低劑量CT心肌灌注優(yōu)質(zhì)成像方法.pdf

1、冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性心臟病(Coronary Artery Disease，CAD)是由于冠狀動(dòng)脈粥樣硬化病變引起管腔狹窄或阻塞，管腔的變化造成血流和心肌氧消耗之間不平衡從而導(dǎo)致心肌損害。美國(guó)心臟協(xié)會(huì)(American Heart Association，AHA)2012年的一份報(bào)告顯示，在美國(guó)平均每年有超過一百萬的CAD患者;我國(guó)心血管疾病的發(fā)病呈現(xiàn)快速和持續(xù)上升趨勢(shì)，已經(jīng)逐漸成為危害我國(guó)人民健康和導(dǎo)致死亡的首要疾病，根據(jù)世界衛(wèi)生組織2

2、011年的報(bào)告，中國(guó)的CAD死亡人數(shù)已列為世界第二。為了幫助臨床指導(dǎo)如何治療和評(píng)價(jià)治療效果等，我們必須對(duì)CAD患者進(jìn)行早期、全面和精確的診斷，這樣還可以有效降低冠心病的發(fā)病率和死亡率。
　　常用的MP1包括放射性核素心肌灌注成像(Single-Photon EmissionComputerized Tomography, SPECT; Positron Emission Tomography, PET)、負(fù)荷超聲心動(dòng)圖(Stres

3、s Echocardiography，SE)、磁共振心肌灌注成像(MagneticResonance MPI，MR-MPI)和CT心肌灌注成像(Computerized TomographyMyocardial Perfusion Imaging，CT-MPI)。其中SPECT/PET是目前臨床評(píng)價(jià)心肌缺血最常采用的一種非侵入性功能成像方法。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年大概有10億病人經(jīng)靜息或負(fù)荷SPECT/PET心肌灌注檢查，因此，SPECT/PET

4、也被認(rèn)為是診斷CAD的金標(biāo)準(zhǔn)。盡管SPECT/PET廣泛應(yīng)用于臨床，但其有空間分辨率低、不能顯示冠狀動(dòng)脈解剖細(xì)節(jié)、對(duì)早期CAD診斷不敏感、放射性核素在人體內(nèi)的半衰期長(zhǎng)、危害人體健康等諸多缺點(diǎn)。SE是指利用運(yùn)動(dòng)、起搏或藥物增加心臟負(fù)荷，用超聲技術(shù)檢測(cè)心血管系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷的反應(yīng)狀況，從而反映和診斷CAD;但是懷疑患有心肌梗死的病人禁止采用上述方法增加心臟負(fù)荷，且超聲影像分辨力低、主觀因素、可重復(fù)性低等不足限制了其在臨床的廣泛應(yīng)用。MR-MPI具

5、有良好的組織對(duì)比度、無輻射、較高的時(shí)間和空間分辨率，可顯示心肌缺血的范圍和程度，能夠反映組織的微血管灌注情況;但MR-MPI檢查時(shí)間長(zhǎng)、價(jià)格昂貴、技術(shù)難度較大和不能絕對(duì)定量地分析心肌血流量，以及有較多的檢查禁忌癥。SPECT/PET、SE和MR-MPI這三類心肌灌注成像方法都存在一定的不足。CT-MPI具有極高的時(shí)間和空間分辨率，成像速度快，并且能實(shí)現(xiàn)“一站式”準(zhǔn)確獲得冠狀動(dòng)脈狹窄部位的解剖結(jié)構(gòu)信息和冠狀動(dòng)脈狹窄的功能信息。未來，這種O

6、SS檢查方法顯得越來越重要。CT-MPI最早使用電子束CT(Electron BeamCT，EBCT)進(jìn)行心肌灌注檢查，EBCT具有較好的時(shí)間分辨力，可獲得感興趣區(qū)層面的CT-MP圖像，但EBCT受限于空間分辨率，導(dǎo)致CT心肌灌注圖像細(xì)節(jié)顯示不夠清晰而被淘汰;隨著多排探測(cè)器CT(Multi-Detector CT，MDCT)的問世使得一次掃描覆蓋整個(gè)心臟進(jìn)行灌注成像成為可能，但其XY平面分辨率不夠高，增加的邊緣部分的探測(cè)器導(dǎo)致MPI輻射

7、劑量率大增;以上兩種CT產(chǎn)品都不適宜在臨床上推廣。近幾年，CT硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展極其迅速，世界各大CT生產(chǎn)商都推出了自己的新產(chǎn)品;尤其是320排CT、能譜CT、雙源CT和寶石CT等高端CT的相繼問世，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者采用這些高端CT進(jìn)行CT-MPI的研究越來越多。
　　根據(jù)CT掃描協(xié)議，CT-MPI通過對(duì)下腔靜脈高壓注射碘對(duì)比劑，隨著時(shí)間的變化連續(xù)動(dòng)態(tài)掃描(Cine Model，CM)感興趣心臟斷層(Region Of Inter

8、est，ROI)獲取該斷層各個(gè)像素的時(shí)間密度曲線(Time Density Curve，TDC)，然后利用魯棒的去卷積模型計(jì)算心肌灌注血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)圖(Myocardial PerfusionHemodynamic Parameter Map，MPHM)，MPHM包括心肌血流量(MyocardialBlood Flow，MBF)，心肌血容量(Myocardial Blood Volume，MBV)和平均通過時(shí)間(Mean Transmi

9、t Time，MTT)等;通過分析各種心肌灌注血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)圖，我們可以準(zhǔn)確辨別是否有心肌缺血以及心肌缺血的程度。常用的MPHM計(jì)算方法包括非去卷積法和去卷積法。非去卷積法主要分為忽略流出靜脈法（又名瞬間法）和引流靜脈法（又名最大斜率法）;根據(jù)示蹤劑稀釋理論（又名Fick原理），通過對(duì)比劑首過獲得的TDC曲線計(jì)算灌注參數(shù)MBF，MBV和MTT。非去卷積法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)便、概念簡(jiǎn)單和便于理解;其缺點(diǎn)是忽略靜脈流出且假設(shè)沒有對(duì)比劑外滲，因此

10、需要快速和大劑量團(tuán)注碘對(duì)比劑，這樣不僅增加了病人風(fēng)險(xiǎn)而且導(dǎo)致臨床應(yīng)用的不便。同樣基于Fick原理及以雙室模型為動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)的去卷積算法，其通過組織內(nèi)對(duì)比劑濃度(Contrast Agent Concentration，C(t))和動(dòng)脈輸入函數(shù)(Arterial Input Function，AIF)兩個(gè)已知量去卷積求解血流尺度的剩余函數(shù)(flow scaled residue function)K(t)，進(jìn)而由K(t)計(jì)算MBF，MBV和

11、MTT等灌注參數(shù)。然而，根據(jù)CT-MPI掃描協(xié)議，需對(duì)心臟ROI斷層進(jìn)行序列掃描。相比于常規(guī)CT成像，CT心肌灌注成像極大增加了受檢者的輻射劑量。
　　近幾年，關(guān)于如何在心肌灌注掃描過程中降低輻射劑量的研究大量涌現(xiàn)，主要分為兩大類。第一類是通過各種硬件優(yōu)化，圖像處理和圖像重建方法獲得優(yōu)質(zhì)的CT心肌灌注圖像，例如優(yōu)化CT掃描模式和采用心電門控技術(shù)(Electrocardio-Gating，ECG); Stenner等將部分掃描偽影技

12、術(shù)(Partial ScanArtifact Reduction，PSAR)用于心臟灌注CT成像，PSAR技術(shù)不僅大幅降低X射線劑量且獲得具有高時(shí)間分辨率的CT圖像。Speidel等采用高度約束的反投影圖像處理方法（HighlY constrained backPRojection，HYPR）獲得高質(zhì)量CT-MP圖像，高度約束的反投影圖像處理方法較好的抑制了CT-MP圖像噪聲和條形偽影，但是該方法沒有考慮運(yùn)動(dòng)偽影的影響。Ramirez-

13、Giraldo等在考慮了運(yùn)動(dòng)偽影的前提下，提出了一種基于目標(biāo)的空間頻率濾波策略(Targeted SpatialFrequency Filtration，TSFF)來減少因PSAR技術(shù)產(chǎn)生的條形偽影。Tao等率先把統(tǒng)計(jì)迭代重建(Statistical Iterative Reconstruction，SIR)技術(shù)應(yīng)用于心肌灌注CT圖像重建，這種直接作用于弦圖的CT SIR技術(shù)能有效的減少因圖像噪聲引入的條形偽影。第一類方法能夠得到高質(zhì)量

14、的CT-MP圖像，但是第一類方法在利用獲得的CT-MP圖像估計(jì)MPHM時(shí)采用不穩(wěn)定的去卷積方法。Frindel和Fang研究表明，若想得到具有診斷意義的心肌灌注參數(shù)圖，必須研發(fā)穩(wěn)定的MP去卷積方法。所以我們把這類提高心肌灌注參數(shù)圖清晰度的魯棒MP去卷積方法稱為第二類方法。Frindel等建立了時(shí)間維度和空正維度的正則化去MP卷積模型，并將這種模型應(yīng)用到磁共振腦灌注加權(quán)成像(Perfusion-Weighted MagneticReson

15、ance Imaging，PW-MRI)。
　　本文對(duì)第一類方法和第二類方法分別進(jìn)行研究。歸納起來，主要包括如下兩個(gè)方面的工作:
　　1)研發(fā)一種基于運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)稀疏先驗(yàn)算法(Motion Adaptive Sparsity Prior，MASP)應(yīng)用于CT-MPI。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過校正過后的相鄰幀CT心肌灌注圖像的差圖具有梯度稀疏特性，MASP方法利用了灌注圖像的時(shí)空結(jié)構(gòu)稀疏特性并將心跳運(yùn)動(dòng)偽影校正過程引入到懲罰加權(quán)最

16、小二乘(Penalized WeightedLeast-Squares，PWLS)過程，從而改善CT-MP圖像的質(zhì)量，我們把這種方法簡(jiǎn)稱為PWLS-MASP。隨后，我們采用修改的交替方向優(yōu)化算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。本方法具有三大優(yōu)點(diǎn):1）該方法首次將運(yùn)動(dòng)校正過程引入到CT迭代重建過程，運(yùn)動(dòng)校正和迭代重建兩者交替進(jìn)行，使得重建更加精確;2）該方法同時(shí)考慮了CT心肌灌注圖像的時(shí)間和空間結(jié)構(gòu)的稀疏特性;3）應(yīng)用一種全局收斂?jī)?yōu)化算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)

17、行優(yōu)化。
　　2)研發(fā)一種基于加權(quán)自適應(yīng)張量全變分(Adaptive-Weighted Tensor TotalVariation,AwTTV)先驗(yàn)的CT-MP去卷積方法。AwTTV方法利用了心肌血管空間結(jié)構(gòu)的相似性和冠狀動(dòng)脈血流信號(hào)的時(shí)間連續(xù)性。為了求解我們提出的CT-MP去卷積代價(jià)函數(shù)，本文研發(fā)一種改進(jìn)的交替方向優(yōu)化技術(shù)。CT心肌灌注仿真XCAT和迷你豬CT心肌灌注數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)證明，和常用的去卷積算法相比，如標(biāo)準(zhǔn)截?cái)嗥娈愔捣纸夥?