Characterization of Carotid Atherosclerotic Stenosis on Photon-Counting Computed Tomography

Abstract

Introduction and aim
Atherosclerotic stenosis located at the carotid bifurcation accounts for 10% − 20% of all Transient Ischemic Attacks (TIA) and ischemic strokes, which occurs when Atherosclerotic stenosis, or so-called plaque, ruptures. The current method to evaluate carotid atherosclerotic stenosis is to measure the degree of stenosis. Strong markers for plaque rupture lies in the plaque content, and not in the degree of stenosis. Conventional Computed Tomography (CT) does not have the soft tissue resolution to differentiate the material content of the plaque. Photon Counting Computed Tomography (PCCT) has the potential to perform better plaque imaging due to its improved noise reduction, energy resolution, and image reconstruction algorithm. The aim of this project is to investigate if the PCCT images can differentiate materials in carotid atherosclerotic stenosis (ex vivo and in vivo), by using histopathological images as a reference.

Materials and method
A photon-counting CT, Siemens Naeotom Alpha, was used for scanning in this project. One patient with symptoms of atherosclerotic stenosis was examined on the PCCT using the clinical protocol. Carotid endarterectomy was performed and the removed plaque was encased in paraffin before being imaged once again at the PCCT. Histopathology analysis stained the interesting materials in ex vivo. The result of the staining was used to define the Region Of Interest (ROI) in the ex vivo and in vivo PCCT images. One-way ANOVA was performed to determine if statistically significant differences in the Hounsfeild Unit (HU) of each material in Virtual Monoenergetic Images (VMI) (40190 keV in steps of ten) existed, the CI = 95.0%. If a statistical significance was found two-sided t-test found the exact materials that were significantly separated. Bonferroni correction was performed to reduce the risk of type 1 errors, resulting in the CI = 99.2%. A visual comparison of the in vivo images was also performed between conventional CT and PCCT systems.

Result
The one-way ANOVA test yielded statistical significance for all monoenergetic energy levels in the ex vivo measurements. The consecutive t-tests, however, showed no statistical significance for any energy or material after correcting for multiple tests. The one-way ANOVA performed on the in vivo measurement did not show any statistical significance for any energy. The appearance of in vivo images from the conventional CT and the PCCT system was very different. The calcium blooming was less prominent and structures that were invisible on the conventional CT system could be distinguished on the PCCT system.

Conclusion
The materials could not be statistically significantly differentiated in the in vivo PCCT images. Ex vivo PCCT provided a larger difference in HU for different materials, but not significantly so. However, due to limited measurements, no certain conclusions could be drawn. The visual difference between in vivo images acquired by a PCCT and a conventional CT was considerable which could be valuable in the clinic due to the importance of good image quality when evaluating carotid atherosclerotic stenosis.

Popular Abstract (Swedish)

Stroke är när patienten får en blödning eller blodpropp i hjärnan som kan orsaka tal och rörelsebortfall, och i värsta fall en plötslig död. Åderförkalkning i halskärlen orsakar kring 10%−20% av alla stroke-fall. Den nuvarande metoden som används för att bedöma åderförkalkningen är att mäta förträngningen av blodkärlet i skiktröntgenbilder (3D-röntgenbilder). Förträngning av blodkärlet säger ingenting om hur stor risken är att åderförkalkningen orsakar stroke. Det är snarare innehållet av åderförkalkningen som avgör denna risk. En åderförkalkning som till exempel, innehåller blödningar och består av en stor andel fett har större risk att orsaka stroke.

Dagens skiktröntgenbilder har begränsad upplösning vilket ger begränsad information om innehållet i åderförkalkningen. Om åderförkalkningen är rik på kalk kan detta överskugga resten av innehållet vilket kan göra att man missbedömer mätningarna av förträngningar. Med en fotonräknade skiktröntgen finns det potential att se mer innehåll i åderförkalkningen då den har bättre upplösning, kan minska bruset i bilderna och skapa bilder med annorlunda och förbättrad kontrast jämfört tidigare skiktröntgensystem. Målet med denna studie är att undersöka om det går att skilja på olika materialen som åderförkalkningen innehåller då man använder fotonräknade skiktröntgen bilder jämfört med vanliga skiktröntgen bilder med kemiskt infärgad åderförkalkning som referens.

Patienten som valdes ut till detta arbete hade symtom på åderförkalkning i halskärlen samt var kandidat för att operera bort åderförkalkningen. Patienten undersöktes i fotonräknande skiktröntgen enligt befintliga kliniska rutiner. Åderförkalkningen opererades därefter ut ur patienten, och för att kunna analysera innehållet blev det först nedfryst, sedan torkat och till sist inbäddat i paraffin. Nya bilder togs i fotonräknande skiktröntgen av den inbäddade åderförkalkningen. Innehållet i åderförkalkningen färgades sedan in med kemiska medel så att olika material får olika färg.

Bilderna från fotonräknande skiktröntgen, före och efter operation, jämfördes mot de kemiskt infärgade bilderna för att kunna använda de infärgade bilder som en karta, som berättar var i skiktröntgenbilderna som olika material finns. Utöver en ren visuell bedömning av bilderna mätte man bildvärdena på dessa material för att ta reda på om de går att särskilja från varandra. Samma mätningar utfördes upprepade gånger men med olika kontrastnivåer som den fotonräknande skiktröntgen kunde skapa.

Studiens resultat visade på att det inte går att se någon skillnad mellan material i åderförkalkningen för patientens skiktröntgenbilder medan det var möjligt att urskilja olika material för bilderna tagna på åderförkalkningen när den opererats ut ur patienten. En oväntad upptäckt var att det var möjligt att utföra en jämförelse mellan infärgad åderförkalkning och patientens skiktröntgenbilder, även om utseendet av den infärgade åderförkalkningen är mest lik bilderna av den utoperarade åderförkalkningen. Det är viktigt att nämna att bilderna tagna med den fotonräknande skiktröntgen var mycket bättre om man jämför med vanliga skiktröntgenbilder, eftersom man kunde se åderförkalkningen tydligare. Denna upptäckt är värdefull då det innebär att användning av fotonräknande skiktröntgenbilder kan öka säkerheten i bedömningen av åderförkalkningen, och leda till att fler patienter får en bättre behandling.

• author: Celander, My
• supervisor: Marie-Louise Aurumskjöld; Veronica Fransson; Kristina Ydström
• organization: Medical Physics Programme
• course: MSFT02 20232
• year: 2023
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Medicine and Health Sciences
• language: English
• id: 9139567
• date added to LUP: 2023-10-04 20:03:18
• date last changed: 2023-10-04 20:03:18