能譜CT單能量重建結合迭代算法對冠狀動脈優(yōu)化顯示的初步探討

潘存雪 邢 艷 古麗娜·阿扎提 黨 軍 劉文亞

作者單位：新疆醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院影像中心

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能譜CT單能量重建結合迭代算法對冠狀動脈優(yōu)化顯示的初步探討

潘存雪 邢 艷 古麗娜·阿扎提 黨 軍 劉文亞*

作者單位：新疆醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院影像中心

【摘要】目的：評價能譜CT單能量重建技術結合ASIR重建算法對冠脈優(yōu)化顯示的作用；方法：前瞻性收集能譜冠狀動脈CT檢查20例，患者均采用能譜掃描模式、單源瞬時（0.5 ms）管電壓（140、80 kVp）切換技術行心臟能譜CT檢查。將掃描獲得的原始圖像采用40%自適應統(tǒng)計迭代重組技術重組為軸位單能量圖像（60、70、80、90、100、110、120、130、140 keV），并常規(guī)重組軸位混合能量圖像。在不同重建模式下，分別測量主動脈根部、左主干、前降支中段、右冠狀動脈根部、右冠狀動脈中段血管腔內的噪聲，信噪比、對比噪聲比。將9個單能量水平的上述測量指標分別與混合能量的對應指標進行統(tǒng)計學分析比較，統(tǒng)計學比較方法均采用隨機區(qū)組設計的方差分析。結果：①噪聲：混合能量水平主動脈根部、左主干、右冠狀動脈根部、前降支中段、右冠狀動脈中段血管腔內的噪聲分別為（24.32±5.84）HU、（25.65±10.83）HU、（33.27±11.95）HU、（42.16±15.52）HU、（35.58±13.21）HU，隨著keV上升噪聲逐漸下降，與混合能量相比，所測冠脈噪聲均在90～140keV水平得到了改善（P均＜0.05），其中除主動脈根部血管腔內噪聲在130keV達到最低水平（10.85±2.49）HU外，余各測量位置血管腔內的噪聲均在140keV水平達到最低水平，分別為左主干（10.65±6.55）HU、右冠狀動脈根部（13.07±5.06）HU、前降支中段（21.94±8.31）HU、右冠中段（16.83±6.05）HU；②信噪比：混合能量水平主動脈根部、左主干、右冠狀動脈根部、前降支中段、右冠狀動脈中段血管腔內的信噪比分別11.47±1.97、15.23±7.51、10.19±3.98、6.94±2.85、7.60±3.28，與混合能量相比，上述測量點信噪比分別在60～90keV、60～80keV、60～70keV、60keV、60～70keV水平得到明顯改善（P均＜0.05），且均在60keV水平得到最佳改善，分別為22.20±5.74、23.82±11.19、16.61±8.15、8.78±3.67、8.91±4.12；3、對比噪聲比：混合能量水平主動脈根部、左主干、右冠狀動脈根部、前降支中段、右冠狀動脈中段血管腔內的對比噪聲比分別18.68±6.90、18.74±7.12、17.58±6.56、12.29±2.40、17.88±7.16，與混合能量相比，上述測量點對比噪聲比分別在60～80keV、60～80keV、60～80keV、60～70keV、60～70keV水平得到明顯改善（P均＜0.05），其中前降支中段的對比噪聲比在60keV得到了最佳改善，為17.82±5.40，余各測量點的對比噪聲比均在70keV水平得到了最佳改善，分別為主動脈根部29.73±8.46、左主干28.69±7.65、右冠狀動脈根部25.70±7.59、右冠狀動脈中段21.62±10.23；結論：冠狀動脈能譜CT成像的單能量圖像結合迭代重建算法，能夠有效降低冠脈的噪聲，提高冠脈信噪比及對比噪聲比，從而達到優(yōu)化冠脈顯示的目的。

【關鍵詞】冠狀動脈；能譜CT成像；迭代重建

中國醫(yī)學計算機成像雜志，2016，22：176-181

Chin Comput Med Imag，2016，22：176-181

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冠狀動脈CT造影（CT coronary angiography，CTCA）是目前臨床無創(chuàng)診斷冠脈狹窄性疾病的最常用檢查手段［1-2］，然而由于支架、鈣化等產生的偽影常導致常規(guī)冠脈CTA對冠脈狹窄的過度診斷，有初步研究認為雙能量CT能夠改善這種現(xiàn)象［3-4］，加之最新的能譜純化技術已經可以與自適應統(tǒng)計迭代重建（adaptive statistical iterative reconstruction，ASIR）技術結合使用，允許操作者根據需要選擇不同水平的ASIR重建單能量圖像，從而在不增加輻射計量的同時進一步提高冠脈CTA的圖像質量［5-7］。目前，本研究擬通過對單源雙能量冠狀動脈CTA檢查40%ASIR重建的單能keV圖像與常規(guī)混合能量kVp圖像的比較分析，評價能譜CT單能量重建技術結合迭代重建算法對冠狀動脈優(yōu)化顯示的作用。

方 法

1.臨床資料

連續(xù)收集2013年10月至2014年1月間在新疆醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院影像中心成功行單源雙能量CTCA掃描的患者27例，按照擬定的納入排除標準，將其中20例納入研究，其中男性11例，女性9例，年齡范圍36～68歲，平均年齡54.75±9.97歲。納入標準：以往未曾行冠狀動脈介入術的疑似冠心病患者。排除標準：①既往有心肌梗死、冠狀動脈腔內成形術、冠狀動脈支架置入術及冠狀動脈搭橋術史；②復雜先天性心臟病；③起搏器或內部除顫器植入患者；④心律失常或心動過速；⑤血清肌酐水平大于1.5 mg / dl；⑥已知的碘過敏；⑦懷孕婦女；⑧BMI＞35。

2.CT檢查方法

所有檢查均在GE寶石CT（HDCT 750，GE Healthcare，Milwaukee，WI）完成。①掃描前準備：研究對象均為竇性心律，必要時檢查前使用倍他樂克25～50 mg口服，使掃描時心率控制在65次/min以下；掃描前先用22 G套管針穿刺肘靜脈，連接心電門控，對患者進行呼吸訓練等準備工作；②掃描模式：寶石能譜掃描（Gemstone Spectral Imaging，GSI），采用單源瞬時（0.5ms）kVp（140kVp和80kVp）切換技術，管電流為600mA，機架旋轉速度為0.35s/轉，探測器寬度40mm。掃描延遲時間均根據小劑量預注射時間確定，掃描范圍自氣管隆突下2 cm至膈下2 cm；③對比劑注射：采用高壓注射器（德國 Ulrich Missouri XD2314 ） 自肘前靜脈團注碘海醇（350mgI/ml），對比劑用量（ml）=體重（kg）×0.8ml/kg，采用相同的對比劑注射時間（12s），對比劑流率（ml/s）=對比劑用量（ml）/12s［8］。

3.圖像分析

將掃描獲得的原始圖像按間隔10keV，使用自適應統(tǒng)計迭代重建技術（40% ASIR）分別重建60～140KeV的軸位圖像，并常規(guī)重建混合能量的圖像，層厚層間距均為0.625mm。采用原始軸位圖像，對10組圖像在相同層面同時進行測量。分別選取在主動脈根部（aorta root，AO-r）、左主干（left main artery， LMA）、前降支中段（mid-left anterior descending artery ，mid-LAD ）、右冠狀動脈根部（right coronary artery root， RCA-r）、右冠狀動脈中段（mid-right coronary artery， mid-RCA）進行冠脈CT值的測量，感興趣區(qū)（ROI）放在各感興趣血管段腔內，主動脈根部ROI面積200mm2，余分支ROI面積5 mm2，可根據血管直徑大小選擇圓形或橢圓形，并盡量避開鈣化、斑塊及狹窄；同時測量主動脈根旁脂肪組織，左心室中部前壁心肌，四腔心層面右房室間溝脂肪作為計算對比噪聲比（contrast-to-noise-ratio， CNR）時的背景，ROI面積均為20mm2。CT值的標準差（standard deviation， SD）定義為圖像噪聲（Image Noise）。 信噪比（signal-to-noise-ratio， SNR）=血管CT值/血管噪聲；對比噪聲比CNR=（血管CT值-血管周圍背景組織CT值）/血管周圍背景組織噪聲，其中AO、LMA根部、RCA根部的背景組織選取為主動脈根旁脂肪組織，LAD中段的背景組織選取為左心室中部前壁心肌，RCA中段的背景組織選取為四腔心層面右房室間溝脂肪。

4.統(tǒng)計學分析

使用SPSS17.0統(tǒng)計軟件包進行統(tǒng)計分析。不同單能量水平血管SD，SNR，CNR與混合能量水平對應指標的比較，均采用隨機區(qū)組設計的方差分析，檢驗水準取0.05。

結 果

1、SD

與混合能量相比，所有測量點的冠脈噪聲均在80～140 keV水平得到了改善（P均＜0.05），且隨著keV的上升，冠脈噪聲逐漸下降。具體見表1。

2、SNR

與混合能量相比，AO-r、LMA、RCA-r、mid-LAD、mid-RCA的SNR分別在60～90keV、60～80keV、60～70keV、60keV、60～70keV水平得到明顯改善（P均＜0.05），且均在60keV水平得到最佳改善，相比于混合能量SNR提高的程度分別為93.55%、56.4%、63%、26.51%、17.23%。具體結果見表2。

3、CNR

與混合能量相比，AO-r、LMA、RCA-r、mid-LAD、mid-RCA的CNR分別在60～80keV、60～80keV、60～80keV、60～70keV、60～70keV水平得到明顯改善（P均＜0.05），其中前降支中段的對比噪聲比在60Kev得到了最佳改善，相比于混合能量CNR提高程度為45%，余各測量點CNR均在70keV水平得到了最佳改善，相比于混合能量CNR提高程度分別為AO-r 69%、LMA 63.34%、RCA-r 57.45%、mid-LAD25.28%。具體結果見表3。

4、輻射劑量

本組患者具體輻射劑量如下：CTDI （65.24±8.43）mGy，DLP（333.96±32.67）mGy×cm，ED （4.68±0.46）mSv。

表1 噪聲（SD）

表2 信噪比（SNR ）

表3 對比噪聲比 （CNR）

圖1 A～C.分別為常規(guī)混合能量、60keV+40%Asir、140keV+40%Asir重建條件下LCX的MPR圖像，LCX近段可見一混合斑塊，合并局部管腔輕度狹窄，LCX遠段可見一鈣斑，合并局部管腔輕度狹窄；相對于常規(guī)混合能量圖像（A），140keV+40%Asir（C）圖像噪聲下降，但組織對比度亦下降，LCX管壁及病變邊緣顯示清晰度欠佳，60keV+40%Asir（B）圖像噪聲明顯下降，LCX管壁及病變的邊緣顯示更加清晰銳利。

討 論

近年來，CT的發(fā)展日新月異，各種成像及重組技術極大地促進了CT在臨床實踐中的應用，CT能譜成像技術更是把CT成像帶入了一個全新的時代，其可對原始圖像進行重建，生成40～140 keV的101個單能量圖像，并能夠進一步對人體組織進行定性與定量分析，大量研究顯示雙能量CT成像的單能量圖像能夠降低圖像噪聲，提高信噪比及對比噪聲比，去除硬化偽影，從而達到優(yōu)化圖像質量的目的［9-11］。迭代重建（iterative reconstruction，IR）算法是目前研究低劑量冠脈成像的熱點，它能夠在保證冠狀動脈腔內強化程度不變的同時明顯降低圖像噪聲，改善圖像質量，減低放射線劑量［12-14］。不同程度的迭代對圖像質量的改善程度不同，隨著迭代程度的增加，圖像的噪聲逐漸下降，SNR及CNR逐漸增加，而過度迭代則可導致“蠟像樣偽影”。有學者研究證明，40%～60%的迭代重建能夠最大程度的改善圖像質量，提升診斷者的信心［12］。本研究即通過40%ASIR重建單能量圖像與常規(guī)混合能量圖像的比較分析來探討能譜CT單能量重建技術結合迭代重建算法對冠狀動脈優(yōu)化顯示的作用。

該研究在計算CNR時，考慮到心包不同部位脂肪密度及不同部位冠脈臨近組織分布特點存在一定程度差異，故在選擇冠脈背景組織時，根據血管的分布走行特點，選取了幾種不同的背景組織：其中AO-r、LMA、RCA的背景組織均選取為主動脈根旁脂肪組織；mid-LAD因走行往往與心肌臨近，且好發(fā)心肌橋，故背景組織選取為左心室中部前壁心肌；mid-RCA因走行于右側房室間溝內，且該部位受心臟搏動偽影較大，故背景組織選取為四腔心層面右房室間溝脂肪。

研究結果顯示與混合能量相比，AO-r、LMA、RCA-r、mid-LAD、mid-RCA的SNR得到明顯改善的單能量水平個數(shù)分別為4、3、2、1、2，最佳改善程度分別為93.55%、56.4%、63%、26.51%、17.23%， CNR得到明顯改善的Kev個數(shù)分別為3、3、3、2、2，最佳改善程度分別為69%、63.34%、57.45%、45%、25.28%，從上述數(shù)據我們可以看出，冠脈近心端管腔內（LMA，RCA-r）的SNR 及CNR得到改善的單能量水平個數(shù)均較冠脈遠心端（mid-LAD、mid-RCA）多，且改善程度也較高，這可能與冠脈遠心端血管直徑較近心端血管直徑細，且遠心端血管受心臟搏動影響更大有關。隨著keV的上升，各測量位置冠脈管腔內噪聲均呈逐漸下降趨勢，并在140keV+40%Asir的重建條件下達到最低，而SNR及CNR則在60keV+40%Asir、70keV+40%Asir的重建條件下得到最佳改善，相對于常規(guī)混合能量圖像，60keV+40%Asir較140keV+40%Asir提供可更加清晰可靠的圖像，見圖1。

本研究的局限性在于研究樣本含量較少，這在一定程度上限制了研究的效能；其次本研究未將能譜Kev CTCA圖像與常規(guī)120kVp CTCA圖像做對比，這些不足都有待進一步研究來完善。

綜上所述，能譜CT單能量重建技術結合ASiR算法能夠有效降低冠狀動脈噪聲，提高信噪比及對比噪聲比，從而達到優(yōu)化冠狀動脈顯示的目的。

參 考 文 獻

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Monochromatic Imaging Combined with ASIR of Dual Energy Spectral CT for Optimized Coronary Artery Imaging

PAN Cun-xue， XING Yan， GULINA Azhati， DANG Jun， LIU Wen-ya

【Abstract】Purpose: To evaluate the image quality of monochromatic reconstruction combined with ASIR of coronary artery CT angiography （CCTA） by the use of Gemstone Spectral Imaging （GSI）. Methods: Twenty patients who received CCTA on single-source dual-energy CT were enrolled in this study prospectively. The scanning mode was GSI， single-source instantaneous （0.5ms） kVp （140kVp and 80kVp） switch. The original images acquired were reconstructed into monochromatic energy （60， 70， 80， 90， 100， 110， 120， 130， 140 keV） axial images via 40% ASIR and the polychromatic axial images. The standard deviation （SD）， signal-to-noise ratios（SNR） and contrast-to-noise ratios（CNR） were measured in aortic root， LMA， RCA root， mid-LAD and mid-RCA at different monochromatic energy levels and polychromatic images. Randomized block designed ANOVA were used to compare the difference of SD， SNR， CNR between monochromatic images and polychromatic images. Results: 1. The SD of aortic root，LMA， RCA root， mid-LAD， and mid-RCA at polychromatic images were （24.32±5.84） HU， （25.65±10.83） HU，（33.27±11.95） HU， （42.16±15.52） HU， and （35.58±13.21） HU. They were decreased when keV was increased， and all got the lowest level at 140keV images ［SDLMA （10.65±6.55） HU， SDmid-LAD （21.94±8.31） HU， SDRCA root （13.07±5.06） HU and SDmid-RCA （16.83±6.05） HU］ except SDaortic root got the lowest level （10.85±2.49）HU at 130 keV images； 2. The SNR of aortic root， LMA， RCA root， mid-LAD， and mid-RCA at polychromatic images were 11.47±1.97， 15.23±7.51， 10.19±3.98， 6.94±2.85， and 7.60±3.28， they were improved at （60-90）keV， （60-80）keV， （60-70）keV， 60keV and （60-70）keV images （P＜0.05）， and got the highest level at 60keV images （SNRaortic root 22.20±5.74， SNRLMA 23.82±11.19， SNRmid-LAD8.78±3.67， SNRRCA root 16.61±8.15 and SNRmid-RCA 8.91±4.12）； 3. The CNR of aortic root， LMA， RCA root， mid-LAD and mid-RCA at polychromatic images were 18.68±6.90， 18.74±7.12， 17.58±6.56， 12.29±2.40， and 17.88±7.16， they were improved at （60-80）keV， （60-80）keV， （60-80）keV， （60-70）keV， （60-70）keV images （P＜0.05）， and got the highest level at 60keV images in LAD （17.82±5.40）， at 70 keV images in all the other locations （CNRaortic root 29.73±8.46， CNRLMA 28.69±7.65，CNRRCA root 25.70±7.59 and CNRmid-RCA 21.62±10.23）. Conclusion: Compared with the polychromatic images，monochromatic energy images combined with ASIR resulted in significant SD reduction and SNR， CNR increment，thus coronary artery imaging could be optimized.

【Key words】Coronary artery； Spectral CT imaging； Iterative reconstruction

收稿時間：（2015.03.19；修回時間：2016.01.20）

基金項目：新疆烏魯木齊市科技局科學技術計劃項目，Y121320019

通信作者：劉文亞 （電子郵箱：13999202977@163.com）

通信地址：新疆烏魯木齊市 鯉魚山南路137號 ，烏魯木齊 830054

中圖分類號：R814.42

文獻標志碼：A

文章編號：1006-5741（2016）-02-0176-06