Influência da ferramenta de redução de artefato metálico na qualidade de imagens de TCFC = Influence of metal artefact reduction tool in quality of CBCT images

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POLYANE MAZUCATTO QUEIROZ

INFLUÊNCIA DA FERRAMENTA DE REDUÇÃO DE

ARTEFATO METÁLICO NA QUALIDADE DE

IMAGENS DE TCFC

INFLUENCE OF METAL ARTEFACT REDUCTION

TOOL IN QUALITY OF CBCT IMAGES

PIRACICABA 2015

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POLYANE MAZUCATTO QUEIROZ

INFLUÊNCIA DA FERRAMENTA DE REDUÇÃO DE ARTEFATO

METÁLICO NA QUALIDADE DE IMAGENS DE TCFC

INFLUENCE OF METAL ARTEFACT REDUCTION TOOL IN QUALITY

OF CBCT IMAGE

Dissertação apresentada à Faculdade de Odontologia de Piracicaba da Universidade Estadual de Campinas, como parte dos requisitos exigidos para obtenção do Título de Mestra em Radiologia Odontológica, área de Radiologia Odontológica.

Dissertation presents to the Piracicaba Dental School of the University of Campinas, in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master in Dental Radiology, Dental Radiology area.

Orientadora: Profa_{. Dr}a_{. Deborah Queiroz de Freitas França}

PIRACICABA 2015

Universidade Estadual de Campinas

Faculdade de Odontologia de Piracicaba

Este exemplar corresponde à versão final defendida pela aluna Polyane Mazucatto Queiroz e orientada pela Prof.a Dr.a_{Deborah Queiroz de Freitas França}

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vii RESUMO

Materiais de alta densidade física e alto número atômico quando presentes no objeto escaneado podem resultar em artefato nas imagens tomográficas. O artefato compromete a qualidade da imagem tomográfica, podendo inviabilizar o uso dessa modalidade de diagnóstico. Com este trabalho, teve-se dois objetivos: avaliar a ação da ferramenta de redução de artefato metálico (RAM) nas imagens tomográficas de phantoms com diferentes materiais utilizados na Odontologia (amálgama de prata, guta-percha e liga metálica) e avaliar a influência de diferentes tamanhos de campo de visão (field of view - FOV) e de voxel sobre a ação da ferramenta. Foram confeccionados três phantoms de resina acrílica com amostras dos materiais estudados em seu interior. Os phantoms foram escaneados no tomógrafo do aparelho Picasso Trio®_{(Vathec, Hwaseong, Coréia do Sul) com} diferentes FOVs (120x85 mm, 80x80 mm, 80x50 mm e 50x50 mm) e voxels (0,3 mm e 0,2 mm). Todos os escaneamentos foram realizados duas vezes com cada parâmetro, uma sem ativação e uma com ativação da ferramenta de RAM. As imagens foram avaliadas no programa OnDemand3D (CyberMed, Seul, Coréia do Sul). Foram obtidos valores de média e desvio-padrão do histograma das áreas ao redor das amostras e das áreas-controle e foi calculada a relação contraste-ruído (RCR). Os dados foram submetidos à análise. Observou-se influência positiva da ferramenta nos valores do desvio-padrão das áreas ao redor das amostras dos materiais amálgama de prata e liga metálica. Não houve influência da utilização da ferramenta sobre os valores das médias e valores de RCR. Na presença da ferramenta de RAM, o FOV e o voxel não influenciaram os valores de desvio-padrão das áreas ao redor das amostras. Foi possível concluir que a ferramenta mostrou-se eficaz na redução do artefato gerado pelo amálgama de prata e pela liga metálica; e a ação da ferramenta não é influenciada por diferentes FOVs e voxels, de forma que esses parâmetros podem ser selecionados de acordo com o objetivo do exame, sem haver alterações quando a ferramenta é utilizada.

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Palavras-chave1_{: Tomografia computadorizada de feixe cônico. Artefatos. Materiais} dentários.

1 _{Descritores em Ciência da Saúde (DeCS); disponível em http://decs.bvs.br/. Acessado em 17. Abr} 2015.

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ix ABSTRACT

High density and high atomic number materials are scanned results in artefact in tomographic image. The artefact compromises the quality of tomographic image, which may make the image useless for the diagnosis. The aim of this study were: to assess the action of metal artefact reduction (MAR) algorithm on tomographic images of phantoms with different materials used in Dentistry (dental amalgam, gutta-percha and dental alloy); to assess the influence of different sizes of field of view (FOV) and voxel on the action of the MAR algorithm. Three phantoms were made of acrylic resin with the dentals materials in their interior. The phantoms were scanned on Picasso Trio®_{machine (Vathec, Hwaseong, South Korea) with different} FOVs (120x85 mm, 80x80 mm, 80x50 mm and 50x50 mm) and voxels (0.3 mm and 0.2 mm). All scans were performed twice with each parameter, without and with activation of the MAR algorithm. The images were evaluated on the OnDemand3D software (CyberMed, Seoul, South Korea). The mean and variation (standard deviation - SD) of greyscale values of the histogram of the areas around samples and control areas were obtained. The contrast-to-noise ratio (CNR) was calculated. Data were statistically analyze. There was positive influence of the algorithm on the SD of the areas around the samples of dental amalgam and dental alloy. There was no influence of the algorithm on the mean of greyscale values and CNR. The FOV and voxel did not influence the SD of the areas around the samples when the MAR algorithm was active. In conclusion, the MAR algorithm showed positive effect in reducing the artefact caused by dental amalgam and dental alloy; its action was not influenced by different FOVs and voxels, so those parameters can be selected according to the examination purpose, as there are no changes in the algorithm use.

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Keywords1_{: Cone beam computed tomography. Artefacts. Dental Materials.}

1 _{Medical Subjetc Heading (MeSH); available in http://www.nlm.nih.gov/mesh/MBrowser.html>.} Accessed on 17 Apr 2015.

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xi SUMÁRIO

DEDICATÓRIA...xi

AGRADECIMENTOS...xiii

INTRODUÇÃO...1

CAPÍTULO 1 Avaliação da ferramenta de redução de artefato metálico nas imagens de TCFC de diferentes materiais de uso odontológico...5

CAPÍTULO 2: Evaluation of metal artefact reduction in cone-beam computed tomography images of different dental materials...23

CAPÍTULO 3: Influência dos parâmetros de aquisição de imagem na ação da ferramenta de redução de artefato metálico em imagens de TCFC...39

CAPÍTULO 4: Influence of scanning parameters on the efficacy of CBCT metal artefact reduction...57

CONCLUSÃO...75

REFERÊNCIAS...77

APÊNDICE 1: Metodologia detalhada...81

APÊNDICE 2: Resultados...93

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xiii

Dedico este trabalho a minha mãe, amor gratuito, puro e imensurável. “Tão sublime quanto incondicional é o amor de mãe, que nos molda e quando não, nos aceita.” [Elaine Sekimura]

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AGRADECIMENTOS

À Deus. “Deus tem duas moradas: uma nos céus e a outra nos corações ternos e agradecidos.”

[Izaak Walton] Pela vida, pela concretização dessa etapa e por todos que Ele colocou em meus caminhos.

Aos meus pais, Branito e Lourdes. “Os bons filhos são a coroa dos pais; os bons pais a glória dos filhos”

[Autor desconhecido] Obrigada pelo apoio, pela minha formação pessoal e por acreditarem em mim. A conclusão de mais essa etapa é nossa.

Aos mestres. “Não conheço missão maior e mais nobre que a de dirigir as inteligências jovens e preparar os homens do futuro.”

[D. Pedro II] A minha orientadora Deborah Freitas, pela prontidão, dedicação e orientação. Agradeço também por toda liberdade concedida, que me permitiu desenvolver senso crítico e buscar novas ideias.

Ao professor Francisco Haiter, pelo apoio, oportunidades e conselhos a mim destinados.

Aos professores Frab Bóscolo e Solange, pelo apoio e carinho tão importantes nessa caminhada.

Ao professor Matheus Olivera, pela colaboração e dedicação nesse trabalho, disponibilidade e prontidão.

Ao professor Francisco Groppo, pela ajuda e dedicação na execução da estatística desse trabalho, além da paciência e compreensão.

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Aos professores Karla Vasconcelos, Lourenço Correr e Matheus Oliveira por todas as contribuições no exame de qualificação.

A todos os professores do Programa de Pós-graduação em Radiologia Odontológica, meu sincero muito obrigada pelos ensinamentos compartilhados e pela oportunidade de uma formação íntegra, profissional e pessoal!

A professora Evelise Ono pelo apoio, amizade e incentivo.

Ao professor Ricardo Matheus, pela amizade, incentivo e disponibilidade. Obrigada por estar sempre presente na minha formação, por acreditar em mim e em meu trabalho e por todas as oportunidades!

Aos amigos. “Amigos são tesouros sem preço e anjos sem asas.”

[Lourdes Duarte] A minha família de sangue, Raíra, Viviane e Maria Clara e à aquela que pude escolher: Brunella Flores, Camila Terra, Fabíola Calderan, Leandro Martins, Sirlei Martins, Suzany Gasparetto. Obrigada pela amizade, apoio e compreensão. É muito importante e gratificante ter vocês ao meu lado em mais essa etapa!

A Luciane Sattolo e Waldeck Moreira, pelos momentos divididos, pelos conselhos e pela amizade construída. E que sempre cultivemos essa amizade que foi tão fundamental nessa etapa da minha vida. Com vocês ao meu lado, foi mais fácil trilhar esses caminhos e chegar até aqui!

A todos os colegas e amigos do Programa de pós-graduação em Radiologia Odontológica, nos nomes de Amanda Candemil, Gustavo Santaella, Karla Rovaris, Karla Vasconcelos, Mayra Yamasaki, Tiago Nascimento e Yuri Nejaim. Obrigada pela troca de conhecimentos e experiências e por construirmos dia a dia essa jornada e a nossa amizade!

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Aos amigos que Piracicaba me proporcionou conhecer e que a vida me permita cultivar: Ana, Estêvão, Francielly, Jean, Samuel e Zulieth. Obrigada pelo convívio diário e pelos momentos divididos.

Aos colegas e amigos de trabalho. “Leve é a tarefa quando temos amigos para dividirmos o trabalho”

[Autor desconhecido] Meus sinceros agradecimentos ao Marcos Blanco, técnico da área de Materiais Dentários. Obrigada pela ajuda, orientação, determinação, persistência e amizade! Obrigada por se envolver nesse trabalho como se fosse seu. Sem a sua ajuda esse trabalho não teria acontecido e com sua amizade os obstáculos foram mais simples.

Aos funcionários da Clínica de Radiologia Odontológica Giselda, Fernando Andrade, Sara e Waldeck Moreira. Obrigada por propiciarem condições agradáveis de trabalho e convívio, tornando os dias mais leves.

As secretárias Luciane Sattolo, Àrea de Radiologia, e Ana Paula, Secretaria de Pós-Graduação, pela eficiência, precisão, prontidão e amizade.

A Márcia, Neide e Reinado. Obrigada pelas gentilezas e bons tempos de convívio no Laboratório de Produção de Prótese.

Meu agradecimento aos funcionários de todos os setores da Faculdade de Odontologia de Piracicaba: Almoxarifado, Biblioteca, Clínica, Comitê de Ética, Departamentos, Coordenações, Informática, Limpeza, Manutenção, Portaria, Restaurante e Segurança. Vocês são bons exemplos de fazer bem, e com sorriso no rosto, aquilo que é proposto a ser feito.

Às instituições. À Faculdade de Odontologia de Piracicaba da Universidade Estadual de Campinas (FOP-UNICAMP), na pessoa de seu diretor Professor Doutor Guilherme Elias Pessanha Henriques, pela oportunidade de utilizar toda a infraestrutura e recursos dessa instituição.

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À Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) pelo apoio financeiro.

Meus sinceros agradecimentos a todos aqueles que participaram da minha vida ao longo dessa etapa. Obrigada pela amizade, apoio e oportunidades. Cada um de vocês tem parte da responsabilidade dessa conquista.

“Todo trabalho é vazio, a não ser que haja amor.”

[Khalil Gibran]

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1 INTRODUÇÃO

Na década de 90, a Tomografia Computadorizada de Feixe Cônico (TCFC), uma modalidade de exame resultante da associação de múltiplas imagens bidimensionais adquiridas por meio de um feixe cônico de radiação X, foi introduzida na Odontologia (Scarfe et al., 2006). Imagens da TCFC de estruturas ósseas, de modo geral, são bastante nítidas e contrastadas, sendo úteis para avaliar as estruturas craniofaciais (Ziegler et al., 2002; Suzovik, 2003). Cada dia mais, a TCFC mostra-se como uma ferramenta essencial em diversas especialidades da Odontologia, como a Implantodontia, Ortodontia e Cirurgia buco-maxilo-facial (Scarfe et al., 2006).

Na obtenção de imagens tomográficas, alguns parâmetros que afetam a qualidade da imagem podem ser selecionados pelo operador, dependendo do aparelho, como os parâmetros energéticos: quilovoltagem (kV), miliamperagem (mA) e tempo de exposição, além de outros parâmetros, como voxel e tamanho do campo de visão (field of view - FOV) (Farman e Scarfe, 2009).

O tamanho do voxel está relacionado com a resolução espacial da imagem. Quanto menor o tamanho do voxel, maior será a resolução espacial e, com isso, melhor será a nitidez da imagem (Farman e Scarfe, 2009; Hassan et al., 2010). Entretanto, o menor voxel não irá detectar a mesma quantidade de fótons de raios X, como seria com um voxel de maior tamanho. A diminuição no número de fótons de raios X absorvidos em um voxel de menor tamanho resulta no menor sinal, o que conduz ao aumento do ruído nas imagens tomográficas (Bechara et al., 2012b).

O tamanho do FOV deve ser ajustado de acordo com a área de interesse do exame a ser realizado. Quanto maior o FOV, maior será a abrangência do exame e, consequentemente, maior será a quantidade de radiação à qual o paciente será submetido, quando as imagens foram adquiridas com os mesmos parâmetros energéticos (Cohnen et al., 2000; Barrett e Keat, 2004; Rustemeyer et al., 2004;

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Segundo Katsumata et al. (2007), a intensidade do artefato aumenta quando há estruturas fora do FOV. Estruturas que fazem parte do objeto escaneado, mas que não estão na área de interesse, podem provocar uma descontinuidade dos dados de projeção na imagem reconstruídas, influenciando na formação de artefato (Van Daatselaar et al., 2003; Katsumata et al., 2009; Schulze et al., 2011).

A presença de artefatos é comum na TCFC. O artefato pode ser definido como imagens visualizadas na imagem reconstruída que não estão presentes no objeto estudado. O artefato é resultado da discrepância entre o modelo matemático de reconstrução e as reais condições físicas do objeto (Schulze et al., 2011), e sua presença influencia de modo negativo o processo de diagnóstico por imagem (Barrett e Keat, 2004).

Materiais metálicos têm se mostrado a principal causa de artefatos na imagem tomográfica (Sanders et al., 2007), pois a presença de material de alta densidade e elevado número atômico pode causar o endurecimento do feixe, já que materiais com essas características se comportam como filtro para os fótons de raios X, aumentando a energia média do feixe (Draenert et al., 2007; Schulze et al., 2011), além de causar o espalhamento da radiação. Essas alterações refletem na densidade e no contraste das imagens obtidas por TCFC (Barrett e Keat, 2004; Vande-Berg et al., 2006; Sanders et al., 2007; Schulze et al., 2011).

Os artefatos aparecem como imagens de estrias hiperdensas e áreas hipodensas orientadas ao longo das linhas de projeção (Schulze et al., 2011). Essas imagens obscurecem estruturas anatômicas e se sobrepõem à área de interesse do exame; consequentemente, reduzem a acurácia de diagnóstico da TCFC e exigem maior tempo para análise das imagens (Webber et al., 1989; Barrett e Keat, 2004; Vande-Berg et al., 2006), podendo tornar o exame até mesmo inutilizável (Barrett e Keat, 2004). No entanto, como a origem do artefato está relacionada com a polarização quantitativa dos raios X, esse efeito negativo na imagem pode ser revertido, por meio da aplicação de algoritmos que alteram a reconstrução, eliminando ou minimizando os artefatos na imagem (Maltz et al., 2008).

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Algoritmos são cálculos matemáticos por meio dos quais é realizada a reconstrução da imagem. Para minimizar ou suprimir os artefatos, algoritmos para redução de artefato metálico têm sido utilizados e novos algoritmos têm sido desenvolvidos e testados (Mahnken et al., 2003; Barrett e Keat, 2004; Maltz et al., 2008). Estudos foram realizados para avaliar o efeito da quilovoltagem nas imagens quando algoritmos redutores de artefato metálico são aplicados (Bechara et al., 2012b; Bechara et al., 2012c), mostrando que, com o aumento da quilovoltagem e consequentemente maior energia do feixe de radiação, a formação de artefato é menor (Bechara et al., 2012b).

No aparelho Picasso Trio®_{(Vatech, Hwaseong, Coréia do Sul), é possível} utilizar a ferramenta de redução de artefato metálico (RAM). Essa ferramenta é um algoritmo de reconstrução da imagem tomográfica que age no processo de reconstrução, corrigindo os artefatos da imagem, a fim de minimizar a presença dos mesmos. A aplicação de algoritmo exige um tempo maior no processo de reconstrução da imagem em comparação ao processo de reconstrução realizado quando a ferramenta não é selecionada (Manual do aparelho Picasso Trio®_(Vathec, Hwaseong, Coréia do Sul)). Nesse aparelho em que a ferramenta está disponível, além da possibilidade de escolha dos parâmetros energéticos, há a possibilidade de escolher como parâmetro para obtenção de imagens quatro opções para tamanho de FOV (120x85 mm, 80x80 mm, 80x50 mm e 50x50 mm) e duas opções para tamanho de voxel (0,3 mm e 0,2 mm).

Considerando os diferentes materiais utilizadas na Odontologia e a possibilidade de combinar diferentes parâmetros de obtenção de imagem, é válido avaliar a ação dessa ferramenta sobre as imagens tomográficas de phantoms de diferentes materiais e a influência de diferentes parâmetros de aquisição na ação da ferramenta.

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5 CAPÍTULO 1 – Artigo 1

A versão em inglês desse artigo (Capítulo 2) foi submetida para apreciação no periódico Acta Biomaerialia (Anexo 1).

Avaliação da ferramenta de redução de artefato metálico nas imagens de TCFC de diferentes materiais de uso odontológico

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

1 Departamento de Diagnóstico Oral, Área de Radiologia Odontológica, Faculdade de Odontologia de Piracicaba, Universidade Estadual de Campinas, Piracicaba, São Paulo, Brasil.

2 Departamento de Ciências Fisiológica, Área de Farmacologia, Faculdade de Odontologia de Piracicaba, Universidade Estadual de Campinas, Piracicaba, São Paulo, Brasil.

Autor correspondente: Polyane Mazucatto Queiroz

Faculdade de Odontologia de Piracicaba – Departamento de Diagnóstico Oral, Área de Radiologia Odontológica.

Avenida Limeira, 901 Código Postal: 13414-903 Piracicaba, São Paulo, Brasil Tefefone/ FAX: +55 19 2106-5327

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6 Resumo

Com o presente trabalho, teve-se como objetivo avaliar a eficácia da ferramenta de Redução de Artefato Metálico (RAM) nas imagens de Tomografia Computadorizada de Feixe Cônico (TCFC) de três diferentes materiais de uso odontológico. Foram confeccionados três phantoms com três amostras cilíndricas de materiais de uso odontológico dispostos nos vértices de um triângulo isósceles e circundado de resina acrílica. Cada phantom tinha três amostras do mesmo material: amálgama de prata, guta-percha e liga metálica cobre-alumínio (Cu-Al). As imagens foram adquiridas no aparelho Picasso-Trio (Vatech, Hwaseong, Coréia do Sul) com 80 kVp e 3,7 mA, campo de visão de 80x80 mm e voxel de 0,2 mm. Cada phantom foi escaneado duas vezes, na ausência e presença da ferramenta de RAM. As imagens foram avaliadas no software OnDemand 3D. Na imagem axial correspondente ao centro da amostra, seis circunferências adjacentes a área do material foram delimitadas e em uma imagem axial, 5,4 mm abaixo da amostra do material, determinou-se a área controle. Valores de média (M), desvio-padrão (DP) dos tons de cinza e a relação constraste-ruído (RCR) foram analisados estatisticamente pelo teste de Kruskal-Wallis e Student-Newman-Keuls (post hoc) (α=0.05). Houve diferença significante (p<0,05) nos valores de desvio-padrão em relação a presença e ausência da ferramenta nas áreas ao redor do amálgama de prata e liga metálica. Não foi observada diferença significante (p>0,05) em relação a presença ou ausência da ferramenta para a área ao redor da guta-percha. Valores da média e relação contraste-ruído não apresentaram diferença significante, independente do material e presença ou ausência da ferramenta. A ferramenta de RAM mostrou-se efetiva nas áreas ao redor do amálgama de prata e da liga metálica.

Palavras-chave: Tomografia Computadorizada de Feixe Cônico; Artefatos; Materiais odontológicos; Absorciometria de Fóton; Densitometria.

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7 1. Introdução

A Tomografia Computadorizada de Feixe Cônico (TCFC) é uma modalidade de exame que tem muitas aplicações e sua aceitação tem aumento na Odontologia. A possibilidade de planejar tridimensionalmente um tratamento com melhor resultado diagnóstico tem trazido importantes benefícios para diversas especialidades da Odontologia, como para a Implantodontia, Ortodontia e Cirurgia buco-maxilo-facial [1,2]. A maioria dos tomógrafos de TCFC é capaz de produzir imagens com alta resolução para descrever com precisão as estruturas anatômicas, no entanto, a qualidade da imagem pode ser prejudicada pela presença de artefatos de imagem [3-5].

Os artefatos das imagens de TCFC são distorções não relacionadas ao objeto estudado, mas presente na imagem tomográfica final. Os artefatos podem ser classificados de diferentes formas, de acordo com a origem de formação [6]. Artefatos relacionados ao endurecimento do feixe é o tipo mais frequente na Odontologia, considerando a grande prevalência de materiais muito densos e de elevado número atômico dentro do campo de visão (field of view – FOV), por exemplo, liga de amálgama dental, implante dentário, pinos metálicos, guta-percha e aparelhos ortodônticos. Esses materiais de alta densidade e elevado número atômico comportam-se como um filtro para o feixe policromático de raios X, resultando na absorção dos fótons de baixa energia, aumentando a energia média do feixe, induzindo a um erro não-linear nos dados gravados [4,6]. A presença de artefato na imagem de TCFC reduz a acurácia de diagnóstico e aumenta o tempo de interpretação das imagens por obscurecendo estruturas anatômicas na região de interesse [7-9]. A presença de artefato pode até inviabilizar o diagnóstico por meio da TCFC. [7].

Ferramenta de Redução de Artefato Metálico (RAM) [10,11] e processamento de dados de imagem [12-13] são métodos desenvolvidos com o objetivo de reduzir o artefato nas imagens de TCFC. Alguns aparelhos como o Picasso Trio (Vatech, Hwaseong, República da Coréia), ProMax 3D (Planmeca, Helsinki, Finlândia) e 3D Cranex (Soredex, Tuusula, Finlândia) disponibilizam a ferramenta de RAM. Essa

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ferramenta tem sido avaliada em estudos recentes, no que diz respeito a qualidade da imagem [14,15] e capacidade de diagnóstico de fraturas radiculares verticais [5, 16] e alterações peri-implanteres [17].

Considerando a grande utilização das imagens de TCFC, uso de materiais odontológicos de alto número atômico e alta densidade, a presença de artefato e a falta de informações na literatura científica sobre a relação desses fatores com a ferramenta de RAM, o presente trabalho foi proposto com o objetivo de avaliar a eficácia da ferramenta de RAM em imagens de TCFC de três materiais de uso odontológico.

2. Materiais e Métodos

Para esse estudo, foram confeccionados três phantoms em Resina Acrílica Ativada Quimicamente (RAAQ) (VIPI, São Paulo, Brasil), contendo no interior dos mesmos três amostras cilíndricas de materiais utilizados na Odontologia (amálgama de prata, guta-percha ou liga metálica).

2.1. Confecção dos phantoms

Foram confeccionadas três amostras de amálgama de prata Permite (Southern Dental Industries Ltd. - SDI, Austrália), três amostras de guta-percha Odahcam (Dentsply, Petrópolis, Rio de Janeiro, Brasil) e três amostras de liga metálica de Cobre-Alumínio (Cu-Al) Ducaracast MS (Dental Gaúcho - Marquart & Cia. Ltda., Barueri, Brasil) com dimensões de 5,4 mm de diâmetro por 5,4 mm de altura. A densidade das amostras foi calculada a partir do princípio de Arquimedes em uma balança analítica Discovery (OHAUS Corporation, Switzerland) [16]. Foi confeccionada uma base de RAAQ de 5,4 mm de diâmetro e 20 mm de altura, para cada amostra, formando o conjunto amostra-base.

Para confecção dos phantoms, foi utilizado um cano cilíndrico de PVC (Tigre, São Paulo, Brasil) de 98 mm de diâmetro interno e com 50 mm de altura e u3eema base de resina acrílica pré-confeccionada.

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Três conjuntos amostra-base de um mesmo material foram fixados na base de resina acrílica pré-confeccionada. A fixação de cada conjunto amostra-base foi realizada nos vértices de um triângulo isósceles pré-determinado com base de 58mm e altura de 39 mm (Figura 1).

Figura 1 – Vista axial de um desenho esquemático do triângulo isóceles usado como referência para o posicionamento das amostras dos materiais em seus vértices.

Foram medidos 280 g de polímero de resina acrílica autopolimerizável (VIPI) e 180 g de monômero (VIPI), que foram manipulados segundo as instruções do fabricante e vertidos no conjunto base-cano de PVC. Todo o conjunto foi mantido sob 4 bar de pressão, sem aquecimento, por 1 hora em uma termopolimerizadora sob pressão (Famabras, Itaquaquecetuba, Brasil) para evitar a formação de bolhas. Após o resfriamento, o phantom foi removido do conjunto base-cano de PVC.

2.2. Aquisição das imagens tomográficas

Os três phantoms foram escaneados no aparelho Picasso Trio®_(Vatech, Hwaseong, Coréia do Sul) usando como parâmetro energético 80kV, 3,7 mA e 24 segundos de escaneamento. As imagens foram adquiridas usando FOV de 80x80mm e voxel de 0,2 mm. O posicionamento do phantom foi centralizado em relação ao FOV.

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Todos os phantoms foram submetidos à aquisição de imagens duas vezes, uma vez no modo de redução de artefato metálico, com a ferramenta presente (FP) e uma segunda vez no modo normal – ferramenta ausente (FA) – essas aquisições compuseram o grupo controle.

2.3. Avaliação das imagens tomográficas

As imagens adquiridas (Figura 2) foram avaliadas no software OnDemand3D (CyberMed, Seul, Coréia do Sul) por um único avaliador. No corte coronal, foi determinado o ponto médio das amostras e, nesse ponto médio, foi obtida a imagem axial correspondente à área ao redor das amostras.

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Figura 2 – Imagens axiais dos phantoms de (A) amálgama de prata, (B) guta-percha e (C) liga metálica. Imagens da esquerda obtidas sem a ferramenta de RAM e imagens da direita obtidas com a ferramenta de RAM.

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Com a ferramenta de histograma, foram determinadas, a região de interesse (Region of interest – ROI) ao redor da imagem da amostra (ROI Material), seis circunferências de 5,4 mm de diâmetro (Figura 3), ao redor de cada amostra. Foram obtidos valores de média e desvio-padrão (DP) dos tons de cinza da imagem axial da área das amostras.

Figura 3 – Imagem axial. Seis circunferências localizadas ao redor da área da imagem do material odontológico (área hiperdensa).

Foi determinada uma área-controle 5,4 mm abaixo da borda inferior da amostra, determinando a imagem axial da área-controle, na qual foram selecionadas as mesmas áreas de histograma feitas na imagem axial das áreas das amostras, obtendo-se valores de média e desvio-padrão da área-controle (ROI Controle). A partir dos valores dos tons de cinza do histograma, foi calculada a relação contraste-ruído (RCR) (contrast-to-noise ratio - CNR).A CNR foi obtida a partir da subtração da média da área ao redor da amostra pela média da área-controle dividida pelo desvio-padrão da área-área-controle [11], como apresentado na fórmula abaixo:

𝐶𝑁𝑅 = (𝑀é𝑑𝑖𝑎 𝑑𝑎 á𝑟𝑒𝑎 𝑎𝑜 𝑟𝑒𝑑𝑜𝑟 𝑑𝑎 𝑎𝑚𝑜𝑠𝑡𝑟𝑎 − 𝑀é𝑑𝑖𝑎 𝑑𝑎 á𝑟𝑒𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙𝑒) 𝐷𝑃 𝑑𝑎 á𝑟𝑒𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙𝑒

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13 2.4. Análise estatística

A homogeneidade e variância dos dados foram analisadas nos testes de Kolmogorov & Smirnov e Bartlett, respectivamente. Teste de Kruskal-Wallis com post hoc de Student-Newman-Keuls foi usado para observar o efeito da ferramenta de RAM nos valores de média, desvio-padrão das áreas ao redor dos materiais e áreas-controle e CNR. O nível de signficância considerado foi 5%. As análises foram feitas usando os programas GraphPad Prism 6.0 (GraphPad Software, La Jolla, Estados Unidos) e BioEstat 5.0 (Fundação Mamiraua, Belém, Brasil).

3. Resultados

3.1. Média dos tons de cinza

Na Figura 4 é possível observar a média dos tons de cinza dos diferentes materiais na ausência e presença da ferramenta de RAM. Não foi observada diferença significante entre as áreas-controle (p=0,28) e áreas ao redor das amostras (p=0.19). Entretanto, a área ao redor dos materiais apresentou significativamente (p<0,05) maiores médias de tons de cinza do que as áreas-controle. A ferramenta de RAM não influenciou de forma significante (p>0,05) as médias dos tons de cinza das áreas-controle e área ao redor do material.

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Figura 4 – Média 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; Barra dos extremos = 1° quartil e 3° quartil.

3.2. 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

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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.

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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.

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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

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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

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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.

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20 Referências

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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.

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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

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

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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.

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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.

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26 2. Materials and methods

2.1. Imaging phantom preparation

Three imaging phantoms were custom-made of three cylinder-shaped objects (diameter, 5.4 mm; height, 5.4 mm) arranged in an isosceles triangle (base, 58 mm; height, 39 mm; Figure 1) and surrounded by chemically activated acrylic resin (CAAR) (VIPI, Sao Paulo, Brazil). The CAAR was poured into a mould of a cylindrical PVC (polyvinyl chloride) pipe (Tigre, Sao Paulo, Brazil) of 98 mm in internal diameter and 40 mm in height with a custom-made base of acrylic resin sealing the bottom opening, with the dental material cylinders submerged 20 mm above the lower edge of the imaging phantom.

Figure 1 – Axial view of a schematic drawing of an isosceles triangle as reference for positioning the cylinders on the vertices.

Each phantom had the three cylinders made of the same dental material: dental amalgam alloy Permite (South Dental Industries, Bayswater, Australia), gutta-percha (Denstsply, York, USA) or aluminium-copper (Al-Cu) alloy Duracast MS (Dental Gaucho Marquart & Cia, Barueri, Brazil). The physical density of each cylinder was calculated based on Archimedes’ principle by using the analytical balance Discovery (Ohaus Corporation, Parsippany, USA) [18].

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27 2.2. CBCT scanning

CBCT scans were performed by using the Picasso Trio CBCT unit (Vatech, Hwaseong, Republic of Korea) at 80 kVp, 3.7 mA, scanning time of 24 seconds and voxel size of 0.2 mm, and with each imaging phantom centred on an 80 x 80 mm field of view. All scan were repeated with the use of MAR. Volumetric data were reconstructed in the native Ez3D (E-WOO Technology, Seoul, Republic of Korea) and exported to DICOM file format.

2.3. Image analysis

A single examiner imported to OnDemand3D software (CyberMed, Seoul, Republic of Korea) and assessed all CBCT scans (Figure 2).

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Figure 2 – CBCT axial reconstructions of imaging phantoms made of (A) dental amalgam alloy, (B) gutta-percha and (C) Al-Cu alloy. Images on the left and right are without and with MAR, respectively.

On axial reconstructions, six circular regions of interest (ROIs; diameter, 5.4mm) were selected around the middle height of the three cylinders (Figure 3).

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Figure 3 – Six circular ROIs located all around the dental material (hyperdense circle) on CBCT axial reconstruction.

The same ROIs were selected in an area under no effect of the cylinder-related image artefacts (control area), 5.4 mm below the lower edge of the cylinders. Mean grey values and standard deviation (SD) were obtained from the ROIs and contrast-to-noise ratio (CNR) was calculated. CNR is obtained by subtracting the mean grey value of the control area (B) from the mean grey value of the affected area (A), and dividing by the SD of the same control area [14], as follows:

𝐶𝑁𝑅 = (𝑀𝑒𝑎𝑛 𝑜𝑓 𝐴 − 𝑀𝑒𝑎𝑛 𝑜𝑓 𝐵) 𝑆𝐷 𝑜𝑓 𝐵

2.4. Statistical analysis

Data distribution and variances homoscedasticity were evaluated by Kolmogorov & Smirnov and Bartlett tests, respectively. Kruskal-Wallis and Student-Newman-Keuls (post hoc) tests were used to observe the effect of MAR on mean grey values and SD from the ROIs around the dental materials and the control areas and CNR. Significance level was set at 5% and the analyses were carried out by using GraphPad Prism 6.0 (GraphPad Software, La Jolla, CA, USA) and BioEstat 5.0 (Fundação Mamiraua, Belém, PA, Brazil).

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30 3. Results

3.1. Mean grey values

Figure 4 shows mean grey values of the ROIs of all dental materials without MAR (w/oMAR) and with MAR. No significant difference was observed among control ROIs (p=0.2863) and among dental material ROIs (p=0.1988). However, dental material ROIs showed higher (p<0.05) mean grey values than control ROIs for all dental materials analysed. MAR did not significantly affect (p>0.05) the mean grey values of any material or control ROIs.

Figure 4 – Mean grey values obtained without MAR (w/oMAR) and with MAR from ROIs of the control area (Control ROI) and around the dental materials (Material ROI) of the imaging phantoms composed of dental amalgam alloy, gutta-percha and Al-Cu alloy. Central bar = median; whiskers = 1st_{and 3}rd_quartiles.

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31 3.2. SD grey values

The effect of MAR in the SD of grey values obtained for each dental material is showed in Figure 5. Significant differences were observed between material and control ROIs irrespective of MAR. Control ROIs with MAR and w/oMAR did not differ among dental amalgam alloy (p=0.9429), gutta-percha (p=0.6215) and Al-Cu alloy (p=0.0883). MAR also did not affect the material ROI of gutta-percha (p=0.9873). However, MAR significantly reduced the material ROI of both dental amalgam alloy (p=0.0098) and Al-Cu alloy (p=0.0100). Comparisons among dental material ROIs showed no significant differences between dental amalgam and Al-Cu alloys for both MAR (p=0.9195) and w/oMAR (p=0.2526) conditions. In addition, both alloy ROIs of MAR and w/oMAR significantly differed (p<0.05) from gutta-percha.

Figure 5 – Standard deviation grey values obtained without MAR (w/oMAR) and with MAR from ROIs of the control area (Control ROI) and around the dental materials (Material ROI) of the imaging phantoms composed of dental amalgam alloy, gutta-percha and Al-Cu alloy. Central bar = median; whiskers = 1st_{and 3}rd_quartiles.

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32 3.3. CNR values

CNR values of each dental material, MAR or w/o MAR, are shown in Figure 6. No significant differences (p=0.2599) were observed between MAR and w/oMAR nor among material and control ROIs.

Figure 6 – Contrast-to-noise ratio of CBCT images obtained without MAR (w/oMAR) and with MAR from imaging phantoms composed of dental amalgam alloy, gutta-percha and Al-Cu alloy. Central bar = median; whiskers = 1st_{and 3}rd_quartiles.

4. Discussion

The presence of very dense materials of high atomic number within the CBCT scanned object act as a filter of the X-ray beam, such that the mean energy of the captured beam becomes relatively higher than the emitted beam [6]. This phenomenon is known as beam hardening and is characterized on CBCT images by strikes and dark bands between very dense objects, and distortion of metallic materials (cupping artefact) [4,6,19,20]. Beam hardening-related CBCT image

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artefact is a clinically undesirable phenomenon because it can degrade the image quality and compromise the diagnostic process.

Since the understanding of this occurrence, CBCT manufactures have focused on reducing artefact with the development of new image data processing methods and MAR algorithms [10-15]. On the present study, MAR showed a positive influence only on CBCT images of dental alloys with a significant reduction of SD grey values. This represents a reduction of grey value variability and greater homogeneity of the image, which suggests a real metal artefact reduction. The fact that MAR did not reduce grey value variability on gutta-percha could be explained because this material did not produce image artefact enough to be significantly reduced by MAR. The atomic number of the main components of dental amalgam alloy are 47 (silver) and 80 (mercury) and Al-Cu alloy are 29 (copper) and 13 (aluminium), whereas gutta-percha is composed of a portion of zinc oxide (atomic number of zinc is 30) and isoprene rubber with a very low atomic number. Additionally, the physical densities of the cylinders used on this study were 10.6 g/ml, 7.7 g/ml and 2.6 g/ml for dental amalgam alloy, Al-Cu alloy and gutta-percha, respectively. More sensitive MAR algorithms should be developed to reduce grey value variability even when intermediate density materials of high atomic number are present, considering that image artefact arising from gutta-percha has shown to reduce the diagnostic accuracy of CBCT in the detection of dental root fractures [21]. Bechara et al.[14] e Bechara et al.[15] have found similar results when assessing MAR in the presence of a metallic sphere within the imaging phantom. However, the assessment was restricted to a single area adjacent to the sphere, whose composition was not disclosed. On the present study, it was opted to have six ROIs around the object of study considering that the CBCT image degradation can extend in all directions.

CBCT images were acquired at 16 bits on the present study, which represents a grey scale of 65.536 shades of grey, including black and white. This can possibly explain the fact that MAR did not significantly influence mean grey values. The wide range of shades of grey strongly affects the sensitivity of the statistical analysis,

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reducing the chance of subtle differences to be considered significant. Conversely, other studies have detected significant difference on mean grey values on 8-bit images (256 shades of grey, including black and white) [5, 14]. Such assumption also reflects on the fact that MAR did not influence CNR values, given that contrast is calculated partially based on mean grey values. Interestingly, subjective visual inspection of the CBCT scans revealed reduction of artefacts arising from the cylinders made of all dental materials (Figure 2).

Despite the fact that MAR showed to be an effective tool to improve image quality on the present methodology, some other studies have been contradictory. Kamburogly et al. [17] concluded that MAR does not influence CBCT images on the diagnosis of periodontal and peri-implant defects. Bechara et al. [16] e Bezerra et al. [5] showed that MAR was considered to improve the visual quality of CBCT images but reduced the diagnostic accuracy in the detection of vertical root fracture. The inconsistency between objective and subjective assessments on the efficacy of MAR highlights the importance of evaluating additional diagnostic tasks. The application of MAR on CBCT scans leads to an increase in time to reconstruct the images. According to the instruction manual provided by Vatech, the manufacturer of Picasso Trio CBCT unit, the extra time can be twice as long in the presence of MAR. This makes MAR to be indicated only when a real improvement in image quality is observed.

Scientific studies that evaluate MAR on CBCT images of different dental materials are scarce in the literature. The evaluation of the isolated effect of MAR on CBCT scans of dental amalgam alloy, gutta-percha and Al-Cu alloy was only possible in the present study because many factors that could interfere with them were controlled in-vitro. Caution should be used when extrapolating the results of a laboratory study on CBCT grey values to a clinical situation since each patient interacts with the X-ray beam differently.

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35 5. Conclusions

MAR should be used on CBCT scans of objects containing dental amalgam and Al-Cu alloys due to its efficacy in reducing image artefact. Conversely, MAR is not recommended in the presence of gutta-percha because this would only represent an increase in time of the reconstruction process without improving the image quality.

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36 References

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