[論文レビュー] Model Based Iterative Reconstruction With Spatially Adaptive Sinogram Weights for Wide-Cone Cardiac CT

Amirkoushyar Ziabari, Dong Hye Ye+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2018

Medical Imaging Techniques and Applications参考文献 14被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、心臓領域に対して半スキャンデータを効果的に使用することで高い時間分解能を維持し、残りの被検出域に対してはフルスキャンデータを用いることで安定的でアーティファクトのない画像品質を確保する、空間的に適応するプロジェクション重みを備えたモデルベース反復再構成法であるSAW-MBIRを提案する。この手法は、心臓領域で半スキャンの時間分解能性能を達成するとともに、心臓以外の領域でフルスキャンの画像品質を再現し、臨床的全心臓CTデータで検証された。

ABSTRACT

With the recent introduction of CT scanners with large cone angles, wide coverage detectors now provide a desirable scanning platform for cardiac CT that allows whole heart imaging in a single rotation. On these scanners, while half-scan data is strictly sufficient to produce images with the best temporal resolution, acquiring a full 360 degree rotation worth of data is beneficial for wide-cone image reconstruction at negligible additional radiation dose. Applying Model-Based Iterative Reconstruction (MBIR) algorithm to the heart has shown to yield significant enhancement in image quality for cardiac CT. But imaging the heart in large cone angle geometry leads to apparently conflicting data usage considerations. On the one hand, in addition to using the fastest available scanner rotation speed, a minimal complete data set of 180 degrees plus the fan angle is typically used to minimize both cardiac and respiratory motion. On the other hand, a full 360 degree acquisition helps better handle the challenges of missing frequencies and incomplete projections associated with wide-cone half-scan data acquisition. In this paper, we develop a Spatially Adaptive sinogram Weights MBIR algorithm (SAW-MBIR) that is designed to achieve the benefits of both half and full-scan reconstructions in order to maximize temporal resolution over the heart region while providing stable results over the whole volume covered with the wide-area detector. Spatially-adaptive sinogram weights applied to each projection measurement in SAW-MBIR are designed to selectively perform backprojection from the full and half-scan portion of the sinogram based on both projection angle and reconstructed voxel location. We demonstrate with experimental results of SAW-MBIR applied to whole-heart cardiac CT clinical data that overall temporal resolution matches half-scan while full volume image quality is on par with full-scan MBIR.

研究の動機と目的

• 広角コーンビーム心臓CTにおいて、半スキャンデータを必要とする高時間分解能と、フルスキャンデータを必要とする安定的でアーティファクトのない画像品質の間にある矛盾を解決すること。
• 半スキャンデータが周波数の欠落やアーティファクトを引き起こす非心臓領域における画像品質の向上。
• 不適切なデータ重み付けによるアーティファクトを低減しつつ、半スキャン再構成と同等の時間分解能性能を維持すること。
• 不一致する前方/後方投影演算子を扱えるように、空間的に適応する重みを用いて安定的かつ収束性に優れたMBIRフレームワークを構築すること。

提案手法

• SAW-MBIRアルゴリズムは、プロジェクション角度および再構成ボクセル位置に応じて変化する空間的に適応するプロセス重みを適用する。
• 選択的バックプロジェクションを実行：心臓領域のボクセルには半スキャンデータ、心臓領域外のボクセルにはフルスキャンデータを用いる。
• 前方/後方投影演算子の不一致に対しても収束を保証するため、ラインサーチを用いる。
• コスト関数を反復的に最小化し、各ボクセルごとに動的に重みを調整することで、データ寄与のバランスをとる。
• 最適化経路に一貫性を保つようにアルゴリズムを定式化し、固定点への安定的収束を保証する。
• 不完全で不一致する広角コーンビーム投影データを処理するため、統計的モデリングと反復再構成を統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MBIRにおける空間的に適応するプロセス重みは、時間分解能を損なわせることなく、広角コーンビーム心臓CTの画像品質を向上させることができるか？
• RQ2 フルスキャンデータを非心臓領域の再構成安定化に活用しながら、心臓領域で半スキャン性能を維持する方法は何か？
• RQ3 前方/後方投影演算子の不一致を伴うにもかかわらず、提案されたSAW-MBIR手法は収束安定性を確保できるか？
• RQ4 臨床的全心臓データにおいて、SAW-MBIRはどの程度フルスキャンMBIRの画像品質と半スキャンMBIRの時間分解能を再現できるか？

主な発見

• SAW-MBIRは、非心臓領域でフルスキャンMBIRと同等の画像品質を達成し、半スキャンMBIRで見られる歪みを解消した。
• 心臓領域では、定性的および定量的比較により、半スキャンMBIRと同等の時間分解能性能を維持した。
• 平均二乗誤差（RMSE）解析により、SAW-MBIRは非心臓領域でフルスキャンMBIRとよく一致し、心臓領域では半スキャンMBIRとよく一致した。
• 空間的位置に応じてデータを的確に重み付けすることで、広角コーンビーム幾何学における不一致投影を効果的に処理した。
• ラインサーチの使用により、非一様で空間的に適応する重みを用いても収束安定性が保証された。
• GE Revolution CTの臨床的データにより、SAW-MBIRが最適な時間分解能と空間分解能のトレードオフを実現した高品質な全心臓再構成を可能にしたことが確認された。