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Dynamic Cone-beam Reconstruction for Perfusion Computed Tomography

Montes, Pau

German Title: Dynamische Kegelstrahl-Rekonstruktion für Perfusions-Computertomographie

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Abstract

Perfusion CT (Computed Tomography) is a dynamic imaging technique whose aim is to assess the blood supply to tissue. The limited field of view of current CT detectors restricts its use to perfusion studies of a small volume. The introduction of large area detectors in CT, however, will allow perfusion studies of entire organs, increasing the clinical relevance of perfusion CT. On the other hand, this will also increase patient exposure and requirements for the reconstruction hardware as a consequence of the huge amount of acquired data. This thesis deals with dynamic reconstruction algorithms for scanners with large area detectors within the framework of perfusion CT. Its main focus lies on the development of methods efficient in terms of both the X-ray exposure and the computational cost. The first part of the thesis is devoted to the problem of dynamic reconstruction of objects with time dependent attenuation. Theoretical analysis reveals that the reconstruction from projections in a limited angular interval over several rotations can be interpreted as a non-ideal sampling on a regular grid. Dynamic reconstruction can then be performed by estimating a continuous signal from the samples using an efficient interpolation scheme. A temporal interpolation approach based on polynomial spline interpolation is proposed. This approach increases the temporal resolution for a given sampling rate and thus enables the use of slow rotating scanners for dynamic imaging purposes. Assuming that the maximum frequency of the dynamic process is known, the sampling rate can be adapted according to this frequency in order to acquire only the necessary data to estimate the continuous signal accurately. This leads to a reduction of the acquired data and therefore of the computational complexity. The temporal interpolation approach does not consider noise. The noise level in the images is inversely proportional to the applied dose. According to the sampling interpretation, noise can be reduced by limiting the bandwidth of the estimated continuous signal to the bandwidth of the fastest perfusion signal in the volume of interest. This is denoted as optimal-SNR estimation. Optimal-SNR reconstruction can be carried out independently of the number of scans performed during acquisition as long as the sampling condition is fulfilled. Based on this principle, the temporal interpolation is extended to a temporal smoothing approach with polynomial splines. This approach allows adapting the temporal bandwidth of the reconstructed sequence, yielding an optimal SNR reconstruction for a given total applied dose. This can be used either to reduce dose while preserving image quality as in standard reconstruction, or alternatively to increase image quality while using the same dose as in the standard procedure. Finally, the results obtained in this thesis represent the first step towards the use of C-arm systems for perfusion imaging purposes.

Translation of abstract (German)

Perfusions-CT (Computertomographie) ist ein dynamisches Bildgebungsverfahren für die Bestimmung der Durchblutung von Gewebe. Das begrentzte Sichtfeld jetziger CT-Detektoren beschränkt die Anwendung auf Perfusionsstudien kleiner Volumen. Die Einführung von Oberflächendetektoren in CT wird es künftig ermöglichen, Perfusionsstudien ganzer Organe durchzuführen, was die klinische Relevanz der Perfusions-CT steigern wird. Andererseits, wird dies die Patientenbelastung sowie auch die Ansprüche an die Rekonstruktionshardware (aufgrund der großen generierten Datenmenge) erhöhen. Diese Dissertation befasst sich mit dynamischen Rekonstruktionsalgorithmen für Scanner mit Oberflächendetektoren im Rahmen der Perfusions-CT. Ihr Schwerpunkt liegt in der Entwicklung von Verfahren, die effizient bezüglich der Patientendosis und des Rechenaufwands sind. Der erste Teil der Arbeit ist der dynamischen Rekonstruktion von Objekten mit zeitabhängigem Dämpfungskoeffizienten gewidmet. Als Ergebnis einer theoretischen Analyse stellt man fest, dass die Rekonstruktion aus Projektionen eines begrenzten Winkelintervals über mehrere Rotationen als nicht-ideale Abtastung mit einem regulären Abtastmuster interpretiert werden kann. Die dynamische Rekonstruktion erfolgt dann durch die Schätzung eines kontinuierlichen Signals aus den Abtastwerten mit einem effizienten Interpolationsverfahren. Es wird ein Zeitinterpolationsansatz vorgeschlagen, der auf polynomialer Splineinterpolation beruht. Dieser Ansatz erhöht die Zeitauflösung für eine gegebene Abtastrate und ermöglicht dadurch den Einsatz von Scannern mit niedrigen Rotationsgeschwindigkeiten für dynamische Bildgebung. Unter der Annahme, dass die maximale Frequenz des dynamischen Prozesses bekannt ist, kann man die Abtastrate gemäß dieser Frequenz anpassen, um nur die notwendigen Daten für die Schätzung des kontinuierlichen Signals aufzunehmen. Dies führt zu einer Reduktion der aufgenommenen Daten und daher des Rechenaufwands der Rekonstruktion. Im Zeitinterpolationsansatz wird Rauschen nicht berücksichtigt. Der Rauschpegel in CT ist umgekehrt proportional zur angewandten Röntgendosis. Gemäß der o.g. Abtastungsinterpretation kann man Rauschen reduzieren, indem die Bandbreite des geschätzten Signals auf die Bandbreite des schnellsten Perfusionssignals im zu rekonstruierenden Volumen begrenzt wird. Dies wird als optimal-SNR Schätzung bezeichnet. Eine optimal-SNR Rekonstruktion kann unabhängig von der Anzahl der durchgeführten Scans vollbracht werden, solange die Abtastbedingung erfüllt wird. Auf diesem Prinzip aufbauend wird der Zeitinterpolationsansatz zu einem Zeitglättungssansatz mit polynomialen Splines erweitert. Dieser Ansatz ermöglicht es, die Bandbreite der rekonstruierten Sequenz anzupassen, so dass eine optimal-SNR Rekonstruktion für die angewandte Dosis erzielt wird. Im Vergleich zum Standard-Rekonstruktionsverfahren kann dies zweifach genutzt werden. Entweder reduziert man die Dosis, während die Bildqualität erhalten bleibt, oder man verbessert die Bildqualität bei Anwendung der gleichen Dosis. Die Ergebnisse dieser Arbeit stellen den ersten Schritt in Richtung auf die Benutzung von C-bogen Systemen in Perfusionsbildgebung dar.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Jäger, Prof. Dr. Willi
Date of thesis defense: 6. December 2006
Date Deposited: 14. Dec 2006 13:53
Date: 2006
Faculties / Institutes: Service facilities > Interdisciplinary Center for Scientific Computing
Subjects: 620 Engineering and allied operations
Controlled Keywords: Computertomographie, Signalverarbeitung, Spline-Interpolation, Glättung, Rauschunterdrückung
Uncontrolled Keywords: dynamische Computertomographie , Kegelstrahl-Rekonstruktiondynamic Computed Tomography , Cone-beam reconstruction
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