Gervaise A1,2, Micard E3, Noel A4, Felblinger J3, Blum A2. 1- Service d’Imagerie Médicale, Hôpital d’Instruction des Armées Legouest, Metz

2- Service d’Imagerie Guilloz, Hôpital Central, CHU Nancy, Nancy

3- CIC 801 – IADI U947, INSERM, CHU Nancy, Vandoeuvre-lès-Nancy

4- CRAN UMR CNRS 7039, Centre Alexis Vautrin, Vandoeuvre-lès-Nancy

Evaluation de l’efficacité des reconstructions itératives AIDR sur le scanner 320-détecteurs

: étude sur fantôme.

Introduction :

• Durant la dernière décennie, le nombre de scanners réalisés n’a jamais cessé d’augmenter1. Cela est responsable d’une augmentation de la dose d’irradiation individuelle et collective2,3 et d’une majoration du risque potentiel de cancer radio-induit4.

• De nombreuses techniques ont été développées par les constructeurs pour réduire la dose (modulation automatique du milliampérage, collimation active …) mais la réduction de la dose reste limitée par l’utilisation des rétroprojections filtrées (Filtered Back Projection ou FBP) à cause d’une augmentation trop importante du bruit en cas de réduction trop importante de la dose5.

• Les nouveaux algorithmes de reconstruction itérative permettent de réduire le bruit des images scanographiques et donc de réduire de manière significative la dose des scanners.

• Dans notre institution, ces reconstructions itératives sont disponibles sur le scanner 320-détecteurs (Aquilion One, Toshiba) depuis l’été 2010 sous le terme Adaptive Iterative Dose Reduction (AIDR).

• Cette première version de l’AIDR permet de reconstruire les acquisitions réalisées en mode volumique à partir d’une reconstruction des données dans le domaine des Raw-Data.

• A notre connaissance, aucune étude n’avait encore évalué l’intérêt des reconstructions itératives sur une acquisition non-hélicoïdale.

L’objectif de l’étude était d’évaluer la réduction du bruit et de la dose grâce aux reconstructions itératives AIDR en mode volumique sur le scanner 320-détecteurs.

Introduction :

Matériels et méthodes :

• Acquisition en mode volumique d’un fantôme (Cardiac CT Phantom, QRM™) sur un scanner 320-détecteur (Aquilion One, Toshiba).

• 12 valeurs différentes de milliAmpérage (mA) : • 50, 80 mA • Puis de 100 à 550 mA avec un incrément de 50 mA

• Autres paramètres d’acquisition constants :

• 100 kVp • Collimation de 320 x 0.5 mm • Temps de rotation de 1 s • Matice 512 x 512 • Acquisition de 16 cm dans l’axe z • FOV de 300 mm

• Evaluation quantitative de la qualité d’image par la mesure :

• Du bruit • Du rapport signal sur bruit (RSB) • Du rapport contraste sur bruit (RCB)

• Ces mesures ont été réalisées à partir de 3 régions

d’intérêt (ROIs) placées sur le fantôme de manière standardisée et automatisée à partir d’un logiciel de post-traitement développé sur MatlabTM.

Matériels et méthodes :

Methods Matériels et méthodes :

• Bruit = déviation standard d’une ROI (ROI #1) de 750 mm2 placée dans une région homogène en dehors et en avant du fantôme.

#1

Methods Matériels et méthodes :

• Pour le calcul du RSB et du RCB, 2 ROIs de 150 mm2 ont été placées sur le fantôme sur deux régions à faible contraste :

• La ROI #2 était placée sur un objet hypodense • La ROI #3 était placée à côté de l’objet

hypodense sur une région homogène du fantôme.

• RSB = rapport entre la valeur d’atténuation de la ROI #3 et du bruit.

• RCB = rapport entre la

différence des valeurs d’atténuation des ROI #2 et #3 et le bruit.

#2 #3

Methods Résultats : bruit

• Il existait une réduction importante du bruit de l’image avec les reconstructions itératives AIDR par rapport aux reconstructions standard FBP, quel que soit le mA.

Methods Résultats : bruit

• Le pourcentage de réduction du bruit grâce aux reconstructions itératives AIDR en comparaison avec FBP était en moyenne de 44 % (47 – 38 %).

• Par ailleurs, plus l’image initiale était bruitée, plus la réduction du bruit était importante.

Methods Résultats : RCB et RSB

• Il existait une amélioration du RCB et du RSB avec les reconstructions itératives AIDR par rapport aux reconstructions standard FBP.

Methods Résultats : réduction de dose

• Etant donné qu’il existe une relation directe entre la dose et le bruit, il était possible d’estimer la réduction de la dose à environ 70 % (66 - 77 %).

Dose ∞ bruit2

1

Methods Discussion

• Notre étude sur fantôme montre des résultats très intéressants avec une réduction moyenne de 44 % du bruit et un potentiel de réduction d’environ 70 % de la dose grâce aux reconstructions itératives AIDR par rapport aux reconstructions standard FBP.

• Il est aussi intéressant de noter que plus la qualité d’image initiale est médiocre (c’est-à-dire plus l’image initiale est bruitée), plus les reconstructions itératives AIDR sont performantes.

Methods Discussion

• Dans une autre étude réalisée à partir d’un fantôme contenant des paires de lignes, nous avons aussi montré que cette réduction du bruit ne dégradait pas la résolution spatiale de l’image6.

Coupe axiale d’un fantôme à haut-contraste en FBP avec 300 mAs et en AIDR à 100 mAs. Noter la même résolution spatiale tandis que le bruit est relativement similaire, malgré une réduction de 66 % de la dose avec AIDR.

• Ce dernier point est crucial car en pratique clinique courante, plusieurs méthodes permettent de réduire le bruit d’une image scanographique.

• Mais l’application de ces méthodes est à l’origine : Soit d’une dégradation de la résolution spatiale :

• Épaississement des coupes • Utilisation d’un filtre plus « mou »

Soit d’une augmentation de la dose : • Augmentation du kilovoltage • Augmentation du milliampérage

Methods Discussion

Methods Discussion

• La comparaison des performances des reconstructions AIDR avec les autres types de reconstructions (ASIR, IRIS, iDose4) est difficile car leur mode de fonctionnement est différent.

• Par exemple, pour IRIS, il faut choisir un nombre d’itération (3 ou 5 par exemple), tandis que pour ASIR, il faut choisir un pourcentage de mélange entre images ASIR et FBP (par exemple 40 ou 50%).

• Cela est dû au fait qu’un nombre trop important d’itération ou un pourcentage trop important d’ASIR diminue fortement le bruit mais modifie aussi l’aspect de l’image, qui prend une texture « plastique » 7.

• Ainsi, avec 100 % d’ASIR, il est possible de réduire la dose de 70 % mais au détriment de cette perte de la texture normale de l’image. Avec 40 % d’ASIR, il s’ensuit une réduction de la dose de 50 % tout en conservant une texture d’image relativement habituelle7.

• Pour leur part, les reconstructions ittératives AIDR choisissent automatiquement un nombre d’itération et un pourcentage de mélange entre images AIDR et FBP afin de trouver un équilibre entre conservation de l’aspect normal de l’image et réduction de la dose.

Methods Discussion

Methods Discussion

• Nos résultats encourageants doivent être maintenant confrontés à une évaluation clinique. Des premiers tests réalisés sur des scanners lombaires confirment un potentiel important de réduction de la dose, de l’ordre de 50 %6.

Coupes axiales d’un scanner lombaire d’une patiente de 56 ans en reconstruction standard FBP (a) et en reconstruction itérative AIDR (b). Notez la réduction importante du bruit de l’image, sans modification de l’aspect de l’image (les valeurs des déviations standards d’une ROI placée dans le psoas gauche sont de 21,1 UH pour FBP et 14,5 UH pour AIDR, ce qui correspond à une réduction du bruit de l’image de 31% avec AIDR).

a b

Methods Discussion : inconvénients ?

• Les inconvénients classiques des reconstructions itératives sont représentés par la modification de la texture des images, l’augmentation du temps de reconstruction et le prix de celles-ci8.

• Concernant la modification de la texture des images, nous avons déjà vu que l’adaptation automatique par l’AIDR du nombre d’itération et du mélange des images AIDR/FBP permettait de conserver l’aspect des images.

• Concernant le temps de reconstruction, avec AIDR, il est très légèrement augmenté, puisqu’il faut 0.006 sec supplémentaire par image reconstruite (soit environ 4 sec pour un scanner abdominopelvien).

Conclusion

• Les reconstructions itératives AIDR réduisent de manière importante le bruit de l’image et permettent d’espérer une réduction de la dose allant jusqu’à 70 %.

• Des études cliniques sont nécessaires pour confirmer le potentiel de réduction de la dose avec AIDR.

Bibliographie

1. Etard C, Sinno-Tellier S, Aubert B. Exposition de la population française aux rayonnements ionisants liée aux actes de diagnostic médical en 2007. Rapport conjoint IRSN/InVS 2010.

2. Brenner DJ, Hall EJ. Computed tomography an increasing source of radiation exposure. N Engl J Med 2007;357:2277-84.

3. Sodickson A, Baeyens Pf, Andriole KP et al. Recurrent CT, cumulative radiation exposure and associated radiation-induced cancer risks from CT of adults. Radiology 2009; 252:175-84.

4. Smith-Bindman R, Lipson J, Marcus R et al. Radiation dose associated with common computed tomography examinations and the associated lifetime attributable risk of cancer. Arch Intern Med 2009;169:2078-86.

5. Xu J, Mahesh M, Tsui BM. Is iterative reconstruction ready for MDCT? J Am Coll Radiol 2009;6:274-6.

6. Gervaise A, Osemont B, Lecocq S et al. CT image quality improvement using adaptive iterative dose reduction with wide-volume acquisition on 320 detector CT. Eur Radiol, In press.

7. Hara AK, Paden RG, Silva AC, Kujak JL, Lawder HJ, Pavlicek W. Iterative reconstruction technique for reducing body radiation dose at CT: feasibility study. AJR Am J Roentgenol 2009;193:764-71.

8. Gervaise A. Impact des algorithmes itératifs de reconstruction sur l’interprétation des images en scanographie. 50èmes Journées Scientifiques de la SFPM. Nantes, 9 juin 2011.

QCM

• Les reconstructions itératives permettent : • De réduire le bruit des images • D’accélérer le processus de reconstruction • D’améliorer le RSB et le RCB • De réduire la dose

• Les reconstructions itératives AIDR : • Reconstruisent les images dans le domaine des Raw-data • Détériorent la résolution spatiale des images • Ne peuvent pas reconstruire des acquisitions volumiques • Nécessitent le choix d’un nombre d’itération

• Les reconstructions itératives AIDR :

• Réduisent d’environ 40 % le bruit de l’image • Peuvent réduire d’environ 40 % la dose • Peuvent réduire d’environ 70 % la dose • Peuvent accélérer de 30 % le temps de reconstruction

QCM

• Les reconstructions itératives permettent : • De réduire le bruit des images • D’accélérer le processus de reconstruction • D’améliorer le RSB et le RCB • De réduire la dose

• Les reconstructions itératives AIDR : • Reconstruisent les images dans le domaine des Raw-data • Détériorent la résolution spatiale des images • Ne peuvent pas reconstruire des acquisitions volumiques • Nécessitent le choix d’un nombre d’itération

• Les reconstructions itératives AIDR :

• Réduisent d’environ 40 % le bruit de l’image • Peuvent réduire d’environ 40 % la dose • Peuvent réduire d’environ 70 % la dose • Peuvent accélérer de 30 % le temps de reconstruction