中国辐射卫生  2015, Vol. 24 Issue (5): 561-565  DOI: 10.13491/j.cnki.issn.1004-714x.2015.05.045

引用本文 

刘永锜, 梁家豪, 陈昭宏, 叶志盛, 钟正国, 杨光明. 320排CT使用迭代技术运用于全脑灌注与四维减影摄影[J]. 中国辐射卫生, 2015, 24(5): 561-565. DOI: 10.13491/j.cnki.issn.1004-714x.2015.05.045.
LIU Yong-qi, LIANG Jia-Hao, CHEN Chao-hong, YE Zhi-sheng, ZHONG Zheng-guo, YANG Guang-ming. Lower-Dose Whole Brain Perfusion and 4D Dynamic DSA Applications Utilized by 320-Section Area Detector CT (320-ADCT) with State-of-the-art Adaptive Iterative Reconstruction Algorithm[J]. Chinese Journal of Radiological Health, 2015, 24(5): 561-565. DOI: 10.13491/j.cnki.issn.1004-714x.2015.05.045.

通讯作者

刘永锜, E-mail:gigiliu@cgmh.org.tw

文章历史

收稿日期:2015-07-23
修回日期:2015-08-16
320排CT使用迭代技术运用于全脑灌注与四维减影摄影
刘永锜 1,2, 梁家豪 3, 陈昭宏 1, 叶志盛 1, 钟正国 1, 杨光明 2     
1. 中国台湾中国长庚医疗财团法人林口长庚纪念医院影像诊疗科部, 中国 台湾(333);
2. 厦门长庚医院放射科;
3. 中国台湾阳明大学生物医学影像暨放射科学系
摘要目的 使用较低剂量脑血流灌注扫描条件, 再搭配顺适性低剂量迭代重建技术噪声抑制算法来评估4D脑血管疾病与脑血流灌注检查。利用高阶320排CT来诊断脑血管初期病变以期增加影像诊断精确度并有效降低病人接受辐射剂量之风险。方法 利用0.75 sec/r的转速、80~120 kV的管电压、120~280 mA的管电流、创新的迭代重建去除噪声技术来执行13次容积扫描(每次16 cm涵盖范围)的全脑灌注检查。在前25 s与后35 s设计分别执行每2 s与每7 s之间歇式低剂量辐射曝射以顺利捕捉动脉相与静脉相影像序列; 而第一次与最后一次的辐射曝露则执行高质量的药前与药后的影像扫描。结果 此系统不但可提供优异的脑血流灌注分析结果, 而且也可获取四维的数字减影血管摄影结果。不但能有效观察动静脉畸形与动脉瘤变化, 且能让病人免除遭受侵入性检查(传统血管摄影检查)的痛苦与风险。结论 根据本研究结果, 未来此低剂量的脑部检查非常有潜力成为常规自费健检的项目之一, 以早期发现脑部病变。
关键词脑血流灌注    数字减影血管摄影    容积式探测器X射线计算器体层扫描仪    多排探测器X射线计算器体层扫描仪    顺适性低剂量容积双空间迭代重建技术    
Lower-Dose Whole Brain Perfusion and 4D Dynamic DSA Applications Utilized by 320-Section Area Detector CT (320-ADCT) with State-of-the-art Adaptive Iterative Reconstruction Algorithm
LIU Yong-qi 1,2, LIANG Jia-Hao 3, CHEN Chao-hong 1, YE Zhi-sheng 1, ZHONG Zheng-guo 1, YANG Guang-ming 2     
1. Department of Medical Imaging & Intervention, Chang Gung Memorial Foundation at Linkou, Taoyuan, Taiwan(333) China;
2. Department of Diagnostic Radiology Xiamen Chang Gung Hospital;
3. Department of Biomedical Imaging and Radiological Sciences, National Yang-Ming University
Abstract: Objective To evaluate 4-dimensional (4D) cerebral vessels and whole brain perfusion with lower-dose imaging protocol utilized by 320-row area detector CT (320-ADCT) and adaptive iterative reconstruction algorithm for distinguishing brain diseases more accurately and reducing more radiation risk. Methods 13 volume scans with the rotation speed of 0.75 sec/r, tube voltage of 80~120 kV, tube current of 120~280 mA, innovative iterative reconstruction algorithm for de-noising, and 16cm z-axis scan coverage were executed in this study. 2-second and 7-second lower-dose intermittent exposure shots were performed to catch arterial and venous flow in the first 25 seconds and in the other 35 seconds, respectively; while high quality protocols performed in the first and last shots were designed for pre-and post-contrast enhancement. Results It revealed that the system could provide not only excellent brain perfusion analysis but also 4D DSA application with AVM and aneurysm avoiding from the suffering to patients and the risk of invasive conventional angiography. Conclusion It has a good potential to add the low-dose brain perfusion examination to one of the routine checkup items for early finding of brain diseases in the near future.
Key words: Brain Perfusion    DSA    ADCT    MDCT    AIDR3D    

根据世界卫生组织(World Health Organization: WHO)的统计资料, 中风与其他脑血管疾病高居世界十大死因中的第二名[1]。目前各大医院采用各种不同的高阶、精密的医学影像仪器来评估脑血管灌注。包括:核磁扫描仪(Magnetic Resonance Imaging:MRI), 正子发射X射线计算器体层扫描仪(Positron Emission Tomography:PET), 氡气计算机扫描仪(Xenon-enhanced computed tomography:Xe-CT), 单光子发射X射线计算器体层扫描仪(Single Photon Emission computed Tomography:SPET)与X射线计算器体层扫描仪(Computed Tomography:CT)[2-3]。MRI普遍被认为:在神经放射学领域中, 对诊断脑血管疾病, MRI是较适宜用来评估脑血管病变之主流工具。而对急性脑部病变而言, CT仍然被认为是第一线诊断工具[4], 因为CT具有快速成像与极高影像信赖(Reliable Performance)表现的特性。

近年来, 多排探测器X射线计算器体层扫描仪(MDCT)于各大医院已普遍被用于观测诊断脑神经血管病变(脑血流计算机断层灌注检查-Brain Perfusion CT)。但目前主流高阶X射线计算器体层扫描仪, 仍以64排MDCT为主, 受限于64排MDCT在Z轴上只能包含3.2~4.0 cm的范围, 故扫描范围只能集中在脑部威力式环(Willis Circle)附近[5], 无法观察其他脑血管附近血流变化。而脑血流计算机断层灌注检查所接受的辐射曝露约9~12 mSv[8]。对于脑血流灌注而言, 低平均传送时间(Mean Transit Time:MTT)影像数据可验证急性脑部缺血[3]。脑血流体积(Cerebral Blood Volume:CBV)是评估每单位脑组织血液体积的一种方式。若是在影像上脑梗塞区域较少血流流过, 系统测得的CBV值就会明显降低。故CBV是一种用来评估脑梗塞症状高效率且高敏感性之脑血管灌注评估工具[6]。若影像上呈现低CBV值的话, 其背后意义透露:该病人被高度怀疑罹患脑梗塞。脑血流流量(Cerebral Blood Flow:CBF)意谓着:每单位脑组织每单位时间流经微血管的血流体积。某一病人执行脑血管灌注检查时, 若系统所测得之CBF与CBV值不符合时, 临床上被定义为"半影", 其状况为可恢复[7]。而Time To Peak (TTP)是评估造影剂透过血液流经脑组织时到达最高峰的相对时间。TTP影像数据可提供相关讯号去捕捉延迟流量(脑血管狭窄或是脑血管闭锁造成之流量延迟)。临床上, 我们常用这些评估参数(CBF, CBV, MTT与TTP)来诊断脑血管疾病。这些评估工具可以相当有效地协助临床科医师来判断诊断梗塞严重性或是定义缺血性之半影区域(Ischaemic penumbra)大小。

随着320-ADCT之高阶X射线计算器体层扫描仪(Toshiba Medical System)(320排, 640切)的强力问世, 全脑(16 cm, 0.5 mm × 320)之脑血管灌注计算机断层扫描变得可行。如此一来, 就可以不用局限于64 MDCT的限制(只能诊断威力式环附近的脑血管)。故我们这个研究的目的是:使用320-ADCT高阶X射线计算器体层扫描仪, 执行较低剂量之扫描条件, 并搭配顺适性低剂量容积双空间迭代重建技术(Iterative Reconstruction 3D)抑制影像噪声来评估4D脑血管与全脑血流灌注检查, 使得临床医师能更精确地鉴别诊断脑血管疾病且能使得脑血管计算机灌注检查更安全, 接受的辐射剂量愈低(与传统的64 MDCT脑血流灌注检查做比较)。

1 材料与方法

本研究收集了7位急性脑中风病人, 5位血管瘤病人与5位动静脉畸形病人(7位男性病人, 10位女性病人, 平均年龄59.9岁)。本研究是使用Toshiba公司所开发的320排容积式断层扫描仪(320-ADCT)来执行全脑的脑血管分析检查。

1.1 低剂量脑血流灌注影像扫描模块

此研究使用低剂量脑血流灌注影像扫描模块, 在60 s内执行13次的体积扫描, 其扫描参数为:旋转速度为0.75 s/rotation, 造影剂(Iopamiro 370, 370 mg/ml)总量为50 ml, 以5ml/s的速度用万灵科(Mallinckrodt)造影剂注射器将显影剂打入体内。造影剂注射完毕后, 紧接着注入总量30 ml的生理食塩水, 以5ml/s的速度打入病人体内。管球电压条件为80到120 kVp管电流则是介于120到280 mA之间来执行16 cm (Z轴上)的全脑血流检查。前25s (S2-S8)以每2 s间隔频率来获取动脉相血流相影像序列; 而后35 s(S9-S12)则以每7秒间隔频率执行静脉相检查。

其他的容积式扫描(S1; S13)则分别以120 kV, 280 mA的扫描条件来执行高质量平扫相位扫描(Non -Contrast Enhancement)与增强相位扫描(Contrast Enhancement)。此研究详细的影像扫描模块详述于图 1。所有的扫描模块皆套用顺适性低剂量容积双空间迭代重建技术(Adaptive Iterative Dose Reduction 3D, AIDR3D)[7]来降低影像噪声与辐射剂量。

图 1 60s低剂量脑血流灌注扫描模块 注:第1组扫描(S1)与最后1组扫描(S13)是以120 kV、210 mAs曝露参数来呈现平扫影像序列与增强后影像序列。2 s间歇式扫描(S2-S8)是以80 kV、90 mAs曝露参数执行脑血流灌注检查以捕捉动脉相影像序列; 而7 s间歇式扫描(S9-S12)亦同样以80 k、90 mAs曝露参数执行脑血流灌注检查以捕捉静脉相影像序列。

容积式影像皆透过Vitrea fX影像后处理工作站来协助影像分析与判读。此专门的影像后处理工作站不但可产生四维数字血管减影血管相影像(Four Dimensional Digital Subtraction Angiography, 4D DSA), 亦可同时得到透过SVD+反褶积图像处理技术得到脑血流灌注图谱来协助影像分析与病灶诊断。

1.2 SVD+反褶积方程式

反褶积图像处理(SVD)方程式被认为是处理脑血流灌注分析的标准影像分析方程式, 因为此一图像处理方程式与脑血流灌注扫描参数是高度相关且吻合的。基本上, 有三类反褶积影像后处理方程式是适用于脑血流影像分析。标准单数值反褶积图像处理方程式(传统脑血流灌注分析检查通常使用SVD影像后处理分析软件来计算脑血流图谱)在临床上被视为是最准确的图像处理技术。但标准的SVD处理技术其针对脑血流灌注分析上仍有些许的使用限制。例如:噪声敏感度(Noise Sensitivity)与不正确的MTT数值, 其误差主因为人体自动调节功能(auto regulation)或侧支循环血流(collateral flow)。另外, 标准SVD方程式所算出脑血流图谱也无法代表天然血流动力学影像。若我们讨论脑部自动调节变因的话, 标准SVD图像处理方程式将会产生不正确的MTT图谱数值, 其主因导因于延迟血流将会显示于MTT脑血流图谱上, 临床应用上将造成诊断上的误差。然而, SVD+后处理方程式是一种创新的单值反褶积后处理技术, 其技术是以传统的SVD技术为基础而加以编修而成的。

SVD+技术是一种可侦测血流"延迟敏感度"的创新技术。反褶积技术可有效产生并提供脑血流体积传送到脑组织的讯号的定量后处理技术并且可计算出脑血流流经脑组织的停留时间。脑血流流量(Cerebral Blood Flow, CBF)被定义为脑血流体积(Cerebral Blood Volume, CBV)除以脑血流经脑组织停留之时间(Mean Transit Time, MTT)。这意味着:延迟"脑血流(从侧支循环支援而来的血流)将可被精准地测量并评估(Delay Color Map)。简而言之, SVD+是一种更精准的脑血流评估工具。它可更准确地收集脑血流讯号并能侦测"延迟"脑血流(与传统的SVD技术相比较)以提供临床科医师更多更正确的影像信息, 而做出更正确的判断与处置。很显然的, 透过SVD+技术协助处理而得到的脑分析影像并搭配320排ADCT X射线计算器体层扫描仪而收集之影像来源, 可以提供临床科医师得到更精确的MTT讯号。藉由得到较准确的MTT讯号的同时, 也得到更准确的其他相关性脑血流图谱(与传统64排CT并使用SVD后处理技术)。透过SVD+技术而获取的脑血流分析结果, 可产生下列定量的彩色图谱:① CBF (Cerebral Blood Flow); ② CBV (Cerebral Blood Volume); ③ MTT (Mean Transit Time); ④ TTP (Time to Peak); ⑤Delay (Delay time)。

1.3 创新的顺适性低剂量容积双空间迭代重建技术(AIDR3D)(图 2)

此一创新的顺适性低剂量容积双空间迭代重建技术(Adaptive Iterative Dose Reduction 3D)不但可以有效降低影像噪声, 同时亦可强化影像空间分辨率。AIDR3D技术是一种同时针对"生信息领域"(Raw Data Domain)与"影像重组领域"(Reconstruction Domain)的创新影像重组技术。X射线计算器体层扫描仪在较低剂量影像扫描模块下, 投射出来的X光光子会变得较微弱。相对的, 在信息撷取系统(Data Acquisition System)内的噪声则会变得较强烈而影响影像质量。AIDR 3D影像后处理技术采用了扫描仪模型(Scanner Model)与信息分析模型(Statistical Model)处理技术在X光的光子投射信息有效滤除高频不正确的讯号以抑制影像噪声提升影像分辨率[9]。此研究中, 每个病人都是盲选并无任何经过挑选, 且透过系统的管电流自动调控系统(Automatic Exposure Control)(Sure Exposure 3D)已经被验证Sure Expo-sure 3D可有效使用最低的辐射剂量且仍维持相当优异的影像质量(系统根据每个病人体形之差异而得到不同的衰减系数, 每给予不同的管电流)。而且AIDR 3D重组技术可完美与CT扫描模块整合。根据国际学者研究, 其降低的辐射剂量与传统CT相比, 最多可降低约75%的辐射剂量与50%的影像噪声。此复杂的迭算技术可运用在人体的所有部位, 不但可优化影像质量、影像平滑化并维持影像边缘的锐利度。此创新的迭算技术不但可以有效增加影像讯杂比(Signal -to-Noise Ratio, SNR)、提升空间分辨率, 并产生优异且天然非人为的影像(Natural-Look)[8]。利用此创新的迭算处理法可有效处理影像噪声并提升影像诊断力。本研究的影像皆透过有经验的放射科医师进行影像判读。

图 2 顺适性低剂量容积双空间迭代重建技术(Adaptive Iterative Dose Reduction 3D)原理 注:此技术采用了扫描仪模型(Scanner Model)与信息分析模型(Statistical Model)处理技术將光子投射信息滤除高频不正确的讯号以抑制影像噪声提升影像分辨率, 而得到优化的AIDR3D影像。
2 结果

在本研究中, 7个急性中风为人有2人被诊断为双侧中脑血管栓塞(Occlusion)(图 3); 2人被诊断为左侧内颈动脉动脉瘤(Aneurysm)(图 4); 2人则被诊断为右侧内颈动脉动脉瘤(图 5); 另1人则被诊断为双侧颈动脉栓塞。MTT, CBF, CBV, MTT, TTP, Delay的彩色图谱可以透过Vitrea专业影像后处理工作站, 完美并快速地处理并呈现于此一独立工作站上。此一独立专业后处理工作站可提供额外的重要医疗诊断信息(与传统的64排CT与SVD后处理技术相比)。此独立后处理系统不但可提供优异的大涵盖范围全脑血流分析, 而且可以提供四维数字影像减影血管相(4D DSA)来呈现动静脉畸形与动脉瘤, 亦可避免传统侵入性血管摄影造成的不适与危险。另外, 藉有经验的临床医师验证使用低剂量扫描模块来执行脑血流灌注分析, 并搭配AIDR3D低剂量迭算技术有效抑制噪声, 并不影响放射科医师影像判读。在此研究中, 使用320-ADCT X射线计算器体层扫描仪来执行全脑脑血流分析的辐射剂量约为5.35 mSv (包含了平扫与增强后高质量影像序列)。使用320 -ADCT所需的曝露危险性相较于使用64排CT (9.59 mSv)[8](未包含平扫与增强后高质量影像序列)远低于后者的辐射曝露量。

图 3 双侧ICA狭窄病人的全脑彩色图谱影像 注:此病人(64岁女性)的彩色图谱:(a) CT (b) CBF (c) CBV (d) MTT (e) TTP (f) Delay影像, 可清楚地呈现中脑右侧动脉疑似阻塞。

图 4 四维动态数字减影血管摄影影像 注:此病例是61岁男性, 透过四维动态数字减影血管摄影影像, 可有效协助临床科医师发现病人病灶, 本例中可发现左侧内颈动脉有明显动脉瘤。

图 5 动脉瘤的三维影像 注:此病例(58岁男性)是右侧内颈有明显动脉瘤(箭头), 可透过四维数字减影血管摄影分析软件(4D DSA subtraction)清楚地被发现与诊断。
3 结论

此一低剂量全脑脑血流灌注检查未来在临床实务上有极大潜力成为自费必要健检的项目之一, 以提早发现脑部疾病。其主要原因是非侵入式之诊断工具与低辐射曝露风险(5.35 mSv可接受辐射风险)。此研究结果显示:使用320-ADCT (16 cm涵盖范围) X射线计算器容层扫描仪可以提供远高于传统64排CT (3.2~4.0 cm涵盖范围)更多的脑部变化信息以提供更多更珍贵的影像予临床医师, 而做出更精确的诊断与处理, 让病人得到最佳的治疗与预后结果。除此之外, 透过创新的SVD+反褶积脑部后处理技术(延迟敏感度)可得到更正确的诊断彩色图谱(相较于传统64排CT使用标准SVD反褶积后处理技术)。此一320-ADCT系统只需旋转一圈即可同时得到:①全脑扫描影像; ②全脑影像后处理分析; ③全脑四维数字影像减影血管摄影相; 只需旋转一圈即可同时获取较低辐射曝露风险、较低造影剂用量与较佳临床诊断价值(相较于使用传统64排X射线计算器体层扫描仪)。

参考文献
[1]
World Health Organization.The top ten causes of death[P/OL].[2009-04-06]www.who.int/mediacentre/fatsheets/fs310/en/index.html.
[2]
Wintermark M, Sesay M, Barbier E, et al. "Comparative overview of brain perfusion imaging techniques"[J]. Stroke, 2005, 36: e83-e99.
[3]
Latchaw RE, Yonas H, Hunter GJ, et al. Guidelines and recommendations for perfusion imaging in cerebral ischemia[J]. Stroke, 2003, 34: 1084-1104. DOI:10.1161/01.STR.0000064840.99271.9E
[4]
Georg B, Florian M, Masuhr F, et al. "Neuroimaging by 320-row CT:is there a diagnostic benefit or is it just another scanner?A retrospective evaluation of 60 consecutive acute neurological patients"[J]. Neurol Sci, 2010, 31: 585-593. DOI:10.1007/s10072-010-0292-7
[5]
San Millán Ruíz D, Murphy K, Gailloud P. "320-Multidetector row whole-head dynamic subtracted CT angiography and hole-brain CT perfusion before and after arotid artery stenting:Technical note"[J]. European Journal of Radiology, 2010, 74: 413-419. DOI:10.1016/j.ejrad.2009.03.015
[6]
Silvernnoinen HM, Hamberg LM, Lindberg PJ, et al. "CT perfusion identifies increased salvage of tissue in patients receiving intravenous recombinant tissue plasminogen activator ithin 3 hours of stroke onset"[J]. AJNR Am J Neuroradiol, 2008, 29: 1118-1123. DOI:10.3174/ajnr.A1039
[7]
Goshima S, Kanedmatsu M, Nishibori H, et al. "Image quality and radiation exposure in CT of the pancreas:320-MDCT with and without adaptive iterative dose reduction versus 64-MDCT"[J]. Clinical Radiology, 2013, 68: e593-e600. DOI:10.1016/j.crad.2013.05.102
[8]
Mark P, Dee N, Marcs PC, et al. "Comparison of 4 cm Z-axis and 16 cm Z-axis multidetector CT perfusion"[J]. Eur Radiol, 2010, 20: 1508-1514. DOI:10.1007/s00330-009-1688-8
[9]
Yang Z, Silver Michael D, Noshi Y.Adaptive Weighted Anisotropic Diffusion For Computed Tomography Denoising"[C]//11th International Meeting on Fully Three-Dimensional Image Reconstruction in Radiology and Nuclear Medicine.Potsdam: 2011.