發(fā)布時(shí)間：2017-08-20 15:36

  本文關(guān)鍵詞：低劑量CT心肌灌注優(yōu)質(zhì)成像方法

  更多相關(guān)文章： CT 心肌灌注成像 低劑量 迭代重建 稀疏性 全變分 去卷積

【摘要】：冠狀動脈粥樣硬化性心臟病(Coronary Artery Disease, CAD)是由于冠狀動脈粥樣硬化病變引起管腔狹窄或阻塞,管腔的變化造成血流和心肌氧消耗之間不平衡從而導(dǎo)致心肌損害。美國心臟協(xié)會(American Heart Association, AHA)2012年的一份報(bào)告顯示,在美國平均每年有超過一百萬的CAD患者；我國心血管疾病的發(fā)病呈現(xiàn)快速和持續(xù)上升趨勢,已經(jīng)逐漸成為危害我國人民健康和導(dǎo)致死亡的首要疾病,根據(jù)世界衛(wèi)生組織2011年的報(bào)告,中國的CAD死亡人數(shù)已列為世界第二。為了幫助臨床指導(dǎo)如何治療和評價(jià)治療效果等,我們必須對CAD患者進(jìn)行早期、全面和精確的診斷,這樣還可以有效降低冠心病的發(fā)病率和死亡率。目前,CT血管造影(CT Coronary Angiography, CTCA)是診斷CAD的主要檢查技術(shù)。但CTCA不能準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)冠狀動脈的功能性狹窄,這導(dǎo)致臨床把冠狀動脈解剖學(xué)狹窄的判斷作為對CAD診斷及治療主要依據(jù)。有研究證明冠狀動脈狹窄和心肌是否缺血及缺血程度之間相關(guān)性較差,即使患有冠狀動脈狹窄的病人也不一定會導(dǎo)致心肌缺血；還有研究表明心肌微循環(huán)血流灌注異常的患者中只有50%存在明顯冠狀動脈狹窄。因此,除了準(zhǔn)確判斷冠狀動脈解剖學(xué)情況(冠狀動脈形態(tài)學(xué)情況),還需掌握心肌微循環(huán)情況(冠狀動脈功能學(xué)情況)。侵入性冠狀動脈血管造影(Invasive Coronary Angiography, ICA)和 CTCA一樣均提供冠狀動脈解剖學(xué)信息而缺乏功能信息,且ICA作為一種侵入性診斷方法逐漸不被病人所接受。近年來,心肌灌注成像(Myocardial Perfusion Imaging,MPI)尤其是負(fù)荷心肌灌注成像作為一種診斷CAD的功能成像檢查手段受到極大的關(guān)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)、負(fù)荷超聲心動圖(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是目前臨床評價(jià)心肌缺血最常采用的一種非侵入性功能成像方法。據(jù)統(tǒng)計(jì),每年大概有10億病人經(jīng)靜息或負(fù)荷SPECT/PET心肌灌注檢查,因此,SPECT/PET也被認(rèn)為是診斷CAD的金標(biāo)準(zhǔn)。盡管SPECT/PET廣泛應(yīng)用于臨床,但其有空間分辨率低、不能顯示冠狀動脈解剖細(xì)節(jié)、對早期CAD診斷不敏感、放射性核素在人體內(nèi)的半衰期長、危害人體健康等諸多缺點(diǎn)。SE是指利用運(yùn)動、起搏或藥物增加心臟負(fù)荷,用超聲技術(shù)檢測心血管系統(tǒng)對負(fù)荷的反應(yīng)狀況,從而反映和診斷CAD；但是懷疑患有心肌梗死的病人禁止采用上述方法增加心臟負(fù)荷,且超聲影像分辨力低、主觀因素、可重復(fù)性低等不足限制了其在臨床的廣泛應(yīng)用。MR-MPI具有良好的組織對比度、無輻射、較高的時(shí)間和空間分辨率,可顯示心肌缺血的范圍和程度,能夠反映組織的微血管灌注情況；但MR-MPI檢查時(shí)間長、價(jià)格昂貴、技術(shù)難度較大和不能絕對定量地分析心肌血流量,以及有較多的檢查禁忌癥。SPECT/PET、SE和MR-MPI這三類心肌灌注成像方法都存在一定的不足。CT-MPI具有極高的時(shí)間和空間分辨率,成像速度快,并且能實(shí)現(xiàn)“一站式”準(zhǔn)確獲得冠狀動脈狹窄部位的解剖結(jié)構(gòu)信息和冠狀動脈狹窄的功能信息。未來,這種OSS檢查方法顯得越來越重要。CT-MPI最早使用電子束CT(Electron BeamCT,EBCT)進(jìn)行心肌灌注檢查,EBCT具有較好的時(shí)間分辨力,可獲得感興趣區(qū)層面的CT-MP圖像,但EBCT受限于空間分辨率,導(dǎo)致CT心肌灌注圖像細(xì)節(jié)顯示不夠清晰而被淘汰；隨著多排探測器CT (Multi-Detector CT, MDCT)的問世使得一次掃描覆蓋整個(gè)心臟進(jìn)行灌注成像成為可能,但其XY平面分辨率不夠高,增加的邊緣部分的探測器導(dǎo)致MPI輻射劑量率大增；以上兩種CT產(chǎn)品都不適宜在臨床上推廣。近幾年,CT硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展極其迅速,世界各大CT生產(chǎn)商都推出了自己的新產(chǎn)品；尤其是320排CT、能譜CT、雙源CT和寶石CT等高端CT的相繼問世,國內(nèi)外研究學(xué)者采用這些高端CT進(jìn)行CT-MPI的研究越來越多。根據(jù)CT掃描協(xié)議,CT-MPI通過對下腔靜脈高壓注射碘對比劑,隨著時(shí)間的變化連續(xù)動態(tài)掃描(Cine Model, CM)感興趣心臟斷層(Region Of Interest,ROI)獲取該斷層各個(gè)像素的時(shí)間密度曲線(Time Density Curve, TDC),然后利用魯棒的去卷積模型計(jì)算心肌灌注血流動力學(xué)參數(shù)圖(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)和平均通過時(shí)間(Mean Transmit Time, MTT)等；通過分析各種心肌灌注血流動力學(xué)參數(shù)圖,我們可以準(zhǔn)確辨別是否有心肌缺血以及心肌缺血的程度。常用的MPHM計(jì)算方法包括非去卷積法和去卷積法。非去卷積法主要分為忽略流出靜脈法(又名瞬間法)和引流靜脈法(又名最大斜率法)；根據(jù)示蹤劑稀釋理論(又名Fick原理),通過對比劑首過獲得的TDC曲線計(jì)算灌注參數(shù)MBF, MBV和MTT。非去卷積法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡便、概念簡單和便于理解；其缺點(diǎn)是忽略靜脈流出且假設(shè)沒有對比劑外滲,因此需要快速和大劑量團(tuán)注碘對比劑,這樣不僅增加了病人風(fēng)險(xiǎn)而且導(dǎo)致臨床應(yīng)用的不便。同樣基于Fick原理及以雙室模型為動力學(xué)基礎(chǔ)的去卷積算法,其通過組織內(nèi)對比劑濃度(Contrast Agent Concentration,C(t))和動脈輸入函數(shù)(Arterial Input Function, AIF)兩個(gè)已知量去卷積求解血流尺度的剩余函數(shù)(flow scaled residue function)K(t),進(jìn)而由K(t)計(jì)算MBF,MBV和MTT等灌注參數(shù)。然而,根據(jù)CT-MPI掃描協(xié)議,需對心臟ROI斷層進(jìn)行序列掃描。相比于常規(guī)CT成像,CT心肌灌注成像極大增加了受檢者的輻射劑量。有研究證明,過量的射線輻射會導(dǎo)致白血病、惡心腫瘤、癌癥和其他遺傳性疾病。目前,常用的低劑量掃描方法包括降低管電流、管電壓或者減少掃描角向采樣數(shù)目等,這些雖是降低X射線輻射劑量簡單易行的方法,但常常會導(dǎo)致光子噪聲大幅增加,射束硬化效應(yīng)和條形偽影等影響,使得重建的CT-MP圖像質(zhì)量出現(xiàn)嚴(yán)重下降,進(jìn)而影響醫(yī)生診斷的準(zhǔn)確度。因此,在確保較高圖像質(zhì)量和不影響臨床診斷的前提下,如何減少射線輻射劑量已成為當(dāng)前CT心肌灌注成像領(lǐng)域極為重要的課題。近幾年,關(guān)于如何在心肌灌注掃描過程中降低輻射劑量的研究大量涌現(xiàn),主要分為兩大類。第一類是通過各種硬件優(yōu)化,圖像處理和圖像重建方法獲得優(yōu)質(zhì)的CT心肌灌注圖像,例如優(yōu)化CT掃描模式和采用心電門控技術(shù)(Electrocardio-Gating, ECG); Stenner等將部分掃描偽影技術(shù)(Partial Scan Artifact Reduction, PSAR)用于心臟灌注CT成像,PSAR技術(shù)不僅大幅降低X射線劑量且獲得具有高時(shí)間分辨率的CT圖像。Speidel等采用高度約束的反投影圖像處理方法(HighlY constrained backPRojection, HYPR)獲得高質(zhì)量CT-MP圖像,高度約束的反投影圖像處理方法較好的抑制了CT-MP圖像噪聲和條形偽影,但是該方法沒有考慮運(yùn)動偽影的影響。Ramirez-Giraldo等在考慮了運(yùn)動偽影的前提下,提出了一種基于目標(biāo)的空間頻率濾波策略(Targeted Spatial Frequency Filtration, TSFF)來減少因PSAR技術(shù)產(chǎn)生的條形偽影。Tao等率先把統(tǒng)計(jì)迭代重建(Statistical Iterative Reconstruction, SIR)技術(shù)應(yīng)用于心肌灌注CT圖像重建,這種直接作用于弦圖的CT SIR技術(shù)能有效的減少因圖像噪聲引入的條形偽影。第一類方法能夠得到高質(zhì)量的CT-MP圖像,但是第一類方法在利用獲得的CT-MP圖像估計(jì)MPHM時(shí)采用不穩(wěn)定的去卷積方法。Frindel和Fang研究表明,若想得到具有診斷意義的心肌灌注參數(shù)圖,必須研發(fā)穩(wěn)定的MP去卷積方法。所以我們把這類提高心肌灌注參數(shù)圖清晰度的魯棒MP去卷積方法稱為第二類方法。Frindel等建立了時(shí)間維度和空正維度的正則化去MP卷積模型,并將這種模型應(yīng)用到磁共振腦灌注加權(quán)成像(Perfusion-Weighted Magnetic Resonance Imaging,PW-MRI)。Fang等將張量全變分(Tensor Total Variation,TTV)正則化去卷積方法,且將TTV正則化方法應(yīng)用于CT腦灌注圖像重建(CTBrain Perfusion, CTP),該方法能夠有效改善腦灌注血流動力學(xué)參數(shù)圖。若將第一類方法和第二類方法結(jié)合應(yīng)用于CT-MPI,這將是未來研究的重點(diǎn)。本文對第一類方法和第二類方法分別進(jìn)行研究。歸納起來,主要包括如下兩個(gè)方面的工作：1)研發(fā)一種基于運(yùn)動自適應(yīng)稀疏先驗(yàn)算法(Motion Adaptive Sparsity Prior, MASP)應(yīng)用于CT-MPI。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)表明,經(jīng)過校正過后的相鄰幀CT心肌灌注圖像的差圖具有梯度稀疏特性,MASP方法利用了灌注圖像的時(shí)空結(jié)構(gòu)稀疏特性并將心跳運(yùn)動偽影校正過程引入到懲罰加權(quán)最小二乘(Penalized Weighted Least-Squares, PWLS)過程,從而改善CT-MP圖像的質(zhì)量,我們把這種方法簡稱為PWLS-MASP。隨后,我們采用修改的交替方向優(yōu)化算法對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。本方法具有三大優(yōu)點(diǎn)：1)該方法首次將運(yùn)動校正過程引入到CT迭代重建過程,運(yùn)動校正和迭代重建兩者交替進(jìn)行,使得重建更加精確；2)該方法同時(shí)考慮了CT心肌灌注圖像的時(shí)間和空間結(jié)構(gòu)的稀疏特性；3)應(yīng)用一種全局收斂優(yōu)化算法對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。2)研發(fā)一種基于加權(quán)自適應(yīng)張量全變分(Adaptive-Weighted Tensor Total Variation, AwTTV)先驗(yàn)的CT-MP去卷積方法。AwTTV方法利用了心肌血管空間結(jié)構(gòu)的相似性和冠狀動脈血流信號的時(shí)間連續(xù)性。為了求解我們提出的CT-MP去卷積代價(jià)函數(shù),本文研發(fā)一種改進(jìn)的交替方向優(yōu)化技術(shù)。CT心肌灌注仿真XCAT和迷你豬CT心肌灌注數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)證明,和常用的去卷積算法相比,如標(biāo)準(zhǔn)截?cái)嗥娈愔捣纸夥?Standard Truncated Singular Value Decomposition, sSVD)、吉洪諾夫正則化算法(Tikhonov regularization)和塊循環(huán)截?cái)嗥娈愔捣纸馑惴?Block-Circulant Truncated SVD, bSVD), AwTTV算法能更有效的抑制低劑量MPHM中的噪聲偽影,且很好的保持了具有臨床診斷意義的詳細(xì)解剖信息。
【關(guān)鍵詞】：CT 心肌灌注成像 低劑量 迭代重建 稀疏性 全變分 去卷積
【學(xué)位授予單位】：南方醫(yī)科大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：R816.2;TP391.41
【目錄】：

• 摘要3-9
• ABSTRACT9-17
• 第一章 緒論17-26
• 1.1 CT心肌灌注成像簡介17-18
• 1.2 研究背景及意義18-19
• 1.3 心肌灌注成像研究現(xiàn)狀19-22
• 1.3.1 核素心肌灌注成像20
• 1.3.2 負(fù)荷超聲心動圖20-21
• 1.3.3 磁共振心肌灌注成像21-22
• 1.3.4 CT心肌灌注成像發(fā)展歷程22
• 1.4 本論文研究內(nèi)容及組織結(jié)構(gòu)22-26
• 第二章 CT心肌灌注成像的基本原理26-36
• 2.1 灌注生理學(xué)理論模型26-29
• 2.2 心肌灌注參數(shù)估計(jì)的去卷積法29-33
• 2.2.1 截?cái)嗥娈愔捣纸馑惴?/span>29-32
• 2.2.2 吉洪諾夫正則化算法32-33
• 2.3 心肌灌注參數(shù)估計(jì)的非去卷積法33-35
• 2.3.1 引流靜脈法33-34
• 2.3.2 忽略流出靜脈法34-35
• 2.4 魯棒低劑量CT心肌灌注去卷積法35-36
• 第三章 基于運(yùn)動自適應(yīng)稀疏先驗(yàn)的CT心肌灌注成像36-49
• 3.1 本章引言36-38
• 3.2 材料與方法38-43
• 3.2.1 懲罰加權(quán)最小二乘CT圖像重建模型38-39
• 3.2.2 運(yùn)動自適應(yīng)稀疏先驗(yàn)?zāi)Ｐ?/span>39-40
• 3.2.3 基于運(yùn)動自適應(yīng)稀疏先驗(yàn)的懲罰加權(quán)最小二乘重建40-41
• 3.2.4 優(yōu)化方法41-43
• 3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果43-48
• 3.3.1 動物實(shí)驗(yàn)43
• 3.3.2 視覺評價(jià)43-45
• 3.3.3 對比信噪比評價(jià)45-46
• 3.3.4 TDC曲線46-48
• 3.4 總結(jié)48-49
• 第四章 基于加權(quán)自適應(yīng)TTV正則化的CT心肌灌注去卷積49-67
• 4.1 本章引言49-50
• 4.2 材料與方法50-54
• 4.2.1 CT心肌灌注卷積模型50
• 4.2.2 加權(quán)自適應(yīng)TTV正則化去卷積模型50-51
• 4.2.3 優(yōu)化方法51-54
• 4.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置54-57
• 4.3.1 數(shù)據(jù)獲取54-55
• 4.3.2 評估方法55-56
• 4.3.3 對比方法56-57
• 4.4 體模實(shí)驗(yàn)結(jié)果57-60
• 4.4.1 視覺評價(jià)57
• 4.4.2 降噪效果分析57-59
• 4.4.3 血流尺度殘余函數(shù)恢復(fù)59-60
• 4.5 動物實(shí)驗(yàn)結(jié)果60-65
• 4.5.1 視覺評價(jià)60-65
• 4.5.2 UQI評價(jià)65
• 4.6 本章結(jié)論65-67
• 第五章 總結(jié)與展望67-69
• 5.1 論文工作總結(jié)67-68
• 5.2 未來工作展望68-69
• 參考文獻(xiàn)69-74
• 攻讀學(xué)位期間成果74-75
• 致謝75-76

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 張宗軍;盧光明;;雙源CT原理與臨床應(yīng)用[J];醫(yī)療衛(wèi)生裝備;2007年10期

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 張凌;SPECT心肌灌注與PET心肌代謝顯像在肥厚型心肌病中的應(yīng)用[D];北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院;2014年

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本文編號：707489