多排螺旋CT冠狀動(dòng)脈成像檢查中消除運(yùn)動(dòng)偽影的相關(guān)方法與應(yīng)用

李倩文，杜祥穎，李坤成

首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院 放射科，北京100053；北京磁共振成像腦信息學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100053

多排螺旋CT冠狀動(dòng)脈成像檢查中消除運(yùn)動(dòng)偽影的相關(guān)方法與應(yīng)用

李倩文，杜祥穎，李坤成

首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院 放射科，北京100053；北京磁共振成像腦信息學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100053

近年來，多排螺旋CT（Multi-Detector Spiral Computed Tomography，MDCT）冠狀動(dòng)脈成像已成為無創(chuàng)性篩查冠狀動(dòng)脈硬化性心臟病最重要的影像學(xué)手段。如何消除較快心率MDCT冠狀動(dòng)脈成像中的運(yùn)動(dòng)偽影進(jìn)而提升圖像質(zhì)量是促進(jìn)MDCT冠狀動(dòng)脈成像發(fā)展的基礎(chǔ)。本文結(jié)合MDCT冠狀動(dòng)脈成像中運(yùn)動(dòng)偽影產(chǎn)生的原因，綜述目前消除運(yùn)動(dòng)偽影的相關(guān)方法及其應(yīng)用。

多排螺旋CT；冠狀動(dòng)脈成像；運(yùn)動(dòng)偽影

引言

多排螺旋計(jì)算機(jī)斷層成像（Multi-Detector Spiral Computed Tomography，MDCT）技術(shù)的臨床應(yīng)用促進(jìn)了冠狀動(dòng)脈CT成像的發(fā)展[1-2]。近些年，MDCT冠狀動(dòng)脈成像已成為無創(chuàng)篩查冠狀動(dòng)脈硬化性心臟病最重要的影像學(xué)手段[1,3-4]。但由于MDCT時(shí)間分辨率的限制，成像過程中會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽影，這是影響圖像質(zhì)量甚至影響診斷準(zhǔn)確性的最重要因素之一[3]。如何消除運(yùn)動(dòng)偽影尤其是較快心率下的MDCT冠狀動(dòng)脈成像運(yùn)動(dòng)偽影，是促進(jìn)MDCT冠狀動(dòng)脈成像發(fā)展的基礎(chǔ)。本文結(jié)合MDCT冠狀動(dòng)脈成像運(yùn)動(dòng)偽影產(chǎn)生的原因，綜述目前消除運(yùn)動(dòng)偽影的主要相關(guān)方法及應(yīng)用。

1 冠狀動(dòng)脈CT成像運(yùn)動(dòng)偽影產(chǎn)生的原因

冠狀動(dòng)脈CT成像過程中運(yùn)動(dòng)偽影的形成是由于圖像矩陣中的點(diǎn)（體素或像素）在CT獲取不同角度投影數(shù)據(jù)的過程中發(fā)生了位移，運(yùn)動(dòng)偽影的程度取決于位移的速率和圖像重建算法的校正效果[5-6]。相對低速的位移可以有效校正，而高速的位移則難以校正，這時(shí)運(yùn)動(dòng)偽影的程度就取決于低速位移時(shí)相的長短和CT數(shù)據(jù)采集速率之間的關(guān)系。如果重建時(shí)間窗選擇不合適，會(huì)導(dǎo)致冠狀動(dòng)脈當(dāng)時(shí)處于高速位移期相，而心率過快則會(huì)導(dǎo)致低速運(yùn)動(dòng)時(shí)相過短，CT無法在低速時(shí)相內(nèi)完成采集，兩者都會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)偽影的產(chǎn)生[6]。相關(guān)研究表明，只有CT時(shí)間分辨率達(dá)到50 ms以下，才可能真正達(dá)到在任何時(shí)相都能凍結(jié)心臟，而不出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)偽影，但是目前CT機(jī)的時(shí)間分辨率遠(yuǎn)沒有達(dá)到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。綜上所述，冠狀動(dòng)脈CT成像質(zhì)量由CT成像所提供的時(shí)間分辨率和冠狀動(dòng)脈運(yùn)動(dòng)所形成的時(shí)間需求決定，矛盾雙方的改變都會(huì)影響成像效果。

2 消除運(yùn)動(dòng)偽影的方法及其應(yīng)用

2.1 控制心率

降低受檢者的心率、延長心動(dòng)周期，減慢冠狀動(dòng)脈運(yùn)動(dòng)和延長冠狀動(dòng)脈低速運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，可以降低成像對時(shí)間分辨率的需求，是消除運(yùn)動(dòng)偽影最簡便有效和經(jīng)濟(jì)的方法。目前常規(guī)64排冠狀動(dòng)脈CT檢查前通常會(huì)要求受檢者口服β受體阻滯劑以控制心率在65 次/min以下，同時(shí)確保心律穩(wěn)定，從而可以提供更長的可用于重建的時(shí)間窗，保證冠狀動(dòng)脈CT成像質(zhì)量[7-8]。但是，部分受檢者會(huì)存在藥物禁忌或無法有效降低心率的情況。

2.2 提高時(shí)間分辨率

基于MDCT冠狀動(dòng)脈成像基本原理及運(yùn)動(dòng)偽影產(chǎn)生的原因，要成功實(shí)現(xiàn)冠狀動(dòng)脈CT成像并完全避免運(yùn)動(dòng)偽影，最重要的就是將特定掃描模式下獲得的最高時(shí)間分辨率與冠狀動(dòng)脈運(yùn)動(dòng)幅度最小的時(shí)相相匹配，因此提高CT的時(shí)間分辨率是技術(shù)上的關(guān)鍵[9-10]。提高時(shí)間分辨率的主要手段是縮短機(jī)架旋轉(zhuǎn)時(shí)間，目前有效的旋轉(zhuǎn)時(shí)間還沒達(dá)到獲取理想的時(shí)間分辨率的范圍，其它一些因素如數(shù)據(jù)采集模式、圖像重建方式、螺距等也可影響到時(shí)間分辨率[7-8,11]?？梢允褂貌煌膾呙璺绞交虿煌膱D像重建方式來從軟件角度提高時(shí)間分辨率。

2.2.1 硬件提升

（1）提高管球旋轉(zhuǎn)速度。對于單源MDCT來說，利用半掃描重建技術(shù)時(shí)的單扇區(qū)時(shí)間分辨率等于球管旋轉(zhuǎn)時(shí)間的l/2，時(shí)間分辨率主要由球管旋轉(zhuǎn)時(shí)間所決定，提高時(shí)間分辨率最直接有效的方法就是加快球管的旋轉(zhuǎn)速度。隨著CT機(jī)的不斷發(fā)展更新，球管的旋轉(zhuǎn)速度也從4排螺旋CT的0.5 s、16排螺旋CT的0.42 s、64排螺旋CT的0.33～0.35 s、發(fā)展到雙源CT的0.27 s甚至更快，新一代的CT設(shè)備甚至將旋轉(zhuǎn)速度提高到0.2 s。但是，旋轉(zhuǎn)速度的提高所帶來的是對硬件設(shè)備的極高要求，尤其是高速旋轉(zhuǎn)所形成的超高的離心力，已經(jīng)使旋轉(zhuǎn)速度的提高接近極限。

（2） 采用寬體探測器。東芝320排螺旋CT Aquilion One采用縱向?qū)挾葹?60 mm的寬體探測器，可以在不進(jìn)床的情況下完整覆蓋整個(gè)心臟，避免了64排CT掃描中多心動(dòng)周期采集所形成的錯(cuò)位，也消除了多扇區(qū)重建中螺距設(shè)置的問題[12]。雖然其旋轉(zhuǎn)時(shí)間仍為0.35 s，但通過多心動(dòng)周期采集，可以基本解決心律失常甚至房顫的掃描難題，同時(shí)可利用多扇區(qū)重建提高時(shí)間分辨率。然而，由于其固有時(shí)間分辨率仍較低，而通過多扇區(qū)重建提高時(shí)間分辨率，心動(dòng)周期之間的不一致仍會(huì)影響圖像質(zhì)量，同時(shí)，多心動(dòng)周期采集必然帶來劑量的增加。Philips 256排MDCT Brilliance iCT球管旋轉(zhuǎn)速度提高至0.27 s，并配備8 cm的寬體探測器，在提高時(shí)間分辨率的同時(shí)增加了單圈覆蓋范圍，顯著縮短了掃描時(shí)間(僅4～5 s)，比64層螺旋CT放寬了對心率的限制，能提供更優(yōu)的圖像質(zhì)量[13]。GE寬體探測器CT Revolution球管轉(zhuǎn)速可達(dá)0.29 s，并且探測器足夠?qū)?，只需一個(gè)心跳就可采集所需數(shù)據(jù)，并且保證圖像質(zhì)量，而且病人接受的輻射劑量很低[14]。

（3）西門子雙球管雙探測器技術(shù)（雙源CT）。雙源CT裝備兩套X線球管與探測器，兩套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成約90°夾角安裝于機(jī)架上，在成像過程中，每套X線球管/探測器組合只需要旋轉(zhuǎn)約90°，即可采集到圖像重建所需要的180°的投影數(shù)據(jù)，使單扇區(qū)重建的時(shí)間分辨率提高到約為旋轉(zhuǎn)時(shí)間的1/4（對二代雙源CT而言約為75 ms）這樣的時(shí)間分辨率可以滿足臨床所見絕大多數(shù)心率范圍的收縮末期成像，同時(shí)也使舒張中晚期成像的心率范圍達(dá)到80 bpm左右[15]。此外，雙源CT可以采用大螺距（3.4）螺旋采集技術(shù)，在單個(gè)心動(dòng)周期完成冠狀動(dòng)脈CT成像，其層面內(nèi)時(shí)間分辨率為75 ms，但總采集時(shí)間接近300 ms，仍需在較低心率情況下應(yīng)用[16]。Force CT作為三代雙源CT，其掃描速度進(jìn)一步提升，達(dá)到最快速度0.25 s/rot，單扇區(qū)時(shí)間分辨率可達(dá)到約66 ms，為目前所有機(jī)器中的最快單扇區(qū)時(shí)間分辨率，基本滿足日常臨床工作中常見心率患者的成像需求[17]。此外Force CT進(jìn)床速度可達(dá)73.7 cm/s，F(xiàn)lash掃描螺距最大可提升到3.2。進(jìn)床速度的提升配合大螺距掃描，F(xiàn)lash掃描患者無需憋氣，單次采集即可完成成像。但是和二代雙源CT類似，F(xiàn)lash掃描時(shí)仍需要患者心率保持在較低且平穩(wěn)的狀態(tài)。

硬件系統(tǒng)升級是提高時(shí)間分辨率進(jìn)而滿足高質(zhì)量成像的最主要的途徑，但是也存在著一些明顯的缺陷，如：① 成本過高，設(shè)備價(jià)格昂貴；② 受物理特性的限制，目前的球管旋轉(zhuǎn)速度已經(jīng)接近極限，很難再進(jìn)一步加快球管的旋轉(zhuǎn)速度；③ 由于空間條件的限制，不能設(shè)計(jì)出比雙球管雙探測器系統(tǒng)更多的球管與探測器系統(tǒng)的設(shè)備；④ 隨著心率的增快，心臟運(yùn)動(dòng)相對靜止時(shí)期迅速縮短甚至趨近于0，意味著單靠硬件系統(tǒng)提高時(shí)間分辨率不能完全避免快心率時(shí)的運(yùn)動(dòng)偽影。

2.2.2 軟件開發(fā)

（1）多扇區(qū)重建技術(shù)。除了硬件升級之外，多種軟件技術(shù)也可用于消除冠狀動(dòng)脈成像中的運(yùn)動(dòng)偽影，其中多扇區(qū)重建技術(shù)是提高時(shí)間分辨率最常用的方法[18]。在半掃描重建技術(shù)的基礎(chǔ)上，多扇區(qū)重建利用心電同步信號，從多個(gè)相鄰的心動(dòng)周期和不同排列的探測器，收集同一相位窗但不同角度的半掃描重建所需的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)重組。由于每個(gè)扇區(qū)的寬度相對單一扇區(qū)有明顯減小，所以時(shí)間分辨率能夠明顯提高。理想狀態(tài)下，利用多扇區(qū)重建技術(shù)所能達(dá)到的時(shí)間分辨率約等于半掃描重建的時(shí)間分辨率再除以扇區(qū)數(shù)。但實(shí)際應(yīng)用時(shí)會(huì)受患者心率、球管旋轉(zhuǎn)時(shí)間及掃描螺距的限制，所達(dá)到的時(shí)間分辨率總會(huì)低于理想狀態(tài)下的時(shí)間分辨率。目前，以僅采集兩個(gè)心動(dòng)周期的數(shù)據(jù)加以重建的雙扇區(qū)重建最常用[19]。由于重建數(shù)據(jù)來自多個(gè)心動(dòng)周期，多扇區(qū)重建容易受到時(shí)相一致性水平的影響，此外，來自不同心動(dòng)周期相鄰角度數(shù)據(jù)在時(shí)相上的不連續(xù)也會(huì)對重建圖像產(chǎn)生影響。因此，應(yīng)用多扇區(qū)重建時(shí)維持患者心率穩(wěn)定是首要條件，其在心率波動(dòng)患者中的應(yīng)用受到限制。其次，多扇區(qū)重建提高時(shí)間分辨率的效果受心動(dòng)周期長度與旋轉(zhuǎn)時(shí)間匹配的影響，導(dǎo)致部分心率情況下圖像質(zhì)量改善效果有限[20-21]。此外，多扇區(qū)重建要求相對于單扇區(qū)重建更低的螺距，這會(huì)導(dǎo)致輻射劑量的明顯增加[22-23]。

（2）基于壓縮感知的圖像重建技術(shù)（Prior Image Constrained Compressed Sensing，PICCS）。除了扇區(qū)重建技術(shù)之外，還有另外一種提高時(shí)間分辨率的技術(shù)PICCS，亦稱之為TRI-PICCS（Temporal Resolution Improvement-Prior Image Constrained Compressed Sensing，TRI-PICCS）[21-22]。和雙源CT提高時(shí)間分辨率的目標(biāo)相似，TRI-PICCS技術(shù)期望應(yīng)用常規(guī)半掃描重建所需的一半數(shù)據(jù)和時(shí)間完成圖像重建。但是，盡管該技術(shù)可以使時(shí)間分辨率提高一倍，但減半的圖像數(shù)據(jù)不足以重建滿意的圖像，會(huì)因投影角不足而造成遮蓋偽影。TRI-PICCS技術(shù)應(yīng)用了常規(guī)重建的圖像進(jìn)行匹配和校正，從而消除投影角不足的偽影，在提高時(shí)間分辨率的同時(shí)確保足夠的圖像質(zhì)量。Chen等[21]通過動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)，TRI-PICCS技術(shù)在單源CT檢查時(shí)對心率快于70 次/min時(shí)的冠脈成像可以獲得較好圖像質(zhì)量，所得到的圖像明顯優(yōu)于不使用該技術(shù)時(shí)的圖像質(zhì)量。與多扇區(qū)重建比較而言，該技術(shù)不會(huì)受到機(jī)架旋轉(zhuǎn)時(shí)間和心臟運(yùn)動(dòng)時(shí)相不同步等問題的干擾，且不會(huì)額外增加輻射劑量。該技術(shù)除了可以應(yīng)用于單源CT，亦可應(yīng)用于雙源CT以進(jìn)一步提高雙源CT時(shí)間分辨率。但目前該技術(shù)尚未在臨床應(yīng)用中得到驗(yàn)證。

（3）運(yùn)動(dòng)估算與補(bǔ)償算法。除直接提高時(shí)間分辨率之外，還有一些重建算法來消除圖像的運(yùn)動(dòng)偽影，如運(yùn)動(dòng)估算（Motion Estimation，ME）與補(bǔ)償重建（Motion Compensation Reconstruction，MCR）算法。Isola等[23]開發(fā)的ME法基于已采集的圖像數(shù)據(jù)來估算心臟四維運(yùn)動(dòng)，在心電門控掃描采集心臟CT圖像后，選取一個(gè)心動(dòng)周期中一組相對靜止時(shí)相的圖像，并從中挑選一個(gè)時(shí)相作為靶時(shí)相；然后，對選定的相對靜止時(shí)相和靶時(shí)相分別進(jìn)行三維非剛性圖像配準(zhǔn)來獲取相應(yīng)時(shí)相的三維運(yùn)動(dòng)矢量信息；接著進(jìn)行三次B樣條插值進(jìn)一步得到該時(shí)相的四維運(yùn)動(dòng)矢量信息；最后，心臟運(yùn)動(dòng)矢量信息被反轉(zhuǎn)和重新整合以計(jì)算獲得感興趣區(qū)的其他任意時(shí)相的四維運(yùn)動(dòng)矢量信息，進(jìn)而對心臟任意時(shí)相的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行估算。

在Isola等人研究的基礎(chǔ)上，Tang等[24]做出了改革創(chuàng)新，提出了一個(gè)完全四維的圖像迭代重建算法，即ME和MCR交替的算法。與Isola等的研究方法相比，Tang的ME法是一種非剛性四維圖像配準(zhǔn)方法，其充分利用心動(dòng)周期中心臟所有時(shí)相圖像的容積數(shù)據(jù)直接估計(jì)四維運(yùn)動(dòng)矢量信息，并同時(shí)在時(shí)間與空間層面上對圖像信息加以校正以保證估算的四維運(yùn)動(dòng)矢量信息足夠可靠。此外，Tang等的MCR法采用運(yùn)動(dòng)跟蹤錐形束反投影運(yùn)動(dòng)模型來進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的補(bǔ)償重建，因而對心臟運(yùn)動(dòng)信息的數(shù)據(jù)利用更充分。這種運(yùn)動(dòng)估算與補(bǔ)償重建過程迭代交替進(jìn)行，從而達(dá)到改善圖像質(zhì)量的效果。

體模實(shí)驗(yàn)及初步的小樣本臨床研究證實(shí)，通過使用ME與MCR算法，可以減少圖像的運(yùn)動(dòng)偽影。使用重建算法來減少圖像運(yùn)動(dòng)偽影的方法也日益受到研究者們的關(guān)注。

（4）運(yùn)動(dòng)校正技術(shù)（Snap Shot Freeze，SSF）。Isolah和Tang等研發(fā)的運(yùn)動(dòng)估算與補(bǔ)償重建算法并沒有推廣到臨床實(shí)際應(yīng)用中。GE公司在該理論基礎(chǔ)上，研發(fā)了一種特異性針對冠狀動(dòng)脈運(yùn)動(dòng)偽影的校正技術(shù)SSF，該技術(shù)通過選取已采集圖像中相對運(yùn)動(dòng)偽影較少、圖像質(zhì)量較好的時(shí)相為靶時(shí)相，軟件自動(dòng)分析該靶時(shí)相及其左右80 ms共3個(gè)時(shí)相的數(shù)據(jù)信息，通過3個(gè)時(shí)相的數(shù)據(jù)信息整合，精確記錄冠狀動(dòng)脈的運(yùn)動(dòng)速率及幅度以追蹤冠狀動(dòng)脈的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而準(zhǔn)確定位每段冠狀動(dòng)脈的實(shí)際位置以及運(yùn)動(dòng)偽影，然后特異性地消除運(yùn)動(dòng)偽影[25]。SSF運(yùn)動(dòng)校正技術(shù)為較成熟的軟件技術(shù)，該算法操作過程簡便易行，在選定靶時(shí)相之后，軟件后臺(tái)運(yùn)行，耗時(shí)僅為約5 min，即可自動(dòng)后處理選定時(shí)相的數(shù)據(jù)，以達(dá)到消除運(yùn)動(dòng)偽影、改善圖像質(zhì)量的目的。Leipsic等[26]在臨床試驗(yàn)業(yè)已證實(shí)SSF可以在不控制心率條件下提高患者冠狀動(dòng)脈CTA檢查的成功率，提高較快心率患者的CTA圖像質(zhì)量。和臨床傳統(tǒng)常用的多扇區(qū)重建技術(shù)相比，SSF在不額外增加輻射劑量的情況下，利用的是一個(gè)心動(dòng)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)，只需增加有限的時(shí)相來采集數(shù)據(jù)即可滿足重建需要。SSF同時(shí)適用于回顧性及前瞻性心電門控掃描，可以在提高圖像質(zhì)量的同時(shí)控制輻射劑量。

3 小結(jié)

綜上所述，隨著設(shè)備和技術(shù)的不斷創(chuàng)新，MDCT冠狀動(dòng)脈成像質(zhì)量不斷完善，使快心率所導(dǎo)致成像過程中的運(yùn)動(dòng)偽影得到有效抑制。各種方法和技術(shù)的綜合應(yīng)用，必將進(jìn)一步改善冠狀動(dòng)脈CTA的成像質(zhì)量，使其在冠心病診斷和評價(jià)中發(fā)揮更大的作用。

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Related Methods and Applications to Eliminate Motion Artifact in MDCT Coronary Angiography Examination

In recent years, the Multi-Detector Spiral Computed Tomography (MDCT) coronary angiography has become the most iconography method to non-invasive screen coronary artery disease. How to eliminate motion artifacts in rapid heart rates MSCT coronary artery imaging and further improve the image quality is the basis to promote the development of MSCT coronary angiography. Based on the causes of motion artifacts in MSCT coronary angiography, this article reviews the related methods to eliminate motion artifact and their applications.

MSCT; coronary angiography; motion artifact

LI Qian-wen, DU Xiang-ying, LI Kun-cheng
Department of Radiology, Xuanwu Hospital, Capital Medical University, Beijing 100053, China; Beijing Key Laboratory of Magnetic Resonance Imaging and Brain Informatics, Beijing 100053, China

R817.4

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.12.018

1674-1633(2016)12-0073-04

2016-08-07

2016-09-09

北京市醫(yī)院管理局重點(diǎn)醫(yī)學(xué)專業(yè)發(fā)展計(jì)劃（ZYLX201609）。

杜祥穎，主任醫(yī)師。研究方向：心血管影像診斷。

通訊作者郵箱：duxying_xw@163.com