Setting up a C-arm for its use as a tomograph

The work included in this thesis is framed on one of the lines of research carried out by the Biomedical Imaging and Instrumentation group from the Bioengineering and Aerospace Department of Universidad Carlos III de Madrid working jointly with the Gregorio Marañón Hospital. Its goal is to design and develop a new generation of Radiology Systems, valid for clinical and veterinary applications, through the research and development of innovative technologies in advanced image processing oriented to increase image quality, to reduce dose and to incorporate tomography capabilities. The latter will allow bringing tomography to situations in which a CT system is not allowable, due to cost issues or when the patient cannot be moved (for instance, during surgery or ICU). It may also be relevant to reduce the radiation dose delivered to the patient, if we can obtain a tomographic image from fewer projections than using a CT. In that context, this thesis deals with incorporating tomography capabilities in a system originally design for planar images: the SIREMOBIL C-arm developed by SIEMENS. The system consists of an X-ray generator and a detector mounted in an arc-shaped wheeled base that allows a great variety of movements. The use of this C-arm for tomography presents several difficulties: (1) the detector is an image intensifier which is an analog detector with image distortions, (2) the system may have mechanical strains changing the relative positions of the source and detector, and (3) the movements of source-detector pair may differ from a circular path. To obtain good quality images, it is necessary to design a new acquisition protocol that solves the effects of these non-idealities including an exhaustive calibration of the system, not needed when it is used for planar imaging. First a calibration algorithm has been adapted to the system under study. Besides the mechanical calibration of the source and detector relative positions, it is necessary to obtain the angular position of the complete system. This work presents the effects of errors in the angle estimation and describes the implementation of a positioning system that obtains the angular position with the required precision for a tomographic reconstruction. A digital detector has also been incorporated to the system to solve the drawbacks of the image intensifier together with the development of a software tool to transform the data acquired into in the appropriate format for the reconstruction software. Evaluation of the proposed acquisition protocol on phantoms and rodent data show the feasibility of the proposal. Part of this project has generated a scientific publication and was presented as an oral communication at the Congreso Anual de la Sociedad Española de Ingeniería Biomédica (CASEIB). Finally, it should be noted that the work of this thesis has a clear application in industry, since it is part of a proof of concept of the new generation of C-arm systems which will be commercialized worldwide by the company SEDECAL.El trabajo presentado en esta tesis forma parte de una línea de investigación llevada a cabo por el Grupo de Instrumentación e imagen Médica del departamento de Bioingeniería y Aeroespaciales de la Universidad Carlos III de Madrid en colaboración con el Hospital Gregorio Marañón. Tiene por objetivo el diseño y desarrollo de una nueva generación de sistemas radiológicos, con aplicación tanto en clínica como en veterinaria, a través de la investigación y el desarrollo de las nuevas tecnologías orientadas a la mejora de la calidad de la imagen, con el fin de reducir la dosis recibida por el paciente e incorporar capacidades tomográficas. Esta última característica permitiría el uso de la tomografía en situaciones en las que no es posible utilizar un sistema TAC, ya sea por razones económicas o porque el paciente no puede ser desplazado (por ejemplo, durante una cirugía o porque se encuentra en la UCI). Otro punto relevante sería la reducción de la dosis de radiación recibida por el paciente, al poder obtener imágenes tomográficas usando menos proyecciones que utilizando un TAC. En este contexto, esta tesis trata de incorporar capacidades tomográficas a un sistema originalmente diseñado para obtener imágenes planas, en particular, el arco en C SIREMOBIL desarrollado por SIEMENS. Este sistema consta de una fuente de rayos X y un detector montados sobre una base con forma de arco que permite una gran variedad de movimientos. El uso de este arco en C como tomógrafo presenta varias dificultades: (1) el detector es un intensificador de imagen, que es un detector analógico que presenta distorsiones en la imagen, (2) el sistema puede presentar deformaciones mecánicas que resultan en el cambio de la posición relativa de la fuente y el detector, y (3) los movimientos del conjunto fuente-detector pueden diferir de una trayectoria circular. Para obtener imágenes de buena calidad, es necesario diseñar un nuevo protocolo de adquisición que solucione los efectos de estas deficiencias incluyendo una calibración exhaustiva del sistema, no necesaria cuando es usado para obtener imágenes planas. IX En primer lugar, se ha adaptado un algoritmo de calibración al sistema en estudio. Además de la calibración mecánica de la posición relativa de la fuente y del detector, es necesario obtener la posición angular del sistema en su conjunto. Este trabajo presenta los efectos de errores en la estimación de la posición angular y describe la implementación de un sistema de posicionamiento que obtiene la posición angular con la precisión necesaria para llevar a cabo una reconstrucción tomográfica. Un detector digital ha sido también incorporado al sistema para solucionar los inconvenientes derivados del intensificador de imagen. Además, se ha desarrollado un software que permite adaptar los datos adquiridos al formato utilizado por el software de reconstrucción. Resultados de la evaluación del protocolo de adquisición propuesto en un maniquí de calibración y en un roedor muestran la viabilidad de la propuesta. Parte de este proyecto ha generado una publicación científica que ha sido presentada como comunicación oral en el Congreso Anual de la Sociedad Española de Ingeniería Biomédica (CASEIB). Finalmente, cabe destacar que el trabajo de esta tesis tiene una clara aplicación industrial, ya que forma parte de una prueba de concepto de la nueva generación de sistemas de arco en C que comercializará la empresa SEDECAL en todo el mundo.Ingeniería Biomédic