Advertisement

Design and Validation of Synchronous QCT Calibration Phantom: Practical Methodology

Published:November 09, 2018DOI:https://doi.org/10.1016/j.jmir.2018.10.002

      Abstract

      Introduction

      Quantitative computed tomography (QCT) can supplement dual x-ray absorptiometry by enabling geometric and compartmental bone assessments. Whole-body spiral CT scanners are widely available and require a short scanning time of seconds, in contrast to peripheral QCT scanners, which require several minutes of scanning time. This study designed and evaluated the accuracy and precision of a homemade QCT calibration phantom using a whole-body spiral CT scanner.

      Materials and Methods

      The QCT calibration phantom consisted of K2HPO4 solutions as reference. The reference material with various concentrations of 0, 50, 100, 200, 400, 1000, and 1200 mg/cc of K2HPO4 in water were used. For designing the phantom, we used the ABAQUS software.

      Results

      The phantoms were used for performance assessment of QCT method through measurement of accuracy and precision errors, which were generally less than 5.1% for different concentrations. The correlation between CT numbers and concentration were close to one (R2 = 0.99).

      Discussion

      Because whole-body spiral CT scanners allow central bone densitometry, evaluating the accuracy and precision for the easy to use calibration phantom may improve the QCT bone densitometry test.

      Conclusion

      This study provides practical directions for applying a homemade calibration phantom for bone mineral density quantification in QCT technique.

      Résumé

      Introduction

      La tomodensitométrie quantitative (QCT) peut servir de complément à la DXA en facilitant les évaluations géométriques et des compartiments des os. Les tomodensitomètres hélicoïdaux pour corps entier sont largement accessibles et sont rapides comparativement à la QCT périphérique qui, elle, peut nécessiter plusieurs minutes. Dans le cadre de cette étude, nous avons évalué la justesse et la fidélité d'un fantôme de QCT préparé à la main pour des tomodensitomètres hélicoïdaux pour corps entier dans le contexte des évaluations quantitatives.

      Matériaux et méthodes

      Le fantôme pour l’étalonnage de la QCT comprenait une matière plastique et une solution de K2HPO4 qui servaient de base et de référence respectivement. Des matériaux de référence dont les concentrations de K2HPO4 étaient de 0, 50, 100, 200, 400, 1000 et 1200 mg/cm3 en solution aqueuse ont été utilisés. Pour créer le fantôme, nous avons eu recours au logiciel ABAQUS.

      Résultats

      Nous avons utilisé les fantômes créés pour évaluer le rendement de la méthode de QCT en mesurant les erreurs de justesse et de fidélité, qui étaient, de façon générale, inférieures à 5,1% pour diverses concentrations. La corrélation entre les données de tomodensitométrie et les concentrations se rapprochaient d'un (R2 = 0,99).

      Discussion

      Puisque les tomodensitomètres hélicoïdaux pour corps entier permettent de déterminer la densitométrie osseuse centrale, le fait d’évaluer la justesse et la fidélité du fantôme d’étalonnage facile pourrait améliorer le test de densitométrie osseuse effectué au moyen de la QCT.

      Conclusion

      Cette étude a permis d’établir la stabilité du fantôme d’étalonnage K2HPO4 au cours d'une période limitée de trois mois. De plus, la grande plage dynamique des concentrations pourrait servir à quantifier la faible et la forte densité des os avec un pourcentage d'erreur relative acceptable.

      Keywords

      To read this article in full you will need to make a payment

      Purchase one-time access:

      Academic and PersonalCorporate R&D Professionals
      One-time access price info
      • For academic or personal research use, select 'Academic and Personal'
      • For corporate R&D use, select 'Corporate R&D Professionals'

      Subscribe:

      Subscribe to Journal of Medical Imaging and Radiation Sciences
      Already a print subscriber? Claim online access
      Already an online subscriber? Sign in
      Institutional Access: Sign in to ScienceDirect

      References

        • Ma X.-H.
        • Zhang W.
        • Wang Y.
        • Xue P.
        • Li Y.-K.
        Comparison of the spine and hip BMD assessments derived from quantitative computed tomography.
        Int J Endocrinol. 2015; 2015: 675340
        • Link T.M.
        Axial and peripheral QCT. In Osteoporosis and Bone Densitometry Measurements.
        Springer, Berlin, Heidelberg2013: 123-134
        • Kim M.S.
        Quantitative analysis of bone mineral measurements in different types of dual-energy absorptiometry systems: comparison of CT vs DEXA.
        Radiat Technol Sci. 2017; 40: 311-316
        • Les C.M.
        • Keyak J.H.
        • Stover S.M.
        • Taylor K.T.
        • Kaneps A.J.
        Estimation of material properties in the equine metacarpus with use of quantitative computed tomography.
        J Orthop Res. 1994; 12: 822-833
        • Mao S.S.
        • Li D.
        • Luo Y.
        • Syed Y.S.
        • Budoff M.J.
        Application of quantitative computed tomography for assessment of trabecular bone mineral density, microarchitecture and mechanical property.
        Clin Imaging. 2016; 40: 330-338
        • Cann C.E.
        • Genant H.K.
        Precise measurement of vertebral mineral content using computed tomography.
        J Comput Assist Tomogr. 1980; 4: 493-500
        • Nazarian A.
        • Snyder B.D.
        • Zurakowski D.
        • Muller R.
        Quantitative micro-computed tomography: a non-invasive method to assess equivalent bone mineral density.
        Bone. 2008; 43: 302-311
        • Ruegsegger P.
        • Kalender W.A.
        A phantom for standardization and quality control in peripheral bone measurements by PQCT and DXA.
        Phys Med Biol. 1993; 38: 1963
        • Deuerling J.M.
        • Rudy D.J.
        • Niebur G.L.
        • Roeder R.K.
        Improved accuracy of cortical bone mineralization measured by polychromatic microcomputed tomography using a novel high mineral density composite calibration phantom.
        Med Phys. 2010; 37: 5138-5145
        • Ward R.J.
        • Roberts C.C.
        • Bencardino J.T.
        • et al.
        ACR appropriateness criteria® osteoporosis and bone mineral density.
        J Am Coll Radiol. 2017; 14: S189-S202
      1. Emami A, Ghadiri H, Ay M, Akhlaghpour S, Eslami A, Ghafarian P, et al., editors. A new phantom for performance evaluation of bone mineral densitometry using DEXA and QCT. Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC), 2011; IEEE. 2011: IEEE.

        • Giambini H.
        • Dragomir-Daescu D.
        • Huddleston P.M.
        • Camp J.J.
        • An K.N.
        • Nassr A.
        The effect of quantitative computed tomography acquisition protocols on bone mineral density estimation.
        J Biomech Eng. 2015; 137: 114502
        • Schreiber J.J.
        • Anderson P.A.
        • Rosas H.G.
        • Buchholz A.L.
        • Au A.G.
        Hounsfield units for assessing bone mineral density and strength: a tool for osteoporosis management.
        J Bone Joint Surg Am. 2011; 93: 1057-1063
        • Smith K.E.
        • Whiting B.R.
        • Reiker G.G.
        • Commean P.K.
        • Sinacore D.R.
        • Prior F.W.
        Assessment of technical and biological parameters of volumetric quantitative computed tomography of the foot: a phantom study.
        Osteoporos Int. 2012; 23: 1977-1985
        • Neroladaki A.
        • Botsikas D.
        • Boudabbous S.
        • Becker C.D.
        • Montet X.
        Computed tomography of the chest with model-based iterative reconstruction using a radiation exposure similar to chest X-ray examination: preliminary observations.
        Eur Radiol. 2013; 23: 360-366