全模型迭代重建技術(shù)在冠狀動脈鈣化模體掃描中的應(yīng)用價值研究

譚 晶，侯 陽，郭文力，高思喆

（中國醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院放射科，遼寧 沈陽 110004）

全模型迭代重建技術(shù)在冠狀動脈鈣化模體掃描中的應(yīng)用價值研究

譚 晶，侯 陽，郭文力，高思喆

（中國醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院放射科，遼寧 沈陽 110004）

目的：通過對心臟鈣化模體常規(guī)劑量掃描濾過反投影重建（Filtered back projection，F(xiàn)BP）與不同級別低劑量掃描全模型迭代重建（Iterative model reconstruction，IMR）鈣化積分及圖像質(zhì)量的比較，探討IMR技術(shù)降低冠狀動脈鈣化積分（Coronary artery calcium score，CACS）掃描劑量的能力。材料與方法：以心臟鈣化模體作為研究對象，以120 kV、80 mAs結(jié)合FBP作為常規(guī)劑量組（A組）；低劑量組管電壓為120 kV，管電流逐級降為50 mAs、40 mAs、30 mAs、20 mAs，均采用IMR算法，記為B～E組。采用單因素方差分析比較各組總Agatston積分、總體積分數(shù)、總質(zhì)量分數(shù)、不同密度組Agatston積分、不同直徑組Agatston積分及噪聲的差異，兩兩比較采用Bonferroni法，P＜0.05為差異有顯著的統(tǒng)計學(xué)意義。結(jié)果：各組間總Agatston積分、體積分數(shù)、質(zhì)量分數(shù)、不同密度亞組及不同直徑亞組Agatston積分均未見顯著的統(tǒng)計學(xué)差異。E組噪聲顯著大于A組（16.5±2.6 vs 8.77± 1.55，P=0.005），A組與B～D組噪聲未見顯著差異。D組輻射劑量較A組降低了62.41%（（2.53±0.06）mGy vs（6.73±0.23）mGy）。結(jié)論：IMR可在低劑量下獲得與常規(guī)劑量FBP重建相當?shù)腃ACS值及圖像質(zhì)量，最適低劑量組為D組，120 kV、30 mAs配合IMR算法，其輻射劑量比常規(guī)劑量組降低了62.41%。

冠狀動脈疾?。惑w層攝影術(shù)，X線計算機

冠狀動脈的鈣化是冠狀動脈粥樣硬化發(fā)展到一定階段的結(jié)果，是冠狀動脈粥樣硬化的標志[1]。冠狀動脈鈣化積分 （Coronary artery calcium score，CACS）作為一種經(jīng)濟、無創(chuàng)、操作簡便的檢查方法，用于定量檢測冠狀動脈鈣化的嚴重程度，廣泛應(yīng)用于中、高風(fēng)險無癥狀人群篩查以及高危人群隨診復(fù)查中。常規(guī)CACS圖像均通過多層螺旋CT前置門控掃描結(jié)合濾過反投影重建 （Filtered back projection，F(xiàn)BP）技術(shù)來獲取，其缺點是輻射劑量大。近年來，迭代重建（Iterative reconstruction，IR）技術(shù)逐漸應(yīng)用于臨床。IR可以通過顯著削減噪聲、改善圖像質(zhì)量，來達到降低輻射劑量的目的。尤其是近期，推出的全模型迭代重建 （Iterative model reconstruc tion，IMR）技術(shù)，是一種新型的完全性迭代重建技術(shù)[2]，其在冠狀動脈CT血管造影成像（Coronary CT angiography，CCTA）中的研究顯示劑量降低可達80%[3-4]，然而其在CACS方面的應(yīng)用尚罕有報道。本文擬通過對心臟鈣化模體常規(guī)劑量FBP重建與不同級別低劑量IMR重建鈣化積分及圖像質(zhì)量的比較，旨在探討IMR技術(shù)降低CACS掃描輻射劑量的能力。

1 材料與方法

1.1 掃描對象

采用冠狀動脈鈣化模體 （Thorax Phantom VD0403510& HerkalkungsinsertVD0403515）進行，該模擬心臟內(nèi)置9個鈣化柱，用以模擬冠狀動脈鈣化，這9個鈣化柱分屬于3種密度：200 mg/cm3、400 mg/cm3和800 mg/cm3，每種密度有3種直徑，分別為1 mm、3 mm、5 mm，如圖1所示。

圖1 冠狀動脈鈣化積分掃描模體。Figure 1.An cardiac coronary calcium anthropomorphic phantom.

1.2 CT數(shù)據(jù)的獲得及圖像重建

將該模體連接于心電信號發(fā)生器上，模擬心電信號，心率為60次/min。采用飛利浦公司的256層Philips Brilliance iCT，前置門控掃描，掃描觸發(fā)時相為R-R間期75%，準直器寬度為128×0.625 mm，管球轉(zhuǎn)速0.27 s/周，重建圖像層厚2.5 mm，層間距2.5 mm，視野240 mm。掃描管電壓均使用120 kV，管電流分別為80mAs、50mAs、40mAs、30mAs、20mAs，分別記作A～E組，每組掃描3次。A組采用FBP重建，B～E組采用廠家推薦的IMRsoft等級函數(shù)進行IMR重建。

1.3 鈣化積分測量方法

采用鈣化積分軟件（v3.5.0.2254）分別計算鈣化模體的Agatston積分、體積分數(shù)和質(zhì)量分數(shù)，Agatston積分法：對于密度≥130 HU，面積≥1 mm2的區(qū)域認定為鈣化，在每一個鈣化區(qū)域，以其最高CT值計算其積分值，CT值130～＜200 HU、200～＜300 HU、300～＜400 HU、≥400 HU分別對應(yīng)1～4分。然后將所有鈣化區(qū)域的密度積分乘以面積，并求和即為總Agatston積分[5]（圖2）。根據(jù)鈣化柱的密度及直徑不同，對A～E組中不同密度亞組及不同直徑亞組分別計算Agatston積分。

圖2 Agatston積分的測量。Figure 2.Agatston score measurement.

體積分數(shù)與質(zhì)量分數(shù)的測量：操作者點擊鈣化柱區(qū)域，軟件自動給出體積分數(shù)及質(zhì)量分數(shù)數(shù)值，求和即為總體積分數(shù)及總質(zhì)量分數(shù)。

體積分數(shù)和質(zhì)量分數(shù)的計算公式[6]：體積分數(shù)=∑（面積×層間距）；質(zhì)量分數(shù)=∑（面積×層間距×平均CT密度）×矯正因子。

1.4 圖像噪聲的測量

在心臟模體的中心設(shè)置感興趣區(qū)，范圍300mm2，不觸及鈣化柱，定義感興趣區(qū)CT值的標準差為圖像噪聲，測量時使用復(fù)制粘貼拷貝感興趣區(qū)功能，以保證每次感興趣區(qū)測量的大小及位置一致[7]（圖3）。

圖3 噪聲的測量。Figure 3.Noise measurement.

1.5 輻射劑量的測量

記錄各劑量組掃描后設(shè)備自動生成的CTDIvol（mGy）作為輻射劑量的劑量單位。

1.6 數(shù)據(jù)分析及統(tǒng)計學(xué)方法

采用統(tǒng)計軟件包SPSS 17.0進行統(tǒng)計分析，計量資料采用均值±標準差（±s）表示。采用單因素方差分析分別對各劑量組總Agatston積分、總體積分數(shù)、總質(zhì)量分數(shù)、噪聲、不同鈣質(zhì)含量下各劑量組（200 mg/cm3、400 mg/cm3和800 mg/cm3）的Agatston積分、不同直徑下各劑量組（1 mm、3 mm、5 mm）Agatston積分進行比較，兩兩比較使用Bonferroni法。P＜0.05為差異有顯著的統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

對于直徑為1 mm的各鈣化柱在A～E組均無法檢出。

不同劑量組鈣化模體總Agatston積分、各密度鈣化柱亞組、各直徑鈣化柱亞組的Agatston積分、總體積分數(shù)、總質(zhì)量分數(shù)，均未見顯著統(tǒng)計學(xué)差異，見表1及表2。

表1 不同劑量組總Agatston積分、各鈣質(zhì)含量亞組及各直徑亞組Agatston積分比較表

表2 不同劑量組體積分數(shù)、質(zhì)量分數(shù)及圖像噪聲比較表

不同輻射劑量組間噪聲值有顯著統(tǒng)計學(xué)差異（P=0.003）。兩兩比較顯示，A組與E組間有統(tǒng)計學(xué)差異，E組圖像噪聲顯著大于 A組 （16.5±2.6 vs 8.77±1.55），見表2。

因此，根據(jù)本研究目的可以得出與A組圖像質(zhì)量及定量積分值、體積分數(shù)及質(zhì)量分數(shù)相當?shù)淖钸m低劑量組為D組，即120 kV、30 mAs配合IMR重建組。D組輻射劑量比A組降低了62.41%（D組掃描輻射劑量為（2.53±0.06）mGy，A組掃描輻射劑量為（6.73±0.23）mGy）。

3 討論

本研究顯示，冠狀動脈鈣化評分在50 mAs、40 mAs、30 mAs、20 mAs結(jié)合IMR重建與常規(guī)劑量結(jié)合FBP重建在總Agatston積分、總體積分數(shù)及總質(zhì)量分數(shù)上均無差異。隨著劑量下降至E組（20 mAs），圖像客觀噪聲增大至16.5±2.6，與常規(guī)劑量A組（80mAs）噪聲比較有差異。

本次研究中，在應(yīng)用IMR重建時，劑量降低至20mAs，鈣化積分仍與常規(guī)劑量FBP重建組相當。此結(jié)果與既往其他迭代重建在CACS定量上的研究結(jié)果有所不同。Fuchs等[8]及Kurata等[9]分別使用ASIR技術(shù)（GE）及SAFIRE技術(shù)（西門子）對疑似冠心病患者進行研究，顯示迭代重建組與常規(guī)劑量組的A-gatston積分和體積分數(shù)有統(tǒng)計學(xué)差異，SAFIRE技術(shù)潛在改變冠心病的危險分層。van Osch等[10]對112名患者使用100%ASIR（GE）就Agatston積分、體積分數(shù)及質(zhì)量分數(shù)和FBP對比，也有統(tǒng)計學(xué)差異，并使三分之一的患者移入了較低的風(fēng)險等級。產(chǎn)生差異的原因考慮與應(yīng)用的迭代算法不同有關(guān)。既往研究均采用混合型迭代重建算法，其圖像都是在FBP的基礎(chǔ)上進行反復(fù)投射代替產(chǎn)生的，其準確性受到迭代次數(shù)影響較大，當?shù)瘮?shù)過高時，圖像失真，導(dǎo)致CACS的低估。本次研究采用的IMR重建為完全型迭代重建。它是一種以信息為基礎(chǔ)的迭代重建技術(shù)，它將數(shù)據(jù)統(tǒng)計、圖像統(tǒng)計及系統(tǒng)模型都考慮在內(nèi)，可以提供給使用者對于圖像類型控制的最優(yōu)化程序，用噪聲圖像模型來解決估計數(shù)據(jù)與真實數(shù)據(jù)之間的差別，使得圖像變得平滑，生成無噪聲的圖像，IMR的級別就是噪聲減小的級別。另外，還加入了一些已知的性能用以達到理想的分辨率并且無偽影，例如探測器采樣、角度采樣以及系統(tǒng)幾何信息[11]。綜上，使IMR在具備強大的降噪功能的同時，維持了較高的空間分辨率和密度分辨率，使得在較小的電流下，也可以產(chǎn)生與傳統(tǒng)FBP算法相當?shù)膱D像，維持了定量CACS測量的準確性。

CACS經(jīng)常被用來作為隨訪的工具，在降低輻射劑量的情況下保持CACS測量的準確性及穩(wěn)定性是必要的。噪聲增大可能導(dǎo)致假陽性出現(xiàn)，增加鈣化評分。Willemink等[12]對模體及患者的鈣化積分研究顯示，劑量等級顯著降低時，由于噪聲和偽影的增大，使得真實的鈣化積分測量點無法分辨，引起鈣化積分值增大，從而導(dǎo)致鈣化水平分類的上調(diào)，為避免此類錯誤的出現(xiàn)，本研究納入客觀噪聲作為圖像評定的標準之一，結(jié)果顯示當管電流降低至20 mAs（E組）時，即使應(yīng)用IMR重建技術(shù)，圖像噪聲與常規(guī)劑量FBP重建噪聲仍有顯著差異 （16.5±2.6 vs 8.77± 1.55，P=0.005），如應(yīng)用于患者，則具有導(dǎo)致鈣化積分增加，改變患者鈣化水平再分類的潛在風(fēng)險，因而認為D組為可以維持與A組圖像質(zhì)量及定量積分測量相當?shù)淖钸m低劑量組。

本研究中低劑量D組較常規(guī)劑量組輻射劑量降低了62.41%（（2.53±0.06）mGy vs（6.73±0.23）mGy）。此結(jié)果與den Harder等[13]的研究結(jié)果相似，其對15例離體心臟標本鈣化評分的研究顯示，劑量降低55%時，應(yīng)用IMR重建所得Agatston積分、體積分數(shù)及質(zhì)量分數(shù)與常規(guī)劑量FBP重建無統(tǒng)計學(xué)差異。此外，劑量降低程度略遜于以往IMR在冠狀動脈CTA方面的研究。Oda等[3]及 Halpern等[4]使用 Philips 256層CT對模體和人群的冠狀動脈血管造影顯示，應(yīng)用IMR算法可在將掃描劑量降低80%的條件下維持與標準劑量FBP重建相當?shù)膱D像質(zhì)量?？紤]與冠脈CTA掃描中對比劑的引入可以進一步改善信噪比和對比噪聲比，從而使對圖像的寬容度進一步提高有關(guān)。

本實驗的局限性：本實驗僅為模體實驗，得到的掃描條件尚需在臨床病例中驗證。實驗所用模體僅適合于模擬正常體型者，超重及肥胖患者的掃描條件尚待進一步研究。

綜上，對心臟鈣化模體的研究顯示，IMR技術(shù)可以顯著改善圖像質(zhì)量，在輻射劑量降低62.41%的情況下仍可得到與常規(guī)劑量FBP重建相當?shù)腃ACS積分。

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A study of iterative model reconstruction technology in a cardiac coronary calcium anthropomorphic phantom

TAN Jing,HOU Yang,GUO Wen-li,GAO Si-zhe
(Department of Radiology,Shengjing Hospital of China Medical University,Shenyang 110004,China)

Objective:To determine whether or not IMR with lower tube current could replace FBP with routine tube current,and to find the lowest possible tube current for coronary calcium scanning while maintaining accurate Agatston score, volumn score and mass score using a cadiac phantom.Meterials and Methods:An anthropomorphic thoracic and heart phantom containing 9 calcium-insert columns was used to measure the sum of the Agatston score,volumn score,mass score of the 9 columns,Agatston score of different diameter columns and different density columns.And then these measurements among different current and algorithm groups were compared.Using the measurements of 120 kV,80 mAs with traditional FBP as gold standard(Group A),the measurements with tube voltage 120 kV,and lower tube current of 50 mAs,40 mAs,30 mAs and 20 mAs with IMR algorithm were kept as group B,C,D and E,respectively.Then each measurement was compared with gold standard,with P＜0.05 as statistical significance.Result:There was no significant difference between each lower current group and group A.For noise,Group E was significantly higher than Group A(16.5±2.6 vs 8.77±1.55,P=0.005).There was no significant difference between group A and group B～D.The radiation dose of group D was 62.41%lower than that of group A ((2.53±0.06)mGy vs(6.73±0.23)mGy).Conclusion:Technology IMR with lower tube current could replace FBP with 80 mAs.The optimal low dose group is group D(IMR with 120 kV,30 mAs).The scanning dose of group D is 62.41%lower than group A.

Coronary diseases;Tomography,X-ray computed

R543.3；R814.42

A

1008－1062（2016）12－0867－04

2016-06-07

譚晶（1982-），女，遼寧鞍山人，在讀碩士研究生。E-mail：tjdk0052＠163.com

侯陽，中國醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院放射科，110004。E-mail：houyang1973＠163.com

遼寧省自然科學(xué)基金（2013021076）；2014年遼寧省高等學(xué)校創(chuàng)新團隊（LT2014017）。