Do Segmented Reconstruction Algorithms for Cardiac Multi-Slice Computed Tomography Improve Image Quality?

Purpose:

To evaluate segmented reconstruction algorithms for spiral multi-slice computed tomography (MSCT) that use data from two cardiac cycles to improve temporal resolution (τ) for imaging of the heart.

Materials and Methods: An initial group of 78 cardiac patients (heart rates [HR] = 63–167 beats per minute [bpm]) were imaged on a 4-slice, 500 ms gantry rotation time scanner (scanner 1). Images were reconstructed with a single-segment algorithm using data from one cardiac cycle with a reconstruction window of fixed length (τ = 250 ms). Images were also reconstructed with two variants of a multi-segment algorithm using data from two cardiac cycles where only one end of the reconstruction window was fixed and the other end was freely moveable to allow adjustment of τ according to HR: (1) “2-segment fixed start” with fixed start of reconstruction, (2) “2-segment fixed end” with fixed end of reconstruction (for both, τ = 125–250 ms). The resulting image sets were ranked from best to worst (1–3, respectively) in a side-by-side, blinded comparison by two independent readers. A second group of 26 patients (HR = 74–90 bpm) were imaged on a 12-slice, 420 ms gantry rotation time scanner (scanner 2). Data were reconstructed with a single-segment algorithm (τ = 210 ms) and a “2-segment fixed start” algorithm (τ = 105–210 ms) and image sets were ranked from best to worst (1–2, respectively).

Results: There was no clear evidence that any one technique is superior for imaging on scanner 1. Reader 1 ranked single-segment images the highest for all HRs, but statistically significant differences among the three algorithms were only found for the lowest HRs (< 80 bpm), where reader 1 preferred singlesegment over “2-segment fixed end” techniques (p = 0.048). The highest rankings given by reader 2 varied according to HR: single-segment images were superior for lowest HRs, while “2-segment fixed start” images were superior for HRs > 80 bpm; none of these comparisons reached statistical significance. Improved performance of 2-segment reconstruction was found with scanner 2. Both readers ranked “2-segment fixed start” images the highest (p < 0.01).

Conclusions: The added value of 2-segment cardiac reconstruction algorithms for spiral MSCT was not demonstrated for a 4-slice, 500 ms gantry rotation time scanner but shown to be beneficial for a 12-slice, 420 ms gantry rotation time scanner in the crucial HR range of 74–90 bpm.

Hintergrund und Ziel:

Die im Vergleich zu Elektronenstrahl-Computertomographie, Magnetresonanztomographie, Fluoroskopie und Ultraschall relativ geringe zeitliche Auflösung (τ) und entsprechend längere Bildakquisitionszeit gegenwärtiger Mehrschicht-Computertomographie-(MSCT-)Systeme sind ein wichtiger limitierender Faktor für kardiovaskuläre Untersuchungen. Mehrere spezielle Rekonstruktionsalgorithmen wurden mit dem Ziel entwickelt, die zeitliche Auflösung (τ) für kardiovaskuläre MSCT-Untersuchungen zu verbessern. Bei Einzelsegment-Rekonstruktionsalgorithmen stammt die gesamte Bildinformation jedes Schnittbildes aus einem einzelnen Herzzyklus, und die zeitliche Auflösung (τ) entspricht der Gantry-Rotationszeit (t_rot)/2. Mehrsegment-Rekonstruktionsalgorithmen werden für Patienten mit hoher Herzfrequenz (HR) empfohlen (HR > 65–70 Schläge/min, abhängig vom benutzten System und Algorithmus), um die effektive zeitliche Auflösung im Vergleich zu Einzelsegmentalgorithmen zu erhöhen. Mehrsegmentalgorithmen reduzieren das Aufnahmezeitintervall, das durch Nutzung der Bildinformation aus derselben Phase von n aufeinander folgenden Herzzyklen zu jedem Schnittbild beiträgt. Mehrsegmentrekonstruktion erreicht eine zeitliche Auflösung zwischen t_rot/2n und t_rot/2, abhängig von der Herzfrequenz (Abbildungen 1 und 2). Das Ziel dieser Studie war zu untersuchen, ob Mehrsegment Rekonstruktionsalgorithmen die Bildqualität tatsächlich verbessern. Die Bildqualität von 4- und 12-Schicht-Systemen wurde in Einzel- und Mehrsegmentrekonstruktionen mit n = 2 Herzzyklen verglichen.

Material und Methodik: Eine Gruppe von 78 Patienten (HR = 63–167 Schläge/min) wurde mit einem 4-Schicht-System mit 500 ms Gantry-Rotationszeit (SOMATOM Sensation 4, Siemens Medical Solutions, Erlangen; Scanner 1) untersucht. Die Untersuchungen wurden nach Kontrastmittelgabe in retrospektiv EKG-getriggerter Spiraltechnik durchgeführt. Die Bildrekonstruktion erfolgte mit einem Einzelsegmentalgorithmus der Bildinformation aus einem einzelnen Herzzyklus mit einem Rekonstruktionsfenster konstanter Länge (τ = 250 ms; Abbildung 3a). Darüber hinaus wurde die Bildrekonstruktion mit zwei verschiedenen Mehrsegmentalgorithmen durchgeführt. Diese Mehrsegmentalgorithmen nutzten die Bildinformation aus zwei Herzzyklen, wobei ein Ende des Rekonstruktionsfenster fixiert war und das andere Ende verschoben werden konnte mit dem Ziel, die zeitliche Auflösung (τ) der jeweiligen Herzfrequenz anzupassen. Die beiden Varianten wurden beschrieben als 1. “2-segment fixed start” mit festgelegtem Ausgangspunkt der Rekonstruktion (Abbildung 3b) und 2. “2-segment fixed end” mit festgelegtem Endpunkt der Rekonstruktion (für beide Varianten: τ = 125–250 ms; Abbildung 3c). Die Bildqualität der entsprechenden Bildsätze wurde auf einer Skala von 1 (höchste Qualität) bis 3 (niedrigste Qualität) mit einem “side-by-side” verblindeten Vergleich von zwei Untersuchern bewertet. Eine zweite Gruppe von Patienten mit Herzfrequenzen zwischen 74 und 90 Schlägen/min wurde mit einen 12-Schicht-System mit 420 ms Gantry-Rotationszeit (SOMATOM Sensation 16, Siemens Medical Solutions, Erlangen; Scanner 2) untersucht. Die Untersuchungen wurden nach Kontrastmittelgabe in retrospektiv EKG-getriggerter Spiraltechnik durchgeführt. Die Bildrekonstruktion erfolgte mit einem Einzelsegmentalgorithmus (τ = 210 ms) und einem “2-segment fixed start”-Algorithmus (τ = 105–210 ms). Die Bildqualität der entsprechenden Bildsätze wurde auf einer Skala von 1 (höchste Qualität) bis 2 (niedrigste Qualität) von zwei Untersuchern gewertet.

Ergebnisse: Die Mittelwerte (“mean rank”) der Bildqualität für die drei Bildsätze der mit Scanner 1 untersuchten Patienten sind in Tabelle 1 für zwei Untersucher zusammengefasst. Die Mittelwerte (“mean rank”) der Bildqualität für die drei Bildsätze in Abhängigkeit von der Herzfrequenz zeigt Tabelle 2. Die Bewertung der verschiedenen Rekonstruktionstechniken mit Scanner 1 war untersucherabhängig (Abbildung 4). Untersucher 1 bewertete die Bildqualität der Einzelsegmentrekonstruktion für alle Herzfrequenzen höher, signifikante Unterschiede zwischen den drei Rekonstruktionsalgorithmen wurden jedoch nur für niedrige Herzfrequenzen (HR < 80 Schläge/min) gefunden. Für diese Herzfrequenzen bewertete Untersucher 1 Einzelsegment- höher als “2-segment fixed end”-Techniken (p = 0,048). Die Bewertung der Bildqualität durch Untersucher 2 hing von der Herzfrequenz ab: Die Bildqualität von Einzelsegmentrekonstruktionen war für niedrigere Herzfrequenzen höher, während die Bildqualität von “2-segment fixed start”-Rekonstruktionen für Herzfrequenzen > 80 Schläge/min höher bewertet wurde. Allerdings erreichten diese Unterschiede für Untersucher 2 in keinem der Vergleiche statistische Signifikanz. Insgesamt zeigten die Ergebnisse der mit dem 4-Schicht-System untersuchten Patienten, dass Einzelsegmentalgorithmen für Herzfrequenzen zwischen 63 and 80 Schlägen/min bevorzugt wurden und dass die “2-segment fixed end”-Algorithmen für alle Herzfrequenzen keinen Vorteil aufwiesen. Allerdings erreichten die Unterschiede zwischen den verschiedenen Rekonstruktionstechniken mit Scanner 1 keine statistische Signifikanz. Die Mittelwerte (“mean rank”) der Bildqualität für die Bildsätze der mit Scanner 2 untersuchten Patienten sind in Tabelle 3 für zwei Untersucher zusammengefasst. 2-Segment-Rekonstruktionen hatten bei Untersuchungen mit dem 12-Schicht-System einen größeren Einfluss (Abbildung 5). Beide Untersucher bewerteten die Bildqualität mit “2-segment fixed start”-Rekonstruktionen höher (p < 0,01).

Schlussfolgerung: Beim Einsatz von 4-Schicht-MSCT-Systemen mit 500 ms Gantry-Rotationszeit führte die höhere effektive zeitliche Auflösung (τ) mit 2-Segment-Rekonstruktion kardiovaskulärer Untersuchungen nicht zu einer verbesserten Bildqualität (Abbildung 6). Im Gegensatz dazu konnten bei Verwendung von “state-of-the-art” 12-Schicht-Systemen mit 420 ms Gantry-Rotationszeit Verbesserungen der Bildqualität mit 2-Segment-Rekonstruktion im Vergleich zu Einzelsegmentrekonstruktion für Herzfrequenzen zwischen 74 und 90 Schlägen/min erreicht werden.