低劑量CT腦灌注優(yōu)質(zhì)成像方法.pdf

1、灌注成像(perfusion imaging)是建立在血液的流動效應(yīng)基礎(chǔ)上的成像方法，與磁共振血管成像不同的是，它觀察的是分子的微觀運動，而不是血液的宏觀流動。CT灌注(CT Perfusion，CTP)技術(shù)最早由Miles于1991年提出，并先后進行了動物實驗和臨床應(yīng)用方面的探索。CTP成像可簡述為經(jīng)肘前靜脈高壓注射對比劑(Contrast)，然后自對比劑通過受檢組織時起對選定的感興趣層面進行連續(xù)多次動態(tài)掃描（Cine模式），以獲得該

2、層面內(nèi)各個像素的時間密度曲線(timedensity curve，TDC)，再通過算法估計腦血流灌注參數(shù)并組織成數(shù)字矩陣以顏色（偽彩色）表征。CTP成像的理論基礎(chǔ)為中心容積定律（血流量=血容量/平均通過時間）以及核醫(yī)學(xué)的示蹤劑稀釋原理。
　　當前，許多功能性成像檢查方法已臨床應(yīng)用于腦組織血流灌注，如疝氣CT、灌注MR(Perfusion Magnetic Resonance)、PET(Positron Emission Tomog

3、raphy)SPECT(Single Photon Emission Tomography)和CTP等。具體而言，(1)疝氣CT利用惰性氣體做示蹤劑，因其測量準確而被公認為是一種非常值得信任的測量手段。但是，此方法操作起來比較復(fù)雜且圖像中有部分運動偽影和骨偽影存在，同時氙氣還具有一定的副作用。(2)灌注MR技術(shù)在評價腦血流灌注中具有較強的優(yōu)勢，但是組織增強與組織血流之間是對數(shù)關(guān)系而非線形關(guān)系，這將影響血流量和血容量的定量測量。(3) P

4、ET和SPECT臨床運用較早，其成像基礎(chǔ)研究充足且研究較為深入。然而，PET/SPECT技術(shù)的不足之處在于其空間分辨率低且不能實現(xiàn)絕對血流量的計算。PET可作為測量腦代謝和血流量、血容量、平均通過時間的“金標準”，但是PET檢查費用昂貴，臨床常規(guī)使用較難實現(xiàn)。(4) CTP檢查能夠獲得解剖學(xué)、血流動力學(xué)和病因等多方面信息，與其他影像學(xué)方法比較，無需使用放射性同位素及氙氣，具有空間分辨率高，定量準確，經(jīng)濟實用，快速簡便等優(yōu)點。
　　

5、X射線計算機體層腦灌注成像（Brain Computed Tomography PerfusionImaging，簡稱Brain-CTP）因其在密度、空間與時間分辨率上的卓越性能，可以高效、快速、無創(chuàng)、準確、三維的實現(xiàn)腦血流參數(shù)評價，已在急性中風(fēng)病患(Acute Stroke Patient，ASP)診斷方面取得了巨大成功。Brain-CTP成像可以快速獲得ASP常規(guī)CT檢查所不能獲得的腦血流動力學(xué)參數(shù)，提供壞死區(qū)和半暗帶的灌注影像，繼

6、而為時間就是大腦(Time is Brain)的ASP快速確診提供寶貴影像信息。然而，Brain-CTP成像掃描協(xié)議需要對感興趣層面進行連續(xù)多次重復(fù)掃描，使患者接受X射線輻射的劑量較常規(guī)CT檢查極度增加。美國FDA(Food and Drug Administration)于2009年10月公布的Brain-CTP檢查中的劑量安全報告中指出:缺血性ASP在進行Brain-CTP檢查中接受的X射線輻射劑量超過標準劑量的8倍之多。優(yōu)化控制X

7、射線輻射劑量已成為CTP領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵性課題。
　　多種方法可用于降低X射線輻射劑量，其中最典型的是通過縮短曝光時間和降低管電流來降低X射線管的毫安秒(mAs)以及稀疏角度采樣（通過減少掃描過程中的采樣角度數(shù)目實現(xiàn)）。具體來說的主要有(1)增加連續(xù)掃描時間間隔:為了獲得優(yōu)質(zhì)的腦灌注參數(shù)影像，Brain-CTP檢查多采用1秒間隔掃描模式（即實現(xiàn)單次感興趣區(qū)層面的增強掃描時間間隔為1秒），總掃描次數(shù)約為40次。誠然，增加掃描間隔或

8、減少總掃描次數(shù)可實現(xiàn)Brain-CTP成像輻射劑量的降低，但是相應(yīng)的腦灌注參數(shù)將偏離真值。最新研究指出滿足診斷需要的Brain-CTP最大掃描時間間隔還與所注入的增強對比劑的量有關(guān)，這使得利用增加灌注掃描時間間隔降低劑量的方法仍存在諸多異議，需進一步的研究。(2)個體化掃描協(xié)議:為了降低X射線輻射劑量，影像醫(yī)生或技師在CT掃描中可根據(jù)患者身材和臟器的解剖形態(tài)的個體差異自動調(diào)整曝光球管管電流，使得能在明顯降低受檢者X射線輻射劑量的同時保證

9、圖像質(zhì)量，繼而實現(xiàn)優(yōu)化輻射劑量的個體化CT檢查。(3)數(shù)據(jù)欠采樣:Brain-CTP成像中的欠采樣數(shù)據(jù)是指通過減少單次掃描投影角度而獲取的投影數(shù)據(jù)。源于欠采樣數(shù)據(jù)的Brain-CTP圖像重建，作為CT領(lǐng)域一個重要的研究方向已開展多年，但多集中于基于C形臂的CT灌注成像。由于稀疏角度采樣數(shù)據(jù)已不能滿足精確CT重建的采樣條件，傳統(tǒng)的解析方法（如濾波反投影方法）失去效力而導(dǎo)致圖像中嚴重偽影(streakartifacts)的產(chǎn)生。
　　

10、目前，臨床使用的降低X射線輻射劑量的方法主要是降低管電流。這種方式使大量光子噪聲被引入到投影數(shù)據(jù)中，導(dǎo)致解析重建圖像質(zhì)量嚴重退化，具體表現(xiàn)為圖像中含有大量的噪聲和偽影。在Brain-CTP成像中，灌注血流參數(shù)的計算均基于獲得的灌注圖像本身，由于低劑量圖像中存在大量噪聲和偽影，使得灌注參數(shù)計算的準確性受到很大影響，影響臨床醫(yī)生診斷的準確性。
　　針對這種低mAs技術(shù)的成像手段主要分為三大類。(1)直接對臨床低劑量Brain-CTP圖

11、像進行濾波處理，以達到減少圖像噪聲和偽影的目的。此類方法屬于圖像后處理技術(shù)已得到廣泛的研究。一般通過設(shè)計濾波器（如修正的各向異性濾波器）或引入先驗信息實現(xiàn)。(2)根據(jù)投影數(shù)據(jù)的噪聲特征建立數(shù)據(jù)恢復(fù)模型，待數(shù)據(jù)恢復(fù)后采用濾波反投影法進行Brain-CTP圖像重建。由于投影數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性被納入到濾波器的設(shè)計中，使得這類算法具有高效且重建圖像均勻性好等優(yōu)點。投影數(shù)據(jù)的噪聲一般作為高斯或泊松噪聲來處理。(3)根據(jù)投影數(shù)據(jù)滿足的統(tǒng)計學(xué)規(guī)律，完成基

12、于統(tǒng)計的Brain-CTP圖像迭代重建。由于統(tǒng)計重建算法可通過準確的測量方程來描述CT系統(tǒng)，且易于加入先驗信息約束，特別適宜于低劑量CT優(yōu)質(zhì)重建。一般而言，當前多數(shù)統(tǒng)計CT圖像迭代重建算法可用于低劑量Brain-CTP。
　　根據(jù)CTP掃描方式可以看出，雖然在掃描過程中組織中對比劑濃度不斷變化，但是其解剖結(jié)構(gòu)都是相同的。換而言之，CTP序列圖像之間存在大量的冗余信息。那么，在處理過程中可以把CTP圖像序列“分裂”為解剖結(jié)構(gòu)部分（每

13、個時間幀都一樣）和對比劑隨時間變化部分。因此，如何利用CTP序列圖像的這種可分離特性是本次研究的重點。另一方面，在CTP圖像中一個單獨像素點比組織結(jié)構(gòu)小的多，特別是臨床數(shù)據(jù)中相鄰像素中心點的空間距離為0.43mm。相比之下，擁有相似結(jié)構(gòu)和功能的白質(zhì)或灰質(zhì)區(qū)域大小通常為10-50個像素點。由此可以看出，組織灌注信息的變化是一種區(qū)域效果而非單個像素點的效果。同一種組織中灌注信息的變化應(yīng)該是相同的或相似的。所以，如何利用灌注信息變化的這一區(qū)域

14、特性也是本次研究的重點。
　　歸納起來，本文的主要工作有:
　　(1)提出一種基于低秩和全變差正則化的去卷積算法。該方法認為灌注信息的變化是一種區(qū)域效果而非單個像素點的效果。雖然在不同組織間，特別是灌注不足區(qū)域，確定灌注變化的邊界非常重要，但是在擴張的像素鄰域內(nèi)，灌注參數(shù)通常是一個常數(shù)或者變化很小。本文利用低秩懲罰來正則化區(qū)域組織的時間相關(guān)性，利用全變差正則化組織的空間相關(guān)性，同時采用一種基于分裂思想的算法優(yōu)化目標函數(shù)。本算

15、法具有四大優(yōu)點:(1)提出一種針對剩余函數(shù)而非某一灌注參數(shù)圖的正則化;(2)算法優(yōu)化過程在所有時空數(shù)據(jù)進行而不單獨針對某一像素點;(3)算法實現(xiàn)過程中不需要訓(xùn)練數(shù)據(jù)或?qū)W習(xí)階段;(4)本算法可以計算腦血流量、腦血容量和平均通過時間等所有常用灌注參數(shù)。體模和臨床數(shù)據(jù)實驗均表明，本文提出的基于低秩和全變差正則化的去卷積算法具有很好的魯棒性，能實現(xiàn)低劑量CTP圖像血流參數(shù)圖的精確計算。
　　(2)提出一種基于稀疏和低秩矩陣分解的低劑量CT

16、P圖像恢復(fù)方法。該方法假設(shè)CTP序列圖像可以看做在腦組織中對比劑濃度從一個公共的“背景圖像”用不同的時間稀疏“運動”或“改變”得來的一序列圖像。此外，對比劑隨時間變化部分是稀疏的（在這里稀疏性指圖像本身或在某個變換域中）?；谶@種假設(shè)本文把CTP圖像分為低秩的解剖背景部分和稀疏的對比劑隨時間變化部分，并采用交替方向法來進行優(yōu)化處理。仿真低劑量臨床數(shù)據(jù)實驗表明，本文提出的基于稀疏和低秩矩陣分解的低劑量CTP圖像恢復(fù)方法可實現(xiàn)低劑量CTP圖