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Ahmed Mohamed Tawfik Mohamed Sayed Ahmed

• 2.1. Background & purpose The recent introduction of new technical innovations such as CT perfusion (CTP) and dual energy CT (DECT) increases the diagnostic abilities of CT for imaging of the head and neck (H&N). The aim of this work was to evaluate the role of CTP and DECT in head and neck imaging. The first part tests whether CTP can differentiate between malignant H&N tumors and surrounding muscle, and discusses the impact of arterial input selection and tumor region of interest (ROI) on CTP of H&N cancer. The second part of the study evaluates radiation dose and image quality of DECT of the H&N. Finally the use of DE derived weighted averaging to improve lesion delineation and image quality is discussed. 2.2. Patients and methods CT perfusion Retrospective analysis of CTP was done for a total number of 55 cases of H&N tumors. Perfusion parameters were calculated for 33 cases of squamous cell carcinoma (SCC) and compared to those of muscles. CTP parameters of 50 cases of H&N tumors calculated using different arterial input functions were compared. CTP was calculated for 28 SCC cases using the single dynamic CT section that shows maximal tumor dimension compared to using average values obtained from all tumor-containing dynamic CT sections. Dual energy CT of head and neck This prospective part of the study was further divided into 2 parts. In the first part 32 consecutive patients underwent DECT of the H&N and were compared to a standard single energy CT (SE) control group. Radiation doses were compared. Weighted-average images from raw data of the 2 DE tubes (weighting factor 0.3 from 80 kVp and 0.7 from 140 KVp) were compared to SE images. Image noise was compared at 5 anatomic levels. Two blinded readers compared subjective overall image quality on a 5-point grading scale. In the second part 35 proved SCC cases underwent DECT of the neck. Pure 140 kVp and 80 kVp image datasets as well as weighted-average images from raw data of the 2 DE tubes at weighting factors 0.3, 0.6, 0.8 (30%, 60% and 80% from 80 kVp raw data respectively) were reconstructed. Objective image noise, contrast to noise ratio (CNR) and subjective image quality were compared between the 5 image datasets. Results CT perfusion Tumor perfusion parameters were significantly higher than those of muscle (p <0.05). Significant high correlation with no significant differences between the means (p >0.05) were observed between perfusion parameters obtained using internal carotid artery (ICA) versus external carotid artery (ECA) and ipsilateral versus contralateral ICA. High correlation was observed between perfusion parameters calculated using one section with maximal tumor dimension and the average of multiple sections. Differences between the means were non significant, p values>0.05. The 95% limits of agreement between repeated measurements using average of multiple sections were slightly narrower for blood volume and permeability than those of repeated measurements using one section. Dual energy CT of head and neck CTDIvol was 12% lower with DE than SECT (p<0.0001). There were no significant differences in objective noise between DECT and SECT at any of the anatomic levels (p >0.05). There were no significant differences between DE- and SECT in attenuation measurements, all p values >0.05. No significant differences in subjective image quality scores were observed between DE- and SECT at any of the 5 anatomic levels (p >0.05). At weighting factor 0.6 the lesion CNR was significantly higher than at weighting factor 0.3 and at pure 140 kVp image dataset (p< 0.0001); while non significantly lower than at weighting factor 0.8 and pure 80 kVp (p=1.00). The 0.6 weighting factor was rated the best at subjective image quality and lesion delineation. 2.4. Conclusion In conclusion; this study demonstrated the ability of CTP to differentiate SCC from surrounding muscle tissue. The choice of arterial input selection has no significant impact on quantitative CTP of H&N tumors. CTP of SCC calculated from one section with maximal tumor dimensions and the average values from multiple sections are not significantly different. The second part of the study showed that DE scanning can be routinely used for H&N imaging; preserving high diagnostic image quality even when the radiation dose was lowered by 12%. Average weighting of DE raw data, with a weighting factor 0.6, results in significant improvement in both tumor delineation and image quality.
• 1.1. Hintergrund Das Ziel dieser Arbeit war es, die Rolle neu eingeführter CT-Techniken, insbesondere CT-Perfusion (CTP) und Dual Energy CT (DECT), in der HNO-Bildgebung zu bewerten. Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich damit, ob CTP zwischen malignen HNOTumoren und dem umgebenden Weichteilgewebe unterscheiden kann. Des Weiteren werden hier die Auswirkungen der arteriellen Input-Auswahl und Tumor-Region of Interest (ROI) auf CTP von HNO-Tumoren diskutiert. Der zweite Teil der Studie untersucht die Strahlendosis und die Bildqualität von DECT in der HNO- Bildgebung. Schließlich wird die Verwendung von verschieden gewichteten DE Serien zur verbesserten Abgrenzung und zur Verbesserung der Bildqualität diskutiert. 1.2. Patienten und Methoden CT-Perfusion Bei einer Gesamtzahl von 55 Patienten mit gesicherten HNO- Tumoren wurde eine retrospektive Analyse der CTP durchgeführt. In 33 Fällen wurden die CTP von Plattenepithelkarzinomen (PEC) und Muskel, sowie von 50 Patienten die CTP verschiedener arteriellen Input-Funktionen verglichen. In 28 Fällen von PEC wurde die CTP mittels dynamischer CT- Einzelschnitten, die die maximale Tumordimension zeigen, mit Durchschnittswerten aus allen tumorenthaltenden dynamischen CT-Schnitten verglichen. Dual Energy CT von Kopf und Hals 32 DECT- Untersuchungen wurden prospektiv mit einer Kontrollgruppe von 32 single energy CT- Untersuchungen auf 5 verschiedenen anatomischen Ebenen im Hinblick auf Strahlendosis, Bildrauschen und subjektiver Bildqualität mittels einer 5- Punkte Scala verglichen. Im zweiten Teil wurden 35 PEC-Fälle mit DECT des Halses untersucht. Hier wurden 140 kV- und 80 kV Bilddatensätze sowie durchschnittlich gewichtete Serien aus den Rohdaten der 2-DE-Röhrchen bei den Gewichtungsfaktoren 0,3, 0,6, 0,8 (30%, 60% und 80% von 80 kVp Rohdaten), rekonstruiert. Bildrauschen, contrast-to-noise-ratio (CNR) und die subjektive Bildqualität zwischen den 5 verschiedenen Bilddatensätzen wurden anschließend verglichen. 1.3. Ergebnisse CT-Perfusion Die Perfusionsparameter im Tumor waren signifikant höher als jene des Muskels (p<0,05). Zwischen den gewonnenen Mittelwerten der Perfusionsparameter (A. carotis interna (ACI) vs. A. carotis externa (ACE) und ipsilateraler vs. contralateraler ACI) wurde eine signifikant hohe Korrelation mit keinen signifikanten Unterschieden (p> 0,05) beobachtet. CT Perfusionsparameter, die aus einem Bildausschnitt mit maximaler Tumordimension errechnet wurden, wiesen keinen signifikanten Unterschied zu Durchschnittswerten aus mehreren Bildabschnitten (p > 0,05) auf. Allerdings wurde insgesamt eine hohe Korrelation zwischen den 2 verschiedenen Methoden beobachtet. Die 95%ige Übereinstimmung zwischen den Durchschnittswerten für Blutvolumen und Perfusion, die aus wiederholten Messungen von mehreren Bildausschnitten gewonnen wurden, war etwas kleiner als die 95%ige Übereinstimmung bei wiederholten Messungen in einem Bildausschnitt. Dual Energy CT von Kopf und Hals Das CTDIvol war im DECT 12% niedriger als mit single energy CT (p <0,0001). Es gab keine signifikanten Unterschiede im Bildrauschen zwischen DECT und single energy CT in den verschiedenen anatomischen Ebenen (p> 0,05). Ebenfalls wurden keine signifikanten Unterschiede zwischen DECT und single energy CT in den Schwächungsmessungen festgestellt (p> 0,05). Es fanden sich auch keine signifikanten Unterschiede in der subjektiven Bildqualität zwischen DECT und single energy CT in der Evaluation der 5 anatomischen Ebenen (p> 0,05). Im DECT zeigte sich bei Gewichtungsfaktor 0,6 ein signifikant höherer CNR im Vergleich zu Gewichtungsfaktor 0,3 und dem reinen 140 kV Datensatz (p <0,0001); während bei Gewichtungsfaktor 0,8 und dem reinen 80 kV Datensatz (p = 1,00) kein signifikant niedriger CNR erreicht wurde. Insgesamt wurde der 0,6 Gewichtungsfaktor im DECT als beste Rekonstruktion in Hinblick auf Bildqualität und Läsionsabgrenzung bewertet. 1.4. Zusammenfassung Diese Studie zeigt die Fähigkeit der Differenzierung von PEC und umgebendem Muskelgewebe mittels CTP in HNO- Tumoren. Insgesamt zeigt die Wahl der arteriellen Input- Auswahl keine nennenswerten Auswirkungen auf die quantitative CTP von HNOTumoren. CTP von PEC in einem Bildabschnitt mit maximalen Tumordimensionen und die berechneten Mittelwerte aus mehreren Bildabschnitten zeigten hierbei keinen signifikanten Unterschied. Der zweite Teil der Studie zeigt, dass DECT routinemäßig für HNO-Tumore verwendet werden kann. Insgesamt wurde dargestellt, dass durch DECT, im Vergleich zu single energy CT, eine gleichbleibende diagnostische Bildqualität gewährleistet und die Strahlendosis um 12% gesenkt werden kann. Des Weiteren führte ein rekonstruierter Gewichtungsfaktor von 0,6 des DECT Datensatzes zu einer erheblichen Verbesserung der Tumorabgrenzung und der diagnostischen Bildqualität im Vergleich zu den restlichen rekonstruierten Datensätzen.