Artefatto CBCT

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 15276 (2022) Citare questo articolo

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Gli artefatti di indurimento del fascio indotti da materiale ad alta densità (ad esempio metallo) rappresentano un problema di qualità comune nelle immagini di tomografia computerizzata Cone Beam (CBCT) maxillofacciali. Questo studio sperimentale e analitico ha studiato i modelli di attenuazione di due tipici materiali per impianti dentali: zirconio-ceramica e titanio puro. Mediante l'applicazione di diverse energie del fascio di raggi X (60, 70, 80, 90 [kVp]) viene valutata l'attenuazione dipendente dall'energia di questi materiali e valutata la conseguente induzione di artefatti nelle risultanti immagini CBCT. Un impianto in zirconio (Y-TZP-) (\(\varnothing\): 4,1 mm) e una barra in titanio puro (\(\varnothing\): 4,0 mm) sono stati esposti in una CBCT commerciale (3D Accuitomo 170). Le radiografie di proiezione bidimensionali (2D) grezze che la CBCT utilizza per la ricostruzione tridimensionale applicata per l'acquisizione di profili di attenuazione attraverso la fetta centrale circolare delle immagini impianto-fantoccio. Sono state calcolate le distanze che i raggi X attraversano attraverso i fantocci dell'impianto in questa posizione. Utilizzando queste informazioni e il coefficiente di attenuazione lineare, la trasmissione e l'attenuazione sono state calcolate per ciascun materiale e l'energia del raggio. Questi dati erano correlati ad artefatti di indurimento del fascio che sono stati valutati nelle ricostruzioni assiali delle immagini CBCT degli impianti. La trasmissione del titanio per tutte le kilotensioni di picco (kVp) era maggiore e pari a circa il 200% rispetto a quella di Y-TZP a 60 kVp rispetto al 530% a 90 kVp. Con un diametro di 4 mm la trasmissione per Y-TZP era solo del 5% circa per tutte e quattro le energie del raggio. In accordo con questa scoperta, gli artefatti di indurimento del fascio per Y-TZP non potevano essere ridotti utilizzando energie più elevate, mentre per il titanio diminuivano con l’aumentare dell’energia. Per lo spettro energetico utilizzato in questo studio (60–90 kVp), l’indurimento del fascio causato dal titanio può essere ridotto utilizzando energie più elevate, mentre questo non è il caso della ceramica-zirconio (Y-TZP).

La tomografia computerizzata a fascio conico (CBCT) svolge un ruolo importante nella pianificazione preoperatoria degli impianti dentali1. Poiché gli impianti sono diventati una protesi comune in molti paesi, spesso verranno raffigurati anche nelle scansioni CBCT acquisite dai loro portatori. La stragrande maggioranza degli impianti dentali è realizzata in titanio altamente puro con una superficie ossidata chimicamente molto stabile2. La loro influenza sugli artefatti nelle scansioni CBCT è stata descritta sperimentalmente3,4,5 e anche spiegata analiticamente6. Negli ultimi anni gli impianti dentali in zirconia vengono sempre più commercializzati e inseriti7. Questi sono costituiti da biossido di zirconio cristallino generalmente stabilizzato con il 3% in moli di ittrio (Y-TZP)8. Le dimensioni e il design sono più o meno gli stessi degli impianti in titanio. La parte fondamentale degli artefatti da indurimento del fascio si verifica a causa dell'effetto filtrante del corpo dell'impianto ad alta densità, cioè fortemente attenuante, che modifica lo spettro energetico del fascio di raggi X. Dopo la penetrazione di tali corpi altamente densi (fortemente attenuanti), il fascio contiene raggi X con energia relativamente più elevata (lunghezza d'onda più corta) rispetto allo spettro emesso dalla sorgente. Questo processo è chiamato indurimento del fascio. Sfortunatamente, la ricostruzione presuppone energie identiche negli spettri e questo errore si propaga nel processo di ricostruzione tridimensionale (3D)9. Spiegato brevemente, l'energia relativamente troppo elevata che arriva al rilevatore "dietro" l'oggetto attenuante (qui: l'impianto) viene retroproiettata nel volume ricostruito, risultando in linee scure (ipo-dense) nella direzione del raggio. L'attenuazione è causata principalmente da due meccanismi principali: lo scattering Compton e l'effetto fotoelettrico10. Mentre il primo è piuttosto stabile nello spettro energetico tipicamente applicato per la CBCT, l’effetto fotoelettrico è fortemente dipendente dall’energia10. Qui, l'energia del raggio è in grado di rimuovere un elettrone dall'orbita k interna producendo così uno ione con carica positiva. Ad energie appena al di sopra dell'energia richiesta per rimuovere l'elettrone dall'orbita k del rispettivo materiale si verifica un brusco aumento dell'attenuazione del materiale. Questo cosiddetto “k-edge” è specifico del materiale e aumenta con l’aumentare del numero atomico. L'energia di attenuazione del bordo k dei due materiali qui studiati è 4966,4 eV per il titanio contro 17.997,6 eV per lo zirconio come composto principale della zirconio-ceramica. Sono stati pubblicati studi empirici che hanno indagato sugli artefatti nelle immagini CBCT causati dalla zirconia11,12,13. Tuttavia, per comprendere meglio il contesto e minimizzare potenzialmente i loro effetti, questi artefatti dovrebbero essere studiati anche da una prospettiva analitica utilizzando dati fisici e conoscenze sul processo di ricostruzione 3D.