Dynamic Interventional Perfusion Imaging: Reconstruction Algorithms and Clinical Evaluation

Dynamische interventionelle Perfusionsbildgebung: Rekonstruktionsalgorithmen und klinische Evaluation

  • Acute ischaemic stroke is a major cause for death and disabilities with increasing prevalence in aging societies. Novel interventional stroke treatment procedures have the potential to improve the clinical outcome of certain stroke-affected patients. Certainly, prompt diagnosis and treatment are required. Brain perfusion imaging with computed tomography (CT) or magnetic resonance imaging (MRI) is a routine method for stroke diagnosis. However, in the interventional room usually only CT imaging with flat detector C-arm systems is available, which do not support dynamic perfusion imaging yet. Enabling flat detector CT perfusion (FD-CTP) in clinical practice could support optimized stroke managAcute ischaemic stroke is a major cause for death and disabilities with increasing prevalence in aging societies. Novel interventional stroke treatment procedures have the potential to improve the clinical outcome of certain stroke-affected patients. Certainly, prompt diagnosis and treatment are required. Brain perfusion imaging with computed tomography (CT) or magnetic resonance imaging (MRI) is a routine method for stroke diagnosis. However, in the interventional room usually only CT imaging with flat detector C-arm systems is available, which do not support dynamic perfusion imaging yet. Enabling flat detector CT perfusion (FD-CTP) in clinical practice could support optimized stroke management. By stroke diagnosis in the interventional room precious time until the start of treatment could be saved. Recently, first promising clinical results for FD-CTP imaging under laboratory conditions have been presented. Based on this work, this dissertation introduces and evaluates novel technical contributions for noise reduction, artifact reduction and dynamic reconstruction in FD-CTP. Furthermore, the feasibility of FD-CTP imaging in clinical practice is demonstrated for the first time using data acquired during interventional stroke treatments. CT perfusion imaging requires measurement of dynamic contrast agent attenuation over time. The contrast agent signal in the brain tissue is very low and noise is a major problem. Thus a novel computationally fast noise reduction technique for perfusion data is introduced. Currently available C-arm systems have a comparably low rotation speed, which makes it challenging to reconstruct the dynamic change of contrast agent concentration over time. Therefore, a dynamic iterative reconstruction algorithm is proposed to utilize the high temporal resolution in the projection data for improved reconstruction of the contrast agent dynamics. Novel robotic C-arm systems (Artis zeego, Siemens Healthcare, Germany) provide a high speed rotation protocol (HSP) to improve the temporal acquisition of the contrast agent dynamics. However, the HSP suffers from angular under-sampling, which can lead to severe streak artifacts in the reconstructed perfusion maps. Thus a novel, computationally fast noise and streak artifact reduction approach for FD-CTP data is proposed. The feasibility of FD-CTP using the HSP is demonstrated with clinical data acquired during interventional treatment of two stroke cases. Furthermore, the design of a digital brain perfusion phantom for the thorough numerical evaluation of the proposed techniques is discussed. The quality of the perfusion maps acquired and reconstructed using the introduced novel approaches suggests that FD-CTP could be clinically available in the near future.show moreshow less
  • Der akute ischämische Schlaganfall ist eine der Hauptursachen für Tod und Invalidität weltweit mit zunehmender Bedeutung in alternden Gesellschaften. Mit interventionellen Behandlungsmethoden ist es potentiell möglich, die gesundheitliche Folgeschäden von Schlaganfällen zu verringern. Dafür ist allerdings eine zeitnahe Diagnose und Behandlung des Schlaganfalls notwendig. Zur Schlaganfallsdiagnose wird als Routineverfahren die Hirnperfusionsbildgebung mit Hilfe der Computertomographie (CT) oder der Magnetresonanztomographie (MRI) verwendet. Üblicherweise ist im interventionellen Behandlungsraum nur CT Bildgebung mit Flachdetektor C-Bogen Systemen möglich, welche bisher die dynamische PerfusioDer akute ischämische Schlaganfall ist eine der Hauptursachen für Tod und Invalidität weltweit mit zunehmender Bedeutung in alternden Gesellschaften. Mit interventionellen Behandlungsmethoden ist es potentiell möglich, die gesundheitliche Folgeschäden von Schlaganfällen zu verringern. Dafür ist allerdings eine zeitnahe Diagnose und Behandlung des Schlaganfalls notwendig. Zur Schlaganfallsdiagnose wird als Routineverfahren die Hirnperfusionsbildgebung mit Hilfe der Computertomographie (CT) oder der Magnetresonanztomographie (MRI) verwendet. Üblicherweise ist im interventionellen Behandlungsraum nur CT Bildgebung mit Flachdetektor C-Bogen Systemen möglich, welche bisher die dynamische Perfusionsbildgebung nicht unterstützen. Flachdetektor CT Perfusionsmessung (FD-CTP) könnte zu einem verbesserten Schlaganfallsmanagement beitragen, wenn der Patient direkt im Interventionsraum untersucht und wertvolle Zeit bis zum Beginn der Behandlung gespart werden kann. Unlängst wurden erste vielversprechende klinische Ergebnisse von FD-CTP Messungen unter Laborbedingungen gezeigt. Aufbauend darauf werden in dieser Dissertation neue technische Verfahren zur Rauschreduktion, Artefaktreduktion und zur dynamischen Rekonstruktion für die FD-CTP vorgestellt und evaluiert. Des Weiteren wird zum ersten Mal die Durchführbarkeit von FD-CTP in der klinischen Praxis anhand von während interventioneller Schlaganfallbehandlungen aufgezeichneten Daten demonstriert, Bei der CT Perfusionsbildgebung wird die dynamischer Kontrastmittelschwächung über die Zeit gemessen. Dabei ist das Signal des Kontrastmittels im Hirngewebe sehr gering. Daher wurde eine neue recheneffiziente Rauschreduktionsmethode für Perfusionsdaten entwickelt. Aktuell verfügbare C-Bogen Systeme haben eine relativ langsame Rotationsgeschwindigkeit. Dies macht die Rekonstruktion der zeitlich dynamischen Kontrastmittelkonzentration zur Herausforderung. Für dieses Problem wurde ein dynamischer iterativer Rekonstruktionsalgorithmus entwickelt, der die hohe zeitliche Auflösung in den Projektionsdaten zur verbesserten Rekonstruktion der dynamischen Zeitkurven ausnutzt. Robotische C-Bogen Systeme (Artis zeego, Siemens Healthcare, Deutschland) verfügen über ein Aufnahmeprotokoll mit Hochgeschwindigkeitsrotation (HSP) zur verbesserten zeitlichen Aufnahme der Kontrastdynamik. Allerdings sind die HSP Aufnahmen in der Winkelschrittweite unterabgetastet, was zu starken Streifenartefakten in den rekonstruierten Perfusionskarten führen kann. Deshalb wird ein neuer recheneffizienter Algorithmus zur Rausch- und Streifenartefaktreduktion in FD-CTP Daten vorgestellt. Die Durchführbarkeit der FD-CTP mit dem HSP in der klinischen Praxis wird anhand von Daten gezeigt, welche während der interventionellen Behandlung von zwei Schlaganfallsfällen aufgezeichnet wurden. Außerdem wird das Design eines digitalen Perfusionsphantoms zur numerischen Evaluierung der vorgestellten Techniken diskutiert. Die Qualität der mit den neuen Techniken rekonstruierten Perfusionskarten zeigt, dass FD-CTP in absehbarer Zeit klinisch verfügbar werden könnte.show moreshow less

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Metadaten
Author:Michael Manhart
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-53958
Advisor:Joachim Hornegger
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2014
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2014/10/24
Release Date:2014/11/13
SWD-Keyword: Computertomographie; Medizinische Bildgebung; Schlaganfall
Institutes:Technische Fakultät / Department Informatik
CCS-Classification:J. Computer Applications
Dewey Decimal Classification:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Technik / Technik, Technologie
open_access (DINI-Set):open_access
Licence (German):Creative Commons - Namensnennung

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