Cone beam pratique en odontostomatologie – Partie I - Principe, technique, qualité d’image, artéfacts, types d’appareil, indications

Principe du cone beam
Le faisceau de rayons X, de forme conique, est atténué en traversant l’objet à explorer, avant d’être analysé par un système de détection. Le tube et le système de détection tournant autour du sujet (180 à 360° selon les constructeurs), plusieurs centaines d’analyses (prises de vues, clichés ou projections) sont réalisées dans les différents plans de l’espace, permettant, après transmission des données à un ordinateur, la reconstruction volumique d’un cylindre contenant l’objet (ici, les maxillaires).

Le volume étudié est composé de voxels dont le côté est de la taille d’un pixel, mesuré en micromètres (μm), chaque voxel obtenu mesurant entre 70 et 500 μm de côté (taille du pixel ; Fig. 1).

Les voxels obtenus en cone beam sont dits isotropes ou isométriques. Ceci signifie que leurs côtés sont de même dimension, en d’autres termes que chaque voxel est cubique, quelle que soit l’orientation des reconstructions dans les trois dimensions de l’espace, d’où l’avantage géométrique déterminant sur le scanner, dont les voxels de reconstruction sont parallélépipédiques, anisotropes, induisant une relative déformation des images reconstruites et n’autorisant que des reconstructions dans un axe strictement perpendiculaire au volume d’acquisition. Certains scanners de dernière génération permettent cependant d’obtenir des voxels isotropes, au prix d’une augmentation de la dose délivrée (Fig. 2).

Le volume ainsi obtenu à partir des projections cone beam (acquisitions) est reconstruit par ordinateur en coupes axiales 2D, alors que théoriquement, le scanner obtient un volume à partir de coupes 2D, ce qui a fait dire que « le scanner produit de la 3D à partir de coupes 2D, alors que le cone beam produit des coupes 2D à partir d’une acquisition 3D ».

Le système de détection et de transmission des données diffère selon les machines. Le premier système utilisé comprenait essentiellement un amplificateur de brillance (NewTom 3G, Galileos, Sirona). Le système utilisé dans la majorité des cas aujourd’hui est le capteur plan (« flat panel » : NewTom VG®, Accuitomo Morita®, Icat®...) La comparaison des deux systèmes suggère un chemin plus court et plus simple du signal pour le système à capteur plan, qui pourrait, par diminution du « bruit du système », expliquer la meilleure résolution observée avec les machines employant ce dernier type de détection.

Réalisation d’un examen cone beam

Acquisition des données
Le patient est positionné debout ou assis (la plupart des appareils sont verticaux) ou couché sur un lit (NewTom 5G®, se présentant comme un scanner, le lit s’engageant au centre d’un anneau porteur du couple tube-capteur plan), la tête maintenue dans une têtière, au mieux sanglée. La contention est importante et souvent déterminante en cone beam, afin d’éviter les artéfacts cinétiques, souvent gênants pour l’interprétation. Il est admis que la position assise est moins génératrice d’artéfacts que la position debout, et que la position couchée l’est encore moins mais peut induire, comme au scanner, une sensation de malaise chez certains patients claustrophobes. Les constantes d’acquisition sont définies : champ de vue, de 4x4 cm à 30x30 cm selon les machines, de même que l’exposition : tension (de 50 à 110 kV), intensité (mA) et temps de pose, en fonction de la corpulence du sujet et de la résolution souhaitée (Fig. 3).

La réalisation initiale d’un topogramme (scout view), consistant en la prise de deux clichés digitaux (profil et face) pour le centrage, l’orientation et la délimitation du volume d’acquisition est le fait des appareils haut de gamme et nous semble indispensable (Figs. 4a et b).

L’acquisition du volume s’effectue ensuite en un temps variable selon les machines et les programmes de 9 à 30 secondes, pendant lesquelles le patient est prié de ne pas bouger ou déglutir. Ce temps correspond à l’acquisition des données brutes (Raw data).

Travail informatique de l’image
L’acquisition des données brutes n’est qu’un premier temps dans la chaîne de génération de l’image. Les données brutes sont stockées et transformées en volume exploitable par reconstruction d’image.

Reconstructions primaires du volume exportable. On distingue :

• Reconstructions bidimesionelles « directes » (2D, axiales, frontales et sagittales « directes », obtenues à partir des données brutes).
• Reconstructions DICOM (Digital Imaging and Communication in Medicine), images reconstruites selon le plan axial, autorisant l’exploitation de logiciels spécialisés et permettant d’obtenir des reconstructions secondaires de deux types : multiplanaires et dentascanner. Le caractère isotrope des voxels en cone beam, autorise des reconstructions axiales secondaires (« reslices ») dans un axe différent de celui de l’acquisition, par exemple perpendiculaire à celui des dents, permettant d’obtenir des reconstructions verticales (panoramiques, orthogonales ou « cross-sectionals ») strictement dans l’axe implantaire, pour des mesures de hauteur fiables (Fig. 5).

* Les reconstructions multiplanaires (Multiplanar Reformation ou MPR) sont, comme les reconstructions directes, bidimensionnelles (axiales, frontales ou sagittales avec leurs composantes obliques) et 3D (Fig. 6).

* Les reconstructions « dentascanner » (ou Curved MPR) sont réalisées selon les plans axial, panoramique (parallèle à la crête alvéolaire) et orthogonal à la crête (perpendiculaire ou « coronal » ou « cross-sectional ») et associées à la demande à des reconstructions 3D.

Ce dernier type de reconstructions est surtout indiqué en implantologie pour les mesures volumiques de l’os alvéolaire. Ces mesures obtenues sur reconstructions bidimensionnelles dentascanner en cone beam, sont considérées comme aussi fiables qu’en scanner (TDM ; Fig. 7).

* Le transfert des données DICOM sur CD ou par Internet permet l’exploitation de logiciels spécialisés en simulation implantaire (SimPlant®, Nobelguide®, CAD-Implant®, 3Dent®, DICOM Insight®) ou en navigation robotique dans le volume (Robodent®), ainsi qu’en orthodontie (Dolphin®).

Les images bidimensionnelles et tridimensionnelles obtenues peuvent être imprimées sur film radiologique ou papier, idéalement en taille réelle (Fig. 8).

Reconstructions secondaires ou « rétroreconstructions »

Obtenues à partir des reconstructions primaires axiales, elles permettent l’obtention d’images en Ultra-Haute Résolution (UHR) à voxels de 70 à 80 μm d’arête. Ces images plus définies sont potentiellement plus bruitées, et exigent des outils de « filtrage » du bruit pour leur exploitation. Elles sont utiles surtout en pathologie endodontique (diagnostic canalaire et des fêlures, d’un 4e canal MV2 des premières molaires maxillaires, trajet fistuleux d’un foyer d’ostéite...),voire pour le diagnostic d’ankylose limitée ou « débutante » (Figs. 9a et b).

Reconstructions tridimensionnelles (3D)

Elles sont de plus en plus exploitées, à visée chirurgicale pré et peropératoire en implantologie, parfois orthodontique pour l’étude céphalométrique, pour visualiser les rapports de dents ou structures incluses, ou afin de plus facilement appréhender une dysmorphie, ou encore pour la modélisation prothétique. Elles peuvent avoir un rôle didactique mais aussi réellement diagnostique.

• L’imagerie 3D en Rendu de Volume (Volume Rendering ou VR) tend à s’imposer, permettant d’isoler des structures de densité donnée par seuillage.

Par exemple, le seuillage osseux permet d’analyser les structures osseuses avec une transparence variable et le seuillage dentaire, permet d’isoler la denture, effaçant les structures osseuses et les parties molles... (Fig. 10)

• L’imagerie 3D de surface (Surface Rendering ou SR) ne montre que les surfaces cutanées ou osseuses, ne permettant pas l’analyse des structures internes. Elles sont utiles en cas de perte de substance importante, pour apprécier son volume et sa forme avant greffe et surtout en pathologie congénitale malformative et en traumatologie, pour mettre en évidence les fractures et les déplacements complexes.

Qualité d’image et artéfacts en cone beam
Une image de qualité conjugue à la fois une bonne résolution spatiale et une bonne résolution en densité. Le bruit et les artéfacts déterminent, quant à eux, les facteurs susceptibles de nuire à la qualité de l’image.

Caractéristiques de l’image cone beam

Champ de vue et matrice de reconstruction

Le champ de vue est défini dans un premier temps lors de l’acquisition pour correspondre à l’étude envisagée (petits champs, de 4 à 8 cm, champs moyens de 9 à 14 cm ou grands champs de 15 à 30 cm).Il peut être reconsidéré à l’occasion de reconstructions secondaires pour préciser par exemple une structure à l’aide de voxels de plus petite taille (Fig. 11).

La matrice de reconstruction, d’autant plus grande que le champ et les pixels sont plus petits, est en règle aujourd’hui de 512 x 512 pixels. Elle pouvait être plus petite sur les appareils de premières générations à grand champ et pixels de 300 ou 400 μm et a plutôt tendance à grandir avec les appareils plus récents, tendant vers 1 024 x 1 024 pixels avec des pixels de plus petite taille.

Résolution spatiale

C’est la capacité d’un système à discerner deux petites structures proches. Elle est supérieure à celle du scanner, surtout en cas d’utilisation de voxels isotropes de petite taille (70 à 160 μm) (Newtom 5G, Morita Accuitomo...) Elle peut être moins bonne si les voxels dépassent 250 μm. Ainsi, pour améliorer la résolution spatiale, on peut :

• diminuer la taille du champ de vue et/ou augmenter la taille de la matrice pour des voxels de taille réduite;
• augmenter la tension (kV) ;
• diminuer l’épaisseur des reconstructions.

Toutefois, cela reste un problème de compromis car la réduction du pixel entraîne une diminution du rapport S/B et augmenter la tension « durcit » le faisceau incident de rayons X, ce qui provoque, dans les deux cas, une diminution de la résolution en contraste (ou en densité).

Résolution en densité (ou en contraste).

C’est la capacité d’un système à distinguer deux structures de densités proches. Pour augmenter « potentiellement » la résolution en contraste, en augmentant le rapport S/B, on peut :

• augmenter l’intensité du signal (mA) et donc la dose d’irradiation ;
• augmenter la taille du voxel en augmentant le champ de vue et/ou diminuant la taille de la matrice ;
• augmenter l’épaisseur des reconstructions.

La résolution en contraste du cone beam est inférieure à celle du scanner car l’intensité du signal est plus faible et les voxels généralement plus petits, ce qui diminue le rapport S/B. Le cone beam permet donc l’étude des tissus durs (os et dent) et l’étude des tissus mous reste réservée au scanner (TDM ou tomodensitomètre). Cependant un constructeur (Actéon) a tenté récemment de calibrer les « radiodensités CBCT » en échelle de « Densités Hounsfield » utilisée en TDM, ce qui ouvre peut-être des horizons nouveaux à l’usage du cone beam.

Bruit et artéfacts
Si la qualité des images du cone beam est le plus souvent satisfaisante, la présence de bruit et d’artéfacts peut toutefois altérer leur lisibilité.

Rapport signal sur bruit (rapport S/B)
Plus le signal d’une image est supérieur au bruit qui le compose, meilleurs sont le rapport S/B et la qualité de l’image résultante, aussi bien en contraste qu’en résolution spatiale.

Le bruit global d’une image radiologique est la somme des différents bruits créés lors des étapes de la formation de l’image. On distingue deux types de bruit d’origine distincte :

• le bruit photonique ou quantique, qui correspond au phénomène de fluctuation quantique du faisceau de rayons X ;
• le bruit du système qui correspond à l’ensemble des bruits prenant naissance dans la chaîne de détection, de transmission et de numérisation du signal.

Afin d’optimiser le rapport signal sur bruit, on peut :

• augmenter l’intensité du signal et donc la dose d’irradiation ;
• réduire le bruit du système en améliorant la qualité des capteurs et la qualité de la chaîne de transmission du signal. En cas d’image en haute résolution, à voxels de 70 à 125 μm, il est souvent utile d’épaissir simplement les coupes axiales, à taille de voxel constante, pour obtenir d’emblée une amélioration du rapport signal sur bruit (Figs. 12a et b).

Artéfacts
Les artéfacts, d’origine cinétique et/ou métallique notamment, sont responsables de fausses images qui peuvent nuire à l’interprétation.

 

Il est donc primordial de les repérer pour éviter toute erreur ou piège diagnostique.

Artéfacts métalliques
Ils seraient moins importants sur les appareils cone beam bien calibrés. Cependant, certains cone beam, surtout si leur capteur est mal calibré, peuvent présenter des artéfacts encore plus importants et plus gênants qu’au scanner.

Les artéfacts métalliques apparaissent lorsque le faisceau de rayons X rencontre des transitions trop abruptes de densité dans le volume exploré. Le faisceau de rayons X est polyénergétique à la sortie du tube radiogène. Ses rayons de plus basse énergie sont atténués en priorité lors de la traversée d’un objet de forte densité : on dit que ce faisceau de rayons X filtré est « durci ». Ces artéfacts métalliques sont le plus souvent causés par ce phénomène de durcissement du faisceau ainsi que par le rayonnement diffusé. On note alors la présence de plages de perturbations hypodenses, plus ou moins intenses (zones d’ombre, bandes sombres), de stries radiaires noires ou blanches, qui sont centrées sur les structures métalliques (Fig. 13).

En scanner, les logiciels de reconstructions itératives permettent de réduire significativement ces artéfacts métalliques et/ou de réduire les doses d’exposition. L’application de tels algorithmes en cone beam est à l’étude. En pratique, pour limiter ces artéfacts, il est nécessaire de retirer tout objet métallique amovible susceptible de se retrouver dans le champ exploré (prothèses adjointes, bijoux, piercing...)

Effet « Mach » ou effet de bord

L’effet de bord se traduit par la présence d’un liseré noir autour ou à proximité d’une structure dense (implant, prothèse, tenon, inlay-core...) en fort contraste avec l’os alvéolaire. Une simple diminution de contraste l’atténue ou l’annule, le différenciant d’une alvéolyse péri-implantaire par exemple (Fig. 14).

Artéfacts métalliques de couronne

Ces artéfacts métalliques, essentiellement dus au durcissement du faisceau, s’expriment par des bandes blanches ou noires ou mixtes, parfois en « feu d’herbe » situées strictement à la hauteur des couronnes du fait du caractère horizontal du centre du faisceau, parallèle en général au plan occlusal. Ces artéfacts de couronne sont cependant peu ou pas gênants en implantologie car ils se situent généralement à distance de la crête osseuse et des procès édentés (Fig. 15).

Artéfacts métalliques radiculaires

Les artéfacts radiculaires sont dus principalement aux tenons intra-radiculaires, aux inlay-cores et aux piliers implantaires. Contrairement au scanner, où ce type d’artéfacts entraîne une barre noire gênant la visibilité de la crête osseuse et du procès alvéolaire, le phénomène est atténué voire absent en cone beam (Figs. 16a et b).

À part sont les pseudo-traits de fracture horizontale d’une racine à hauteur de l’apex d’un tenon. Le diagnostic différentiel avec un trait de fracture se fait par la position en hauteur du « trait », par son prolongement au-delà du bord radiculaire et enfin par l’absence d’élargissement de l’espace desmodontal (Figs. 17a et b).

Artéfacts implantaires

• Implant cylindrique. L’effet mach ou « effet de bord » est classique, (Fig. 14), surtout en cas de fortes doses (images en haute définition). L’« écho de bord » s’observe sur les reconstructions « dentascanner » (Curved MPR) dites « coronales » ou orthogonales (« cross-sectionals ») et se caractérise par la répétition de l’effet de bord sur des reconstructions orthogonales adjacentes, même à distance de l’implant. Afin de limiter ou d’éviter ces artéfacts, il faut diminuer les constantes de dose (kV et mA) ; (Fig. 18).
• Implants lame et «diskimplants» sont moins sujets à ces artéfacts (Figs. 19 et 20).
• Implants aiguille. Devenus rares, ils rendent impossible l’interprétation en scanner et apparaissent moins susceptibles aux artéfacts en cone beam (Fig. 21).

Autres artéfacts métalliques

• Objets métalliques se situant dans le champ du faisceau de rayons X : essentiellement les piercings et les boucles d’oreilles, à ôter si possible avant l’examen (Fig. 22).
• Fausses images lacunaires, pouvant mimer une carie ou une résorption coronaire ou radiculaire, souvent à proximité d’un amalgame ou d’une prothèse métallique. Le diagnostic n’est parfois possible qu’en confrontant les différents plans de reconstruction, sur lesquels l’image pathologique peut sembler très différente voire absente (Fig. 23).

Artéfacts cinétiques
Ces artéfacts sont dus aux mouvements du patient et s’expriment sur l’image par un dédoublement des contours des différentes structures. La définition de l’image est alors dégradée par un flou cinétique important qui peut parfois être responsable de mesures erronées. Ces artéfacts cinétiques sont plus fréquents qu’au scanner du fait des temps de pose plus longs (jusqu’à 30 secondes pour le Morita Accuitomo F17 et le Newtom 5G). Pour réduire les artéfacts cinétiques, il faut :

• des moyens de contention efficaces afin de limiter les mouvements de la tête du patient : appuis ou « scratch » frontaux et occipitaux, éventuellement pièce à mordre pour limiter les mouvements de la mandibule ; noter que l’immobilité du patient est nettement meilleure quand celui-ci est allongé (95 % des images avec des artéfacts imperceptibles), plutôt que debout ou assis (68 % des images avec des artéfacts imperceptibles) ;
• un temps d’acquisition le plus court possible ;
• une coopération du patient pour limiter les mouvements physiologiques (ainsi que la déglutition voire la respiration quand le temps de pose est court).

Pour des patients très jeunes ou atteints de troubles neurologiques comme la maladie de Parkinson et dans les cas où des artéfacts cinétiques rendent la lecture de l’examen cone beam délicate ou impossible, il est souvent préférable de prescrire en seconde intention un examen scanographique à temps de pose ultra-court (1 à 4 secondes pour les scanners 64 barrettes actuels). Par ailleurs, les artéfacts cinétiques peuvent être parfois localisés seulement à une portion d’arcade : hémi-maxillaire droit ou gauche ou bien région antérieure. Si l’exploration porte sur une partie exempte d’artéfacts,
l’examen peut être validé. Enfin, les artéfacts cinétiques amplifient les artéfacts métalliques et inversement : les deux types d’artéfact se potentialisent (Fig. 24).

Artéfacts de capteurs
Les artéfacts de capteurs représentent une faille au niveau de la détection :

• capteurs défectueux ;
• mauvais centrage du faisceau X par rapport aux détecteurs : artéfacts de calibration. Les solutions pour atténuer ces artéfacts sont la
  bonne calibration du couple tube-détecteurs et, en cas d’échec, une maintenance technique voire le remplacement d’un capteur défectueux.

On distingue surtout les artéfacts de cibles et les artéfacts de contrastes.

• Les artéfacts de cibles naissent d’un vide d’informations au niveau des projections. Ils se voient essentiellement dans les parties molles, sous forme de cercles d’intensité variable sur les coupes axiales, centrés par l’axe de rotation et des lignes verticales hypo ou hyperdenses sur les reconstructions verticales (Figs. 25a et b).
• Les artéfacts de contrastes s’observent en cas de contraste important, par exemple si un implant est exploré par un cone beam au capteur mal calibré : on note une différence de contraste accrue et brutale entre la bande d’image comprenant l’implant et les bandes sus ou sous-jacentes (Fig. 26)._

Nous vous retrouverons dans le prochain numéro de CAD/CAM pour parler de la dosimétrie, des différents types d’appareil cone beam et enfin des indications de cette technique en odontostomatologie.

Note de la rédaction : cet article est paru dans CAD/CAM France, numéro 01/2014.

Fig. 1 Principes comparés du scanner et du du cone beam.
Fig. 2 Pixels et voxels isotropes.
Fig. 3 Appareils cone beam : Morita Accuitomo assis (gauche). NewTom 5G couché (droite).
Figs. 4a & b Topogramme (scout view) de profil et de face.
Fig. 5 Reconstruction du volume (gauche) dans le plan perpendiculaire aux dents et implants, idéale pour des reconstructions verticales dans l’axe des dents (droite).
Fig. 6 Reconstructions multiplanaires (ici, fracture verticale de 46).
Fig. 7 Reconstructions dentascanner : bilan préimplantaire mandibulaire.
Fig. 8 Simulation implantaire SimPlant.
Figs. 9a & b Intérêt de l’Ultra Haute Résolution : canal pulpaire plus net à 80 μm.
Fig. 10 Reconstruction en Rendu de Volume (VR) avec opacité variable, montrant les implants virtuels et leurs rapports avec le canal mandibulaire.
Fig. 11 Champs de vue proposés par le cone beam SCANORA®3Dx, couvrant l’ensemble des besoins en exploration 3D.
Figs. 12a & b « Bruit » accru sur reconstructions très fines,
à voxels de 80 μm (b), montrant plus de détails cependant que sur les reconstructions à 125 μm (a).
Fig. 13 Stries radiaires dues au durcissement du faisceau.
Fig. 14 Effet de bord autour d’un implant de 36 bien ostéo-intégré, sans alvéolyse péri-implantaire, contrairement à ce que pourrait faire croire cette reconstruction panoramique.
Fig. 15 Artéfacts métalliques
de couronne (région de 16) peu ou pas gênants car à distance de la crête édentée.
Figs. 16a & b Artéfacts métalliques radiculaires en scanner, (a : crête alvéolaire non vue), très atténués en cone beam, (b : crête alvéolaire visualisée).
Figs. 17a & b Pseudo-fracture (a) et vraie fracture (b), de diagnostic difficile.
Fig. 18 « Echo de bord » : effet de bord implantaire (implants en 14 et 16) répétés sur les reconstructions adjacentes de la région de 15.
Fig. 19 Peu d’artéfacts autour de cet implant-lame gauche, mais une péri-implantite, caractérisée par une alvéolyse péri-implantaire.
Fig. 20 Peu d’artéfacts autour de ce « Diskimplants® » droit, mais une alvéolyse péri-implantaire avec communication bucco-sinusienne et sinusite.
Figs. 21a & b Scanner (a : crête invisible) et cone beam (b : crête bien dessinée).
Fig. 22 Boucles d’oreilles : artéfacts sur tous les plans et même en 3D.
Fig. 23 Pseudo-carie due à une fausse image lacunaire artéfactuelle.
Fig. 24 Artéfacts cinétiques avec double contours : interprétation impossible.
Figs. 25a & b Artéfacts de cible sur coupes axiale (a) et orthogonale (b).
Fig. 26 Artéfact de contraste dû à un capteur mal calibré.