
1
4
5
1
3
2
1%
27%
MSCT, multislice computed tomography; CBCT, cone-beam computed
tomography; pl/cm, pair of lines per centimetry
Tabella 3 Risultati della valutazione della qualità delle immagini mediante
fantoccio AAPM CT performance
Spessore dello strato (mm)
Risoluzione alto contrasto (pl/cm)
N. inserti a basso contrasto visibili
(su 5 presenti)
Rapporto uniformità/rumore
MSTC
CBCT
1
4
5
1
3
2
1%
27%
MSCT, tomografia computerizzata multistrato; CBCT, tomografia computerizzata a fascio conico; pl/cm, paia di linee per centimetro
mm on both CBCT and MSCT (Fig. 2). In the evaluation of
high-contrast spatial resolution, detail was well-defined
down to 1 mm on both CBCT and MSCT (Fig. 3). With
regard to low-contrast spatial resolution, CBCT proved to
be more limited than MSCT, with CBCT accurately visualising two details out of five and MSCT depicting all five
(Fig. 4). Uniformity was worse on CBCT (27% as against
1% on MSCT) (Fig. 5). In addition, CBCT was affected by
artefacts appearing as circular streaks, which were absent
from the MSCT images.
lare, lo studio dello spessore dello strato è risultato essere
di 1 mm sia con la CBCT che con la MSTC (Fig. 2). Nella
valutazione della risoluzione spaziale ad alto contrasto, i
particolari risultano tutti ben distinguibili fino a dimensioni
di 1 mm sia con la CBCT che con la MSTC (Fig. 3). Nelle
misurazioni per la risoluzione spaziale a basso contrasto la
CBCT ha dimostrato dei limiti rispetto alla MSTC: con la
CBCT sono visibili con certezza due particolari su cinque,
mentre con la MSTC sono visibili tutti i cinque particolari
(Fig. 4). L’uniformità è peggiore per la CBCT (27% contro
1% della MSTC) (Fig. 5), ed inoltre all’esame visivo alla
CBCT risultano presenti degli artefatti che si manifestano
come striature ad andamento circolare, non presenti
nell’immagine MSTC.
Discussione
Con questo studio si è cercato di determinare quale fosse la
metodica in grado di fornire il miglior rapporto qualità
diagnostica/dose impartita al paziente nella valutazione del
corretto posizionamento della protesi acustica. Con queste
premesse, abbiamo considerato l’eventualità di sottoporre i
pazienti operati ad un follow-up radiologico che sfruttasse
tecniche alternative alla MSTC: poiché metodiche non
ionizzanti non erano usufruibili, la radiografia standard del
cranio e la CBCT rappresentavano le uniche opzioni.
Tutti i 100 pazienti della nostra casistica sono stati valutati nell’immediato post-operatorio come da protocollo
(entro le 6 ore) mediante esame MSTC al fine di escludere
focolai emorragici in sede di intervento o un eventuale mal
posizionamento della protesi. Il follow-up standard includeva l’esecuzione di una indagine MSTC a 6 settimane,
ossia all’attivazione dell’impianto elettromagnetico, ed a 1
Radiol med
a
b
Fig. 2a,b Slice thickness for multislice
computed tomography (a) and cone-beam
computed tomography (b) defines the effective tomographic section and depends both
on the collimation of the outgoing beam and
on a subsequent collimation at the detectorsystem level; b shows a lower contrast with
the same slice thickness.
Fig. 2a,b Lo spessore di strato per la MSTC
(a) e per la CBCT (b) definisce l’effettiva
sezione tomografica, ed è determinato dalla
collimazione del fascio in uscita dal tubo
radiogeno e da una post collimazione al
livello dei rivelatori: in B è evidente come a
parità di spessore dello strato sia minore il
contrasto.
a
b
Fig. 3a,b High-contrast resolution, that is,
the system’s ability to distinguish small-sized
objects against a high-contrast background,
was only slightly higher for multislice
computed tomography (a) than cone-beam
computed tomography (b).
Fig. 3a,b La risoluzione ad alto contrasto,
intesa come la capacità del sistema di distinguere oggetti di piccole dimensioni in un
contesto di alto contrasto, è risultata leggermente superiore per la MSTC (a), rispetto
alla CBCT (b).
a
b
Fig. 4a,b Low-contrast resolution on MSCT
(a) and CBCT (b) refers to the system’s
ability to distinguish small-sized objects
against a low-contrast background. MSCT
clearly offers higher discrimination ability
than CBCT.
Fig. 4a,b La risoluzione a basso contrasto
per la MSTC (a) e per la CBCT (b) è intesa
come la capacità del sistema di distinguere
oggetti di piccole dimensioni in un contesto
di basso contrasto. È evidente la migliore
capacità discriminativa della MSTC rispetto
alla CBCT.
Discussion
This study sought to identify the technique providing the
best ratio between diagnostic quality and patient dose in the
evaluation of the correct position of VSB ear implants. To
this end, patients were offered a radiological follow-up
anno di distanza; eventuali controlli successivi sarebbero
stati effettuati solo su fondate alterazioni cliniche. Quindici/100 pazienti hanno seguito l’iter tradizionale, e quindi
sono stati studiati mediante MSTC.
Il follow-up da noi proposto implicava l’esecuzione di un
Rx cranio e/o di una CBCT rispetto alla MSTC: i primi
Radiol med
a
b
Fig. 5a,b Uniformity is defined as the
maximum ratio between the average values
of pixels in different regions of interest,
with one placed at the centre of the image
and four in peripheral locations. Uniformity with multislice computed tomography
(a) is clearly higher than with cone-beam
computed tomography (b).
Fig. 5a,b L’uniformità è definita come il
massimo rapporto fra i valori medi dei
pixel di regioni di interesse poste una al
centro e quattro in periferia, con la MSTC
(a) e con CBCT (b). La MSCT è visibilmente più uniforme della CBCT.
consisting of standard skull radiography and CBCT as alternatives to MSCT, given that no nonionising modalities were
available.
All 100 patients in our series underwent postoperative
evaluation with MSCT within 6 h of surgery to exclude
bleeding at the operation site or incorrect placement of the
implant. The standard follow-up protocol includes MSCT at
6 weeks – that is, on activating the electromagnetic implant
– and again after 1 year. Any further assessment is done
only in the case of demonstrated clinical changes. Fifteen
out of 100 patients were followed up with the standard
protocol (MSCT).
The experimental follow-up protocol involved
performing skull radiography and/or CBCT instead of
MSCT. The first 2/100 patients underwent skull radiography in orthogonal projections, but this strategy was abandoned due to the lack of adequate landmarks. The following
85/100 patients were studied with CBCT, and with them, we
attempted to validate the method and familiarise ourselves
with the images. Finally, CBCT was considered sufficient
so that MSCT could be reserved for cases suspected to have
more severe complications than implant dislocation (no case
in the period in question).
Analysis of dosimetric data, in agreement with the literature [18–22], showed that the use of CBCT permits considerable dose saving compared with MSCT. This is made
possible by beam geometry, type of emission (pulsed rather
than continuous over the whole tube-rotation angle) and
more efficient detection. In addition, although CBCT
provides lower-quality images, these are nonetheless
adequate for evaluating the position of the hearing implant.
In contrast to MSCT, CBCT scans and reconstructions are
not affected by artefacts related to the metallic components
of the vibrating mass of the implant, which often limit visualisation of the structures being investigated. CBCT
confirms its good high-contrast resolution, but unlike
MSCT, it is inadequate at low contrast. These two charac-
2/100 pazienti hanno espletato indagine Rx del cranio nelle
proiezioni ortogonali, dalla quale non si riuscivano ad
estrapolare sufficienti reperi, e quindi è stata abbandonata
e non riproposta nei successivi pazienti. Ottantacinque/100
pazienti sono stati sottoposti a esame CBCT e con essi si è
cercato di validare la metodica e prendere confidenza con
le immagini ottenute. Si è infine ritenuto sufficiente l’esecuzione di questa sola metodica, riservando la MSTC a quelle
circostanze in cui il sospetto fosse di complicazioni più
gravi della semplice dislocazione della protesi (nessun caso
nella nostra casistica nel periodo in esame).
L’analisi dei dati dosimetrici, in accordo con la letteratura [18–22], dimostra come l’utilizzo della CBCT comporti
una considerevole riduzione di dose alla MSTC, determinata in particolare dalla geometria del fascio, dal tipo di
emissione (pulsata, rispetto ad un’emissione continua su
tutto l’angolo di rotazione del tubo) e da una maggiore efficienza di rilevazione. Oltre a ciò, la CBCT evidenzia una
riduzione della qualità dell’immagine ottenuta, che
comunque rimane sufficiente per la risoluzione del
problema diagnostico della valutazione del posizionamento
protesico. A differenza della MSTC, la CBCT non presenta
nelle scansioni e nelle successive ricostruzioni artefatti
derivanti dalle componenti metalliche della massa vibrante
dell’impianto acustico, procuranti spesso limitazioni nella
visualizzazione delle strutture d’interesse. La CBCT
conferma di avere una buona risoluzione ad alto contrasto
ma a differenza della MSTC risulta deficitaria nel basso
contrasto: queste due caratteristiche conferiscono alla
CBCT la capacità di visualizzare con buona risoluzione di
contrasto le strutture ossee, mentre con difficoltà i tessuti
molli. L’orecchio medio è una struttura anatomica, inserita
in un contesto osseo, la rocca petrosa dell’osso temporale, e
riempita di aria attraverso la tuba di Eustachio; al suo
interno la trasmissione del suono è garantita dalla catena
ossiculare, formata da singoli ossicini. La CBCT riesce a
evidenziare correttamente le diverse componenti anato-
Radiol med
teristics mean that CBCT visualises bone structures with
good contrast resolution, whereas it is somewhat limited in
depicting soft tissues. The middle ear is contained within a
bony context – the petrous portion of the temporal bone –
filled with air through the Eustachian tube. Sound conduction is ensured by the chain of ossicles. CBCT correctly
depicts the various anatomical components within the
tympanic cavity and, in the case of VSB implants, allows
accurate definition of the position of the distal end at the
level of the round window or of the long apophysis of the
incus.
Because CBCT has been reported to impart smaller radiation doses compared with MSCT, we attempted to determine the difference in dosimetric performance between the
devices available at our department. Data analysis showed
that CBCT delivers a patient dose equal to 39% of that
imparted by MSCT with a low-dose protocol.
According to the directive of the Dimond III European
research group, when choosing between two techniques
capable of solving a diagnostic problem, one needs to take
into account both its usefulness in depicting the object being
studied and the patient dose [23]. In the case of VSB
devices, it is important to consider that the majority of
patients are children, and they have to undergo a intensive
postoperative follow-up protocol involving repeated radiological examinations. Such patients are those most likely to
be affected by the cumulative effects of ionising radiation.
CBCT meets the European criteria for diagnostic capability,
and its place in otology – where MSCT is still the gold standard – should be reassessed.
The limitations of this study, in which the comparison
was based on the standard protocols in use at our hospital
and on the best cost–benefit ratio for each of the CT scanners available at the time of assessment, concern the unexpressed potential for reducing the MSCT dose by refining
the protocol. However, there remains an objective difference between the doses delivered to individual patients,
even after attempting to stress the protocols at a dosimetric
level, which is due to the intrinsic characteristics of the two
CT applications. We therefore believe that our study may
encourage a more widespread use of CBCT in other fields
as well, given that while yielding the same diagnostic information, CBCT allows lower patient doses and lower costs
per examination.
miche presenti all’interno del cavo timpanico e, nel caso
specifico delle protesi VSB, a definire con certezza la posizione dell’estremo distale a livello della finestra rotonda o
all’apofisi lunga dell’incudine.
Dalla letteratura si conferma come la CBCT somministri
una quantità di radiazioni ionizzanti minore rispetto alla
MSTC; si è quindi voluto ottenere un riscontro oggettivo
della differenza di prestazioni dosimetriche fra le apparecchiature a disposizione presso il nostro Dipartimento. A
conclusione dei rilievi e dell’elaborazione dei dati si rileva
come la CBCT eroghi una dose radiante pari al 39% di
quella della MSTC con protocollo a bassa esposizione.
Secondo la raccomandazione del gruppo di ricerca
europeo Dimond III nella scelta fra due tecniche bisogna
considerare sia l’utilità della stessa nel mettere in evidenza
l’oggetto di studio, sia la dose radiante, se il quesito
diagnostico viene soddisfatto [23]. Nel caso delle protesi
VSB si deve tenere conto che spesso i pazienti sono in età
pediatrica e che dal momento dell’intervento entrano a far
parte di un protocollo di follow-up radiologico intenso,
composto da controlli ripetuti; sono proprio questi pazienti
che più potrebbero risentire degli effetti cumulativi delle
radiazioni ionizzanti. La CBCT rispetta i criteri europei di
capacità diagnostica e andrebbe rivalutata la sua posizione
nella diagnostica in campo otologico, dove la MSTC
rappresenta ancora il gold standard.
I limiti di questo lavoro, nel quale il confronto è stato
compiuto secondo i protocolli di comune uso nella pratica
clinica nella nostra struttura, e secondo il miglior rapporto
costo-beneficio per ognuna delle macchine a tecnologia TC
possedute al momento della valutazione dei pazienti,
riguardano la potenzialità non espressa di diminuire la
dose in MSCT, affinando il protocollo: resta comunque
oggettivo il divario tra le dose impartite ai singoli pazienti,
anche cercando di stressare dosimetricamente i protocolli,
proprio per le caratteristiche intrinseche delle due diverse
applicazioni di tecnologia TC, e per questo noi riteniamo
che questo lavoro possa comunque essere di stimolo per
cercare di diffondere l’uso della CBCT anche in altre applicazioni, in modo da ridurre la dose al paziente, poiché in
caso di parità di informazione diagnostica si ha una minor
dose al paziente e un minor costo per esame.
Conclusioni
Conclusions
During CBCT of the ear, the radiation dose delivered to the
patient is lower than that of MSCT performed with a lowdose protocol. In comparison with MSCT, CBCT provides
an image quality that is lower in terms of low-contrast resolution and uniformity and slightly lower in terms of high-
Durante un esame CBCT dell’orecchio la dose radiante
somministrata al paziente è inferiore a quella erogata dalla
TC con protocollo a bassa esposizione. La qualità
dell’immagine ottenuta con CBCT, rispetto alla MSTC, è
minore in termini di risoluzione a basso contrasto e uniformità, è leggermente inferiore per risoluzione ad alto
contrasto, mentre è equivalente per quanto riguarda lo
Radiol med
contrast resolution, whereas slice thickness is equal. The
images are sufficiently diagnostic to identify the correct
placement of VSB, both on the round window and on the
incus, with the advantage of lower radiation exposure for
the patient. CBCT may candidate itself to be a first-line
technique in the follow-up of patients with middle-ear
implants.
spessore dello strato. Le immagini risultano sufficientemente diagnostiche per identificare il corretto posizionamento del VSB sia alla finestra rotonda che all’incudine,
con il vantaggio di esporre il paziente a minori rischi da
esposizione a radiazioni ionizzanti: la CBCT può candidarsi a metodica di primo livello nel follow-up dei pazienti
con protesi all’orecchio medio.
Conflict of interest statement The authors declare that they have no conflict of interest to the publication of this article.
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