Dual Energy CT of the Peripheral Arteries: a Phantom Study to Assess the Effect of Automatic Plaque Removal on Stenosis Grading

Zusammenfassung

Ziel: Ziel dieser Phantomstudie ist es, die Genauigkeit der Dual-Energy(DE)-basierten automatischen Plaqueentfernung zu überprüfen. Material und Methoden: Aus Plexiglas gefertigte Gefäßphantome verschiedener Durchmesser (3, 5, 8 mm), Stenosegrade (25 – 100 %) und Plaquedichten (300 – 750 HE) wurden mit kontrastmittelversetztem Blut gefüllt (150 – 450 HE). Ein Dual-Source-CT wurde für die simultane Bildakquisition bei 80 und 140 kV verwendet. Neben einem Dual-Energy-basierten, plaquesubtrahierten Datensatz (DE-PS) wurde ein virtueller 120 kV, nicht plaquesubtrahierter Datensatz (N-PS) erstellt. Die Übereinstimmung zwischen dem gemessenen und bekannten Durchmesser wurde mit dem Lin’schen Konkordanzkorrelationskoeffizienten (κLin) in beiden Datensätzen ermittelt. Ergebnisse: Insgesamt wurden 8260 Einzelmessungen durchgeführt. Die Korrelation im DE-PS Datensatz war exzellent (κLin = 0,83 – 0,96) für 5 – 8 mm Gefäßphantome mit hohem Gefäßkontrast (300 – 450 HE) und hoher Plaquedichte (500 – 750 HE), moderat (κLin = 0,66 – 0,67) für 5 mm Gefäßphantome mit geringerem Gefäßkontrast und geringerer Plaquedichte und schlecht (κLin = 0,10 – 0,64) in den 3 mm Gefäßphantomen. Die Korrelation der im N-PS durchgeführten Stenosequantifizierung war exzellent für 5 – 8 mm Gefäßphantome (κLin = 0,86 – 0,99), wenn der Kontrast zwischen Lumen und Plaque über 100 HE betrug. Die Korrelation verringerte sich in 3 mm Gefäßen (κLin = 0,45 – 0,93) und war am niedrigsten bei geringem Kontrast zwischen Lumen und Plaque. Schlussfolgerung: Die automatische Dual-Energy-basierte Plaqueentfernung ist effektiv für stark verkalkte Plaques bei hohem Gefäßkontrast und Gefäßen mit einem Durchmesser von ≥ 5 mm. Die Genauigkeit ist aufgrund einer geringen Spezifität limitiert für gering verkalkte Plaques, geringen Gefäßkontrast und in kleinkalibrigen Gefäßen.

Abstract

Purpose: To evaluate the accuracy of dual energy (DE)-based plaque removal in a vessel phantom. Materials and Methods: Acrylic vessel phantoms of different diameters (3, 5, 8 mm), degrees of stenoses (25 – 100 %) and plaque densities (300 – 750 HU) were filled with contrast-enhanced blood (150 – 450 HU). Dual source CT was used for simultaneous image acquisition at 80 and 140 kV. Beside a DE-based plaque-subtracted dataset (DE-PS), a virtual 120 kV non-plaque subtracted dataset (N-PS) was generated. Agreement between the known and measured luminal diameter in both datasets was determined using Lin’s concordance correlation coefficient (κLin). Results: A total of 8260 measurements were taken. The correlation of measured diameter in DE-PS images was excellent (κLin = 0.83 – 0.96) for 5 – 8 mm vessel phantoms with high luminal enhancement (300 – 450 HU) and plaque density (500 – 750 HU), moderate (κLin = 0.6 – 0.67) for 5 mm vessels with lower luminal enhancement and plaque density and poor (κLin = 0.10 – 0.64) in the 3 mm vessels. The correlation of N-PS-based stenosis quantification was excellent (κLin = 0.86 – 0.99) for 5 – 8 mm vessel phantoms if the contrast between lumen and plaque was above 100 HU. The correlation decreased in 3 mm vessels (κLin = 0.45 – 0.93), while the lowest correlation was observed for the lowest contrast between plaque and vessel lumen. Conclusion: Automatic DE-based plaque removal is highly effective for heavily calcified plaques and high luminal enhancement in larger diameter vessels ≥ 5 mm). However, accuracy is limited for low density calcified plaque, lower luminal enhancement and smaller caliber vessels mainly due to poor specificity.

Key words

CT angiography - image manipulation/reconstruction - experimental study - tissue characterization - vascular - dual energy

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