低剂量CT心肌灌注优质成像方法

发布时间：2017-08-20 15:36

  本文关键词：低剂量CT心肌灌注优质成像方法

  更多相关文章： CT 心肌灌注成像 低剂量 迭代重建 稀疏性 全变分 去卷积

【摘要】：冠状动脉粥样硬化性心脏病(Coronary Artery Disease, CAD)是由于冠状动脉粥样硬化病变引起管腔狭窄或阻塞,管腔的变化造成血流和心肌氧消耗之间不平衡从而导致心肌损害。美国心脏协会(American Heart Association, AHA)2012年的一份报告显示,在美国平均每年有超过一百万的CAD患者；我国心血管疾病的发病呈现快速和持续上升趋势,已经逐渐成为危害我国人民健康和导致死亡的首要疾病,根据世界卫生组织2011年的报告,中国的CAD死亡人数已列为世界第二。为了帮助临床指导如何治疗和评价治疗效果等,我们必须对CAD患者进行早期、全面和精确的诊断,这样还可以有效降低冠心病的发病率和死亡率。目前,CT血管造影(CT Coronary Angiography, CTCA)是诊断CAD的主要检查技术。但CTCA不能准确发现冠状动脉的功能性狭窄,这导致临床把冠状动脉解剖学狭窄的判断作为对CAD诊断及治疗主要依据。有研究证明冠状动脉狭窄和心肌是否缺血及缺血程度之间相关性较差,即使患有冠状动脉狭窄的病人也不一定会导致心肌缺血；还有研究表明心肌微循环血流灌注异常的患者中只有50%存在明显冠状动脉狭窄。因此,除了准确判断冠状动脉解剖学情况(冠状动脉形态学情况),还需掌握心肌微循环情况(冠状动脉功能学情况)。侵入性冠状动脉血管造影(Invasive Coronary Angiography, ICA)和 CTCA一样均提供冠状动脉解剖学信息而缺乏功能信息,且ICA作为一种侵入性诊断方法逐渐不被病人所接受。近年来,心肌灌注成像(Myocardial Perfusion Imaging,MPI)尤其是负荷心肌灌注成像作为一种诊断CAD的功能成像检查手段受到极大的关注。常用的MPI包括放射性核素心肌灌注成像(Single-Photon Emission Computerized Tomography, SPECT; Positron Emission Tomography, PET)、负荷超声心动图(Stress Echocardiography,SE)、磁共振心肌灌注成像(Magnetic Resonance MPI,MR-MPI)和CT心肌灌注成像(Computerized Tomography Myocardial Perfusion Imaging,CT-MPI)。其中SPECT/PET是目前临床评价心肌缺血最常采用的一种非侵入性功能成像方法。据统计,每年大概有10亿病人经静息或负荷SPECT/PET心肌灌注检查,因此,SPECT/PET也被认为是诊断CAD的金标准。尽管SPECT/PET广泛应用于临床,但其有空间分辨率低、不能显示冠状动脉解剖细节、对早期CAD诊断不敏感、放射性核素在人体内的半衰期长、危害人体健康等诸多缺点。SE是指利用运动、起搏或药物增加心脏负荷,用超声技术检测心血管系统对负荷的反应状况,从而反映和诊断CAD；但是怀疑患有心肌梗死的病人禁止采用上述方法增加心脏负荷,且超声影像分辨力低、主观因素、可重复性低等不足限制了其在临床的广泛应用。MR-MPI具有良好的组织对比度、无辐射、较高的时间和空间分辨率,可显示心肌缺血的范围和程度,能够反映组织的微血管灌注情况；但MR-MPI检查时间长、价格昂贵、技术难度较大和不能绝对定量地分析心肌血流量,以及有较多的检查禁忌症。SPECT/PET、SE和MR-MPI这三类心肌灌注成像方法都存在一定的不足。CT-MPI具有极高的时间和空间分辨率,成像速度快,并且能实现“一站式”准确获得冠状动脉狭窄部位的解剖结构信息和冠状动脉狭窄的功能信息。未来,这种OSS检查方法显得越来越重要。CT-MPI最早使用电子束CT(Electron BeamCT,EBCT)进行心肌灌注检查,EBCT具有较好的时间分辨力,可获得感兴趣区层面的CT-MP图像,但EBCT受限于空间分辨率,导致CT心肌灌注图像细节显示不够清晰而被淘汰；随着多排探测器CT (Multi-Detector CT, MDCT)的问世使得一次扫描覆盖整个心脏进行灌注成像成为可能,但其XY平面分辨率不够高,增加的边缘部分的探测器导致MPI辐射剂量率大增；以上两种CT产品都不适宜在临床上推广。近几年,CT硬件和软件技术的发展极其迅速,世界各大CT生产商都推出了自己的新产品；尤其是320排CT、能谱CT、双源CT和宝石CT等高端CT的相继问世,国内外研究学者采用这些高端CT进行CT-MPI的研究越来越多。根据CT扫描协议,CT-MPI通过对下腔静脉高压注射碘对比剂,随着时间的变化连续动态扫描(Cine Model, CM)感兴趣心脏断层(Region Of Interest,ROI)获取该断层各个像素的时间密度曲线(Time Density Curve, TDC),然后利用鲁棒的去卷积模型计算心肌灌注血流动力学参数图(Myocardial Perfusion Hemodynamic Parameter Map, MPHM), MPHM包括心肌血流量(Myocardial Blood Flow, MBF),心肌血容量(Myocardial Blood Volume, MBV)和平均通过时间(Mean Transmit Time, MTT)等；通过分析各种心肌灌注血流动力学参数图,我们可以准确辨别是否有心肌缺血以及心肌缺血的程度。常用的MPHM计算方法包括非去卷积法和去卷积法。非去卷积法主要分为忽略流出静脉法(又名瞬间法)和引流静脉法(又名最大斜率法)；根据示踪剂稀释理论(又名Fick原理),通过对比剂首过获得的TDC曲线计算灌注参数MBF, MBV和MTT。非去卷积法的优点是计算简便、概念简单和便于理解；其缺点是忽略静脉流出且假设没有对比剂外渗,因此需要快速和大剂量团注碘对比剂,这样不仅增加了病人风险而且导致临床应用的不便。同样基于Fick原理及以双室模型为动力学基础的去卷积算法,其通过组织内对比剂浓度(Contrast Agent Concentration,C(t))和动脉输入函数(Arterial Input Function, AIF)两个已知量去卷积求解血流尺度的剩余函数(flow scaled residue function)K(t),进而由K(t)计算MBF,MBV和MTT等灌注参数。然而,根据CT-MPI扫描协议,需对心脏ROI断层进行序列扫描。相比于常规CT成像,CT心肌灌注成像极大增加了受检者的辐射剂量。有研究证明,过量的射线辐射会导致白血病、恶心肿瘤、癌症和其他遗传性疾病。目前,常用的低剂量扫描方法包括降低管电流、管电压或者减少扫描角向采样数目等,这些虽是降低X射线辐射剂量简单易行的方法,但常常会导致光子噪声大幅增加,射束硬化效应和条形伪影等影响,使得重建的CT-MP图像质量出现严重下降,进而影响医生诊断的准确度。因此,在确保较高图像质量和不影响临床诊断的前提下,如何减少射线辐射剂量已成为当前CT心肌灌注成像领域极为重要的课题。近几年,关于如何在心肌灌注扫描过程中降低辐射剂量的研究大量涌现,主要分为两大类。第一类是通过各种硬件优化,图像处理和图像重建方法获得优质的CT心肌灌注图像,例如优化CT扫描模式和采用心电门控技术(Electrocardio-Gating, ECG); Stenner等将部分扫描伪影技术(Partial Scan Artifact Reduction, PSAR)用于心脏灌注CT成像,PSAR技术不仅大幅降低X射线剂量且获得具有高时间分辨率的CT图像。Speidel等采用高度约束的反投影图像处理方法(HighlY constrained backPRojection, HYPR)获得高质量CT-MP图像,高度约束的反投影图像处理方法较好的抑制了CT-MP图像噪声和条形伪影,但是该方法没有考虑运动伪影的影响。Ramirez-Giraldo等在考虑了运动伪影的前提下,提出了一种基于目标的空间频率滤波策略(Targeted Spatial Frequency Filtration, TSFF)来减少因PSAR技术产生的条形伪影。Tao等率先把统计迭代重建(Statistical Iterative Reconstruction, SIR)技术应用于心肌灌注CT图像重建,这种直接作用于弦图的CT SIR技术能有效的减少因图像噪声引入的条形伪影。第一类方法能够得到高质量的CT-MP图像,但是第一类方法在利用获得的CT-MP图像估计MPHM时采用不稳定的去卷积方法。Frindel和Fang研究表明,若想得到具有诊断意义的心肌灌注参数图,必须研发稳定的MP去卷积方法。所以我们把这类提高心肌灌注参数图清晰度的鲁棒MP去卷积方法称为第二类方法。Frindel等建立了时间维度和空正维度的正则化去MP卷积模型,并将这种模型应用到磁共振脑灌注加权成像(Perfusion-Weighted Magnetic Resonance Imaging,PW-MRI)。Fang等将张量全变分(Tensor Total Variation,TTV)正则化去卷积方法,且将TTV正则化方法应用于CT脑灌注图像重建(CTBrain Perfusion, CTP),该方法能够有效改善脑灌注血流动力学参数图。若将第一类方法和第二类方法结合应用于CT-MPI,这将是未来研究的重点。本文对第一类方法和第二类方法分别进行研究。归纳起来,主要包括如下两个方面的工作：1)研发一种基于运动自适应稀疏先验算法(Motion Adaptive Sparsity Prior, MASP)应用于CT-MPI。经过大量实验表明,经过校正过后的相邻帧CT心肌灌注图像的差图具有梯度稀疏特性,MASP方法利用了灌注图像的时空结构稀疏特性并将心跳运动伪影校正过程引入到惩罚加权最小二乘(Penalized Weighted Least-Squares, PWLS)过程,从而改善CT-MP图像的质量,我们把这种方法简称为PWLS-MASP。随后,我们采用修改的交替方向优化算法对目标函数进行优化。本方法具有三大优点：1)该方法首次将运动校正过程引入到CT迭代重建过程,运动校正和迭代重建两者交替进行,使得重建更加精确；2)该方法同时考虑了CT心肌灌注图像的时间和空间结构的稀疏特性；3)应用一种全局收敛优化算法对目标函数进行优化。2)研发一种基于加权自适应张量全变分(Adaptive-Weighted Tensor Total Variation, AwTTV)先验的CT-MP去卷积方法。AwTTV方法利用了心肌血管空间结构的相似性和冠状动脉血流信号的时间连续性。为了求解我们提出的CT-MP去卷积代价函数,本文研发一种改进的交替方向优化技术。CT心肌灌注仿真XCAT和迷你猪CT心肌灌注数据实验证明,和常用的去卷积算法相比,如标准截断奇异值分解法(Standard Truncated Singular Value Decomposition, sSVD)、吉洪诺夫正则化算法(Tikhonov regularization)和块循环截断奇异值分解算法(Block-Circulant Truncated SVD, bSVD), AwTTV算法能更有效的抑制低剂量MPHM中的噪声伪影,且很好的保持了具有临床诊断意义的详细解剖信息。
【关键词】：CT 心肌灌注成像 低剂量 迭代重建 稀疏性 全变分 去卷积
【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R816.2;TP391.41
【目录】：

• 摘要3-9
• ABSTRACT9-17
• 第一章 绪论17-26
• 1.1 CT心肌灌注成像简介17-18
• 1.2 研究背景及意义18-19
• 1.3 心肌灌注成像研究现状19-22
• 1.3.1 核素心肌灌注成像20
• 1.3.2 负荷超声心动图20-21
• 1.3.3 磁共振心肌灌注成像21-22
• 1.3.4 CT心肌灌注成像发展历程22
• 1.4 本论文研究内容及组织结构22-26
• 第二章 CT心肌灌注成像的基本原理26-36
• 2.1 灌注生理学理论模型26-29
• 2.2 心肌灌注参数估计的去卷积法29-33
• 2.2.1 截断奇异值分解算法29-32
• 2.2.2 吉洪诺夫正则化算法32-33
• 2.3 心肌灌注参数估计的非去卷积法33-35
• 2.3.1 引流静脉法33-34
• 2.3.2 忽略流出静脉法34-35
• 2.4 鲁棒低剂量CT心肌灌注去卷积法35-36
• 第三章 基于运动自适应稀疏先验的CT心肌灌注成像36-49
• 3.1 本章引言36-38
• 3.2 材料与方法38-43
• 3.2.1 惩罚加权最小二乘CT图像重建模型38-39
• 3.2.2 运动自适应稀疏先验模型39-40
• 3.2.3 基于运动自适应稀疏先验的惩罚加权最小二乘重建40-41
• 3.2.4 优化方法41-43
• 3.3 实验结果43-48
• 3.3.1 动物实验43
• 3.3.2 视觉评价43-45
• 3.3.3 对比信噪比评价45-46
• 3.3.4 TDC曲线46-48
• 3.4 总结48-49
• 第四章 基于加权自适应TTV正则化的CT心肌灌注去卷积49-67
• 4.1 本章引言49-50
• 4.2 材料与方法50-54
• 4.2.1 CT心肌灌注卷积模型50
• 4.2.2 加权自适应TTV正则化去卷积模型50-51
• 4.2.3 优化方法51-54
• 4.3 实验设置54-57
• 4.3.1 数据获取54-55
• 4.3.2 评估方法55-56
• 4.3.3 对比方法56-57
• 4.4 体模实验结果57-60
• 4.4.1 视觉评价57
• 4.4.2 降噪效果分析57-59
• 4.4.3 血流尺度残余函数恢复59-60
• 4.5 动物实验结果60-65
• 4.5.1 视觉评价60-65
• 4.5.2 UQI评价65
• 4.6 本章结论65-67
• 第五章 总结与展望67-69
• 5.1 论文工作总结67-68
• 5.2 未来工作展望68-69
• 参考文献69-74
• 攻读学位期间成果74-75
• 致谢75-76

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 张宗军;卢光明;;双源CT原理与临床应用[J];医疗卫生装备;2007年10期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 张凌;SPECT心肌灌注与PET心肌代谢显像在肥厚型心肌病中的应用[D];北京协和医学院;2014年

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本文编号：707489