● 摘要
脑卒中（中风）是世界范围高死亡率的疾病之一，其中85%的中风是缺血性中风，即脑动脉血管阻塞导致大脑中某些区域得不到足够的血流供应。在缺血性中风的管理中，最终的效果依赖于诊断和治疗所耗费的时间。为了确定中风病人可以挽救的组织，需要用到灌注CT和灌注MRI。此时，造影剂物质注入病人体内，应用具有时间分辨率（1帧/秒）的成像技术来测量造影剂在体内的流动。但是这两项技术不能在执行导管引导的中风治疗的介入治疗室中使用，并且一般需要几个小时来预约和执行灌注扫描。病人从成像设备到介入设备的转移不仅仅加大了治疗的负担，而且增加了治疗时间（最佳的中风治疗时间一般是中风发生后的6个小时以内）。因此，如果能直接利用介入治疗设备C型臂CT进行灌注成像，则能有效地缩短介入治疗前的诊断时间，中风病人能有更好的机会得到治疗和拯救。
但是C型臂CT进行灌注成像面临着三个挑战，包括C型臂CT自身机械不稳定性，灌注理论和由于较长数据获取时间导致的C型臂CT灌注成像应用于临床中的问题。为此，本论文主要针对：（1）C型臂CT系统的几何校准算法研究；（2）造影剂透过血管壁的传输对其延时和弥散的影响；（3）C型臂CT系统行灌注成像的影响因素分析及时间恢复技术提出等问题进行了研究，本论文的主要工作如下：
1.C型臂CT系统的几何校准算法研究
针对C型臂CT系统的机械不稳定性，需要对其进行几何校准，这也是利用C型臂系统进行灌注成像的基础。在几何校准中，确定C型臂CT系统的全部几何参数有着重要的作用。在校准时，由沿螺旋线排列的小球状标记点构成的校准模体有着广泛的应用。为了通过此螺旋线模体直接确定系统的全部九个校准参数，本论文提出了一种全新的利用显性数学公式的算法。本算法充分利用了标记点，并具有灵活选择模体坐标系的特性，可以解决退化情况下的求解问题。为了评价此算法，本论文应用数值仿真研究了不同的系统几何，不同的标记点数量及不同的噪声类型下算法的性能。本论文也将所提算法与投影矩阵的算法进行比较。结果显示：本论文的算法能提供跟投影矩阵类似的准确性，并且所求刺入点的精度要优于投影矩阵，误差大概只有投影矩阵算法的1/8。动物实验的结果也验证了本论文算法的准确性及鲁棒性。
2.用多层血管模型对造影剂在动脉中的流动进行仿真，研究造影剂的透壁传输对其延时和弥散的影响
造影剂的延时和弥散会导致在血流灌注的定量化计算中出现较大的的误差。本论文为了调查了造影剂穿过血管内腔到血管壁是否会对其延时和弥散造成影响，数值仿真了血流和造影剂在多层模体中的传输，分析了如内皮细胞的完整性和动脉扰流等因素对其延时和弥散的影响。血管壁的各层都被处理成多孔介质，传输参数通过流体动力学和随机理论获得。论文研究表明，造影剂的透壁传输会轻微地影响其延时（平均传输时间(mean transit time, MTT)量化），沿着血流方向逐渐扩展其弥散（通过血管传输函数的方差量化）。但是方差的增长率会急剧下降，这会导致在血管的出口处的方差大概是25%。由透壁传输产生的MTT和方差比由扰流产生的MTT和方差要小很多。并且，内皮细胞的完整性对延时和弥散的影响很小。总体来说，造影剂的透壁传输会轻微地影响其延时和中等程度地增大其弥散，但是比由于动脉狭窄引起的扰流对延时和弥散的影响要小。
3.C型臂CT灌注成像应用于临床面临的技术问题
(1)C型臂CT进行灌注成像的影响因素分析
在实际应用中，由于硬件的限制，很难用C型臂CT系统获得类似CT灌注的测量值。本论文进行了系统的学习，研究什么是将C型臂CT灌注成像应用于临床中的主要限制因素。通过数值实验，仿真了不同的X射线延迟时间时角度欠采样，动态扫描物体的带状伪影，和动脉输入函数（arterial input function, AIF）的影响。从仿真结果可以看出，角度欠采样造成的伪影对灌注图没有太大的影响，动态扫描物体的带状伪影对灌注图的标准均方根误差的影响可以忽略，AIF对灌注的影响很大，但并不是决定性因素。C型臂CT不能正确恢复出脑部组织中缓慢变化的造影剂是因为较低的时间分辨率。因此，为了能够使C型臂CT进行灌注成像，需要通过硬件的升级或是引入新的软件方法来提高其时间特性。
(2)基于Bregman迭代的时间恢复技术用于C型臂CT灌注成像
因为硬件的限制，现在的C型臂CT系统的数据获取速度相对较低，在45s的灌注成像中，仅能获得7个时间帧的数据。本论文提出了一种全新的时间恢复算法在C型臂CT灌注成像中来恢复造影剂时间增强曲线。针对此有约束的优化问题，本论文从两个方面对其进行了求解，并通过数值实验进行了验证。结果表明，两种求解方式都能获得令人满意的结果，其中Bregman算法比CG算法更为准确。活体动物实验也验证了本论文在C型臂灌注成像中的改进效果。具体而言，用C型臂CT系统和传统诊断CT系统来扫描了中风的狗。从诊断CT灌注成像得到的脑血流量(cerebral blood flow, CBF)能清晰地确定出中风区域。在没有运用时间恢复技术时，很难从C型臂CT的灌注图中分辨出中风区域，但在运用了时间恢复技术后，C型臂CT得到的灌注图跟诊断CT得到的灌注图吻合得很好，可以用来进行临床诊断。
综上所述，本论文的主要贡献可归纳为以下几点：
（1）论文提出了一种利用螺旋线模体直接求解C型臂CT系统校准参数的算法，并用数值模拟和动物实验进行了验证，这是应用C型臂CT系统进行灌注成像的设备基础。
（2）论文用数值模拟的方法，定量研究了造影剂透壁传输对其延时和弥散的影响，具有重要的理论意义。
（3）论文对限制C型臂CT灌注成像应用于临床的主要因素进行了系统分析，在此基础上提出了一种基于Bregman迭代的时间恢复技术， 并用数值模拟和动物实验进行了验证。该技术能利用C型臂CT获得跟传统诊断CT类似的CBF灌注图，具有重要的临床意义。