Abstract

Coronary artery disease (CAD) is a prevalent disease with high annual mortality rates and a substantial societal and economic burden. Computed tomography (CT) is an essential diagnostic tool in the diagnosis and follow-up of CAD, and the 2019 European Society of Cardiology guidelines recommend using CT as the initial diagnostic test for symptomatic patients. Since the use of ionizing examinations in the assessment of CAD is increasing, the imaging hardware, algorithms, and protocols warrant further developments to optimize the radiation dose.

This doctoral dissertation evaluates recent hardware and computational advances in CT for the assessment of coronary artery calcium (CAC) with an optimized radiation dose. In particular, an experimental table-top photon counting detector CT (PCD-CT) setup was constructed to investigate the applicability of spectral PCD-CT for quantitative CAC scoring through material decomposition. The suitability of iterative reconstruction (IR) for CAC scoring with reduced radiation dose was assessed. Finally, interior tomography, in which the radiation beam is collimated to the organ-of-interest, was evaluated to investigate further possible radiation dose reduction in peripheral organs.

The results showed that the experimental PCD-CT setup yields excellent image quality with a low radiation dose. However, the PCD was observed to require dedicated calibration techniques for optimized reconstruction quality. With the suitable PCD calibration and material decomposition techniques in place, spectral PCD-CT allowed for a quantitative assessment of CAC density and mass. Further, IR and interior reconstruction proved to be effective radiation dose reduction strategies with acceptable CAC scoring accuracy compared to conventionally used non-iterative reconstruction. Finally, interior tomography yielded sufficient image quality and a considerable dose reduction to organs outside the field-of-view.

In conclusion, these findings demonstrate the utility of PCDs, IR, and interior reconstruction in the optimization of radiation dose for CAC scoring.

Tiivistelmä

Sepelvaltimotauti on yleinen ja korkean kuolleisuuden tauti, jolla on merkittävä yhteiskunnallinen ja kansantaloudellinen vaikutus. Tietokonetomografialla (TT) on kriittinen rooli sepelvaltimotaudin diagnostiikassa ja seurannassa. Euroopan kardiologisen seuran 2019 ohjeistuksen mukaisesti TT:n rooli ensisijaisena työkaluna oireellisten potilaiden diagnostiikassa tulee kasvamaan. Lisääntyvän TT:n käytön myötä, uusimmilla teknologiainnovaatioilla on kriittinen rooli diagnostiikassa hyödynnettävän ionisoivan säteilyn käytön optimoinnissa.

Tämän väitöskirjan tavoitteena oli soveltaa uusimpia innovaatioita kuvantamislaitteistossa ja rekonstruktioalgoritmeissa sepelvaltimokalkkeutumien kuvantamiseen optimoidulla säteilyannoksella. Projektin alussa kehitettiin kokeellinen fotonilaskenta-TT (FTT)-kuvantamisasetelma, jonka avulla tutkittiin fotonilaskentailmaisimen soveltuvuutta sepelvaltimokalkkeutumien kvantifiointiin. Iteratiivinen rekonstruktio (IR) on mahdollistanut säteilyannoksen laskun useissa TT-protokollissa, mutta IR:n soveltuvuudesta sepelvaltimokalkkeutumien kvantifiointiin on ristiriitaisia tuloksia. Tästä johtuen työssä tutkittiin myös IR-algoritmien tarkkuutta sepelvaltimokalkkeutumien karakterisoinnissa. Lisäksi työssä tarkasteltiin sisätomografiakuvantamista, jossa säteilyannos rajataan tutkittavaan elimeen, mikä saattaa mahdollistaa säteilyannoksen vähentämisen perifeerisissä elimissä.

FTT:n kuvanlaatu oli erinomainen ja se alensi säteilyannosta verrattuna diagnostisessa käytössä olevaan TT:hen. FTT:n optimoitu käyttö kuitenkin edellytti sille suunniteltuja kalibrointitekniikoita, jotka mahdollistivat tasaisen kuvanlaadun rekonstruktioissa. Sopivan detektorin kalibrointitekniikan ja materiaalihajotelma-algoritmin myötä kaksoisenergiaa hyödyntävä FTT mahdollisti kalkkeutumien tiheyden ja massan kvantitatiivisen arvioinnin. IR ja sisätomografia puolestaan mahdollistivat säteilyannoksen optimoinnin ja hyvän tarkkuuden sepelvaltimokalkkeutumien kvantifioinnissa. Loppupäätelmänä todetaan, että fotonilaskentailmaisin, IR ja sisätomografia mahdollistavat säteilyannoksen lisäoptimoinnin sepelvaltimokalkkeutumien kuvantamisessa.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Juntunen, M. A. K., Inkinen, S. I., Ketola, J. H., Kotiaho, A., Kauppinen, M., Winkler, A., & Nieminen, M. T. (2020). Framework for Photon Counting Quantitative Material Decomposition. IEEE Transactions on Medical Imaging, 39(1), 35–47. https://doi.org/10.1109/tmi.2019.2914370

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

2. Juntunen, M. A. K., Kotiaho, A., Nieminen, M. T., & Inkinen, S. I. (2020). Low-dose CT with Photon Counting Detector and Iterative Reconstruction: A Cardiac Phantom Study. Manuscript in preparation.

3. Juntunen, M. A. K., Sepponen, P., Korhonen, K., Pohjanen, V.-M., Ketola, J., Kotiaho, A., … Inkinen, S. I. (2020). Interior photon counting computed tomography for quantification of coronary artery calcium: pre-clinical phantom study. Biomedical Physics & Engineering Express, 6(5), 055011. https://doi.org/10.1088/2057-1976/aba133

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version