Comparison of Methods for Acceptance and Constancy Testing in Dental Cone-beam Computed Tomography

Abstract

Purpose: The aim of this work was to implement, validate, and compare two procedures for routine image quality (IQ) assurance in dental cone-beam computed tomography (CBCT): 1. the German standard DIN 6868 – 161 introduced in 2013 and 2. the established standard IEC 61 223 – 3-5 for clinical CT x-ray equipment referenced as “DIN” and “IEC” below.

Materials and Methods: The approximated in-plane modulation transfer function (MTF), the contrast-to-noise indicator (CNI), and the uniformity indicator (UI*) were determined in accordance with DIN. Image noise, the uniformity index (UI), the contrast-to-noise ratio (CNR), and the 3 D MTF were measured according to IEC 61 223 – 3-5 using a previously proposed quality assurance (QA) framework. For this, a modular phantom was used. All experiments were performed on a clinical dental CBCT unit. The severity of image artefacts was measured at different z-positions. A dedicated computer program was implemented to allow for automated QA procedure.

Results: The position and orientation of the phantoms were detected automatically in all of the measurements providing a reproducible placement of the evaluation regions and volumes. 50 % and 10 % in-plane MTF values of the approximated and the exact MTF calculation procedure were in agreement to within 5 %. With increasing axial distance from the isocentre, UI* and CNI dropped by 30 % and 19 %, respectively. Conventional IQ parameters showed higher sensitivity to image artefacts; i. e., UI and CNR were reduced by about 197 % and 37 %.

Conclusion: The implemented automated QA routines are compatible with both the DIN and the IEC approach and offer reliable and quantitative tracking of imaging performance in dental CBCT for clinical practice. However, there is no equivalence between the DIN and the IEC metrics. In addition, direct measurements of physical IQ parameters such as image contrast and noise, uniformity, and axial resolution are not supported by the new concept according to DIN.

Key points:

• The new DIN 6868 – 161 is not equivalent to the established IEC 61 223 – 3-5.

• Noise, uniformity, and contrast are well-suited to assess image artefacts.

• The implemented automated quality assurance program fits clinical routine.

Citation Format:

• Steiding C, Kolditz D, Kalender W. Comparison of Methods for Acceptance and Constancy Testing in Dental Cone-beam Computed Tomography. Fortschr Röntgenstr 2015; 187: 283 – 290

Zusammenfassung

Ziel: Das Ziel dieser Arbeit war die Anwendung, Validierung und der Vergleich zweier Konzepte zur Beurteilung der Bildqualität (BQ) in der dentalen digitalen Volumentomografie (DVT): 1. der 2013 neu eingeführte, deutsche Standard DIN 6868 – 161 und 2. der fest etablierte Standard IEC 61 223 – 3-5 von Röntgeneinrichtungen für klinische CT (nachfolgend als „DIN“ und „IEC“ bezeichnet).

Material und Methoden: Die approximierte, transversale Modulationsübertragungsfunktion (MÜF), der Homogenitätsindikator (H*) und Kontrast-Rausch-Indikator (KRI) wurden nach DIN bestimmt. Unter Hinzunahme eines kürzlich vorgestellten, IEC-entsprechenden Qualitätssicherungskonzeptes wurden Bildrauschen, der Homogenitätsindex (H), das Kontrast-Rausch-Verhältnis (KRV) und die 3 D-MÜF mit einem modularen Prüfkörper gemessen. Alle Messungen wurden an einem klinischen DVT-Gerät durchgeführt. Beide Phantome wurden an variierenden z-Positionen platziert, um das Ausmaß der Bildartefakte zu untersuchen. Ein spezielles Computerprogramm wurde für die automatisierte Bildqualitätssicherung implementiert.

Ergebnisse: Die Detektion beider Prüfkörper erfolgte in den Messungen automatisiert und gewährleistete das reproduzierbare Platzieren der Auswerteregionen und -volumen. Die 50 %- und 10 %-MÜF-Werte nach approximierter und exakter Berechnungsmethode stimmten bis auf 5 % überein. Mit zunehmendem axialen Abstand vom Messfeldzentrum fielen H* und KRI um 30 % beziehungsweise 19 %. Die konventionellen BQ-Parameter zeigten eine höhere Sensitivität gegenüber den Bildartefakten; H und KRV reduzierten sich um 197 % und 37 %.

Schlussfolgerung: Die automatisierten Qualitätssicherungsprozeduren offerieren eine zuverlässige und quantitative Beurteilung der Leistungsmerkmale zur Bildgebung in der DVT für die klinische Praxis. Es gibt keine Äquivalenz zwischen den BQ-Maßen nach DIN und IEC. Zudem wird die direkte Charakterisierung physikalischer Bildgebungseigenschaften in Form von Bildkontrast und -rauschen, Homogenität und axiale Ortsauflösung durch die neue DIN-Norm nicht unterstützt.

Kernaussagen:

• Gleichwertigkeit zwischen der neuen DIN 6868 – 161 und IEC 61 223 – 3-5 ist nicht gegeben.

• Rauschen, Homogenität und Kontrast sind gut zur Untersuchung von Bildartefakten geeignet.

• Das implementierte, automatisierte Qualitätssicherungsprogramm kann in der klinischen Routine eingesetzt werden.

Key words

CT - physics - QA/QC - technical aspects

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