Bestimmung von Hirngefäßstenose-Graden in der Volumen-CT anhand eines Stenose-Modells

Abstract

In dieser experimentellen Arbeit wurden Messungen an Phantom-Modellen mit unterschiedlichen Gefäß- und Stenosedurchmessern im Niedrigkontrast vorgenommen. Sie imitieren in ihrer Größe Hirngefäße mit einem maximalen Gefäßdurchmesser von 3,8 mm und kleinste Gefäßverschlüsse mit einem minimalen Durchmesser von 0,3 mm. Außerdem wurden zur Untersuchung von Wandunregelmäßigkeiten arteriosklerotische Plaques an einem ex vivo entnommenen Karotispräparat und simulierte Plaques an einem Plaque-Modell untersucht. Die Versuche fanden an einem Prototypen eines mit zwei Flachbilddetektoren ausgestatteten Volumen-CT der Firma GE Medical Systems und einem im klinischen Routinebetrieb befindlichen MSCT mit der Herstellerbezeichnung LightSpeed16 der Firma GE Medical Systems statt. Die Ergebnisse basieren in der MSCT und in der VCT auf einem sequentiellen Aufnah-memodus. Die Untersuchungen wurden in identischer Weise an beiden Geräten durchgeführt und miteinander verglichen. Folgende zentrale Fragestellungen konnten mit den Versuchsergebnissen beantwortet werden: Ist die Präzision der Messung in der VCT dem MSCT gleichwertig, über- oder unterlegen? Bis zu welcher Größe ist eine Stenose in der VCT bzw. MSCT messbar? Mit welcher Röhrenspannung kann eine Stenose in der VCT optimal bestimmt werden? Verbessert die VCT die Erkennung von Wandunregelmäßigkeiten? Anhand der statistisch ausgewerteten Messreihen erwies sich die VCT durch geringere Abweichungen und Schwankungen der gemessenen Gefäß- und Stenosedurchmesser als validere der beiden Methoden. Unabhängig von beiden Geräten wurden die Gefäßdurchmesser überwiegend unterschätzt und die Stenosedurchmesser überschätzt. Auch bei den MIP-Messungen war die VCT der MSCT in der Präzision der Messung überlegen. Die als ursächlich für diese Ergebnisse anzusehenden Partialvolumeneffekte, sind in ihrer Ausprägung verstärkt in der MSCT und geringer in der VCT zu beobachten. Diese Tatsache ist nicht nur auf unterschiedliche Schichtdicken, sondern auch auf die unterschiedlichen Detektorkonzepte und Bildrekonstruktionsmethoden beider Geräte zurückzuführen. Die Abtastung hat in der Einzelschichttechnik Einfluss auf das Entstehen von Partialvolumenartefakten. Das untere Limit zur Erfassung des Stenosedurchmessers liegt in der VCT zwischen 0,1 und 0,3 mm und in der MSCT bei ca. 0,5 mm. Die optimale Röhrenspannung zur Detektion von Stenosen konnte in der VCT bei 70 kV bei einer Röhrenstromstärke von 200 mA bestimmt werden. Die hohe isotrope Ortsauflösung in der VCT wirkt sich günstig auf die Beurteilung von Niedrigkontraststrukturen sowohl mit harten als auch mit weichen Faltungskernen aus. In der MSCT reduzieren Artefakte und Bildrauschen neben der im Vergleich zur VCT herabgesetzten Ortsauflösung zusätzlich die Bildqualität. Entgegengesetzt bisheriger Meinungen, die Bildqualität von Flachbilddetektoren sei zur Diagnostik von Weichteilstrukturen nicht geeignet, konnte sich die VCT sowohl qualitativ als auch quantitativ gegen die MSCT behaupten. Wandständige Plaques-Areale wurden in der VCT detailliert dargestellt, während deren Größe und Kontur in der MSCT verfälscht abgebildet wurde. Sowohl in den Versuchen an den Stenose-Modellen als auch an den biologischen und artifiziellen Kalkplaques konnte der Vorteil der VCT gegenüber der MSCT demonstriert werden. Klinische Indikationsgebiete der VCT könnten zukünftig verschiedene zerebrovaskuläre Erkrankungen wie die zerebrale Arteriosklerose, intra- und extrakranielle Stenosen, Vaskulitiden, AV-Malformationen, Aneurysmen und die präsymptomatische Diagnostik zerebraler Mikro- und Makroangiopathien sein. Die präzise Beantwortung neuroradiologischer Fragestellungen ist von der Spezifität und Sensitivität eines bildgebendes Verfahrens abhängig. Moderne und wenig invasive Schnittbildverfahren wie die CTA oder MRA können in der Auflösung von Gefäßstrukturen an ihre Grenzen kommen. Aus diesem Grund wird bei Unklarheiten auf die invasive DSA als Goldstandard in der Gefäßdiagnostik zurückgegriffen, die aus dem klinischen Routinebetrieb noch nicht wegzudenken ist. Die VCT könnte zukünftig als weniger invasives, präzises und zugleich bildqualitativ hochwertiges 3D-Verfahren zum Beispiel in der Gefäßdiagnostik eingesetzt werden. Bis CT-fähige Flächendetektoren in der klinischen Routine eingebunden werden können, müssen sie jedoch noch einige technische Entwicklungsstufen wie etwa die Dosisreduktion durchlaufen. In this experimental phantom analysis different vessel and stenosis diameters were measured in low contrast condition. Their size imitates brain vessels with a maximum vessel diameter of 3,8 mm and smallest vessel stenosis with a minimum diameter of 0,3 mm. We also analysed arteriosclerosis plaques of vessel walls on an ex vivo dissected carotid artery and simulated plaques on artificial plaques-models. The experiments were performed on a prototype volumetric CT scanner (VCT) equipped with two flat panel detectors from GE Medical Systems company and a routinely used multi-section CT (MSCT) scanner named LightSpeed16 from GE Medical Systems company. The MSCT and VCT results base on a sequental scanning mode. The experiments were realized on both units identically and were compared. The following main questions could be answered by the experimental results: Is the precision of the volumetric CT measurements equal to those of the multi-section-CT or are they inferior or superior? Down to which size can the stenosis be measured in volumetric CT and multi-section-CT? Which tube voltage should be chosen for optimal measurements of stenosis in volumetric CT? Does the volumetric CT improve the identification of vessel wall irregularities? Due to less deviations and fluctuations in the series of measurements of the vessel and stenosis diameters, the VCT proved to be more valid than the MSCT. Independent of both tools the vessel diameters were generally underestimated and the stenosis diameters overestimated. Also the precision of the MIP-measurements with the VCT was superior to those with the MSCT. This finding is attributed to the partial volume effects whose perturbing characteristics are more powerful in the MSCT than in the VCT. On the one hand those facts could be put down on the different slice thicknesses but also on the different detector concepts and the image reconstruction methods of both tools. Also the scanning method in helical single-slice technique has influence on the development of partial volume artefacts. The lower limit for capturing the stenosis is about 0,1 to 0,3 mm in VCT and about 0,5 mm in MSCT. The optimal tube voltage for the detection of a stenosis in VCT was determined at 70 kV and a current of 200 mA. At the same time the high isotropic resolution of the VCT is advantageous on judging structures on lower contrast using hard as well as soft reconstruction kernels. Apart from the lower isotropic resolution of the MSCT in comparison to VCT the image qualitity is additionally reduced by artifacts and superimposed by noise. In contrary to earlier opinions saying that the image quality of flat panel detectors is not suitable for the examination of soft part structures, the VCT can stand up to MSCT qualitatively as well as quantitatively. Plaques-zones on vessel walls were imaged with more details in VCT as their size and outline were imgaged with lower quality in MSCT. The advantage of VCT could be demonstrated as well with the experiments on the stenosis models and on the biological and artificial plaques. Prospectively clinical indications for VCT could be cerebrovascular diseases like cerebral arteriosclerosis, internal and external cranial stenosis, vasculitis, arteriovenous malformations, aneurism and diagnostics of pre-symptomatically cerebral mikro-and makroangiopathy. The finding of precise answers to neuroradiological questionings depends on the specificity and sensitivity of technical imaging methods. Modern and minimally invasive cross section imaging methods like CTA or MRA can be limited by their resolution of vessel structures. If obscurities occur the invasive DSA as gold standard in vascular diagnostics can not yet be missed in the clinical daily routine. Prospectively VCT could be introduced as a less invasive, precise and at the same time high quality 3D technique in vascular diagnostics. Till flat panels are reaching CT capability there are still some technical developments like the reduction of the x-ray dose to be done.