Desvio-padrão dos tons de cinza

O efeito da ferramenta de RAM nos valores de desvio-padrão dos tons de cinza das imagens de cada material pode ser visualizado na Figura 5. Foi observada diferença significante entre as áreas-controle e áreas ao redor do material, independente da presença da ferramenta. As áreas-controle dos materiais amálgama de prata (p=0,94), guta-percha (p=0,62) e liga metálica (p=0,08). A ferramenta de RAM não influenciou os valores de desvio-padrão das áreas ao redor da guta-percha (p=0,97), entretanto, a ferramenta de RAM refletiu em redução significativa no desvio-padrão das áreas ao redor das amostras do amálgama de prata (p=0,009) e liga metálica (p=0,01). Na comparação entre os materiais não foi

15

observada diferença significante entre amálgama de prata e liga metálica (p=0,91) na presença (p=0.91) e ausência (p=0,25) da ferramenta de RAM. No entanto, ambos os materiais, amálgama de prata e liga metálica, apresentaram diferença em relação a guta-percha (p<0,05), independente da presença ou ausência da ferramenta de RAM.

Figura 5 - Desvio-padrão dos tons de cinza obtidos na ausência (FA) e presença (FP) da ferramenta de RAM das áreas-controle e áreas ao redor do material das imagens obtidas dos phantoms compostos de amálgama de prata, guta-percha e liga metálica. Barra central = Mediana; Barras dos extremos = 1° quartil e 3° quartil.

16 3.3. Contrast – to – noise ratio - CNR

Os valores de CNR de cada material, na presença ou ausência da ferramenta de RAM são apresentados na Figura 6. Não houve diferença significante (p=0,25) em relação a presença ou ausência da ferramenta de RAM, independente do material.

Figura 6 – Relação contraste-ruído (Constrast-to-noise ratio - CNR) das imagens de TCFC obtidas na ausência e presença da ferramenta de RAM de phantoms de diferentes materiais de uso odontológico: amálgama de prata, guta-percha e liga metálica. Barra central = Mediana; Barras dos extremos = 1° quartil e 3° quartil.

17 4. Discussão

Materiais de alto número atômico e/ou alta densidade comportam-se como um filtro para os fótons de raios X, aumentando a energia média do feixe, de forma que a energia média capturada pelo receptor é maior que a energia média emitida pela fonte [6]. Esse fenômeno é denominado endurecimento do feixe, beam hardening, e se reflete nas imagens de TCFC pela presença de estrias hiperdensas e bandas hipodensas e distorção (cupping artefact) dos materiais de alta densidade e alto número atômico [4,6,19,20] que podem afetar a qualidade das imagens comprometendo o uso das mesmas no processo de diagnóstico.

Devido a presença dos artefatos, fabricantes de tomógrafos desenvolveram uma ferramenta de RAM cujo objetivo é reduzir e/ou suprimir os artefatos das imagens de TCFC [10-15].

No presente estudo, a ferramenta de RAM mostrou uma influência positiva nas imagens de TCFC de amálgama de prata e liga metálica, pela redução significativa do valor de desvio-padrão das áreas ao redor desses materiais. O menor valor de desvio-padrão representa menor variabilidaide e maior homogenidade dos tons de cinza da imagem, que sugere uma redução real dos artefatos. O fato da ferramenta de RAM não ter reduzido a variabilidade dos tons de cinza ao redor da guta-percha pode ser explicado pelo fato desse material não induzir uma formação de artefato que desperte a ação da ferramenta de modo eficaz.

É sabido que amálgama de prata é constituído por átomos de número atômico elevado, como átomos de prata (Z=47) e de mercúrio (Z=80), assim como a liga metálica que é constituída por átomos de cobre (Z=29) e alumínio (Z=13), enquanto a guta-percha, ainda que composta por óxido de zinco (Zinco apresenta número atômico 30), tem como constituinte metil butadieno ou isopreno (1,4 poliisopreno), composto esse isomérico à borracha. Em relação a densidade física, como calculado no presente estudo, o amálgama de prata e a liga metálica Cu-Al apresentam densidade de 10,6g/ml e 7,7 g/ml, respectivamente, já a guta-percha apresenta menor densidade, 2,6 g/ml. Como a proposta da ferramenta é reduzir o

18

artefato da imagem de objeto de alta densidade e alto número atômico, as características dos materiais estudados justificam a ação da ferramenta de forma eficaz apenas nas imagens das áreas ao redor das amostras de amálgama de prata e de liga metálica, que são materiais de densidade relativamente alta e constituídos por elementos de elevado número atômico. Ferramentas de RAM mais sensíveis devem ser desenvolvidas a fim de reduzir a variabilidade de materiais de densidade intermediária e com alguns compostos alto número atômico; considerando, por exemplo, o artefato da imagem de guta-percha que reduz a acurácia de diagnóstico pelas imagens de TCFC na detecção de fratura radicular [21].

Bechara et al. [14] e Bechara et al. [15] encontraram resultados semelhantes ao avaliar a eficácia da ferramenta de RAM quando uma esfera metálica estava presente no phantom. No entanto, esses autores não identificam o material da esfera e avaliaram apenas uma área adjacente à mesma.

As imagens de TCFC do presente estudo foram adquiridas com 16 bits de profundidade, até 65.536 tons de cinza, incluindo preto e branco, e foram avaliadas usando a mesma escala que foram adquiridas. Essa ampla escala de cinza das imagens pode explicar a ausência de influência nos valores médios dos tons de cinza. O amplo alcance da escala de tons de cinza afeta a sensibilidade dos cálculos estatísticos, já que quanto mais ampla a escala maior a dificuldade do cálculo estatístico detectar como significante uma diferença presente. O que irá refletir também na CNR, já que a mesma é calculada considerando os valores médios dos tons de cinza. Outros estudos têm detectado diferença significante nas médias dos valores de cinza quando a ferramenta é utilizada, no entanto esses estudos usam imagens de 8 bit de profundidade (até 256 tons de cinza, incluindo branco e preto) [5, 14].

Apesar da ferramenta de RAM ter se apresentado como eficaz para a melhoria da qualidade de imagem na presente metodologia, alguns outros estudos foram contraditórios. Kamburogly et al. [17] concluíram que a ferramenta de RAM não influencia a imagens de TCFC no diagnóstico de defeitos periodontal e peri- implante. Bezerra et al. [5] mostraram que a ferramenta melhorou a qualidade visual

19

das imagens CBCT, mas reduziu a acurácia de diagnóstico na detecção de fratura radicular vertical. A contradição entre os aspectos objetivos e a avaliação subjetiva sobre a eficácia da ferramenta destaca a importância de avaliar outras tarefas de diagnósticos.

A ativação da ferramenta da RAM nas imagens de TCFC leva a um aumento no tempo de reconstrução das imagens. De acordo com o manual de instruções fornecido pelo fabricante do tomógrafo utilizado, Picasso Trio (Vatech), o tempo adicional quando a ferramenta está ativada pode ser duas vezes o tempo de reconstrução quando a ferramenta não está ativada, o que sugere que a mesma deve ser ativada apenas quando resultar em melhoria na qualidade da imagem.

Estudos científicos que avaliam a ação da ferramenta de RAM nas imagens de TCFC dos diferentes materiais dentários não foram encontrados na literatura. A avaliação do efeito isolado da ferramenta de RAM sobre as imagens dos diferentes materiais só foi possível no presente estudo porque muitos fatores que poderiam interferir, foram controlados in vitro. No entanto, cuidado deve ser tomado quando a extrapolação dos resultados de um estudo laboratorial para uma situação clínica, porque embora o estudo in vitro permita um controle do fator de interesse sem influência externa, a condição laboratorial não é representativa da situação clínica real, pelas diferentes formas de interação dos raios X com a matéria.

5. Conclusões

A ferramenta de redução de artefato metálico deveria ser usada na aquisição de imagens de TCFC quando da realização de escaneamento de objetos contendo amálgama de prata e liga metálica devido sua eficácia redução no artefato da imagem. Entretanto, a ferramenta de RAM não é recomendada quando a presença de guta-percha, pois nesse caso a ferramenta aumentará o tempo de reconstrução da imagem sem melhora efetiva na qualidade da mesma.

20 Referências

1. 1. W.C. Scarfe, A.G. Farman, P. Sukovic, Clinical applications of cone-beam computed tomography in dental practice, J. Cant. Dent. Assoc. 72 (2006) 75- 80.

2. B. Bechara, A. McMahan, W.S. Moore, M. Noujeim, H. Geha, Contrast-to- noise ratio with different large volumes in a cone-beam computerized tomography machine: an in vitro study, Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol. 114 (2012a) 658-665.

3. T.O. Gamba, M.L. Oliveira, I.L. Flores, A.D. Cruz, S.M. Almeida, F. Haiter- Neto, S.L. Lopes. Influence of cone-beam computed tomography image artifacts on the determination of dental arch measurements, Angle Orthod. 84 (2014) 274-278.

4. M.L. Oliveira, D.Q. Freitas, G.M. Ambrosano, F. Haiter-Neto. Influence of exposure factors on the variability of CBCT voxel values: a phantom study, Dentomaxillofac Radiol. 43 (2014) 20140128.

5. I.S.Q. Bezerra, F.S. Neves, T.V. Vasconcelos, G.M.B. Ambrosano, D.Q. Freitas, Influence of the artefact reduction algorithm of Picasso Trio CBCT system on the diagnosis of vertical root fractures in teeth with metal posts, Dentomaxillofac Radiol. 44 (2015) 20140428.

6. R. Schulze, U. Heil, D. Groβ, D.D. Bruellmann, E. Dranischnikow, U. Schwanecke, E. Schoemer, Artefacts in CBCT: a review, Dentomaxillofac Radiol. 40 (2011) 265–273.

7. J.F. Barrett, N. Keat, Artifacts in CT: Recognition and Avoidance, RadioGraphics. 24 (2004) 1679-1691.

8. R.L. Webber, A. Tzukert, U. Ruttimann, The effects of beam hardening on digital subtraction radiography, J Periodontal Res. 24 (1989) 53–58.

9. B. Vande-Berg, J. Malghem, B. Maldague, F. Lecouvet, Multidetector CT imaging in the postoperative orthopedic patient with metal hardware, Eur J Radiol. 60 (2006) 470–479.

21

10. A.H. Mahnken, R. Raupach, J.E. Wildberger, B. Jung, N. Heussen, T.G. Flohr, R.W. Gu¨nther, S. Schaller, New algorithm for metal artifact reduction in computed tomography: in vitro and in vivo evaluation after total hip replacement, Invest Radiol 38 (2003) 769–775.

11. J.S. Maltz, B. Gangadharan, S. Bose, D.H. Hristov, B.A. Faddegon, A. Paidi, A.R. Bani-Hashemi, Algorithm for X-ray Scatter, Beam-Hardening, and Beam Profile Correction in Diagnostic (Kilovoltage) and Treatment (Megavoltage) Cone Beam CT, IEEE Transactions on Medical Imaging. 27 (2008) 1791- 1810.

12. Y. Zhang, L. Zhan, R. Zhu, A.K. Lee, M. Chambers, L. Dong, Reducing metal artifacts in cone-beam CT images by preprocessing projection data, Int. J. Radiation Oncology Biol. Phys. 67 (2007) 924-932.

13. M. Meilinger, C. Schmidgunst, Schütz, E.W. Lang, Metal artifact reduction in cone beam computed tomography using forward projected reconstruction information, Z. Med. Phys. 21 (2011) 174-182.

14. B. Bechara, W.S. Moore, C.A. McMahan, M. Noujeim, Metal artefact reduction with cone beam CT: an in vitro study, Dentomaxillofac Radiol. 41 (2012b) 248–253.

15. B. Bechara, C.A. McMahan, H. Geha, M. Noujeim, Evaluation of a cone beam CT artefact reduction algorithm, Dentomaxillofac Radiol. 41 (2012c) 422–428. 16. B. Bechara, A.C. McMahan, W.S. Moore, M. Noujeim, F.B. Teixeira H. Geha, Cone beam CT scans with and without artefact reduction in root fracture detection of endodontically treated teeth, Dentomaxillofac Radiol. 42 (2013) 20120245.

17. K. Kamburoglu, E. Kolsuz, S. Murat, H. Eren, S. Yüksel, C.S. Paksoy, Assessment of bucal marginal alveolar peri-implant and periodontal defects using a cone beam CT system with and without the application of metal artefact reduction mode, Dentomaxillofac Radiol. 42 (2013) 20130176.

22

18. B. Pick, M. Pelka, R. Beli, R.R. Braga, U. Lohbaue, Tailoring of physical properties in highly filled experimental nanohybrid resin composites, Dental materials. 27 (2011) 664–669.

19. F.G. Draenert, E. Coppenrath, P. Herzog, S. Müller, U.G. Mueller-Lisse, Beam hardening artefacts occur in dental implant scans with the NewTom cone beam CT but not with the dental 4-row multidetector CT, Dentomaxillofac Radiol. 36 (2007) 198–203.

20. W.C. Scarfe, A.G. Farman, What is Cone-Beam CT and How Does it Work?, The dental Clinics of North America. 52 (2008) 707-730.

21. F.S. Neves, D.Q. Freitas, P.S. Campos, A. Ekestubbe, S. Lofthag-Hansen. Evaluation of cone-beam computed tomography in the diagnosis of vertical root fractures: the influence of imaging modes and root canal materials, J Endod. 40 (2014) 1530-1536.

23 CAPÍTULO 2 – Versão em inglês do Artigo 1

Artigo submetido para apreciação no periódico Acta Biomaterialia (Anexo 1).

Evaluation of metal artefact reduction in cone-beam computed tomography images of different dental materials

Polyane Mazucatto Queiroz1_{, Francisco Carlos Groppo}2_{, Matheus Lima Oliveira}1_; Deborah Queiroz Freitas1

1 Department of Oral Diagnosis, Area of Oral Radiology, Piracicaba Dental School, University of Campinas, Piracicaba, Sao Paulo, Brazil

2 Department of Physiological Sciences, Area of Pharmacology, Piracicaba Dental School, University of Campinas, Piracicaba, Sao Paulo, Brazil

Corresponding author: Polyane Mazucatto Queiroz Piracicaba Dental School

Department of Oral Diagnosis, Area of Oral Radiology 901, Limeira Avenue

Zip code: 13414-903

Piracicaba, Sao Paulo, Brazil

24 ABSTRACT

The aim of this study was to evaluate the efficacy of MAR on CBCT images of three dental materials. Three imaging phantoms were custom-made of three cylinder-shaped objects arranged in a triangle and surrounded by acrylic resin. Each phantom had the three cylinders made of the same material: dental amalgam alloy, gutta-percha or aluminium-copper (Al-Cu) alloy. CBCT scans were performed twice, with and without MAR, using the Picasso-Trio CBCT unit (Vatech, Hwaseong, Republic of Korea) at 80 kVp, 3.7 mA, field of view of 80 x 80 mm and a voxel size of 0.2 mm, and evaluated in the OnDemand 3D software. On axial reconstructions, circular regions of interest were selected around the cylinder of the dental materials and in an area under no effect of them (control area). Mean grey values, standard deviation (SD) and contrast-to-noise ratio (CNR) were obtained and compared by Kruskal-Wallis and Student-Newman-Keuls (post hoc) (α=0.05). Significant reduction of SD grey values (p<0.05) was observed with MAR on areas around dental amalgam and Al-Cu alloys. No significant difference (p>0.05) was observed with or without MAR when gutta-percha was scanned. Mean grey values and CNR did not show significant difference (p>0.05) irrespective of the dental material. MAR was effective in reducing the variability of CBCT grey values around dental alloys.

KEYWORDS: Cone-beam Computed Tomography; Artifacts; Dental Materials; Photon Absorptiometry; Densitometry.

25 1.Introduction

Cone-beam computed tomography (CBCT) is an imaging modality with numerous applications and increasing acceptance in Dentistry. The possibility of having three-dimensional treatment planning with better diagnostic outcomes has brought important benefits to specific cases of some dental specialties such as Dental Implantology, Orthodontics and Oral and Maxillofacial Surgery [1,2]. Most of the current CBCT units are capable of producing images with high resolution to precisely depict fine anatomical structures, however the overall image quality may be critically hampered by the presence of image artefacts [3-5].

CBCT image artefacts are distortions unrelated to the subject studied and can be categorized into different types based on the source of formation [6]. Beam hardening-related artefact is the most prominent type in Dentistry, considering the great prevalence of very dense materials of high atomic number within the field-of- view, e.g., dental amalgam alloy, dental implant, metallic post, gutta-percha and orthodontic appliances. The interaction of these materials with a polychromatic X- ray beam substantially absorbs low-energy photons, which increases the resulting mean energy of the beam and induces a non-linear error in the recorded data [4,6]. The formation of CBCT image artefact has shown to reduce the diagnostic accuracy and increase the interpretation time by obscuring anatomical structures on the region of interest [7-9]. CBCT images can be useless when major artefacts are present [7]. Metal artefact reduction (MAR) algorithms [10,11] and image data processing methods [12-13] have been developed with the purpose of reducing potential CBCT image deterioration. Picasso Trio (Vatech, Hwaseong, Republic of Korea), ProMax 3D (Planmeca, Helsinki, Finland) and Cranex 3D (Soredex, Tuusula, Finland) are some of the CBCT units that make available a MAR algorithm. MAR has been assessed on recent studies with regard to image quality [14,15] and diagnostic ability on vertical root fractures [5,16,17]. Considering the great use of highly X-ray absorbing dental materials and the lack of information on the scientific literature about their relationship with artefact reduction algorithms, the aim of this study was to evaluate the in-vitro efficacy of MAR on CBCT images of three dental materials.

26 2. Materials and methods