Reducering af metalartefakter med ASiR

Transkript

1 Reducering af metalartefakter med ASiR En kvantitativ undersøgelse af de metalartefakter der forekommer, når patienter med total hoftealloplastik CT scannes Professionsbachelorprojekt Radiografuddannelsen, University College Lillebælt 8. Januar 2016 Udarbejdet af Camilla Anna Lynggaard Jeannette Petersen Kirstine Lykke Vidal Schneider Vejleder Christian Arbjerg Gøttsch Hansen

2 Titel: Reducering af metalartefakter med ASiR Undertitel: En kvantitativ undersøgelse af de metalartefakter der forekommer, når patienter med total hoftealloplastik CT scannes Opgavens art: Professionsbasseret bachelorprojekt Uddannelse: Radiografuddannelsen, University College Lillebælt, Rad 512 Udarbejdet af: Camilla Anna Lynggaard, Jeannette Petersen, Kirstine Lykke Vidal Schneider, Vejleder: Christian Arbjerg Gøttsch Hansen Dato for aflevering: Antal anslag inkl. mellemrum: Denne opgave eller dele heraf må kun offentliggøres med forfatter(ne)s tilladelse jf. Bekendtgørelse af lov om ophavsret nr. 202 af

3 Abstract Title: Reduction of metal artifacts in Computed Tomography(CT) using Adaptive Statistical iterative Reconstruction(ASiR) Objective: Patients with a total hip arthroplasty(tha) can develop postoperative late complications like aseptic loosening. To diagnose the aseptic loosening the conventional x-ray examinations can be complemented with a CT scan. Severe metal artifacts will occur in such a CT scan attributable to the prosthesis material and this will affect overall image quality and thus complicate the diagnostic process. In spite of awareness of these problems, a reliable and efficient method of solving them has not yet been found. The aim of this assignment was to examine the iterative reconstruction ASiR as a new approach to reduce metal artifacts. According to the protocol at hospital X, pelvic CT scans of patients with aseptic loosening of THA are preformed as dual energy CT(DECT) scans. This study will investigate the extent to which it is possible to reduce the amount of metal artifacts, when the DECT protocol is replaced with a like wise dose giving single energy CT (SECT) protocol with ASiR. Method: An experimental phantom-study, using 2 gelatin phantoms, was created. The first phantom consisted of a hip prosthesis encased in gelatin, while the other phantom simply consisted of gelatin. Each phantom underwent 5 DECT scans and 5 SECT scans preformed on a GE 64 slice Dicovery CT750 HD scanner. Ten different degrees of ASiR in the range of 0-100% were subsequently added to the SECT scans. The metal artifacts were analyzed by subtraction of two images, in which a range of regular appearing pixels were subtracted from the pixels in the artifact influenced CT image. Conclusion: This phantom-study indicates that the ASiR algorithm significantly reduces the quantity of metal artifacts. The most efficient degree of ASiR was ASiR 100%, which reduced the total amount of metal artifacts by 5%. However, the results of this study show tendency that the DECT protocol is the most efficient technique of the two, with a total metal artifact reduction of 10%. Contact information: Camilla Anna Lynggaard: calynggaard@gmail.com, Jeannette Petersen:entja87@gmail.com & Kirstine L.V. Schneider: kirstineschneider@yahoo.dk

4 Resumé Titel: Reduktion af metal artefakter i Computer Tomografi(CT) med Adaptive Statistical iterative Reconstruction(ASiR) Projektets problemstilling: Patienter med total hoftealloplastik(tha) kan opleve postoperative senkomplikationer i form af aseptisk løsning. For at diagnosticere aseptisk løsning kan de konventionelle røntgenbilleder suppleres med en CTscanning. På en sådan CT-scanning opstår der som følge af protesematerialet metalartefakter, hvilket forringer billedkvaliteten således at diagnosticeringen kan vanskeliggøres. Trods fokus på at løse problemet angående metalartefakterne er der endnu ikke fundet en pålidelig og effektiv metode hertil. Formålet med denne bacheloropgave er at undersøge, den iterative rekonstruktion ASiR som et nyt tiltag i forhold til reduktionen af metalartefakter. På sygehus X anvendes en dual energy (DECT) protokol til at scanne patienter med aseptisk løsning af THA. Med denne opgave belyses derfor, i hvilken grad det er muligt, at reducere mængden af metalartefakter, når DECT protokollen erstattes af en ligeså dosisgivende single energy CT(SECT) protokol tillagt ASiR. Metode: Et eksperimentelt fantomforsøg, hvor to hjemmestøbte gelatinefantomer blev anvendt. Det første fantom bestod af en hofteprotese indstøbt i en gelatinemasse, mens det andet fantom udelukkende bestod af gelatine. På hver af de to fantomer blev der, på en GE 64 slice Discovery CT750 HD scanner, udført henholdsvis 5 DECT- og 5 SECT scanninger. Efterfølgende blev SECT scanning-erne tillagt 10 forskellige grader af ASiR, i intervallet 0-100%. Metalartefakterne på de forskellige scanninger blev analyseret vha. subtraktionen af to billeder, hvor et interval af normalt forekommende pixels subtraheres fra det artefaktfyldte billede. Konklusion: Forsøget viser, at det med ASiR er muligt at reducere mængden af metalartefakter signifikant(p=7e-09). Den grad af ASiR, der er mest effektiv til reducering af metalartefakter, er ASiR 100%, hvor der ses en samlet reduktion på 5%. Dog viser forsøget en tendens(p=0,06) til, at DECT protokollen er den mest effektive teknik af de to, da der her blev set en metalartefakt reduktion på i alt 10%. Kontaktoplysninger: Camilla Anna Lynggaard: calynggaard@gmail.com, Jeannette Petersen: entja87@gmail.com, Kirstine L. V. Schneider: kirstineschneider@yahoo.dk

5 Indholdsfortegnelse Hyppigt anvendte forkortelser Indledning Problemfelt Problemstillinger Problemafgrænsning Problemformulering Forskningsspørgsmål Design Valg af litteratur Valg af metode Videnskabsteoretisk paradigme Valg af forskningsmetode Videnskabelige kriterier Juridiske og etiske overvejelser Valg af artikel Artikelsøgning Artikelanalyse Vurdering af artikel Teorifremstilling Metalartefakter Beam hardening Photon starvation Partial volume Streaking artefakter Shading artefakter Måling af metalartefakter Aseptisk løsning og billedlige fund Aseptisk løsning Billedlige fund Billedkvalitet Dual energy CT... 33

6 8.4.1 Dual Energy Tilgange til dual energy Dual energy og metalartefakter Rekonstruktionsalgoritmer Filtered Back Projektion Iterativ rekonstruktioner Adaptive Statistical iterative Reconstruction Empiriindsamling Pilotforsøg Forsøgsopstilling Materialebeskrivelse Uddybning af protokolopsætning Fremgangsmåde Planlægning Udførelse Databehandling Metode til måling af metalartefakter Statistiske metoder Statistiske tests Resultater Bias/metodekritik Diskussion Konklusion Perspektivering Referenceliste Bilagsliste... 69

7 Hyppigt anvendte forkortelser 7/69

8 1. Indledning I sygehusvæsenet er den diagnostiske radiografi et redskab, der siden introduktionen i 1896 har gennemgået en konstant udvikling(1). Denne udvikling har medført en bred anvendelighed, hvilket gør den til et uundværligt redskab på det moderne sygehus(1). Til trods for, at den diagnostiske radiografi er blevet anvendt gennem mange årtier, findes der stadig uløste problemer i forbindelse med visse radiologiske undersøgelser. Ved modaliteten computer tomografi (CT) ses der en aktuel problematik i forbindelse med CT-scanninger af patienter med indopererede metalobjekter. Dette skyldes at der grundet de metalliske objekter opstår artefakter, som kan vanskeliggøre diagnosticeringen af det omkringliggende væv(2). Patienter med total hoftealloplastik(tha) er et eksempel på en patientgruppe, hvis diagnostiske udbytte af en CTscanning påvirkes af de metal inducerede artefakter(3). I dag er der udviklet flere teknikker og algoritmer der kan reducere mængden af metalartefakter. Dual energy CT(DECT) teknikken og metal artifact reduction(mar) algoritmen er to eksempler på værktøjer, der er udviklet b.la. til reduktionen af metalartefakter. Selvom disse har vist sig anvendelige til reducering af metalartefakter, er det til stadighed et problem at billedkvaliteten i CT influeres af metalartefakter(4)(5 s. 532). Derfor ses der fortsat et grundlag for at tiltag, der kan reducere metalartefakter, videreudvikles, således at diagnosesikkerheden for patienter med THA højnes. Adaptive Statistical iterative Reconstruction (ASiR) er en algoritme, der ifølge studier har vist at kunne reducere metalartefakter og højne diagnosesikkerheden ved patienter med stent i koronararterierne(6). Derfor vil denne opgave undersøge hvorvidt ASiR algoritmen kan bruges til at reducere metalartefakter på større metalliske implantater som THA. 2. Problemfelt I dette afsnit vil en række problemstillinger, som ses i forbindelse med CT scanninger af THA (THA-scanning), udfoldes. Det vil i hver problemstilling fremgå hvad problemet er, hvorfor det er et problem og hvem det er et problem for. Dernæst vil der ske en indkredsning af problemstillingerne, hvor problemfeltet afgrænses til en endelig problemformulering. 2.1 Problemstillinger Der er i de sidste 10 år set en stigning af patienter der får foretaget THA operationer og denne stigning ser kun ud til at fortsætte. Antallet af udførte THA var i 2004; mens det ti år senere i 2014 var steget til , hvilket er en stigning på 37,65%(7). 8/69

9 Væksten i antallet af udførte THA operationer resulterer i, at flere patienter oplever komplikationer og derfor må reopereres. Dette sker på trods af, at ortopædkirurgerne har udviklet større rutine i denne type operationer(8). Den hyppigste årsag til reoperationer af THA, er aseptisk løsning af protesen(9 s. 533). En årsag til aseptisk løsning kan skyldes protesematerialets begrænsede levetid, samt at de ældre i dag er mere aktive i en sen alder og derfor hurtigere slider deres hofteproteser(10). Dette skaber problemer for både patienter og samfund. For patienterne kan komplikationer i forbindelse med THA nedsætte deres livskvalitet, idet deres sygdomsbillede ændres(11). For samfundet kan det skabe problemer i form af øgede omkostninger til eksempelvis hospitalsregninger, sygedagpenge og genoptræningspakker(12). Der findes i dag flere billeddiagnostiske muligheder til diagnosticering af aseptisk løsning. Konventionelle røntgenbilleder af pelvis kan indledningsvis give et billede af, hvorvidt der er løsning af protesen eller ej og anvendes derfor som primærmodalitet ved stillingskontroller. Som supplerende modalitet har CT vist sig mere effektiv til fremstillingen af løsningens fulde volumen(13). En ulempe ved at anvende CT frem for konventionel røntgen er en højere dosisbelastning. Ved et konventionelt røntgenbillede af pelvis gives en effektiv dosis på 1 msv, mens der til en pelvis CT gives 10 msv. Dette er et problem for patienten, da denne udsættes for en højere dosis, hvilket kan resultere i en større risiko for, at patienten udvikler stokastiske skader som f.eks. en stråleinduceret cancer(14). Det er derfor af stor vigtighed, at det diagnostiske udbytte af undersøgelsen, opvejer ulemperne ved den høje strålebelastning (15). Diagnosesikkerheden af en pelvis CT scanning afhænger i høj grad af billedkvaliteten. En god diagnostisk billedkvalitet kan imidlertid være svær at opnå ved CT scanninger af patienter med THA(13). Dette skyldes at den metalliske protese skaber en højabsorption af strålerne, hvilket resulterer i metalartefakter(5 s ). Metalartefakterne kan for det første besværliggøre eller hindre radiologernes arbejde med at diagnosticere området omkring protesen(3). For det andet kan patienten risikere ikke at få stillet den rette diagnose og vil heraf kunne blive udsat for unødige smerter(9 s. 534). For at højne billedkvaliteten og derved de diagnostiske muligheder, har CT producenterne gennem tiden forsøgt at reducere metalartefakter med diverse applikationer og tekniske muligheder(16). Selvom reduktionen af metalartefakter i mange år har været et emne af stor forsknings- og udviklingsmæssig interesse, er der til dags dato 9/69

10 endnu ikke fundet nogen robust og effektiv metode til at løse problemet(17 s. 208). Begrænsningen af de tekniske muligheder er problematisk for patienter med THA, da det diagnostiske udbytte forringes. Derudover har det også samfundsmæssige omkostninger, da diagnoseusikkerheden kan medføre længere og mindre efficiente patientforløb(12). En meget omdiskuteret mulighed for at reducere metalartefakter er Metal Artefact Reduction (MAR), der er et pre- og post processingsværktøj, som vha. matematiske beregninger behandler rådataen og herigennem mindsker metalartefakter(18). Dog viser studier, at MAR rekonstruktionen kan medføre for en forringelse af billedkvaliteten, hvilket skyldes en såkaldt overkorrektion(4). Den forringede billedkvalitet kan få konsekvenser for patienterne, idet et misvisende billede af anatomiske strukturer og eventuelle patologier kan føre til fejlagtige og mangelfulde diagnostiske konklusioner (16). DECT teknikken er en anden aktuel mulighed til reducering af metalartefakter. Til billeddannelsen udnytter denne teknik, at kroppens væv har forskellige lineære svækkelseskoefficienter ved forskellige strålingsintensiteter(19). Da teknikken er hardwarebaseret, er muligheden for at lave DECT billeder begrænset af, at disse kun kan produceres på specifikke DECT scannere. Fordi der er tale om en ny scanningsteknik, er det tænkeligt, at ikke alle sygehuse har en sådan scanner. Dette kan være et problem for patienter såvel som sundhedsvæsnet som organ. For sundhedsvæsenet er det problematisk, da netop de diagnostiske fordele, der ses ved DECT muligvis ikke kan tilbydes på et landsdækkende plan. Alternativt må patienter med behovet for en DECT overflyttes eller henvises til sygehuse i andre regioner. En sådan overflyttelse eller henvisning kan, for patienterne, skabe en oplevelse af et usammenhængende patientforløb(20). DECT teknikken har desuden den ulempe, at teknikken ofte medfører en øget dosisbelastning til patienten(21). En helt tredje mulighed for at reducere metalartefakter er de iterative rekonstruktionsalgoritmer(ir). Disse er i årevis blevet brugt på landets radiologiske afdelinger, som et støjreducerende værktøj. Dog har IR vist sig fordelagtig i andre sammenhænge. Forskellige empiri og litteraturstudier beskriver f.eks., hvordan IR også kan have en reducerende effekt på artefakter, heriblandt metalartefakter(22). En ulempe ved IR er at, hvis de benyttes i en for høj grad, vil støjniveauet i billederne være så lavt, at billederne visuelt kan virke voksagtige(22). Ifølge artikler bør et højt niveau af ASiR ikke have nogen indflydelse på diagnosticeringen(23). Det ændre dog ikke på, 10/69

11 at radiologerne, på nuværende tidspunkt, ikke er vant til at diagnosticere på de støjfrie billeder(24). 2.2 Problemafgrænsning I denne opgave tages der udgangspunkt i THA-scanninger. Den THA-protese, der vil blive undersøgt, er af materialerne titanium, rustfrit stål og plastik(bilag 1). Protesen anvendes som standard og er af typen plastik mod metal(25). Baggrunden for denne afgrænsning er at der ved THA-scanninger endnu ikke er fundet nogen effektiv metode, til at reducere metalartefakter og sikre patienternes diagnose. Hverken MAR softwaren eller DECT applikationen har vist sig at kunne reducere metalartefakterne på et tilfredsstillende niveau(4). Derfor er der behov for at undersøge andre og mere holdbare løsninger. Projektet laves i samarbejde med sygehus X. Grundet MAR s tendens til overkorrektion, har man på sygehus X fravalgt at anvende denne rekonstruktion i klinisk praksis(4). Derfor vil problemstillingen omhandlende MAR softwaren ekskluderes i denne opgave. IR bruges i dag primært til at nedsætte dosis til patienten ved at reducere billedstøjes. I denne opgave fravælges det at benytte IR til reduktion af dosis. I stedet undersøges omfanget af IR algoritmens anvendelighed ift. reduktion af metalartefakter, opstået ved en THA-scanning. Det er relevant at undersøge netop IR, da denne allerede er et implementeret værktøj i klinisk praksis og kommercielt findes hos alle scanfabrikanter(22). I denne opgave vil der blive udført et eksperimentelt forsøg på sygehus X, hvor man har CT-scannere af mærket General Electrics Healthcare(GE). GE har udviklet deres egen udgave af IR algoritmen, der kommercielt går under navnet ASiR. GE har ligeledes udviklet deres egen unikke tilgang til DECT teknikken, nemlig Gemstone Spectral Imaging(GSI). Denne teknik anvendes, når der på sygehus X foretages THA-scanninger. Opgaven vil derfor afgrænses til at undersøge, hvordan GE s udgave af IR algoritmen ASiR kan anvendes på en single energy CT(SECT) til reduktion af metalartefakter. På baggrund af dette vil opgaven afgrænses til at undersøge, hvordan ASiR kan anvendes på en SECT til at reducere metalartefakter. Efterfølgende vil resultaterne kunne sammenlignes med den GSI protokol, der anvendes på sygehus X til THA-scanninger. Her det vil blive undersøgt, hvorvidt ASiR kan åbne op for nye innovative løsningsforslag til metalartefakt reduktionen. 11/69

12 Formålet er som sagt ikke at minimere dosis. Derfor vil dosis ved SECT scanningerne blive holdt i et niveau, der er sammenligneligt med den dosis, der gives ved førnævnte GSI protokol. 2.3 Problemformulering I hvilken grad er det muligt at reducere mængden af metalartefakter ved en CT scanning af en total hoftealloplastik obs. aseptisk løsning, når GSI protokollen på sygehus X erstattes af en lige så dosisgivende single energy protokol tillagt ASiR? 2.4 Forskningsspørgsmål Den opstillede problemformulering er efterfølgende blevet operationaliseret (bilag 2) og følgende forskningsspørgsmål er heraf blevet udarbejdet. 1. Hvordan manifesteres metalartefakter på et CT billede og hvordan måles de? 2. Hvilke billedlige fund ønsker man fremstillet ved løsning af hofteprotesen? 3. Hvilke forskelle er der på dual energy og single energy CT? 4. Hvordan påvirker rekonstruktionsalgoritmen ASiR billedkvaliteten? 5. Hvordan er protokollen på sygehus X sat op? 3. Design I det kommende afsnit vil der være en beskrivelse af opgavens design. For at belyse den opstillede problemformulering vil ovenstående forskningsspørgsmål løbende blive besvaret. Før den egentlige besvarelse kan finde sted, vil opgavens videnskabelige paradigme og forskningsmetoder defineres i afsnit 5 omhandlende metoden. Dette vil danne ramme og grundlag for, hvordan opgaven udformes samt hvordan problemformuleringen besvares. I afsnit 7.2 omhandlende analyse af den valgte hovedartikel vil der være et kort referat af artiklens indhold. Artiklen vil blive brugt til at skabe belæg for, hvordan vi i dette projekt har valgt at stille forsøget op. Den væsentlige teori, vil i afsnit 8 blive gennemgået, således at forskningsspørgsmålene angående metalartefakter, løsning af protesemateriale samt spørgsmålet omhandlende DECT og SECT teknikkerne besvares. Herudover vil der skabes en teoretisk baggrund for besvarelsen af forskningsspørgsmålet omhandlende rekonstrukti- 12/69

13 onsalgoritmen ASiR og billedkvalitet. Desuden vil afsnittet skabe et grundlæggende teoretisk ståsted for læseren før diskussionen. For at kunne besvare problemformuleringen er der opstillet et eksperimentelt forsøg. I afsnit 9 som omhandler projektets empiriindsamling, er forsøgsopstillingen og fremgangsmåden beskrevet illustrativt. I dette afsnit vil besvarelsen af forskningsspørgsmålet ang. GSI protokollens opsætning blive besvaret, hvilket sker igennem en grafisk fremstilling af de valgte parameter indstillinger. Disse indstillinger afspejler den protokol, der normalt bruges på sygehus X. Databehandlingen i afsnit 10 vil indeholde en gennemgang af hvordan, der ud fra CT billederne er blevet lavet en objektiv måling af metalartefakterne. Her vil det også beskrives hvilke statistiske metoder og tests, der er brugt til at analysere dataen. De endelige resultater vil efterfølgende blive fremstillet både deskriptivt og prædiktivt i afsnit 11. De fejlkilder, som opstod i forbindelse med udførelsen af forsøg og databehandling vil blive fremstillet i afsnit 12. Forsøgets resultater vil i diskussionen i afsnit 13 blive holdt op imod den anvendte metode, teori og de opståede bias. Herigennem skabes et nuanceret grundlag for at kunne besvare opgavens problemformulering endeligt. Besvarelse vil finde sted i konklusionen i afsnit 14. Perspektiveringen vil være opgavens afsluttende afsnit. Her vil nye originale og innovative perspektiver i forhold til opgavens anvendelsesmuligheder og opfølgende studier udfoldes. 4. Valg af litteratur I dette afsnit vil en argumentation for valget af den primære litteratur finde sted. Seeram, Euclid: Computed Tomography. 3. udg E. Seeram har en ph.d. i Philosophy, Science, Dentistry and Health Sciences. Han er desuden Honorary Senior Lecturer ved University of Sydney. Han har undervist på British Columbia Institute of Technology Burnaby, BC Canada og har undervejs skrevet den anvendte bog. Der er gode kildehenvisninger igennem hele bogen, den er letlæselig og giver et grundlæggende indblik i CT(26). Til trods for at den er 6 år gammel er det en af de nyeste lærebøger på markedet. I denne opgave vil bogen blive anvendt til redegørelsen af grundlæggende CT principper. 13/69

14 Hsieh, Jiang: Computed Tomography principles, Design, Artifacts, and Recent Advances. 2. udg J. Hsieh har siden 1989 været chef forsker ved GE-healthcare, og er derudover Adjunct Professor inden for Medical Physics ved University of Wisconsin-Madison(5 s. 557). Han har i mange år undervist og forsket i netop CT. Bogen anvendes i denne opgave til redegørelsen for grundlæggende principper indenfor CT. Petersen, Esben Nederskov og Caroline Schaffalitzky de Muckadell: Videnskabsteori Lærebog for sundhedsprofessionelle. 1.udgave, 1.oplag, E. N. Petersen har en ph.d. i filosofi og arbejder som adjunkt ved SDU(27). C.S. de Muckadell har en ph.d. i filosofi, arbejder som lektor ved SDU og har fået publiceret adskillige artikler(28). Begge arbejder aktivt med filosofien og videreformidling af denne. Bogen vil blive anvendt som et arbejdsredskab til at skabe en grundforståelse inden for videnskabsteori. Lindahl, Marianne: Den sundhedsvidenskabelige opgave: Vejledning og værktøjskasse. 2.udgave 1.oplag, M. Lindahl er uddannet fysioterapeut. Via sin masteruddannelse har hun stiftet bekendtskab med metodefaget inden for skriftlige opgaver. Siden har hun undervist- og vejledt i videnskabsteori på diplom uddannelser tilknyttet University College Sjælland(29). Bogen giver et overskueligt indblik i opstillingen og indholdet af en videnskabelig opgave. Larsen, Anne-Lise Salling og Hans Vejleskov: Videnskab og forskning - en lærebog til professionsuddannelser. Gads forlag, A. S. Larsen er dr. med., og tidl. forskningsprofessor i klinisk sygepleje ved Odense Universitet ( ). Hun har bred erfaring både som klinisk forsker, underviser i forskningsmetodologi og som censor og vejleder ved forskningsprojekter. H. Vejleskov er uddannet lærer og mag.art. i psykologi, og har siden 1974 været professor i udviklingspsykologi ved Danmarks Pædagogiske Universitet(30 s. 150). Bogens målgruppe er de professionsrettede mellemlange videregående uddannelser, som f.eks. sygeplejerske, jordemoder, ergo- og fysioterapeut, radiograf mv. I opgaven bruges bogen til at redegøre for valget af forskningsmetode. 14/69

15 Kruuse, Emil: Kvantitative forskningsmetoder - i psykologi og tilgrænsende fag. 1. bogklubudgave 1. oplag E. Kruuse har en candidat i psykologi fra 1996(31). Bogen henvender sig primært til psykologi- medicin og sygeplejestuderende og beskriver de kriterier en kvantitativ opgave skal opfylde, samt hvilke fremgangsmåder der knytter sig hertil(32 s. 7). Bogen vil blive brugt i metodeafsnittet til gennemgangen af datakvalitetskriterierne. 5 Valg af metode I det kommende afsnit vil der blive redegjort for det videnskabsteoretiske perspektiv. Derudover vil der i forhold til opgavens problemformulering være en argumentation for valget af paradigme samt forskningsmetode. Til sidst vil der være en kort gennemgang af de kriterier, der gør sig gældende for den valgte forskningsmetode, samt en kobling af disse til opgaven. 5.1 Videnskabsteoretisk paradigme Videnskabsteori er en filosofisk disciplin, der forsøger at beskrive, hvorledes de forskellige videnskaber betragter metoder, sandhedskriterier og forudsætninger. Man taler om de 4 videnskabsteoretiske hovedområder; human-, natur-, samfunds- og sundhedsvidenskab(33 s ). I en radiograffaglig kontekst bevæger man sig oftest i det humanistiske og naturvidenskabelige paradigme, hvilket også er tydeliggjort i definitionen af radiografi. Her beskrives radiografi som en symbiose mellem viden om mennesket og viden om teknologien(34 s. 4). Human- og naturvidenskaben betragtes ofte som hinandens diametrale modsætninger. Humanvidenskaben anvender primært kvalitative metoder, til at kortlægge den oplevede verden, som f.eks. menneskets tænkning. Naturvidenskaben søger derimod at opnå viden om den fysiske verden gennem eksperimenter og udprægede kvantitative undersøgelser(33 s. 9-12). Denne opgave vil forsøge at belyse, i hvilken grad ASiR kan reducere mængden af metalartefakter. For at anskueliggøre dette, vil problemet blive betragtet fra et naturvidenskabeligt perspektiv, hvor der må foretages kvantitative målinger af de fremkomne metalartefakter. En af grundtankerne inden for naturvidenskaben er positivismen(33 s. 155). På et filosofisk plan er det centrale element i positivismen, at sandheden skal findes i det der kan bekræftes af logiske grundprincipper eller direkte observationer. Dette kan kun lade sig gøre via en logisk analyse og/eller empirisk udforskning af virkeligheden. For positivisterne er metafysiske tanker som overnaturlige kræfter og guddommelig- 15/69

16 hed derfor meningsløse udsagn(33 s ). Når der arbejdes ud fra den positivistiske tankegang opstilles der normalt en hypotese. For at opstille en hypotese er det nødvendigt, at man har en klar forventning til hvad forsøgets resultater vil vise. Fordi dette projekt omhandler et emne, der, os bekendt, ikke før har været undersøgt, kan vi umiddelbart ikke opstille et postulat om i hvilken retning resultaterne vil gå. Derfor er den hypotetiske tilgang fravalgt og en problemformulering er opstillet. (35 s. 131, 195). 5.2 Valg af forskningsmetode Grundlæggende kan alt forskning deles op i fire typer: Beskrivende-, forklarende-, forstående- og handlingsrettet forskning (figur 1). Hver type har sin egen karakteristika, som kan kædes sammen med bestemte videnskabsteoretiske perspektiver. Til hver forskningstype knytter sig desuden specifikke forskningsmetoder(30 s ). Figur 1 fremstiller hvilket hovedspøgsmål, der karakteriserer hver af de 4 forskningstyper I følge ovenstående opdeling af forskningstyper, anses opgavens problemformulering som værende forklarende(30 s. 35) I projektets opstartsfase blev forskellige forskningsmetoder inden for den forklarende, kvantitative forskning vurderet. De forskningsmetoder der blev vurderet til dette projekt var hhv. retrospektiv undersøgelse i form af en audit, Visual Grading Analysis (VGA) og et eksperimentelt forsøg. Ved en audit undersøgelse vil metalartefakterne blive målt på tidligere udførte scanninger, ved at der efterfølgende lægges forskellige grader af ASiR på en række SECT scanninger. Dette kan imidlertid ikke lade sig gøre, da alle THA patienter på sygehus X scannes iht. GSI protokollen. Derfor foreligger der ikke nogen SECT scanninger med tilgængelig rådata. Såfremt forsøget gennemføres som en audit, vil det betyde, at alle patienter enten scannes to gange eller at patienterne skal opdeles i to grupper. Heraf vil den ene gruppe få en GSI scanning og den anden gruppe vil få en SECT scanning. For begge tilgange er der et strålehygiejnisk og forskningsetisk aspekt, der kan hindre undersøgelsen. Dette vil blive yderligere uddybet i afsnit 6 juridiske og etiske overvejelser. Ved VGA undersøgelsen vil dataene skulle indsamles på samme måde som ved audit undersøgelsen. Billedkvaliteten vil her blive vurderet af radiolo- 16/69

17 ger, som vha. opstillede kriterier scorer den diagnostiske billedkvalitet på en skala fra 1-5. Ved VGA undersøgelsen ses samme etiske barrierer som ved audit undersøgelsen. Ud over audit og VGA undersøgelse kan metodetriangulering skabe en mere nuanceret anskueliggørelse. Her undersøges de objektive resultater fra et kontrolleret fantomforsøg i sammenhæng med radiologernes subjektive vurdering af billederne. Ved en sådan metodetriangulering er anvendeligheden i klinisk praksis et omdrejningspunkt. En undersøgelse byggende på metodetriangulering er en omfattende og ressourcekrævende proces. I forhold til de ressourcer, der er afsat til dette projekt, er det urealistisk at skulle foretage en metodetriangulering. Med afsæt i ovenstående overvejelser er opgavens forsøg opstillet som et ægte eksperimentelt forsøg. Det eksperimentelle forsøg er en forskningsmetode, der er karakteristisk for den naturvidenskabelige, forklarende forskning. Ægte eksperimenter er udført i laboratorie miljøer. Her kan man med stor sikkerhed udelukke udefrakommende faktorer, der kan influere på både den afhængige og uafhængige variabel(30 s ). Det ægte eksperiment i denne opgave udføres som et fantomforsøg. Her undersøges problemformuleringen under omstændigheder, der muliggør en kontrol af variabler. Samtidig omgås de forskningsetiske aspekter, fordi patientinddragelse ikke er en nødvendighed. Dataindsamlingen vil ske ved kvantitative målinger af metalartefakter. Fordelen ved den kvantitative data er, at denne er egnet til videre bearbejdelse i form af statistiske beregninger, hvilket er behjælpeligt, når problemformuleringen skal besvares, samt når man ønsker at afgøre, hvorvidt det fundne resultat er signifikant eller ej(33 s ) Videnskabelige kriterier I positivismen taler man om de 10 positivistiske videnskabskriterier; systematik, kontrol, præcision, objektivitet, kvantificerbarhed, repræsentativitet, gentagelse, reliabilitet, validitet og generaliserbarhed(32 s. 29). Mange af Kruuses kriterier overlapper hinanden. Derfor vil videnskabskriterierne i denne opgave inddeles iht. Lausø & Riepers model(1987) for datakvalitetskriterier ved den forklarende forskning(30 s. 34). Af figur 2 fremgår det at den forklarende forskning har visse krav til kvaliteten af den indsamlede data. Disse krav vil i det følgende afsnit blive gennemgået. Figur 2 fremstiller den forklarende forsknings 5 datakvalitetskriterier 17/69

18 Præcision Præcision danner grundlag for hele forskningsprocessen. Her henvises til, hvor præcise de valgte metoder er til at give relevant data og viden(30 s. 36). For at opnå høj præcision skal der refereres præcist til den anvendte litteratur. Herved sikres det at der er belæg for eventuelle påstande. Ligeledes skal der foreligge en veldokumenteret beskrivelse af metode, databehandling, resultater og forsøgsdesign, hvorigennem undersøgelsens gennemskuelighed styrkes(32 s. 30). I denne opgave vil Vancouver standarden blive anvendt til henvisning af kilder, hvilket sikrer opgavens præcision i forhold til den anvendte litteratur. Samtidig vil der kun benyttes litteratur, hvor en kildekritisk gennemgang er blevet foretaget. Derudover vil der ske en præcis beskrivelse af metodedesign, empiriindsamling, databehandling samt datafremstilling. Disse nøjagtige beskrivelser skaber foruden en øget præcision en øget mulighed for gentagelse. Gentagelse beskriver om forsøget og resultaterne kan genskabes uafhængigt af tid og sted, hvilket anskueliggør om resultaterne er et udtryk for en tilfældighed eller noget generelt gældende(32 s. 55). Forudsigelse Forudsigelsen i en undersøgelse bygger på, hvorvidt det, ud fra et forsøgs resultater, er muligt at forudse, hvorledes resultaterne vil fordele sig i fremtidige forsøg(30 s. 36). Man har f.eks. undersøgt THA-scanninger foretaget på en gruppe patienter og fundet, at SECT med ASiR nedsætter metalartefakterne. Forudsigelsen består i om man på baggrund af forsøget kan forudse om alle patienter, der fremover scannes med samme teknik tilsvarende vil opnå mindre artefaktfyldte billeder. For at få et indblik i forudsigelsen af en undersøgelse, kan man benytte sig af statistiske beregninger. Her kan man med tal beskrive, hvor sandsynligt det er, at et resultat er signifikant, en tendens eller om der tale om en regulær tilfældighed. For at de statistiske beregninger kan finde sted, må datamængden være kvantificerbar, hvilket betyder at det skal kunne udtrykkes i tal(32 s. 37). Derfor foretages der i opgavens forsøg kvantitative målinger af metalartefakter. Disse behandles statistisk og resultatet af undersøgelsen vil blive fremstillet vha. både deskriptivt og prædiktiv statistik. Reliabilitet Reliabilitet er pålideligheden og nøjagtigheden af de opnåede resultater. Reliabiliteten afhænger i høj grad af, at resultaterne og undersøgelsen ikke er farvet af forskerens egen subjektive holdning og overbevisning(32 s ). En objektiv forsker vil fremstille virkeligheden som den faktisk er, ved at anskue denne ufarvet og nøgtern(32 s ). Derfor er objektiviteten i et forklarende, kvantitativt projekt vigtig. I dette projekt vil objektiviteten og dermed reliabiliteten opnås, ved at der 18/69

19 vælges et forsøgsdesign, hvor mængden af metalartefakter undersøges vha. kvantitative målinger, som kan analyseres statistisk. På denne måde undgås det at dataindsamlingen og dataanalysen udsættes for subjektive vurderinger. Reliabiliteten af en undersøgelse bygger desuden på, at andre uafhængig af tid og sted skal kunne gentage forsøget og få samme resultater(30 s. 45). For at imødekomme dette dokumenteres forsøgsopstillingen med billeder og udførlige beskrivelser. Validitet Ordet validitet rummer en tvetydighed. På den ene side refererer validitet til, at de argumenter og kilder, der anvendes er gyldige og troværdige. På den anden side betyder validitet i forskningssammenhæng, at det, der undersøges i et empirisk studie rent faktisk også er det, der ønskes undersøgt (konsensus)(33 s. 85). Konsensus mellem problemformulering, forsøgsdesign og konklusion skabes i denne opgave vha. operationaliseringen, der udmunder i en række relevante forskningsspørgsmål. Derudover er den systematiske tilgang afgørende for konsensus og bør være til stede i alle stadier af arbejdsprocessen. Systematik betyder at fremgangsmåden og resultaterne ikke er præget af tilfældigheder(32 s. 29). For at sikre systematik i dette projekt, vil der foreligge en stringent planlægning af forsøgsdesign, empiriindsamling, datafremstilling og databehandling. Via den systematiske tilgang til forsøget og ved at forholde sig til udefrakommende faktorer og andre fejlkilder, sikres forsøgets kontrol. Ved høj kontrol sikres det, at det udelukkende er den uafhængige variabel som er ansvarlig for resultatet(32 s. 29). I dette projekt er den afhængige variabel graden af metalartefakter, mens den uafhængige variabel er graden af ASiR. For at sikre kontrollen i det opstillede forsøg, holdes alle variabler, der kunne tænkes at have indflydelse på resultaterne, konstante. Konkret betyder det at parametre som eksempelvis ma, kv, pitch og scanfelt ikke ændres gennem hele forsøget. ASiR ændres som det eneste parameter gennem forsøget, hvor graden af metalartefakter på de hertil svarende billeder undersøges. Generaliserbarhed Generaliserbarhed omhandler, hvorvidt man ud fra et enkelt eller få tilfælde kan overføre det fundne til samtlige tilfælde, og dermed sige noget generelt(32 s ). For at højne generaliserbarheden må man betragte repræsentativiteten af en undersøgelse. Repræsentativiteten afhænger af den population, der ligger til baggrund for dataindsamlingen. Ved en høj repræsentativitet afspejler populationen helheden, som den tages fra(32 s ). I det aktuelle forsøg er der valgt et gelatinefantom med indsat hofteprotese. Dette begrænser repræsentativiteten og generaliserbarheden såfremt man ønsker at overføre resultaterne direkte til mennesker. Til gengæld 19/69

20 kan man sikre, at sandsynligheden for, at de fundne resultater ikke er opstået tilfældigt. Dette gøres ved at udføre et tilstrækkeligt antal målinger af metalartefakternes udbredelse. I denne opgave vil hver scanning gentages 5 gange, hvilket gør det muligt at udføre prædiktiv statistik. 6. Juridiske og etiske overvejelser Der vil i dette afsnit blive redegjort for, hvilke juridiske og etiske overvejelser vi har gjort os i forbindelse med vores empiriindsamling. Når der arbejdes med kvantitative forskningsmetoder, er det vigtigt at inddrage juridiske og etiske overvejelser i forhold til den anvendte forskningsmetode. Derfor tages der, før udførelsen af forsøget, stilling til de fire etiske retningslinjer for sygeplejeforskning i Norden; princippet om autonomi, princippet om at gøre godt, princippet om ikke at gøre skade og princippet om retfærdighed(36). Princippet om autonomi handler om menneskets selvbestemmelsesret og om kravet til, at der skal være givet informeret samtykke til forskningen(36). Da vi i vores forsøg anvender et fantom, er der ikke nogen direkte problemstilling i forhold til autonomi. Dog er der før udførelsen af forsøget søgt tilladelse fra sygehus X, til at udføre forsøget på deres CT-scanner, med udgangspunkt i deres protokoller. Dette gøres pr. mail ved at fremlægge den opstillede problemformulering. Princippet om at gøre godt handler om, at al forskning skal kunne være til potentiel nytte for den eller de grupper, forskningen knytter sig til(36). Dette princip vil blive opfyldt, idet projektets overordnede formål er at kvalitetssikre og mindske metal artefakter ved THA-scanninger. For at opfylde princippet om ikke at gøre skade, som handler om at forudse evt. negative konsekvenser og muligheder for at minimere disse, er der i dette projekt valgt at udføre et fantomforsøg. Såfremt forsøget udføres på patienter ville dette ikke være strålehygiejnisk forsvarligt(15 66). Det fjerde og sidste princip retfærdighed, tager hensyn til at de svage grupper i forskningen ikke må udnyttes. Ydermere er en vigtig vinkel på dette princip, at der udvikles ny viden om og muligheder for at hjælpe alle patientgrupper(36). Dette princip kommer ikke direkte i spil i projektet, da fantomforsøget ikke involverer patienter, der vil kunne betragtes som en svag gruppe. Dog stiler projektet efter at finde nye CT diagnostiske muligheder for patienter med THA. 20/69

21 7. Valg af artikel I dette afsnit vil der ske en dokumentation af den anvendte søgestrategi, en analyse af den udvalgte hovedartikel samt en vurdering af denne. 7.1 Artikelsøgning Når man ønsker indsigt i den nyeste viden på et område, bør man rette blikket mod videnskabelige artikler(35 s. 211). For at fremskaffe disse artikler foretages en litteratursøgning. Som første trin i litteratursøgningen overvejes følgende: - Hvilket klinisk spørgsmål ønskes besvaret? - Hvilken type litteratur søges? - Hvor skal litteratursøgningen finde sted? - Hvilken søgestrategi vil man benytte?(37 s. 40) I denne opgave arbejdes der ud fra en problemformulering. Denne vil blive anvendt som det kliniske spørgsmål. Den litteraturtype, som ønskes til besvarelsen er videnskabelige artikler. Derfor er søgningen primært blevet foretaget på den online artikel database pubmed. Pubmed er en søgedatabase, der henvender sig til sundhedsfaglige specialer. Siden er udviklet og styret af National Center of Biotechnology Information (NCBI) at the U.S. National Library of Medicine. Databasens artikler har gennemgået en kritisk vurdering, således at databasens egne standarder til kvalitet og indhold imødekommes(38). Før søgningen på pubmed blev en indledende litteratursøgning foretaget. Her blev artikeldatabasen Google Scholar anvendt. Google Scholar er et søgeværktøj, som er målrettet til søgning efter videnskabelig litteratur. Scholar henvender sig primært til den brede litteratursøgning, da den inkluderer stof fra mange fagområder og henviser til både bøger, afhandlinger, videnskabelige artikler samt andre dokumentdatabaser. Nogle af de artikler og bøger, der anvendes som belæg i opgaven er fundet i den indledende søgning på Scholar(39). Fordi Scholar og pubmed er internationale artikeldatabaser, vil søgningen foregå på engelsk. Som redskab til den aktuelle søgning benyttes primært en systematisk søgestrategi, hvilket suppleres med en kædesøgning 7. Til at udføre den systematiske litteratursøgning er PICOT modellen 8 blevet anvendt. Her er problemformuleringen blevet opdelt iht. modellen og efterfølgende indsat i en såkaldt søgematrix(se figur 3). I søgematrixen udfoldes problemformuleringens forskellige begreber og fagtermer. 7 Kædesøgning går ud på, at man via referencelisterne på den fundne litteratur henvises til ny 8 PICOT: Population, Intervention, Comparison, Outcome, Time 21/69

22 Disse anvendes i selve søgningen som søgeord og kombineres med de boolske operatorer; AND, OR og NOT, således at søgningen enten gøres bredere eller indkredses(40 s )(37 s. 34). Figur 3 viser hvordan den opstillede problemformulering er sat i spil i forhold til PICOT modellen. Det ses ligeledes, hvordan de udledte fagtermer er indsat i en søgematrix. Hvordan fagtermerne kombineres ved selve søgningen er illustreret vha. de boolske operatorer i figurens kant. For at finde frem til opgavens hovedartiklen startede vi søgningen med at indsætte fagtermerne; computed tomography OR "CT" AND reducing metal artifacts, hvilket gav 55 resultater. For kun at søge efter den nyeste litteratur på området, blev tidsintervallet fra angivet. Derudover blev kun litteratur på engelsk, tysk, svensk, norsk og dansk inkluderet i søgningen, hvilket indkredsede søgningen til 29 resultater. De artikler med en overskrift, som syntes interessant i forhold til opgavens emne blev udvalgt og disses abstract blev læst. På baggrund af dette blev artiklernes relevans vurderet og de artikler med et relevant abstract blev efterfølgende nærlæst. Efter at have nærlæst artiklen Reducing the effects of metal artefact using high kev monoenergetic reconstruction of dual energy CT(DECT) in hip replacements blev denne udvalgt(41). Udvælgelsen bygger på at udvalgte delelementer fra artiklen kan 22/69

23 anvendes i forbindelse med opsætningen af opgavens forsøgdesign. Især benyttes artiklens metodeafsnit som et hovedargumentet for, hvordan forsøget i denne opgave er opstillet. Målingen og analysen af metalartefakter, vil i denne opgave altså blive udført på samme måde som det er tilfældet i artiklen. 7.2 Artikelanalyse Opgavens hovedartikel(bilag 3) er skrevet af Mark Lewis et. al, som alle har tilknytning til Norfolk and Norwich University Hospital, Norwich UK. Pubmed har modtaget artiklen den 20. februar 2012 og d. 9. juni 2012 er artiklen blevet publiceret på artikeldatabasen. Formålet med artiklens studie er overordnet at forbedre billedkvaliteten i CT for patienter med ortopædkirurgiske implantater. Dette er nødvendigt da metalliske artefakter, såsom beam hardening artefakter, stadig er et problem i forhold til diagnosticeringen af denne patientgruppe. Derfor undersøger artiklens studie, hvorvidt man kan undgå metalliske artefakter, herunder beam hardening artefakter, ved at benytte DECT, hvor monoenergiske rekonstruktioner, med en høj kev bliver anvendt. I artiklens studie blev der anvendt to fantomer. Det første var et hjemmestøbt fantom bestående af en hofteprotese, placeret i en gelatinemasse, hvori der var tilsat iodholdigt kontraststof. Koncentrationen af kontraststoffet var tilpasset således af gelatinen havde en attenuation svarende til 40 Hounsfield Units(HU). Det andet fantom, der blev anvendt i artiklens studie, var af typen CatPhan 500 og anvendes til at undersøge den rumlige opløselighed(ro) og lavkontrast opløseligheden(lko). Disse fantomer blev begge scannet på en Siemens Flash Dual Energy CT-scanner, hvor der blev anvendt en rørstrøm på 100-, 200- og 400 ma og en rørspænding på 100 og 140 kvp. Efterfølgende blev scanningerne rekonstrueret monokromatisk fra kev med intervaller på 10. Datasættene blev herefter kigget igennem på DICOM-vieweren OsiriX v bit, hvor det her blev muligt at indtegne området med artefakter vha. en udvidet region of interest(roi) indtegningsteknik. Datasættet fra hver af de monokromatiske scanninger blev analyseret ved, at der i et snit uden metal blev målt en baggrunds attenuation. Dette blev gjort ved at indtegne en ROI hvori gennemsnit og standard deviation(sd) af HU måles. Herudfra blev der 23/69

24 sat en tærskelværdi for hvilke HU, der kan anses som værende normalt forekommende. Den passende tærskelværdi blev udregnet på det datasæt med de laveste rekonstruktionsparametre (100 ma og 40 kev). Årsagen til dette var, at denne scanning havde den største heterogenitet og dermed det højeste støjniveau. De pixels med værdier uden for tærskelværdien, blev anset for at være påvirket af metalliske artefakter. Resultaterne fra artiklens studie viste, at en øgning af den monokromatiske kev op til 150 kev, gav en reducering af metalartefakter. Eksempelvis var det ved 150 kev muligt, uanset rørstrøm, at reducere metalartefakterne med op til 70%. Ligeledes kunne det ud fra CatPhan forsøget, ses at der op til 150 kev ikke var nogen markant reduktion i LKO og RO. Ved en monokromatisk kev på så man derimod en øgning i mængden af metalartefakter, ligesom der skete en forringelse af LKO og RO. Konklusionen på artiklens forsøg var, at når kev øges op til 150, var det med DECT teknikkens monokromatiske visning muligt at reducere metalartefakterne. 7.3 Vurdering af artikel Når videnskabelige artikler vurderes er det vigtigt at gennemgå disse kritisk. Det vil sige, at man tager stilling til om artiklen overholder datakvalitetskriterierne. Disse omhandler artiklens reliabilitet, validitet, præcision og generaliserbarhed. Desuden er det vigtigt at formidlingen af det undersøgte er tydeligt. Der er i bilag 4 lavet en kritisk vurdering af artiklen iht. ovenstående. Konklusionen af denne vurdering er, at artiklen er relevant i forhold til, hvordan det objektivt er muligt at måle mængden af metalartefakter. Dette er grundet, at artiklens metodiske tilgang er i overensstemmelse med, hvad man ønsker at undersøge, samt at processen er veldokumenteret. Vurderingen viste ligeledes at reliabiliteten, validiteten og genraliserbarheden delvis svækkes pga. det begrænsede antal observationssæt. Vi vurderer dog ikke, at artiklens svagheder på førnævnte punkter har indflydelse på artiklens relevans, fordi den, i dette projekt, primært anvendes som belæg for valget af forsøgsdesign og databehandling. 24/69

25 8 Teorifremstilling I dette afsnit vil forskningsspørgsmålene 1-4 blive besvaret kronologisk vha. teorifremstillingen. 8.1 Metalartefakter I dette afsnit vil begrebet metalartefakter uddybes ift. hvad det er, hvordan de ser ud og hvordan de kan måles. Når patienter får foretaget CT scanninger af hofteproteser og andre højdense objekter vil der på billedet opstå betydelige artefakter. Overordnet kaldes disse artefakter for metalartefakter. I virkeligheden er metalartefakter en sammensætning af artefakttyperne; beam hardening, photon starvation og partial volume, som alle opstår pga. metallets høje absorption. Hvordan artefakterne visuelt kommer til udtryk på billedet afhænger af hvilken artefakttype der er tale om. De visuelle artefakttyper vil blive uddybet i afsnit om streaking artefakter og omhandlende shading artefakter(5 s ) Beam hardening Beam hardening opstår som følge af røntgenstrålingens polyenergiske strålebundt og vævets attenuationskoefficient. Beam hardening afhænger af attenuationkoefficienten, da denne ændres i takt med strålingsintensiteten. Jo højere røntgen intensiteten er, jo lavere er attenuationen. Som følge heraf vil fotonenergien i røntgenspektret gennemgå en forøgelse, når det passerer gennem et objekt. Dette skyldes at de røntgenfotoner med lavere energi i højere grad svækkes, når det interagerer med objektet. Når dette sker, siges det, at strålingen bliver hårdere (heraf beam hardening)(se figur 4) (17 s. 209) 25/69

26 Figur 4 viser den effekt beam hardening har på strålespektrets intensitet, når det passerer gennem forskellige tykkelser af et væv. A: viser det originale strålespektrum, B viser spektret efter, at det har passeret 15 cm vand og C viser spektret efter, det har passeret 30 cm vand (17 s 209). De beam hardening artefakter, der fremkommer når hofteproteser CT scannes, kan komme til udtryk i billedet som både shading- og streaking artefakter. Disse ses som en sort bræmme i forbindelse med dense strukturer(se billede 1). Artefaktet opstår når en række fotoner passerer gennem højdense væv, mens andre kun passerer blødt væv. Heraf vil der ses en uoverensstemmelse mellem røntgenfotonernes hårdhed(5 s. 274).(42) Billede 1 viser beam hardening artefakter i forbindelse med en billateral THA. (42) For at mindske beam hardening artefakter benyttes eksterne filtrere, som bearbejd er strålespektret før det rammer objektet. Filtrene kan bestå af materialer såsom aluminium og kobber og bevirker at strålefeltet gøres hårdere ved at røntgenstråler af lav intensitet frafiltreres. Alternativt kan en højere kv benyttes til at mindske denne artefakttype(5 s ). En anden tilgang til at mindske beam hardening artefakter er via deciderede beam hardening-rekontruktionssoftwares, hvor fænomenet modarbejdes vha. matematiske beregninger(17 s ). Slutteligt har også iterative rekonstruktioner og DECT vist sig effektive i forhold til at mindske forekomsten af beam hardening artefakter(17 s. 210). Disse to teknikker vil blive uddybet i afsnit 8.4 og /69

27 8.1.2 Photon starvation Photon starvation artefakter opstår, når antallet af billeddannende røntgenfotoner er så lavt, at billedkvaliteten forringes. Typisk vil dette ske i kraft af, at der gives for lav dosis til patienten. I disse tilfælde vil der opstå støj-inducerede streak artefakter(se billede 2). I forhold til metalartefakter kan photon starvation forekomme fordi, det billedgivende signal er så lavt, at de strukturer, der ligger bag ved den dense protese, ikke kan fremstilles. Til at mindske photon starvation kan ma og kv øges. Alternativt er de iterative rekonstruktioner fundet nyttige(43 s. 26)(5 s ).(44) Billede 2 viser et CT billede præget af støj-inducerede streak artefakter, forårsaget af photon starvation. (44) Partial volume Partial volume opstår som følge af den lineære attenuationskoefficent i en voxel. Når et objekt scannes, kan en voxel indeholde forskellige væv af varierende densitet. Disse væv svækker røntgenstrålingen i større eller mindre grad. Værdien for hver enkelte voxel udregnes ved den gennemsnitlige svækkelse. Problemet med partial volume opstår, når et væv med en høj svækkelse f.eks. et metallisk objekt delvist medscannes i en voxel. Den høje svækkelse vil influere på den gennemsnitlige svækkelse i den pågældende voxel, som heraf vil antage en forkert gråtone(17 s ). En anden måde hvorpå partial volume kan opstå, er når et højdenst objekt ikke er centreret korrekt i isocentret. Således risikeres det at objektet, grundet det kegleformede strålebundt, ikke medscannes i både AP- og PA retningen(se figur 5). Partial volume artefakter fremkommer visuelt som både shading og streaking artefakter(se billede 3)(5 s ). Figur 5 illustrerer grunden til at partial volumen opstår. Her ses det at et objekt kun delvist er medscannet i et voxel. (5 s. 227) Billede 3 viser den billedlige effekt af partial volumen artefakter. (5 s. 231) 27/69

28 En måde til at reducere partial volume artefakter på, er ved at scanne med tyndere snit. Ønskes tykkere snit kan disse efterfølgende rekonstrueres og den ønskede LKO kan hermed opnås, uden at forekomsten af partial volume artefakter øges(17 s ). Specielt udviklede rekonstruktionsalgoritmer kan også anvendes til reduktion af partial volume artefakter. Disse benytter data fra et artefaktfrit nabosnit til at identificere og fjerne artefakterne fra det endelige CT billede(5 s ) Streaking artefakter Streaking artefakter fremstår ofte som intense lige hyper- eller hypodense linjer på billedet og afbildes ofte parvis. Streaking artefakterne forårsages af fejlaflæsninger i den enkelte projektion. Disse fejllæsninger forstærkes og manifisteres som tydelige linjer under tilbageprojektionen(se billede 4)(17 s. 205). Normalt vil streaking artefakter ikke føre til fejldiagnosticeringer, da patologiske fund ikke er sammenlignelige med streaking artefakternes let-identificerbare udseende. Dog kan streaking artefakter fremkomme i så store mængder, at billedkvaliteten forringes i så høj en grad, at det ikke med sikkerhed er muligt at stille en diagnose(5 s ).(45) Billede 4 viser udbredelsen af streakning artefakter i et billede. (17 s. 205)(45) Shading artefakter Shading opstår ofte nær objekter, vis densitet adskiller sig fra det omgivende væv. Eksempelvis når blødt væv grænser op til knogle eller luftfyldte områder. Shading artefakter kan ses som et større hyper- eller hypodenst område uden klare afgrænsninger til omkringliggende strukturer(se billede 5). Artefaktet bidrager i højere grad til fejldiagnosticering end streaking artefakter. Dette skyldes, at shading artefakter er sværere at identificere, idet de optræder som små ændringer i HU. De små ændringer i HU kan også findes naturligt i organer og ses især i forbindelse med patologiske tilstande. Shading artefakter opstår, ligesom streaking artefakter af fejllæsninger i den enkelte projektion(5 s ). 28/69

29 Billede 5 viser udbredelsen af shading artefakter i et billede. (17 s. 205) Måling af metalartefakter Når man skal undersøge hvor mange metalartefakter der er i et CT billede er der flere måder, hvorpå man kan gribe dette an. Eksempelvis kan man anvende en kvalitativ tilgang, hvor erfarne radiologer vurderer en række billeder. Ved at score disse billeder i en såkaldt VGA undersøgelse kvantificeres vurderingen(46). Man kan også gribe målingen af metalartefakter kvantitativt an. En måde at gøre dette på, er ved at placere ROI s forskellige steder i et CT billede. Ved at sammenligne SD og gennemsnittet af HU i disse ROI s, før og efter en intervention, opnås en information om, hvor mange metalartefakter der er i det givende ROI(46). Principielt er det den samme metode, der benyttes, når støjen i et billede måles(47 s ). En anden kvantitativ metode til at måle mængden af metalartefakter på, er ved at betragte hver enkelte pixelværdi i et billede. Til denne metode anvendes et baseline-billede, der er et billede af et objekt uden metal samt et billede af det samme objekt nu med metal. Ved at trække de pixelværdier, der måles på baseline-billedet fra metal-billedets pixels, kan man finde ud af, hvor mange dårlige pixels der er i billedet med metal. De dårlige pixels udgør derfor mængden af metalartefakter(4). Det kan enten vælges at betragte metalartefakterne over hele billedet(41) eller i mindre områder af billedet vha. indtegnede ROI s(48). 29/69

30 8.2 Aseptisk løsning og billedlige fund I dette afsnit vil der blive redegjort for, hvad aseptisk løsning er, hvordan dette manifestere sig på CT billeder samt hvilke krav, der stilles til billedkvaliteten Aseptisk løsning Når en hofteprotese løsnes er der tale om aseptisk løsning. Aseptisk løsning er en kendt postoperativ komplikation og udgør den hyppigste årsag til reoperationer. Årsagen til aseptisk løsning er sandsynligvis multifaktoriel, men en af de væsentligste faktorer er slid af protesemateriale. Dette skaber slidpartikler, som kan samles omkring protesen(9 s ). Slidpartiklerne kan medføre en fremmedlegemereaktion samt vævsnekrose, hvilket kan accelerere løsningsprocessen(se figur 6)(9 s ). Ved aseptisk løsning opstår der osteolyse, hvor knoglevævet omkring protesen nedbrydes(49 s. 425) Dette efterlader patienterne med smerter og en instabil protese(9 s ). Figur 6 fremstiller de slidpartikler som kan opstå i forbindelse med en THA og som kan resultere i aseptisk løsning. (9 s. 263) 30/69

31 8.2.2 Billedlige fund Når proteseløsning skal diagnosticeres sker det primært via radiologiske undersøgelser og betydningen af en god billedkvalitet er derfor stor. Der findes en række billedlige fund, der kan indikerer aseptisk løsning. I nedenstående figur 7 ses en gennemgang af de billedlige observationer. Figur 7 skaber et overblik over de billedlige fund der kendertegner aseptisk løsning (50) 31/69

32 Alt efter omfanget og graden af disse fund, er det op til radiologerne at vurdere, hvorvidt der er tale om normalvariationer, begyndende- eller decideret proteseløsning(50). Denne vurdering kan være vanskelig at foretage på baggrund af konventionelle røntgenbilleder, hvorfor CT med fordel kan anvendes til at opnå en øget diagnostisk information(13). Modaliteten bruges primært i spørgsmål om infektioner af bløddelene og ledet omkring protesematrialet. Når radiologer kigger på muskuloskeletale CT billeder af pelvis ønskes en god rumlig- og en lav lavkontrastopløsning. Herved kan muskel, ligamenter samt evt infektioner og væskeansamlinger visualiseres og adskilles fra hinanden(51)(52). I næste afsnit vil de væsentlige faktorer, der har indflydelse på den ønskelige billedkvalitet blive gennemgået. 8.3 Billedkvalitet Støj Radiologisk støj defineres som tilfældige signalafvigelser ved en scanning. Disse afvigelser kan medføre mere eller mindre markante ændringer i CT værdierne(47 s. 163). Der findes tre forskellige former for støj; kvantestøj, elektronisk støj eller digitaliseringsstøj. Kvantestøj er støj der opstår på baggrund af et for lavt antal af billeddannende fotoner. Kvantestøj afhænger derfor af variabler som objektstørrelse og vævssammensætning samt scanningsparametre som ma, kv, snittykkelse og pitch. Elektronisk støj opstår på grund af forstyrrelser i det elektroniske kredsløb. Det er især det analoge signal, der er udsat for elektronisk støj. For at mindske den elektroniske støj kan de elektroniske kredsløb, som f.eks. data acquisition systems(das), udvikles og forbedres. Digitaliseringsstøj opstår i kraft af en begrænsning i antallet af billedpixels, heraf er der en begrænsning i forhold til hvor mange forskellige gråtoner, der kan fremvises(26 s ). Når man måler støjen i et billede foregår det ofte ved at man i et homogent område indtegner et ROI, hvori SD måles. SD er derfor, i denne sammenhæng, et statistisk udtryk for støjen i et givent ROI(47 s ). Lavkontrastopløselighed LKO refererer til et systems evne til at differentiere forskellige væv med en lille indbyrdes forskel i HU. Hvor godt LKO visualiseres i et CT billede er i høj grad afhængig af støjen. Jo mere støj der tillades i et billede jo ringere bliver LKO, og omvendt (5 s ). Andre faktorer der kan påvirke LKO er valget af snittykkelse, kv, mas, objektstørrelse/patientstørrelse og rekonstruktionsalgoritmer(5 s. 155). 32/69

33 Rumlig opløsning Den RO i et CT billede beskriver evnen til at adskille små og tætliggende strukturer, hvilket betyder at jo tættere to strukturer ligger på hinanden og stadig kan adskilles som separate strukturer, jo bedre er den RO(5 s ). Der er primært to faktorer, der har indflydelse på RO; hhv. valget af rekonstruktionskernels og billedstøj. Hvis man vælger at scanne med en bone-kernel frem for en standard, vil der opnås en bedre RO. Derudover kan en øgning af den tilladte støj i billedet, ligeledes forbedre RO(5 s. 147). 8.4 Dual energy CT I dette afsnit vil det først beskrives på hvilken måde SECT adskiller sig fra DECT. Herefter vil det blive beskrevet hvad DECT er og hvilken indvirkning teknikken har på graden af metalartefakter Dual Energy SECT er en teknik, der benytter et enkelt røntgenrør og en enkelt detektor til billeddannelsen. Ved SECT scannes der med én konstant kv indstilling og hvert CT billede skabes derfor også på baggrund af kun ét strålespektrum. En videreudvikling af SECT-scanneren er DECT, som i billeddiagnostisk sammenhæng er en forholdsvis ny teknik. DECT er en scanningsteknik, hvor billeddannelsen, i modsætning til SECT, foregår ved, at der anvendes to datasæt med forskellige strålespektre(53 s. 3-4). Ved at inkorporere en viden om, at et scannet væv har forskellige spectrale egenskaber ved varierende fotonenergier, er det med DECT muligt at fremstille forskellige monokromatiske visninger af den samme scanning. Eksempelvis kan man ud fra den samme scanning danne billedserier skabt ud fra hver enkelte eksakte kev indstilling. Herved er det muligt at skifte imellem de forskellige monokromatiske billedserier og fremme de diagnostiske muligheder(se figur 8)(52). Overordnet findes der to tilgange til DECT, som er tilgængelige på markedet; dual source CT(DSCT) og fast kvp switching. Disse vil i det kommende afsnit uddybes. (54) Figur 8 viser, hvordan der kan dannes en monokromatisk billedserie ved at anvende det signal, der er opfanget ved en eksakt kev. (54) 33/69

34 8.4.2 Tilgange til dual energy Til DSCT anvendes to røntgenrør og to detektorsystemer. Dette betyder at hvert røntgenrør producerer et strålespektrum med hver sin kev indstilling. Det tilhørende detektorsystem er ansvarlig for opsamlingen af et enkelt datasæt(se figur 9). Fordelen ved DSCT er, at man kan spare patienten for unødig dosis ved at indsætte et tinfilter ved det røntgenrør, som anvender den høje kev(21). Hermed frafiltreres den del af spektrummet, der overlapper den lave kev. På grund af de to separate røntgenrør, er der ikke plads i gantryet til, at de to rør og detektorsystemer begge er i fuld størrelse. Af denne grund vil det ene rør og detektorsystem have et mindre scan field of view (SFOV) end det andet. En ulempe er derfor, at en DSCT kun afdækker et SFOV på 33 cm, frem for de 50 cm, der er standarden ved SECT(21). (55) Figur 9 illustrerer, hvordan DSCT teknikken fungerer med de to seperate rør- og detektorsystemer. (53 s. 14) Figur 10 illustrerer overordnet hvordan fast kvp switching teknikken fungerer. (55) Fast kvp switching er en teknik, der anvender et enkelt røntgenrør og en enkelt detektor(se figur 10). Røntgenrøret veksler skiftevis mellem to forskellige kev indstillinger. Dette er en metode, der er mindre krævende i forhold til hardwaren, da den opbygningsmæssigt ikke er meget anderledes end en SECT scanning(21). Fordelen ved denne scanningsteknik er dels, at skiftet mellem kev indstillingerne foregår så hurtigt, at problemet med bevægelse elimineres og dels at SFOV dækker 50 cm. Ulempen ved det hurtige kev skift er, at der ved den lave kev er et begrænset foton output, hvilket resulterer i billedstøj. For at opveje det begrænsede foton output, bliver det nødvendigt at øge ma og dermed også dosis(21). Desuden stiller denne form for DECT høje krav til detektorens ydeevne, hvor en lav rise time og afterglow er altafgørende(53 s. 36). 34/69

35 GE har udnyttet gemstone detektorens gode egenskaber indenfor netop afterglow og rise time til at udvikle deres bud på en DECT scanner; nemlig GSI scanneren. Detektorens hurtige afterglow og rise time skyldes gemstone detektorens kompleksitet og scintillator materiale. Scintilatorlaget, der har en kemisk krystalstruktur, består af en oxidering af en sjælden jordart. Gemstone detektoren har en rise time på 30 ns, hvilket gør den 100 gange hurtigere end en gadolinium oxysulfid(gos) detektor (Gd2O2S2). Samtidig er detektorens afterglow 75% hurtigere end GOS. Derudover har gemstone detektoren et veludviklet DAS system, der gør det muligt at håndtere og opfange signalet fra det hurtige detektor materiale. Dette udgør grundlaget for, at gemstone detektoren er ideel netop til DECT scanninger, hvor der skiftes hurtigt mellem forskellige kev. Samlet set betyder dette, at gemstone detektoren, ved den samme rotationstid, kan opsamle 2,5 gang flere samplinger pr. rotation end den tidligere generation af GE-detektorer(56) Dual energy og metalartefakter Når THA scannes opstår der, som tidligere nævnt, metalartefakter. Disse artefakter opstår især fordi der ses en mangel på transmitterede fotoner i området omkring metallet(57 s. 12). Til at reducere mængden af metalartefakter har DECT teknikken vist sig at kunne anvendes. Dette forklares ved, at det ved DECT er muligt at scanne med en højere kev. Den høje kev medfører en højere fotongennemtrængelighed, hvilket samlet set vil resulterer i en øget datamængde i området omkring metallet(52). Når kev øges sker det imidlertid på bekostning af kontrastforholdet og hermed den RO i billedet. For at opveje nedsættelsen af den RO anvendes den data, som opnås ved DECT scanningens lave kev indstilling(57 s. 12) Her udnyttes det, at vævene i højere grad kan differentieres fra hinanden. DECT teknikken skaber altså en scanning, hvor det er muligt både at fremstille monokromatiske billeder med færre metalartefakter samt monokromatiske billeder, hvor de tilstødende væv og strukturer fremstilles kontrastfyldte(51). 8.5 Rekonstruktionsalgoritmer I dette afsnit vil filtered back projektion(fbp) og de iterative rekonstruktioner(ir), der bliver anvendt inden for CT blive beskrevet i forhold til, hvordan disse fungere samt hvordan de påvirker billedkvaliteten. En af de seneste års mest lovende tiltag indenfor databehandlingen i diagnostisk CT er introduktionen af de iterative rekonstruktioner. Disse er ikke noget nyt tiltag, men fordi denne form for rekonstruktion stiller store krav til computerkapaciteten, har 35/69

36 denne førhen ikke været anvendt i billeddiagnostisk CT. I stedet har man benyttet den mindre nøjagtige, men samtidig mindre datakrævende FBP(22). For at forstå principperne bag, de iterative rekonstruktioner, må man have kendskab til begrebet FBP Filtered Back Projektion FBP er en analytisk billedrekonstruktionsteknik, hvor både den målte strålingsintensitet og den udledte attenuationsprofil medregnes i de matematiske funktioner. Man kan betragte FBP vha. en simplificeret model, hvor det ellers vifteformede strålebundt antages at være lineær og parallel med detektorpladen. Røntgenrør og detektor roteres nu omkring et objekt med en given vinkel, hvorpå en ny sampling finder sted. Ved hver sampling udregnes en attenuationsprofil. Foretages kun en enkelt sampling er det alene på baggrund af dennes attenuationsprofil ikke muligt at vide hvor i objektet svækkelsen finder sted. For hver yderligere sampling der foretages betragtes objektet fra en ny vinkel. Samtlige af samplingernes attenuationsprofiler kan herefter summeres. Gøres dette tilstrækkeligt mange gange, vil der tegnes et billede af objektets reelle form(se figur 11). Dette kaldes også simpel tilbage projektion og udregnes vha. matrix algebraer( se figur 12). (58) Figur 11 illustrerer princippet bag simpel tilbage projektion. (58) Figur 12 illustrerer hvordan udregningen af hver enkelte pixelværdi foregår via matrix algebraer ved simpel tilbage projektion. (5 s. 58) Ved simpel tilbage projektion vil afgrænsningen af objektet syne udefinerbar og sløret. For at gøre afgrænsningen til objektet skarpere, påføres der på hver enkelte sampling et filter/kernel, heraf navnet filtered back projektion(se figur 13)(22). Billeder der udelukkende er rekonstrueret med FBP kan være præget af billedstøj, artefakter (streak) og lav LKO. Dette skyldes at signalet fra alle røntgenfotonerne vægtes ens, på trods af, at strålebundtet reelt er polyenergisk. Især fremstillingen af billeder med strukturer af en høj densitet som f.eks. forkalkninger, stent og metalimplantater er problematisk med FBP(22). Til at reducere indflydelsen af disse artefakter har de iterative rekonstruktioner, herunder GE s ASiR, vist sig virkningsfulde(22). 36/69

37 Figur 13 illustrerer princippet bag filtered back projektion udføres (58) Iterativ rekonstruktioner Primært er IR udviklet som et dosisreducerende værktøj. Ved IR mindskes meget af den billedstøj, som ellers ses ved billeder rekonstrueret med FBP. Når den overordnede billedkvalitet forbedres muliggøres det at dosis tilsvarende kan reduceres(22). Overordnet forbedrer IR den rekonstruerede billedkvalitet ved at fremstille et billede, hvor den underliggende billeddata, svarer til den målte attenuationsprofil. IR foregår ved hjælp af forward- og back projektion. Back projektion foregår typisk ved almindelig FBP, hvor rekonstruktionen foretages ud fra attenuationsprofilen. Forward projektionen foregår derimod ved, at der ud fra et færdigt billedes data udarbejdes en attenuationsprofil. Forward- og back projektion foregår ved IR typisk i billeddatadomænet(se figur 14)(24). Forward- og back projektionen foretages enten X antal gange eller indtil sammenlignelighedsgraden mellem billedets billeddata og den målte attenutionsprofil er tilfredsstillende. For at sikre, at der er lighed mellem den målte attenuationsprofil og den beregnede billeddata, laves små stepvise støj- og signalmodelleringer. Ideelt set resulterer det i, at man gennem IR kan reducere støj og artefakter som photon starvation og beam hardening(24). Figur 14 viser hvordan IR algoritmen korrigerer støjen i et billede via forward projektion, som foregår i billedomænet. (24) 37/69

38 8.5.3 Adaptive Statistical iterative Reconstruction Hver CT fabrikant har med tiden udviklet hver deres IR algoritme. Overordnet findes der to former for IR; de algebraiske og de statistiske. ASiR er en såkaldt hybrid statistisk IR teknik, der blev lanceret af GE i 2008(22). Ved statistisk IR introduceres et vægtningsterm, som under rekonstruktionen tildeler data med en høj statistisk usandsynlighed(støj) en lav værdi og omvendt. Sagt på en anden måde identificeres støjen og forsøges fjernet ved at nedprioritere støjsignalets betydning i forhold til de andre data. At ASiR er en hybrid algoritme referer til, at den kombinerer analytiske- (FBP) og statistiske(ir) værktøjer. Dvs. at ASiR rekonstruerer ud fra informationer, opnået ved FBP. Disse oplysninger bruges som grundfundamentet til hver individuelle billedrekonstruktion. Vha. matrix algebrae(se afsnit om FBP) konverteres den målte værdi i hver pixel, til en ny estimeret værdi af samme pixel. Denne estimerede pixelværdi sammenlignes nu med den ideelle pixelværdi, som er forudset og fundet gennem støj identifikation(22). For at se en illustration af de forskellige rekonstruktionstrin henvises der til figur 15. Figur 15 illustrerer de forskellige rekonstruktions trin. (24) Et alment kendt fænomen ved ren IR er, at billederne kan antage et glansbilledelignende udseende, som radiologerne ikke er vant til at diagnosticere ud fra. Derfor kan ASiR billeder kombineres med FBP billeder i forholdene 0-100%. Eksempelvis kan en scanning fremstilles med 80% ASiR og 20% FBP. Ifølge studier og GE selv anbefales en ASiR% på 30-50(24). 38/69

39 9. Empiriindsamling I dette afsnit vil der ske en gennemgang af, hvordan den empiriske data er blevet indsamlet. Først vil der være en kort opsummering af de to pilotforsøg. Dernæst vil der forestå en beskrivelse af materialer, samt de anvendte scanningsparametre. Herigennem vil forskningsspørgsmål 5 blive besvaret. Til sidst vil den praktiske fremgangsmåde, for hvordan forsøget er foretaget, beskrives vha. en smart art illustration. 9.1 Pilotforsøg For at imødekomme og overholde datakvalitetskriteriet; validitet (herunder systematik, og kontrol) er det væsentligt, at man før udførelsen af hovedforsøget gør sig visse overvejelser i forhold til planlægningen af fremgangsmåden. Derfor er der inden hovedforsøget udført i alt to pilotforsøg. Ved pilotforsøgene er det muligt at afprøve forsøgsopstillingen for efterfølgende at kunne afgøre hvilken metode, der bidrager med færrest ukorrektheder og bias. Bortset fra få ændringer blev der ved det første pilotforsøg scannet med de samme protokol opsætninger som ved hovedforsøget. Fantomerne der blev anvendt var to hjemmelavede vandfantomer. Det ene bestod af en plastbeholder, 9 liter vand samt en hofteprotese af materialet titanium og rustfri stål. Protesen var fastgjort med metalskruer til et rektangulært plexiglasstykke. Det andet fantom bestod af en plastbeholder kun indeholdende 9 liter vand. Den fulde forsøgsbeskrivelse kan ses i bilag 5 De problemstillinger, der blev fundet ved det første pilotforsøg var: 39/69

40 På baggrund af ovenstående problemstillinger, blev der foretaget et nyt pilotforsøg. Her var formålet at undersøge, hvorvidt et gelatinefantom kunnen repræsentere det menneskelige væv, i samme grad som et vandfantom. For den fulde forsøgsbeskrivelse se bilag 6. Forsøget påviste at gelatinefantomet havde HU-værdier, der var sammenlignelige med det menneskelige vævs, der ligger imellem -100 til 60 HU(5 s. 42). Derfor vil et gelatinefantom blive anvendt ved hovedforsøget. For at se en uddybende beskrivelse af gelatinefantomet og støbningen af dette se bilag Forsøgsopstilling Materialebeskrivelse Uddybning af protokolopsætning Til det eksperimentelle forsøg anvendes to protokoller. Den første er en GSI protokol, svarende til den protokol, der normalt anvendes på sygehus X ved THA-scanninger. Den anden er en SECT protokol med en fast ma, der er tilpasset således, at dosisniveauet er svarende til GSI protokollens. På næste side ses en dokumentation af de anvendte parametre: 40/69

41 41/69

42 9.3 Fremgangsmåde Planlægning 42/69

43 9.3.2 Udførelse 43/69

44 44/69

45 10. Databehandling I det kommende afsnit vil der ske en gennemgang af hvordan de kvantitative målinger af metalartefakter er blevet foretaget. Dernæst vil de anvendte statistiske- metoder og tests blive forklaret Metode til måling af metalartefakter 45/69

46 46/69

47 10.2 Statistiske metoder Statistisk er der to måder, man kan behandle sine data på, enten deskriptivt eller prædiktivt. Deskriptiv statistik bruges til at skabe et overblik over store datamængder samt en forståelse heraf. I denne opgave vil den deskriptive statistik blive anvendt til at formidle forsøgets essentielle data og resultater. Dette vil ske gennem tabeller og grafiske fremstiller(59 s. 10, 31). Når overblikket over datamængden er skabt, kan man via prædiktiv statistik synliggøre, om der er tale om noget generelt, en tendens eller blot en tilfældighed. På baggrund af den opstillede problemformulering, vil dataene i denne opgave behandles prædiktivt, hvor udtryk som signifikansniveau og p- værdi sættes i spil(59 s. 11) Statistiske tests For at kunne besvare opgavens problemformulering således at datakvalitetskriterierne forudsigelse og generaliserbarhed imødekommes, vil en p-værdi blive udregnet. En p-værdi er en konkret talværdi, der afspejler, hvor sandsynligt det er, at det fundne resultat er signifikant eller blot en tilfældighed(59 s 70). Der findes imidlertid flere forskellige tests, der kan anvendes til at finde en p-værdi. Valget af test bygger på hvilken type data ens datasæt består af. I figur 16 ses de overvejelser, vi har gjort i forbindelse med valget af statistiske tests(59 s ). Figur 16 illustrerer hvilke faktorer, der har indflydelse på valget af statistiske tests, samt hvordan opgavens datatype defineres. Denne definition er afgørende for hvilken statistiske test, der er valgt at udføre. For at kunne besvare det fulde omfang af opgavens problemformulering skal der, som det fremgår i tabellen, udføres to forskellige statistiske tests. Som det fremgår af tabellen vil one-way analysis of variance(anova) testen blive anvendt til at belyse den del af problemformuleringen, der omhandler, hvorvidt ASiR kan reducere metalartefakter eller ej. Denne test bruges, når et datasæt med én 47/69

48 faktor, men flere sæt målinger sammenlignes. Testen undersøger forskelle i middelværdierne ved at sammenligne variansen mellem grupperne, med variansen inden for grupperne. En ANOVA test kan derfor vise om der er en signifikant forskel imellem datasættes grupper af målinger(60 s ). Til at sammenligne de metalartefakter, der ses ved den mest effektive grad af ASiR, med de metalartefakter, der ses ved GSI scanningen, vil en parret t-test blive anvendt. En parret t-test benyttes, når to forskellige behandlinger på den samme stikprøve sammenlignes(59 s. 88). Denne test anvendes idet opgavens forsøg bygger på scanninger foretaget på det samme fantom(stikprøve) før og efter intervention. De statiske tests er blevet udført i Excel vha. den statistiske toolbox. Produktet af begge statistiske tests er en p-værdi, der ud fra et fastsat signifikansniveau, kan afgøre, hvorvidt resultaterne er signifikante eller ej. Signifikansniveauet sættes typisk til 5%, hvilket også vil gælde i denne opgave. Det betyder, at hvis den udregnede p- værdi 0,05, er der 95% sandsynlighed for, at forsøgets resultater ikke er fundet tilfældigt og ændringerne i mængden af metalartefakter derfor er signifikante(59 s ). 11. Resultater I dette afsnit vil forsøgets resultater samt resultaterne af de statistiske tests blive fremstillet. Der vil være en kort forklaring tilknyttet til hvert resultat, som desuden vil blive fremstillet illustrativt gennem grafer og tabeller. I henhold til opgavens problemformulering skal dosisniveauet mellem SECT- og GSI scanningerne være sammenlignelige. For at undersøge om dette opfyldes er alle DLP og CTDI målinger blevet sammenlignet vha. gennemsnit og SD. Resultatet af dette viste at der ikke var nogen varians i dosis mellem de to typer scanninger(se tabel 1) 48/69

49 Tabel 1 fremstiller et udsnit af forsøgets dosis rapporter. Tabel a og b fremstiller DLP og CTDI fundet ved scanninger foretaget på fantomet med hofteprotese. Tabel c og d fremstiller CTDI og DLP fundet ved scanninger foretaget på fantomet uden hofteprotese. Nederst i hver tabel ses gennemsnit og SD. For at afklare hvilken scanningsteknik, der skulle udgøre forsøgets baseline-billede, blev der iht. hovedartiklen(41) undersøgt hvilken scanning, der havde den største deviation af pixelværdier. I tabel 2 ses de forskellige scanningers middelværdi, standard deviation samt det udregnede konfidensinterval. Heraf kan det ses at den scanning med den største deviation af pixelværdier er 0% ASiR scanningen. Derfor vælges det at udregne de normalt forekommende pixelværdier ud fra de fem 0% ASiR scanninger. Tabel 2 fremstiller middelværdien, SD og konfidensintervallet for de forskellige scanteknikkers pixelværdier. Ud fra tabellen ses det at ASiR 0% har den største SD på 4,45 mens GSI 140 kev har den mindste SD på 1,94. 49/69

50 Dette gøres ved at udregne et fælles gennemsnit og SD for de 5 scanninger(se tabel 3a). På baggrund af det udregnede gennemsnit og SD opstilles et konfidensinterval som definerer de pixels, der anses som værende normalt forekommende. Intervallet vil blive anvendt senere i databehandlingen, når mængden af metalartefakter skal udregnes. Intervallets øvre og nedre pixelværdi er fremstillet i tabel 3b. Tabel 3 fremstiller middelværdien og SD for de fem foretagende baseline scanninger (0% ASiR). Nederst i tabellen ses den gennemsnitlige middelværdi for de fem scanninger samt det gennemsnitlige SD. Den gennemsnitlige middelværdi og SD benyttes til at udregne den laveste- og den højeste pixelværdi i intervallet af normalt forekommende pixels. Øvre og nedre grænse for de normalt forekommende pixels kan ses i tabel 3b 50/69

51 På billede 6 ses de ubehandlede resultater i form af billeder. Ud fra ubehandlede CT billeder som disse, kan der for hvert enkelte billede opstilles et matrix af pixelværdierne, hvorfra mængden af metalartefakter kan findes og analyseres a b c d Billede 6 viser resultaterne i form af billeder. Billede a er uden tillagt ASiR (ASiR 0%), billede b er tillagt ASiR 40%, billede c er tillagt ASiR 100% mens billede d er fra GSI 140 scanningen. 51/69

52 Efter at have fundet intervallet for normalt forekommende pixelværdier (baselinebilledet), kan den videre databehandling finde sted. Her findes mængden af metalartefakter ved at fratrække baseline-billedet pixels fra metal billedet og herefter summere de resterende antal pixels(tabel 4) Den gennemsnitlige mængde af metalartefakter er herefter fundet og fremstillet illustrativt i et søjlediagram(se figur 17). Tabel 4 fremstiller forsøgets resultater. Her ses, for hvert enkelte billede, det antal pixelværdier, der er påvirket af metalartefakter. Nederst i tabellen er gennemsnittet af mængden af metalartefakter for hver scanningsteknik fremstillet. Her ses ligeledes den procentvise reduktion af metalartefakter. Til at udregne denne er der taget udgangspunkt i at 0% ASiR billedet, er det billede med flest artefakter og derfor det billede der reduceres ud fra. Figur 17 viser et søjlediagram over den gennemsnitlige mængde af metalartefakter ved hver enkelte scanningsteknik. 52/69

53 Ud fra tabellen og grafen ses det, at ASiR umiddelbart har en reducerende effekt på metalartefakter. Samtidig ses det også at ASiR umiddelbart ikke er lige så effektiv til metalartefakt reduktion som GSI teknikken. For at afklare hvorvidt de umiddelbare resultater er signifikante eller ej udregnes for hvert af ovenstående tilfælde en p- værdi. Her viser ANOVA testen, at der ses en signifikant forskel i mængden af metalartefakter mellem de forskellige grader af ASiR, da p-værdien var 7E-09. Dette betyder at ASiR med 95% sikkerhed kan bruges til at reducere metalartefakter. Derudover kan det af tabel 4 samt figur 17 ses, at den ASiR grad der er mest effektiv i forhold til metalartefakt reduktion, er ASiR 100%. Derfor vil denne grad af ASiR, blive holdt op imod GSI scanningen vha. en t-test. Resultatet af t-testen viser at den fundne forskel i mængden af metalartefakter mellem de to scan typer ikke er signifikant, da p-værdien er var 0,06. Fordi p-værdien ligger så tæt på signifikansniveauet, kan man sige, at resultatet udtrykker en tendens. Der ses altså en tendens til, at GSI protokollen er den mest metalartefakt reducerende scanningstype frem for ASiR 100%. På figur 18 ses histogrammet for ASiR 100% og GSI scanningen. Histogrammerne er lagt ovenpå hinanden for at illustrere forskellene i fordelingen af pixelværdier. Histogrammet illustrere ligeledes, hvordan intervallet af normalt forekommende pixelværdier fratrækkes for at finde den samlede mængde af metalartefakter. Figur 18 fremstiller et samlet histogram over ASiR 100% og GSI 140. De røde pixels repræsenterer mængden af metalartefakter mens de blå pixels repræsenterer de normalt forekommende pixels. 53/69

54 På grafen i figur 19 ses histogrammerne for hhv. baseline og ASiR 0% scanningen. Her ses det, hvordan billedets pixels er fordelt på de forskellige pixelsværdier. Disse pixelsværdier kan erstattes af en gråtoneskala, hvor pixelværdien 0 repræsentere gråtonen sort, mens pixelværdien 255 repræsenterer gråtonen hvid. Af figuren kan det ses at baseline-billedets pixel er fordelt på et forholdsvis smalt spektrum pixelværdier, mens metal-billedets pixel er fordelt på et bredere spektrum af pixel værdier. Ligeledes ses det at metal billedet indeholder et stort antal pixels med værdien 255. Størstedelen af disse pixels fremkommer i fremstillingen af selve protesematerialet. Figur 19 fremstiller et samlet histogram over ASiR 0% baseline-billede(uden metal) og ASiR 0% billede(med metal). 54/69