[논문 리뷰] Model Based Iterative Reconstruction With Spatially Adaptive Sinogram Weights for Wide-Cone Cardiac CT

Amirkoushyar Ziabari, Dong Hye Ye외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 20.

Medical Imaging Techniques and Applications참고 문헌 14인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 넓은 콘 각도를 가진 심장 CT에서 고시간 해상도를 유지하면서도 안정적이고 잡음 없는 영상 품질을 확보하기 위해 심장 영역에서는 반스캔 데이터를 선택적으로 사용하고, 나머지 부위에서는 전스캔 데이터를 사용하는 공간적으로 적응적인 시노그램 가중치를 갖는 모델 기반 반복 재구성 방법인 SAW-MBIR을 제안한다. 이 방법은 심장 영역에서는 반스캔 해상도 성능을 달성하면서도 심장 외부에서는 전스캔 영상 품질을 유지하며, 임상적 전심장 CT 데이터를 통해 검증되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 넓은 콘 각도 심장 CT에서 고시간 해상도(반스캔 데이터가 필요)와 안정적인 영상 품질(전스캔 데이터가 필요) 사이의 갈등을 해결하기 위해.
• 반스캔 데이터로 인해 주파수 정보가 손실되고 잡음이 발생하는 비심장 영역의 영상 품질 향상을 위해.
• 비틀림 없는 데이터 가중치를 통해 잡음 감소를 이루면서도 반스캔 재구성과 동일한 시간 해상도 성능 유지를 위해.
• 비일관된 정방향/역방향 투과 연산자를 다룰 수 있도록 공간적으로 적응적인 가중치를 활용하는 안정적이고 수렴 가능한 MBIR 프레임워크를 개발하기 위해.

제안 방법

• SAW-MBIR 알고리즘은 투과 각도와 재구성된 볼록체 위치에 따라 변화하는 공간적으로 적응적인 시노그램 가중치를 적용한다.
• 선택적 역투과를 수행한다: 심장 영역의 볼록체에는 반스캔 데이터를, 심장 외부의 볼록체에는 전스캔 데이터를 사용한다.
• 비일관된 정방향/역방향 투과 연산자를 고려하여 수렴을 보장하기 위해 선형 탐색을 사용한다.
• 비용 함수를 반복적으로 최소화하며, 각 볼록체마다 동적으로 조정된 가중치를 통해 데이터 기여도를 균형 잡는다.
• 최적화 경로에서 일관성을 유지하여 고정점으로의 안정적 수렴을 보장하도록 알고리즘을 구성한다.
• 부족하고 비일관된 넓은 콘 각도 투과 데이터를 다루기 위해 통계 모델링과 반복 재구성 기법을 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MBIR에서 공간적으로 적응적인 시노그램 가중치가 시간 해상도를 훼손하지 않으면서도 넓은 콘 각도 심장 CT의 영상 품질을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 전스캔 데이터는 비심장 영역의 재구성을 안정화시키는 데 어떻게 활용될 수 있으며, 동시에 심장 영역에서는 반스캔 성능을 유지할 수 있는가?
• RQ3 비일치하는 정방향/역방향 투과 연산자를 사용함에도 불구하고 제안된 SAW-MBIR 방법이 수렴 안정성을 확보할 수 있는가?
• RQ4 SAW-MBIR는 임상적 전심장 데이터에서 전스캔 MBIR의 영상 품질과 반스캔 MBIR의 시간 해상도를 어느 정도 충족하는가?

주요 결과

• SAW-MBIR는 심장 외부 영역에서 전스캔 MBIR 수준의 영상 품질을 달성하여 반스캔 MBIR에서 관찰되는 왜곡을 제거한다.
• 심장 영역에서는 SAW-MBIR가 반스캔 MBIR와 동일한 시간 해상도 성능을 유지함을 정성적 및 정량적 비교로 확인하였다.
• 근미제곱오차(RMSE) 분석 결과, SAW-MBIR는 심장 외부 영역에서는 전스캔 MBIR에 근접하고, 심장 영역에서는 반스캔 MBIR 수준을 유지함을 보였다.
• 이 방법은 공간적 위치에 따라 데이터를 선택적으로 가중함으로써 넓은 콘 기하학에서의 비일관된 투과 데이터를 효과적으로 처리한다.
• 선형 탐색을 사용함으로써 비균일하고 공간적으로 적응적인 가중치를 사용함에도 불구하고 수렴 안정성을 확보한다.
• GE Revolution CT 데이터를 활용한 임상 결과는 SAW-MBIR가 최적의 시간 해상도와 공간 해상도 간의 상충 관계를 극복한 고품질 전심장 재구성 가능성을 확인하였다.