迭代重建算法在超重患者640層CT冠狀動脈成像中的應(yīng)用研究

舒震宇 丁忠祥 王振 潘宇寧

迭代重建算法在超重患者640層CT冠狀動脈成像中的應(yīng)用研究

舒震宇 丁忠祥 王振 潘宇寧

目的 探討三維自適應(yīng)迭代劑量降低算法（3D AIDR）對超重患者640層冠狀動脈CT血管造影（CTA）的圖像質(zhì)量及輻射劑量的影響。方法連續(xù)80例疑似冠心病的超重患者（30kg/m2≥BMI≥25．0kg/m2）以隨機(jī)數(shù)字表法分成A、B兩組，行前瞻性心電門控掃描。A組以120 kV管電壓掃描，原始數(shù)據(jù)分別以FBP（A1組）和3D AIDR（A2組）重建圖像；B組以100 kV管電壓掃描，原始數(shù)據(jù)以FBP（B1組）和3D AIDR（B2組）重建圖像。2位放射科醫(yī)師以5分法評價15個冠狀動脈節(jié)段的圖像質(zhì)量。比較A組和B組各亞組間的噪聲（SD）及平均CT值（SI）、信噪比（SNR）、對比信噪比（CNR）和有效輻射劑量。結(jié)果B組有效輻射劑量較A組減少了46%。A組和B組各亞組間的圖像質(zhì)量得分差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＜0．05），A1與B2組的圖像質(zhì)量得分差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0．05）。A組各亞組間SD、SNR、CNR比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＜0．05）。B組各亞組間SD、SNR、CNR比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＜0．05），B2組與A1組SI差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0．05），SD、SNR、CNR差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＞0．05）。結(jié)論3D AIDR聯(lián)合100kV低劑量掃描在保持適合診斷的冠狀動脈圖像質(zhì)量的同時能大幅度降低CTA輻射劑量。

640層CT 超重 3D AIDR迭代重建法 冠狀動脈CT血管造影 輻射劑量

近年來，多排CT心臟冠狀動脈成像在診斷冠狀動脈粥樣硬化、評價支架植入術(shù)后再狹窄和冠狀動脈搭橋血管等方面的作用日益顯著。冠狀動脈CT血管造影（CTA）已成為冠心病檢查重要的無創(chuàng)性檢查手段之一[1]。但患者所受電離輻射的致癌風(fēng)險也逐漸受到關(guān)注，對于超重患者需要高劑量掃描來提高信噪比（SNR）以保證診斷圖像質(zhì)量，使輻射劑量明顯大于正常體重患者。目前臨床上已開始應(yīng)用一種新型圖像重建技術(shù)迭代算法（iterative reconstruction，IR）來取代傳統(tǒng)濾波反投影算法（filtering back-projection，F(xiàn)BP），其中東芝公司最新迭代算法三維自適應(yīng)迭代劑量降低重建算法（adaptive iterative dose reduction 3-Dimensional,3D AIDR)可以有效地降低圖像噪聲（SD），改善圖像質(zhì)量，在保證同樣圖像質(zhì)量和相似重建速度的前提下，劑量可以明顯降低[2]。本研究主要探討超重患者使用3D AIDR在相同掃描情況下對冠狀動脈圖像的影響以及低劑量掃描能否獲得與常規(guī)掃描FBP相同的圖像質(zhì)量和對輻射劑量的影響，以確定3D ADIR的臨床價值。

1 資料和方法

1.1 一般資料 參照Desai等[3]的方法搜集2013-04-08行冠狀動脈CTA檢查的超重患者（30kg/m2≥BMI≥25.0kg/m2）80例，其中男47例，女33例，年齡43～74（58.65±8.83）歲；體重62～96（77.32±7.81）kg，身高151～183（162.59±8.37）cm，平均心率（58.31±5.26）次/min。以隨機(jī)數(shù)字表法分為A、B兩組。排除標(biāo)準(zhǔn)：支架植入手術(shù)史，嚴(yán)重腎功能不全及失代償心功能不全，碘過敏史，嚴(yán)重心律不齊,冠狀動脈管腔明顯狹窄（管腔狹窄≥50%）及有明顯冠狀動脈鈣斑塊（節(jié)段Agantston鈣化積分≥100）。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)，所有患者均簽署知情同意書。

1.2 方法

1.2.1 掃描參數(shù) 應(yīng)用Toshiba Aquilion one 640層容積CT進(jìn)行前瞻性心電門控容積掃描。掃描前舌下含服硝酸甘油（0.5mg）以擴(kuò)張冠狀動脈。經(jīng)右側(cè)肘前靜脈以5.0ml/s流率應(yīng)用雙筒高壓注射器注射對比劑（碘普胺，370mgI/ml）55～60ml，繼以相同流率注射0.9%氯化鈉溶液30ml。掃描范圍：隆突下1cm至心尖下1cm左右。采用Sure Start軟件智能觸發(fā)掃描，觸發(fā)點(diǎn)定于掃描野中央層面胸主動脈，觸發(fā)閾值＞250Hu或個體化手動觸發(fā)。容積數(shù)據(jù)采集范圍200～280×0.5mm，機(jī)架轉(zhuǎn)速350ms/周。采集時相為R-R間期70%～80%，采集1個心動周期。A組使用常規(guī)劑量掃描，管電壓為120kV，B組使用低劑量掃描，管電壓為100kV，管電流按BMI結(jié)合體型進(jìn)行調(diào)節(jié)，參考范圍為450～550mA。

1.2.2 圖像重建及分組 A組掃描所得原始數(shù)據(jù)選擇最佳時相分別進(jìn)行FBP算法和3D AIDR算法重建，重組層厚0.5mm，層間隔0.25mm，軟組織函數(shù)（FC043），將該時相數(shù)據(jù)傳至Vitrea FX圖像后處理工作站，應(yīng)用血管分析軟件重組FBP-A1組和3D AIDR-A2組行容積再現(xiàn)（VR）、最大密度投影（MIP）、多平面重建（MPR）及曲面重建（CPR），其中A1組為FBP算法重建，A2組為3D AIDR算法重建。另對B組掃描所得原始數(shù)據(jù)重組FBP-B1組和3D AIDR-B2組行 VR、MIP、MPR及CPR，其中B1組為FBP算法重建，B2組為3D AIDR算法重建。

1.2.3 圖像質(zhì)量分析 按照美國心臟協(xié)會推薦的15分段法[4]分析重建冠狀動脈圖像質(zhì)量。由2位有經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)醫(yī)師獨(dú)立對所有冠狀動脈段圖像分別進(jìn)行質(zhì)量評分,優(yōu)異（管腔連續(xù)完整、管壁銳利、無偽影、無明顯SD）4分，良好（管腔連續(xù)完整、管壁輕度偽影、輕度SD）3分，中等（管腔連續(xù)、管腔中度偽影及SD，可以作出明確診斷）2分，及格（管腔出現(xiàn)輕微錯層，管壁嚴(yán)重偽影及SD，勉強(qiáng)滿足診斷）1分,差（管腔出現(xiàn)錯層、中斷，管壁重度偽影及SD，不能滿足診斷）0分。另根據(jù)文獻(xiàn)[5]將15支冠狀動脈按照管腔徑大小分為三大節(jié)段:近段包括右冠狀動脈近段、左冠狀動脈主干，回旋支近端，左前降支近端；中段包括右冠狀動脈中段，右冠狀動脈遠(yuǎn)段，鈍緣支，第一對角支，左前降支中段；遠(yuǎn)段包括后降支，回旋支遠(yuǎn)段，第二對角支，左心室降支，左后降支，左前降支遠(yuǎn)段。對每大段進(jìn)行綜合質(zhì)量評分?？陀^評價采用測量升主動脈根部及左主冠狀動脈近端，包括SD、CT密度值（SI）、信噪比（SNR）和對比噪聲比（CNR）。將感興趣區(qū)（ROI）分別置于冠狀動脈左主干近端開口及同一層面的升主動脈根部，ROI面積根據(jù)實(shí)際情況盡可能大，但應(yīng)避開血管壁及鈣化，測量強(qiáng)化血管腔內(nèi)平均CT值，將升主動脈根部的CT值的標(biāo)準(zhǔn)差作為SD值，將左主干近端測得的平均CT值作為SI。另使用相同方式測量左主干近端SI1值與血管周圍組織的SI2值，根據(jù)公式計(jì)算SNR和CNR[6-7]：SNR=SI/SD；CNR=（SI1-SI2）/ SD。

1.2.4 輻射劑量分析 本次統(tǒng)計(jì)的輻射劑量僅為冠狀動脈CTA的輻射劑量,通過CT自動計(jì)算得出容積CT劑量指數(shù)（CTDLvol）和劑量長度乘積（DLP），由DLP乘以特定的轉(zhuǎn)換系數(shù)K來估計(jì)出有效劑量，前瞻性心電門控冠狀動脈掃描時轉(zhuǎn)換因子K值為0.028mSv·mGy-1·cm-1[8]。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 應(yīng)用SPSS17.0統(tǒng)計(jì)軟件。計(jì)量資料以表示，組間比較采用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，計(jì)數(shù)資料組間比較采用χ2檢驗(yàn)。應(yīng)用Kappa檢驗(yàn)判斷2位評價者評分的一致性。

2 結(jié)果

2.1 兩組患者一般資料及輻射劑量比較 見表1。

由表1可見，兩組除輻射有效劑量差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義以外，BMI、心率、年齡、性別、管電流差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＞0.05）。

表1 兩組患者一般資料及輻射劑量比較

2.2 各組冠狀動脈三大段主觀圖像質(zhì)量得分節(jié)段數(shù)統(tǒng)計(jì) 見表2。

由表2可見，80例共顯示冠狀動脈節(jié)段1 135支，其中A組顯示572支，B組顯示563支，解剖變異或管腔直徑＜1.5mm未列入評價范圍。A1組、A2組、B1組、B2組可診斷總節(jié)段數(shù)分別占93.88%、98.25%、80.63%、 92.89%。

表2 各組冠狀動脈三大段主觀圖像質(zhì)量得分節(jié)段數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.3 各組冠狀動脈三大段主觀圖像質(zhì)量得分比較 見表3。2例典型病例檢查結(jié)果分別見圖1、2。2位評價者評分的一致性較好（Kappa=0.69，P＜0.05）。

表3 各組冠狀動脈三大段主觀圖像質(zhì)量得分比較

由表3可見，總節(jié)段數(shù)質(zhì)量平均得分和三大節(jié)段平均得分A2、B2組均高于A1、B1組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＜0.01）。B2組總節(jié)段質(zhì)量及近段和中段節(jié)段平均得分高于A1組，遠(yuǎn)端平均得分低于A1組，但差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＞0.05）。

2.4 各組冠狀動脈圖像參數(shù)比較結(jié)果 見表4。

圖1 典型病例1（男，61歲，BMI=29.32kg/m2，心率61次/min）檢查所見（100kV，500mA；A：FBP重建容積圖像，箭頭示左冠狀動脈遠(yuǎn)端管腔中度SD，評分為2分；B：3D AIDR重建容積圖像，箭頭示左冠狀動脈遠(yuǎn)端管腔輕度SD，評分為3分）

圖2 典型病例2（女，59歲，BMI=26.15kg/m2，心率56次/min）檢查所見（120kV，450mA；A：FBP重建后左主冠狀動脈近端管腔連續(xù)完整、管壁輕度偽影、輕度噪聲，評分為3分，測得SD為44.9；B：3D AIDR重建后左主冠狀動脈近端管腔連續(xù)完整、管壁銳利、無偽影無明顯SD，評分為4分，測得SD為33.1）

由表4可見，A1與A2組、B1與B2組LM-SI差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＞0.05），A2和B2組所得SD比A1和B1組均有明顯降低，LM-SNR和LM-CNR顯著改善（均P＜0.05）。B2組LM-SI均高于A1組（P＜0.05），但SD、LM-SNR及LM-CNR與A1組相比差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＞0.05）。

3 討論

CT檢查要遵循圖像能夠滿足診斷的基礎(chǔ)上盡可能降低輻射劑量的原則[9]，而冠狀動脈CTA為了保證超重患者冠狀動脈圖像質(zhì)量，需要提高管電壓和管電流，從而使輻射劑量要比正常體重患者高32%～54%[10]。

現(xiàn)階段使用低管電壓是降低患者輻射劑量的有效方法[11-12]，Abada等[13]使用80 kV管電壓行冠狀動脈CTA檢查，并與120 kV管電壓掃描比較發(fā)現(xiàn)降低了近80%的輻射劑量，但同時值得注意的是低管電壓需以犧牲SD為前提，圖像質(zhì)量并不能得到保證。本次研究使用FBP重建的低劑量掃描圖像總平均質(zhì)量得分明顯差于常規(guī)劑量組，因此對于超重患者使用FBP算法并不適用低劑量掃描。而本研究中兩組迭代重建主觀質(zhì)量得分均明顯高于FBP重建，且低劑量組質(zhì)量得分的提高程度與常規(guī)劑量組質(zhì)量得分相比無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，因此筆者認(rèn)為管電壓對于超重患者使用迭代重建技術(shù)的影響較小。

表4 各組冠狀動脈圖像參數(shù)比較

臨床研究證實(shí)迭代重建技術(shù)在保證同樣圖像質(zhì)量同時劑量可以降低30%～65%[14]，而在低劑量情況下利用迭代重建技術(shù)在胸部和腹部運(yùn)用可使輻射劑量分別降低35%和50%[15-16]。本次研究3D AIDR迭代重建的B組輻射劑量較A組下降了46%，有研究報(bào)道當(dāng)kV值從120kV降至100kV，對于BMI≥25.0kg/m2患者使用迭代重建算法冠狀動脈檢查時輻射劑量能降低50%左右[17]，本次研究結(jié)果與之相符。Leipsic等[18]認(rèn)為對于BMI偏大的患者，低劑量掃描導(dǎo)致的光子數(shù)減少會使迭代重建抑制SD的能力有所下降，造成圖像質(zhì)量下降，本次研究A1組與B2組各冠狀動脈支的圖像質(zhì)量差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但B2組冠狀動脈支總質(zhì)量得分較A1組高，筆者認(rèn)為與Leipsic等結(jié)論不符原因是本次研究所采用的受檢者BMI指數(shù)并不高，而Leipsic等研究對象BMI指數(shù)明顯高于本次研究。另外B2組遠(yuǎn)端平均質(zhì)量得分較A1組低，筆者分析其原因除了SD因素外還有可能與重建因素有關(guān)，隨著降噪效果降低3D AIDR迭代重建還是有一定概率使狹小管腔尤其遠(yuǎn)端管腔過度平滑造成血管對比度降低，并且在不同密度的組織交界處出現(xiàn)偽影，造成圖像失真，而使圖像質(zhì)量下降。

有研究報(bào)道在低管電壓情況下可以使血管的信號強(qiáng)度增強(qiáng)，而隨著血管信號強(qiáng)度增加，與周圍組織對比度增高，從而對低管電壓引起的SD增高起到一個補(bǔ)償作用[19]，因此在正常體重使用低管電壓進(jìn)行掃描已經(jīng)普遍認(rèn)可，而在BMI＞25kg/m2的超重患者能否使用還有一定懷疑[20-21]。雖然B2組SD高于A1組，但其SNR的比值與A1組無明顯差異，因此圖像質(zhì)量相比A1組未見明顯下降，進(jìn)一步論證了在低管電壓情況下對BMI≥25 kg/m2患者使用3D AIDR重建技術(shù)能有效降低SD來保證圖像質(zhì)量。

本研究還有一定局限性，3D AIDR重建算法所獲得的冠狀動脈圖像的診斷結(jié)果未以冠狀動脈造影為金標(biāo)準(zhǔn)，其診斷準(zhǔn)確性還有待進(jìn)一步臨床驗(yàn)證。另外本次研究樣本量較小，所選的超重患者覆蓋體重范圍較小，體重分布還有一定差異，其研究結(jié)果對于超大體重患者是否適用還需要進(jìn)一步論證。

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（本文編輯：楊麗）

《浙江醫(yī)學(xué)》“病例討論”欄目征稿

根據(jù)廣大讀者的建議，本刊自2010年第7期起開辟“病例討論”欄目，論文結(jié)構(gòu)分為“病例摘要”和“討論”兩部分，以期通過對疑難、復(fù)雜或罕見病例的介紹和討論，交流臨床工作經(jīng)驗(yàn)，幫助廣大臨床醫(yī)師掌握科學(xué)的臨床思維方式，提高各?？坪投鄬W(xué)科的綜合分析判斷能力，進(jìn)而提高醫(yī)療水平?，F(xiàn)特向廣大臨床醫(yī)師征集相關(guān)病例，具體要求如下。

1病例選擇 （1）疑難病例，特別是涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域的疑難病例；（2）診斷明確，但病情危重和（或）治療棘手的病例；（3）臨床較罕見的病例。以上病例均需最終獲得明確診斷或成功治療，且臨床資料齊全，并能提供實(shí)驗(yàn)室、影像學(xué)和（或）病理確診依據(jù)。

2寫作格式和要求（1）病歷摘要：分段敘述患者的簡要病史（包括主訴、現(xiàn)病史、既往史等）、入院后體檢情況、輔助檢查結(jié)果、入院后治療方案及病情變化等內(nèi)容；（2）討論：分段記錄各級或各科或各院醫(yī)師對該病例的特點(diǎn)、診斷、鑒別診斷、進(jìn)一步輔助檢查和治療方案等方面的分析，若為罕見病，則需介紹目前國內(nèi)外關(guān)于該病診治方面的最新進(jìn)展；（3）列出相關(guān)的國內(nèi)外主要參考文獻(xiàn)；（4）全文字?jǐn)?shù)在3 000字左右。

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本刊編輯部

Application of 3D adaptive iterative dose reduction in coronary CT angiography with 640-slice CT scanner for overweight patients

Objective To investigate the image quality and radiation dose of CT coronary angiography using 3D adaptive iterative dose reduction in overweight patients．MethodsEighty consecutive overweight patients with suspected coronary artery disease underwent coronary CT angiography with 640-slice CT scanner,the patients were randomly divided into two groups：the tube voltage was 120 kV in group A and 100 kV in group B．All raw data were reconstructed by software FBP and 3D AIDR in CT system and two new subgroups in group A and B were created(A1,A2 and B1,B2),respectively．The values SI,SD,SNR,CNR, and image quality scores were compared between subgroups A1 and A2,and subgroups B1 and B2．The values of SI,SD,SNR, CNR and image quality scores were also compared between B2 and A1．ResultsThe value of E in group B was decreased by 46%compared to group A．There was significant difference in mean image quality scores between groups A1 and A2(P＜0．05) and between groups B1 and B2(P＜0．05)．There was no significant difference in mean image quality scores between groups A1 and B2．The values of SD in group A1 were significantly higher and SNR and CNR were lower than those in group A2(P＜0．05)．The values of SD in group B1 were significantly higher and SNR and CNR were lower than those in group B2(P＜0．05)．There was significant difference in SI between group A1 and group B2(P＜0．05),but no difference in SD,SNR,CNR between two groups (P＞0．05)．ConclusionThe 3D AIDR reconstruction algorithm can significantly improve the image quality of coronary artery in the equivalent dose,which are helpful for the image interpretable in the low dose for overweight patients．

640-slice CT Overweight patients 3D AIDR Iterative Reconstruction Coronary CT angiography Radiation dose

2013-12-23）

310014 杭州，浙江省人民醫(yī)院放射科（舒震宇、丁忠祥、王振）；寧波市第一醫(yī)院影像科（潘宇寧）