Основы контроля качества изображений в системе динамической объемной КТ Toshiba Aquilion ONE:

Дж. Блобель (Вlоbеl), Н. Сугихара (N Sugihara), Дж. Холл (J Hall), Дж. Mьюз (J Mews), X.Kypa(HKura)

Введение

Динамические исследования можно определить как исследования, во время которых происходит сбор как пространственных, так и временных данных. В прошлом оценка функциональных процессов была ограничена из-за малой области охвата, размеры которой составляли 20, 32 или 40 мм в аксиальном направлении. Компьютерный томограф Aquilion ONE стала первым компьютерным томографом, способным провести сканирование всего органа в целом за доли секунды. Охват области сканирования в аксиальном направлении составляет 16 см в изоцентре гентри. что дает возможность проводить динамические исследования головного мозга, сердца, поджелудочной железы и других органов. В данной статье обсуждаются различные параметры, влияющие на пространственное и временное разрешение в динамической объемной компьютерной томографии.

Пространственное разрешение

КТ-детекторы с оптимальным пространственным разрешением требуют наличия наименьшего размера элемента детектора и высокой чувствительностью к сигналу. Детекторы компьютерного томографа Aquilion ONE состоят из 320 рядов, в каждом из которых присутствует 896 элементов, и образуют матрицу из 286 720 элементов с разрешением проекции 0.5 х 0.5 мм в изоцентре. В отличие от конического пучка с углом Зо, используемого в компьютерном томографе Aquilion™ 64. в компьютерном томографе Aquilion ONE применяется пучок с более широким углом 15о, что требует применения нового алгоритма реконструкции. Для борьбы с артефактами конического пучка был разработан новый алгоритм реконструкции ConeXact™.

Высококонтрастное и низкоконтрастное разрешение в компьютерном томографе Aquilion ONE было протестировано в больнице «Шарите» в Берлине (Германия), которая была установлена в ноябре 2007 г., а результаты измерения сравнили с результатами для компьютерного томографа Aquilion™ 64 в той же больнице. На рис. 1 показаны результаты испытаний на фантомах в аксиальной проекции. Шариковый геометрический модуль СТР591 (компания Phantom Laboratory Inc., США) с диаметром фантома 15 см состоит из диагонального набора шариков диаметром 0.18 и 0.28 мм (рис. 1а). Поскольку в обоих томографах применяется одна и та же геометрия детекторных элементов размером 0.5 мм. при HIP-реконструкции в аксиальной проекции (рис. 16 и 1в) шарики отображались с одинаковой однородностью. Разница их размеров тоже вполне очевидна. При выполнении теста, результаты которого показаны на рис. 1г, фантом дополнительно сместили в аксиальном направлении на 4 см от центральной плоскости, а гентри наклонили на дополнительный угол 15о.

 \"\"

Рис. 1. Испытания с использованием фантома: а) ряды шариков диаметром 0,18 и 0,28 мм (система Aquilion ONE).Аксиальная МIP-реконструкция: б) система Aquilion 64: в) система Aquilion ONE: г) система Aquilion ONE, смещение от центра на 4 см, угол наклона гентри 15о. Сагиттальная МIP-реконструкция: д) система Aquilion 64: е) система Aquilion ONE: ж) система Aquilion ONE, смещение от центра на 4 см, угол наклона гентри 15°- (Протокол испытания: 120 кВ, 25мAc, FC 30,MIP)

\"\"

Рис.2. Трехмерная реконструкция при абдоминальной КТА с заполнением всех сосудов контрастным веществом (система Aquilion ONE). (Изображение предоставил д-р П. Рогэлз, больница «Шарите», Берлин, Германия)

Различий в качестве для изотропных вокселов, применяемых при реконструкции изображений, по сравнению с рис. 1 в не наблюдалось. В сагиттальных проекциях, полученных на обоих томографах (рис. 1д—ж), также не отмечается каких бы то ни было различий в воспроизведении объектов. При интервале реконструкции < 0,5 мм и интерполяции между срезами при использовании алгоритма ConeXacI система Aquilion ONE также обеспечивает пространственное разрешение элементов диаметром < 0.5 мм в сагиттальной плоскости, что сравнимо с показателями системы Aquilion 64. Достаточно качественные аксиальные и сагиттальные изображения шариков (рис. 16—ж) показывают, что при реконструкции срезов алгоритм ConeXacI сохраняет пространственное разрешение даже при наклоне гентри. Поскольку ширина фантома была равна 4 см. для системы Aquilion ONE с помощью коллиматора задавали ширину поля в акси­альном направлении 4 см, а для системы Aquilion 64 - 3.2 см

Высококонтрастное разрешение при реконструкции с помощью алгоритма ConeXact в первую очередь зависит от геометрии детектора, и лишь в небольшой степени — от расстояния между вокселами и центральной осью среза и от расстояния от среза до центральной плоскости. Тот факт, что шарики выглядят одинаково во всех аксиальных и сагиттальных МIP-изображениях на рис. 1, подтверждает изотропность вокселов в остальном объеме сканирования. Клинический пример с ангиографией брюшной аорты (рис. 2) демонстрирует высокое геометрическое разрешение контрастируемых сосудов при линейном размере вокселов <0.5 мм.

Для проверки низкоконтрастного разрешения использовался низкоконтрастный модуль СТР263 шириной 2.5 см (компания Phantom Laboratory Inc., США) в сочетании с фантомом Catphan® Phantom 412 общей шириной 14,5 см (диаметр 16 см). Для системы Aquilion ONE с помощью коллиматора была задана ширина поля в аксиальном направлении 14 см. а для системы Aquilion 64 3.2 см. В обоих томографах использовались одни и те же параметры реконструкции изображений и протокол с малой дозой (120 кВ. 100 мАс). Системы Aquilion 64 (рис. За) и Aquilion ONE (рис. 3б) обеспечили сходные показатели различимости круговых дисков диаметром 2—15 мм при различных уровнях контрастности от 0,1 до 1%. Этот результат также показывает, что протоколы сканирования для низкоконтрастных исследований дают возможность выполнять с помощью системы Aquilion ONE исследования с малой лучевой нагрузкой. Пример КГ-ангиографии коронарных артерий (рис. 5) демонстрирует широкий диапазон контрастности изображения. В перфузионных исследованиях головного мозга необходимо иметь возможность отличать области, КТ-числа которых различаются лишь на не­сколько единиц, поскольку контрастное вещество распространяется по всему объему головного мозга и обеспечивает лишь небольшие различия между КТ-числами.

\"\"

Рис. 3. Сканирование с малой дозой - испытания из фантоме с круговым и дисками диаметром 2-15 мм с разницей в контрастности 0,1:0,3:0,5 и 1%: з) система Aquilion 64: б) система Aquiiion ONE. Обе системы обеспечивают сравнимые уровни различимости дисков с определенными показателями разницы контрастности. (Протокол теста: 120x8, 100 мАс, FC43, срез 12мм)

Временное разрешение

В системе Aquilion ONE время сканирования областей размером до 16 см определяется только скоростью вращения, а не сочетанием скорости вращения и питча. При ангиографических и кар­диологических исследованиях, когда требуется свести к минимуму артефакты от движения сосудов, необходима большая скорость вращения (350—600 мс/об). В то же время, при перфузионных исследованиях можно использовать меньшую скорость (0,75— 1 с/об), которая позволит, тем не менее, получить на 30% больше проекций за тот же интервал времени при сборе необработанных данных. Следует также отметить, что при выполнении некоторых исследований для получения объемных снимков органов высокая скорость вращения теперь не требуется. При КТ-ангиографии даже скорости в один оборот в секунду достаточно, чтобы получить изображение всех сосудов в области сканирования без артефактов движения. Сосуды шириной 1—2 мм при максимальном контрастировании в одной и той же фазе будут визуализированы без всяких пропусков. Диагностические исследования очень мелких сосудов, например таких как коронарные артерии, затруднены в том случае, если концентрация контрастного вещества в конце интервала прохождения болюса слишком мала, и для исследования применяется спиральная многосрезовая КТ.

При исследовании коронарных артерий можно применять половинную или сегментную реконструкцию. При использовании системы Aquilion 64 в спиральном режиме скорость вращения и питч выбираются в соответствии с предполагаемой частотой сердечных сокращений пациента. Чтобы обеспечить оптимальное пространственное разрешение, используется определенное количество сегментов данных, соответствующее частоте сердечных сокращений. В системе Aquilion ONE время одного оборота 350, 375 или 400 мс также выбирается в соответствии с частотой сердечных сокращений и количеством сегментов, однако при этом не требуется использование питча и не возникает связанных с этим побочных эффектов. При частоте сердечных сокращений 60 уд/мин, т. е. при интервале R-R в 1000 мс, за время одного оборота 350 мс можно охватить 35% всех фаз интервала R-R. Временной интервал при экспозиции в 350 мс будет синхронизироваться по сигналу от зубца R для выбора задаваемого пользователем диапазона фаз сердечной деятельности. При увеличении частоты сердечных сокращений для мультисегментной реконструкции будут использоваться два, три, четыре или пять сегментов, полученных из данных последовательных сердечных сокращений. Минимальное временное разрешение соответственно пропорционально повысится до 87, 58, 44 и 35 мс и будет соответствовать более быстрому движению сердца. При этом каждый сегмент данных будет скорректирован для одной и той же фазы сердечного цикла, чтобы обеспечить правильное совмещение изображений сосудов при последовательных сердечных сокращениях. Лучевая нагрузка увеличивается с ростом количества сегментов и количества вращений трубки. С другой стороны, по сравнению с частотой 50 уд/мин из-за меньшего интервала R-R время импульсной экспозиции для одного сердечного цикла при 100 уд/мин уменьшится в той же пропорции, что и длительность соответствующей фазы сердечной деятельности, что повлечет за собой снижение лучевой нагрузки.

Работа сердца уже отслеживается в реальном времени в ходе интервала сканирования. В случае аритмии, экстрасистолы или резких изменений ЧСС трубка отключается, а цикл начинается заново после следующего сигнала синхронизации по зубцу R. Пользователь может отслеживать, исправлять или удалять временные диапазоны реконструкции для каждого сердечного цикла в интервале R-R с помощью ЭКГ-редактора, чтобы избежать снижения качества изображений из-за нарушений сердечного ритма. В крайнем случае при последующей обработке можно выбрать только один «нормальный» интервал R-R для половинной реконструкции.

\"\"

Рис. 4. Криволинейная реконструкция левой передней нисходящей коронарной артерии (система Aquiiion ONE). Размер бляшки, а также плотность КТ-чисел, характеризующую состав бляшки, можно оценить даже при низких уровнях контрастности. (Изображение предоставил д-р А. Лембке, больница «Шарите», Берлин, Германия) 

При обсуждении согласованности данных из нескольких циклов R-R при многосегментной реконструкции необходимо учитывать тот факт, что при спиральном или послойном сканировании в создании изображений будут участвовать данные за 10—15 сердечных циклов (в зависимости от ЧСС). Поскольку расчет криволинейных реформатированых изображений сосудов производится на основе сердечных циклов, преимуществом системы Aquilion ONE является не только адаптация временного разрешения к ЧСС (35—175 мс. 1—5 сегментов), но и тот факт, что для получения полного набора трехмерных данных достаточно информации, полученной при небольшом количестве циклов. Появление артефактов частичного заполнения объема и ступенчатых артефактов, которые возникают при спиральном или послойном сканировании, в этом случае исключено. Криволинейная мультипланарная реконструкция левой передней нисходящей артерии на основе данных за один сердечный цикл у пациента с ЧСС 58 уд/мин при временном разрешении 175 мс обеспечивает показательный результат (рис. 4).

Выводы

Пространственные вокселы и время сбора данных — это составляющие качества изображений при динамической объемной КТ. Даже при одной и той же лучевой нагрузке высококонтрастное и низкоконтрастное разрешение томографа Aquilion ONE, первой системы для динамической объемной КТ, превосходит показатели томографа Aquilion 64. Объемная съемка органа целиком за время менее 200 мс дает возможность проводить функциональные исследования. Избыточность излучения снижается пропорционально увеличению ширины детекторов в аксиальном направлении.

Ненужного превышения диапазона сканирования можно избежать путем выбора аксиальной ширины скана. После получения топограммы количество используемых рядов детектора выбирается в диапазоне от 80 до 320 в зависимости от размера органа.

Избыточный охват исследуемой области в связи с задержкой в сканировании возможен только в спиральном режиме, однако полностью исключается в режиме динамического объемного сканирования. По сравнению со спиральным сканированием на 64-срезовом компьютерном томографе со стандартным питчем 0.2 отсутствие повторного сканирования одних и тех же областей при динамической объемной КТ снижает лучевую нагрузку на 80%. Данный пример демонстрирует способность системы Aquilion ONE задействовать этот резерв лучевой нагрузки в кардиологических и перфузионных исследованиях. Временное разрешение > 35 мс и пространственное разрешение с размером воксела < 0.5 мм позволяет достигнуть нового уровня точности при четырехмерных исследованиях в диагностической радиологии, в том числе при диагностических исследованиях мельчайших изменений плотности ткани.

 Подробнее об Aquilion ONE