[论文解读] Application of Time Separation Technique to Enhance C-arm CT Dynamic Liver Perfusion Imaging

Hana Haseljić, Vojtěch Kulvait+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2021

Advanced MRI Techniques and Applications参考文献 15被引用 5

一句话总结

本研究将时间分离技术（TST）应用于动态C臂CT肝脏灌注成像，以降低噪声、加速重建并提高图像质量。通过使用三角函数基函数对时间衰减曲线进行建模，并结合Tikhonov正则化的模型基重建方法，TST生成的灌注图与标准CT灌注图像相当，且在栓塞术后显著提升了猪模型中低灌注区域的可视化效果。

ABSTRACT

Perfusion imaging is an interesting new modality for evaluation and assessment of the liver cancer treatment. C-Arm CT provides a possibility to perform perfusion imaging scans intra-operatively for even faster evaluation. The slow speed of the C-Arm CT rotation and the presence of the noise, however, have an impact on the reconstruction and therefore model based approaches have to be applied. In this work we apply the Time separation technique (TST), to denoise data, speed up reconstruction and improve resulting perfusion images. We show on animal experiment data that Dynamic C-Arm CT Liver Perfusion Imaging together with the processing of the data based on the TST provides comparable results to standard CT liver perfusion imaging.

研究动机与目标

• 解决C臂CT动态肝脏灌注成像中的噪声、旋转缓慢和欠采样问题。
• 提高术中肝脏灌注评估的重建精度和图像质量。
• 评估基于模型的TST重建是否能够生成与标准CT灌注成像相当的灌注图。
• 实现实时或近实时的栓塞疗效评估，用于介入治疗过程。

提出的方法

• 将时间衰减曲线（TACs）建模为五个正交三角函数基函数的线性组合：常数项、sin(2πt/T)、cos(2πt/T)、sin(4πt/T) 和 cos(4πt/T)。
• 将时间动态（通过基函数）与空间重建（通过权重系数）分离，实现独立优化。
• 对投影数据进行最小二乘拟合，以估计权重系数。
• 采用带有Tikhonov正则化的代数重建（CGLS）方法进行图像重建并提取TACs。
• 通过带Tikhonov稳定化的反卷积计算灌注参数：血流（BF）、血容量（BV）、平均通过时间（MTT）和达峰时间（TTP）。
• 使用定量指标和视觉评估，将基于TST的C臂灌注图与静态重建图像及标准CT灌注图进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 时间分离技术（TST）是否能有效降低动态C臂CT肝脏灌注成像中的噪声并提升图像质量？
• RQ2 TST重建是否能生成在定量和定性上均与标准CT灌注成像相当的灌注图？
• RQ3 TST能否增强在猪肝脏模型中由栓塞诱导的低灌注区域的可见性？
• RQ4 TST重建的C臂CT图像中灌注参数值（BF、BV、MTT、TTP）与静态重建和CT扫描结果相比如何？

主要发现

• 与静态重建相比，基于TST的重建显著降低了C臂CT灌注图像中的噪声，使低灌注区域的可视化更加清晰。
• 在低灌注区域，TST的平均血流（BF）为20.7 ± 20.4 mL/100g/min，而静态重建为38.8 ± 39.6 mL/100g/min，表明对比分辨率得到改善。
• 在T检验中，TST方法在低灌注组织与健康组织之间的比较中p值小于10⁻¹⁰，表明组织类型间存在高度显著的差异。
• TST重建的C臂CT灌注图与CT灌注图具有高度一致性，尤其在BF和BV方面：低灌注区域的平均BV分别为2.3 ± 3.0 mL/100g（TST）、1.9 ± 2.4 mL/100g（静态）和18.8 ± 8.6 mL/100g（CT）。
• 与静态重建相比，TST重建图中低灌注区域的边界更加清晰，证实了诊断信心的提升。
• 本研究证明，基于模型的TST重建使C臂CT灌注成像能够达到与标准CT灌注成像相当的诊断质量，支持其在介入放射学临床应用中的潜力。