První zkušenosti s hybridní iterativní technikou idose při CT vyšetřování mozků u dětí, adolescentů a dospělých The first experience with a hybrid iterative reconstruction technique idose in brain CT imaging in children, adolescents and adults původní práce Igor Jíra 1 Petr Ouředníček 2 Jarmila Skotáková 1 Petr Walek 3 Tomáš Jatel 1 Jan Jiří 3 1 Klinika dětské radiologie, Pracoviště dětské medicíny FN a LF MU, Brno 2 Klinika zobrazovacích metod, Nemocnice U sv. Anny FN, Brno 3 Ústav biomedicínského inženýrství, Vysoké učení technické, FEKT, Brno Přijato 15. 1. 2012. Korespondenční adresa: MUDr. Igor Jíra Pracoviště dětské medicíny FN a LF MU, Klinika dětské radiologie Jihlavská 20, 625 00 Brno e-mail: igor.jira@volny.cz Souhrn Jíra I, Ouředníček P, Skotáková J, Walek P, Jatel T, Jiří J. První zkušenosti s hybridní iterativní technikou idose při CT vyšetřování mozků u dětí, adolescentů a dospělých Cíl. Cílem práce bylo zjistit, zda je možné při použití úpravy CT obrazů hybridní iterativní technikou, označovanou idose, snížit radiační zátěž při CT vyšetřování mozku u dětí a adolescentů o 30 %. Metoda. CT vyšetření mozku bylo provedeno na přístroji CT 64 (Philips Haelthcare) u 40 pacientů různých věkových kategorií. Získaná data byla rekonstruována s různými kernely a následně iterativní technikou idose (Philips Healthcare, dále ID) různé intenzity (ID30%, ID50%, ID70%) a s přidanou volbou MR (multi-resolution). Takto rekonstruované skeny byly porovnány s obrazy z rutinního vyšetření s konvenční rekonstrukcí FBP (filtered back projection). Hodnocení výsledných obrazů bylo provedeno jednak subjektivně, jednak objektivně. Výsledky. Použití filtrů ID30%, ID50% ID70% sníží šum a potlačí artefakty v obrazech, avšak při intenzitě 70 % již snižuje ostrost a zhoršuje podání detailů. Kompenzaci tohoto nežádoucího jevu je možné dosáhnout zapnutím volby MR při rekonstrukci. Kombinace ostřejšího kernelu UB a ID rekonstrukce s přidanou volbou MR byla nejlepší pro zlepšení detailu obrazu a celkového užitku pro diagnostiku. Lepších výsledků bylo dosaženo u dospělých, u dětských pacientů byl přínos menší. Po redukci dávky záření při CT vyšetření o 30 % došlo Summary Jíra I, Ouředníček P, Skotáková J, Walek P, Jatel T, Jiří J. The first experience with a hybrid iterative reconstruction technique idose in brain CT imaging in children, adolescents and adults Aim. To evaluate the possibility of 30% radiation dose reduction using an innovative hybrid iterative reconstruction technique called idose on image quality of CT brain imagesin children, adolescents and adults. Methods. Brain CT was done in forty patients of various age, scanned on CT64 (Philips Healthcare). Obtained data were reconstructed using various kernels and consequently by the new idose (Philips Healthcare, NL) hybrid iterative reconstruction prototype on 3 different id levels (ID30, ID 50, ID70 and multi-resolution /MR/ option). The images were compared to conventional FBP (filtered back projection). The assessment was subjective and objective. Results. Analysis of the variance showed a decrease of noise corresponding to ID levels (Fig. 1) and no differences to MR option. The combination of the filter UA in combination with ID70 led to smoother images but with fewer details, as shown in Fig. 1. An improvement of image quality has been seen when using the MR option. This combination using the higher kernel filters UB showed an improvement of smaller details and higher impact in the adult group while was less pronounced for the children group (Fig. 1). The reduction of dose decreased the image quality in both FBP and ID images, strana 18
ke zhoršení kvality obrazů, které bylo kompenzováno užitím kombinované rekonstrukce ID70UA + MR nebo ID70UB + MR. Při subjektivním hodnocení výsledných obrazů byla variabilita mezi hodnotícími 1,1 1,3 bodů. Závěr. idose umožňuje provádět CT vyšetření s redukcí radiační dávky, aniž by došlo ke snížení diagnostické hodnoty obrazů. Klíčová slova: CT vyšetřování, hybridní iterativní rekonstrukční technika, redukce radiační zátěže. however the ID70UAMR and ID70UBMR reconstructions have compensated for this deterioration. The inter-observer variability was found at 1.1 and 1.3 points respectively. Conclusion. idose enables CT examination with reduced radiation dose without deteriorating the diagnostic value of image data. Key words: CT examination, hybrid iterative reconstruction technique, radiation dose reduction. Úvod Výrobci CT přístrojů i jejich uživatelé se snaží nalézt postupy umožňující snížení radiační zátěže při CT vyšetření. Jedním z nich je dodatečné zlepšení parametrů CT obrazů, které toto snížení umožňuje. Úspěšné postupy se snaží uplatnit v rutinní praxi, a to zejména tam, kde se vyšetřují dětští pacienti. Je totiž známo, že dětská populace má vyšší radiosenzitivitu než populace dospělá. Autoři uvádějí zkušenosti z 1. etapy testování softwaru využívajícího hybridní iterativní techniku ke zlepšení parametrů CT obrazu. Cílem práce bylo zjistit, zda je možné při použití úpravy CT obrazů hybridní iterativní technikou, označovanou idose, snížit radiační zátěž při CT mozku u dětí a adolescentů o 30 %. Materiál a metodika CT vyšetření mozku bylo provedeno u 40 pacientů, kteří byli rozděleni do tří skupin: 1. děti (ve věku 0 5 roků, 9 vyšetření), radiační zátěž byla 2,9 4,1 msv, 2. adolescenti a dospělí (23 vyšetření), u kterých byla radiační zátěž při CT vyšetření 5,8 6,3 msv, 3. skupina vyšetřena s 30% redukcí (8 vyšetření) proti údajům Z-Dome s výslednou radiační zátěží 2 2,9 msv. Pro CT vyšetřování byl použit protokol 16 0,625 mm, v axiální rovině, 120 kv, s různými mas, na přístroji CT 64 (Philips Healthcare). Konvenční protokol (s rekonstrukcí FBP) byl doplněn o rekonstrukce s ostřejšími kernely UB, UC. Následné testované rekonstrukce se prováděly hybridní iterativní technikou. Byly aplikovány tři úrovně idose, a to ID30%, ID50%, ID70%. Vždy jednak bez dalších úprav a jednak s přidanou volbou MR. Všechny série byly přepočteny i pro kernely UA, UB, UC. Výsledné obrazy byly porovnávány s původními originálními (konvenčními FBP) obrazy. Kromě základních skenů tloušťky 0,625 mm byly hodnoceny obrazy se sumací 1,5 mm a 3 mm. Hodnocení bylo jednak subjektivní, jednak objektivní. Tři zkušení radiologové hodnotili a bodovali nezávisle na sobě: obrazový šum, artefakty v obrazech, anatomické detaily a ostrost, celkový přínos pro diagnostiku (IQ image quality) v 10 bodové škále (0 10). Přitom normální obrazy získané a rekonstruované podle stávajících protokolů (s rekonstrukcí FBP) měly standardní hodnotu 5 bodů. Zlepšení jednotlivého hodnoceného parametru znamenalo více bodů, zhoršení méně bodů. Vlastnosti jednotlivých rekonstrukcí byly stanoveny podle průměrného počtu bodů ze všech hodnocení jednotlivých parametrů. V tabulkách jsou uvedené průměrné bodové hodnoty vyšetření při použití jednotlivých rekonstrukcí (tab. 1, 2, 3). Objektivní zhodnocení šumu všech ID úrovní vůči FBP bylo provedeno prototypovým SW (softwarem) realizovaným v programovacím prostředí MATLAB (MathWorks, Inc.). Jako kvantitativní hodnotící parametr, který je mírou kvality obrazových dat z hlediska obsahu šumu, byla zvolena průměrná směrodatná odchylka šumu v rozdílových obrazech (dále jen ). Chceme-li získat směrodatnou odchylku, která je způsobena pouze šumem, je nutné odstranit anatomické struktury a zanechat pouze šumovou složku obrazu. Toho je dosaženo odečtením obrazů rekonstruovaných filtrovanou zpětnou projekcí od obrazů rekonstruovaných idose rekonstrukcemi s různě nastavenými úrovněmi. Ukázky řezů rozdílovými obrazy jsou na obrázku 1 ve spodní řadě. je účelné určovat pouze v místech anatomických struktur, nikoliv v oblasti vzduchu, který pacienta obklopuje. Dalším krokem kvantitativní analýzy je proto segmentace těchto struktur pomocí prostého prahování. Následně je pro každý řez subtrahovaných dat vypočtena směrodatná odchylka reziduálního šumu v oblastech anatomických struktur. Zprůměrováním směrodatných odchylek pro všechny řezy získáme, která reprezentuje míru zbytkového šumu v celém objemu dat. strana 19
Tab. 1 3. Subjektivní hodnocení kvality skenů při použití standardních filtrů, ID a IDMR Tables 1 3. Subjective evaluation of the quality of scans using standard filters, ID and IDMR Tab. 1. CT mozku (0 5 roků) artefakty 5,0 6,3 6,2 6,2 2,9 šum 5,0 6,8 6,8 6,8 až detaily 5,0 4,9 5,7 6,0 4,1 IQ 5,0 6,1 6,8 7,0 msv Tab. 2. CT mozku (dospělí) artefakty 5,0 6,0 6,3 5,8 5,8 šum 5,0 6,5 7,5 7,0 až detaily 5,0 5,8 6,7 6,3 6,3 IQ 5,0 6,3 6,0 7,3 msv Tab. 3. CT mozku (0 5 roků), redukce dávky 30 % artefakty 4,2 5,3 5,4 5,4 2,0 šum 3,9 5,3 5,7 5,1 až detaily 4,2 3,6 3,6 5,4 2,9 IQ 3,9 5,8 5,7 5,5 msv je vypočtena pro tři různé tloušťky vrstev (základní tloušťka, její dvojnásobek a čtyřnásobek) a pro každý typ rozdílového obrazu (FBP-ID30 až FBP-ID70MR). Důsledkem subtrakce je kromě odstranění anatomických struktur redukce určité části šumu ve výsledném rozdílovém obrazu. Považujme obraz rekonstruovaný FBP za nejvíce zašuměný, pak po odečtení méně zašuměného obrazu (např. ID70) bude vyšší než při odečtení více zašuměného obrazu (např. ID30). tedy reprezentuje snížení množství šumu v obrazu oproti klasické FBP. v obrazech roste s rostoucím stupněm idose rekonstrukce pro skupiny pacientů s 0% i 30% redukcí dávky. Je tedy kvantitativně dokázáno, že hybridní iterativní rekonstrukční metoda v porovnání s klasickou FBP snižuje šum ve výsledných obrazových datech. Výsledky 1. Stupeň zlepšení jednotlivých hodnocených parametrů obrazu je silně závislý na kvalitě základního CT obrazu. Čím je základní rekonstrukce (FBP) lepší, tím je i výraznější zlepšení při použití idose. Zlepšení obrazů je proto výrazné a přesvědčivé při vyšetřeních dospělých, ale méně výrazné při vyšetření dětí. U nich jsou totiž základní CT skeny povšechně méně ostré a méně výrazné s nižším tkáňovým kontrastem. 2. Zlepšení je odstupňované podle procenta nasazení ID rekonstrukce. ID30 vykazuje malé, ale s jistotou pozorovatelné zlepšení šumu, artefaktů a celkového dojmu, přičemž podání detailů zůstává zachováno. ID50 vykazuje další zlepšení přibližně o další stejný stupeň se zachováním detailů. Při užití ID70 se o další stupeň zlepší potlačení šumu i artefaktů i celkový dojem, ale dochází k mírnému zhoršení podání detailů (obr. 1, 2, 3). 3. Toto zhoršení zcela kompenzuje přidání volby MR, které navíc dále snižuje šum i artefakty. Přehled výsledků subjektivního hodnocení je uveden v tabulkách 1 až 3. 4. idose umožňuje diagnostické prohlížení obrazů sumovaných do poloviční vrstvy než obvykle, tj. místo 5 mm 2,5 mm nebo místo 3 mm sumace vrstev jen 1,5 mm. To je další způsob jak zostřit pozorovaný obraz. 5. Nejlepší obrazy pro standardní diagnostiku vykazuje kombinace normálního základního kernelu (UA, eventuálně UB) s idose70 s přidanou volbou MR (obr. 4, 5). 6. Je možné použít ( ostřejší ) kernel UB, který za konvenčních podmínek sice zlepšuje ostrost obrazu, ale přináší neúnosný šum a zvýraznění artefaktů. Při použití kombinace ID70UA s MR a s UB kernelem dojde k potlačení šumu i artefaktů na obvyklou úroveň, dosahovanou s kernelem UA, avšak zůstane zlepšení ostrosti, podmíněné ostřejším kernelem UB. Přínos všech těchto úprav je mnohem výraznější při vyšetřování dospělých než u malých dětí. 7. Při vyšetřování s redukovanou dávkou o 30 % dojde k jistému zhoršení kvality obrazů, ale použití idose s volbou MR toto zhoršení plně kompenzuje. Obr. 1 Obr. 1. Ukázka CT řezů rekonstruovaných různými rekonstrukčními algoritmy (horní řada) a ukázka řezů rozdílovými obrazy (spodní řada). Akviziční a rekonstrukční parametry jsou specifikovány v popisu obrázku. Fig. 1. Sample CT shows image reconstructed by different reconstruction algorithms (top row) and differential images of sample sections (bottom row). Acquisition and reconstruction parameters are specified in the description of the image. strana 20
Obr. 2 Obr. 3 Obr. 4 Obr. 2. Základní obraz, získaný konvenčním přepočtem (Kernel UA, FBP). Výrazný šum snižuje tkáňový kontrast a mj. simuluje strukturu i v místech, kde je ve skutečnosti minimální nebo žádná není (SDH, likvorové prostory). Fig. 2. The basic scan obtained by conventional conversion (kernel UA, FBP). The marked noise decreases tissue contrast and simulates the presence of structure in localisations where in fact it is not (subdural hygroma, cerebrospinal fluid). Obr. 3. Použití filtru ID30% potlačuje lehce šum a artefakty, ostrost se nemění Fig. 3. With ID 30%, noise and artifacts are smoother, sharpness does not change Obr. 4. Intenzivnější nasazení filtru ID (ID50%) potlačuje šum a artefakty zřetelně. Struktura tekutinových kolekcí se homogenizuje, což lépe odpovídá skutečnosti. Ostrost se nesnižuje, na hranici SDH lze spíše zaznamenat zvýraznění. Fig. 4. More intensive ID 50% represses markedly noise and artifacts. The structure of liquid collections is more homogenous, which better agrees with reality. The sharpness does not decrease, margin of subdural fluid is more highlighted. Obr. 5 Obr. 6 Obr. 5. Filtr ID70 potlačuje šum a artefakty ještě výrazněji, vyhlazuje obraz, mírně však snižuje ostrost, a tedy podání detailů. Nejlépe je to patrné na konturách komor a subarachnoidálních prostor. Fig. 5. With ID70 filter, the noise and artifacts are even more suppressed, the scan is flattened, but the sharpness is lower, so details are mildly lost. It is best seen on ventricular contours and subarachnoid spaces. Obr. 6. Dodatečné použití filtru MR kompenzuje snížení ostrosti při užití filtru ID70 a ještě více vyhlazuje obraz a snižuje šum. Přitom není postižena struktura tkání, dokonce se objeví nebo zvýrazní i struktury původně šumem překryté. Kombinovaný účinek obou filtrů je natolik výrazný, že dovoluje použití i ostřejšího kernelu UB místo UA. Fig. 6. Additional use of MR filter compensates the loss of sharpness caused by ID70, the scan is smoother and the noise is reduced. The tissue structure is not affected; even more new details and structures are seen that are initially overlaid by noise. Combined influence of both filters is so strong, that even kernel UB can be used instead of UA. strana 21
Diskuse Je všeobecně známo, že radiační zátěž je při vyšetřeních provedených na multidetektorových CT přístrojích (MD CT) vyšší ve srovnání s CT přístroji předchozí generace. Orgánové radiační zatížení (ledviny, děloha, vaječníky, kostní dřeň pánve) je vyšší o 92 180 % (Thomton7). Dětská populace má vyšší radiosenzitivitu, než mají dospělí. Je proto nasnadě, že se uživatelé CT přístrojů snaží dospět při vyšetřování dětské populace k protokolům podle doporučení ALARA. Toho se dá dosáhnout různými způsoby: Používají se například vyšetřovací protokoly se sníženou kilovoltáží. Siegelová et al. (1) doporučují na základě studie různě velkých fantomů v některých indikacích redukci ze 120 kv na 80 kv, aniž by došlo ke ztrátě podstatných informací. Některá pracoviště vytvářejí protokoly pro děti podle věku (Arrangoiz2). Na mnohých pracovištích včetně našeho jsou vyšetřovací CT protokoly pro vyšetřování dětí vytvořeny podle váhy. Podrobné protokoly MDCT vyšetřování dětí včetně DLP nedávno publikovali Debbie a Kerry (2). Výhodný je například software pro MDCT automated exposure controll (AEC), díky kterému lze dosáhnout redukce radiační zátěže u dětí až o 30 % (3). V poslední době se objevují publikace o využívání iterativních rekonstrukčních metod pro účely snížení radiační zátěže při CT vyšetření bez ztráty kvality diagnostických informací. Honda et al. (4) hodnotili MPR rekonstrukce vyšetření plic v HR modu a bez HR modu při použití 40% a 80% adaptive statistical iterative reconstruction (ASIR). Dospěli k závěru, že 80% ASIR je lepší než 40%, podmínkou je však HR mode. Obdobný postup použili Sagara et al. (5) při vyšetřování břicha. Srovnávali rutinní CT vyšetření (FBP rekonstrukce) s low dose CT vyšetřením s ASIR. Podle jejich výsledků low dose CT s použitím ASIR signifikantně sníží šum. Navzdory tomu, že dojde k redukci ostrosti obrazů, zejména u malých pacientů, je low dose CT s ASIR pro diagnostiku akceptovatelné; je významné, že umožní redukci radiační zátěže o 23 66 %. Závěr Použití iterativní hybridní techniky idose, zejména s přidanou volbou MR, vede ke zlepšení kvality CT obrazů, což mimo jiné umožňuje redukovat radiační dávku. Toto zlepšení je výraznější u dospělých a adolescentů než u malých dětí. Literatura 1. Siegel MJ, Schmidt B, Bradley D, Sueze C, Hildebolt C. Radiation dose and image duality in pediatric CT: effect of technical factors and phantom size and shape. Radiology 2004; 233(5): 515 522. 2. Debbie JW, Kerry SC. Paediatric CT reference doses based on weight and CT dosimetry phantom size:local experience using a 64-slice CT scanner. Pediatr Radiol 2010; 40(5): 693 703. 3. Alibek S, Brand M, Sueze C, Siest W, Uder M, Greess H. Dose reduction in pediatric computed tomography with automated exposure control. Acad Radiol 2011; 18: 690 693. 4. Honda O, Yanagawa M, Inoue A, Kikuyama A, Yoshida S, Sumikawa H, Tobino K, Koyama M, Tomiyama N. Image duality of multiplanar reconstruction of pulmonary CT svane usány adaptive statistical iterative reconstruction Br J Radiol 2011; 84(1000): 335 341. 5. Sagara Y, Hara AK, Pavlicek W, Silva AC, Paden RG, Wu Q. Abdominal CT: comparison of low-dose CT with adaptive statistical iterative reconstruction and routine-dose CT with filtered back projection in 53 patients. AJR Am J Roentgenol 2010; 195(3): 713 719. 6. Arangoiz R, Opreanu RC, Mosher BD, Kortison CA, Stevens P, Kepros JP. Reduction of radiation dose in pediatric brain CT is not associated with missed injurie or delayed diagnosis. Am Surg 2010; 76(11): 1255 1259. 7. Thomton, FJ, Paulson, EK, Yoshizumi TT, Frush DP, Nelson RC. Single versus multi-detector row CT: comparison of radiation doses and dose profiles. Acad Radiol 2003; 10(4): 379 385. strana 22