全模型及混合型迭代重建算法對(duì)冠狀動(dòng)脈鈣化積分的影響

賈德召，王一婧，馬躍，馬少衛(wèi)，侯陽(yáng)*

1.中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院放射科，遼寧沈陽(yáng) 110004；2.河北省人民醫(yī)院影像科，河北石家莊 050051；

冠狀動(dòng)脈鈣化積分（coronary artery calcium score，CACS）作為公認(rèn)的冠心病危險(xiǎn)度分層的一個(gè)重要指標(biāo)得到廣泛應(yīng)用[1-2]，如何在保持CACS 穩(wěn)定的情況下降低檢查的輻射劑量是備受矚目的問(wèn)題。在降低劑量的條件下，采用傳統(tǒng)的濾波反投影（filtered back projection，F(xiàn)BP）重建算法會(huì)增加圖像噪聲及鈣化偽影，導(dǎo)致CACS 增加，從而影響患者的危險(xiǎn)度分層[3]。近年來(lái)，迭代重建（iterative reconstruction，IR）算法的應(yīng)用使圖像噪聲顯著降低，大幅減少輻射劑量，使得低劑量下獲得較準(zhǔn)確的CACS 成為可能[4]。然而，低劑量下IR 算法評(píng)價(jià)CACS 的研究多采用混合型迭代重建（hybrid iterative reconstruction，HIR），且結(jié)果并不一致，可能與各家研究采用HIR 的類(lèi)型不同及掃描劑量設(shè)置的差異有關(guān)[5]。目前，采用全模型迭代重建（iterative model reconstruction，IMR）評(píng)價(jià)CACS的研究多為模體[6]或離體實(shí)驗(yàn)[7]，應(yīng)用于臨床常規(guī)檢查的報(bào)道較少。本研究將IMR 及HIR（iDose4）與FBP重建的CACS 進(jìn)行定量比較，探討常規(guī)劑量及低劑量下不同IR 技術(shù)對(duì)CACS 定量及患者危險(xiǎn)度分層的影響。

1 資料與方法

1.1 研究對(duì)象 收集2016年10月—2017年2月中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院臨床疑診為冠心病并行冠狀動(dòng)脈CT血管成像檢查的188例患者進(jìn)行前瞻性研究。納入標(biāo)準(zhǔn)：常規(guī)劑量下FBP 重建圖像顯示存在冠狀動(dòng)脈鈣化。排除標(biāo)準(zhǔn)：心律不齊，冠狀動(dòng)脈旁路移植術(shù)后，支架術(shù)后，心臟機(jī)械瓣膜置換術(shù)后，起搏器及電除顫器植入術(shù)后，運(yùn)動(dòng)偽影及錯(cuò)層偽影。本研究經(jīng)中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)（2016PS392K），所有患者掃描前均簽署知情同意書(shū)。

1.2 掃描方法和圖像重建 采用Philips Brilliance 256 iCT 進(jìn)行常規(guī)劑量及低劑量CT 兩次掃描。掃描參數(shù)：管電壓120 kV，常規(guī)劑量管電流分別為50 mAs（體重≤90 kg）/80 mAs（體重>90 kg）；低劑量管電流分別為20 mAs（體重≤90 kg）/30 mAs（體重>90 kg）。球管轉(zhuǎn)速0.27 s/周，準(zhǔn)直器寬度128×0.625 mm，F(xiàn)OV 200 mm×200 mm。采用前置心電門(mén)控掃描，觸發(fā)時(shí)相為R-R 間期75%。心率≥70次/min 者口服β 受體阻滯劑（酒石酸美托洛爾片）25～50 mg，保證掃描時(shí)心率低于70次/min。常規(guī)劑量掃描的原始數(shù)據(jù)分別采用FBP、iDose4及IMR 算法進(jìn)行重建，分別命名為常規(guī)FBP組、常規(guī)iDose4組及常規(guī)IMR組；低劑量掃描的原始數(shù)據(jù)分別采用iDose4及IMR 算法進(jìn)行重建，分別命名為低劑量iDose4組、低劑量IMR組。iDose4迭代等級(jí)采用3級(jí)，IMR 迭代等級(jí)采用1級(jí)。重建層厚2.5 mm，層間距2.5 mm。采用CT 容積劑量指數(shù)（CT dose index volume，CTDI）、劑量長(zhǎng)度乘積（dose-length product，DLP）及有效輻射劑量（effective dose，ED）評(píng)價(jià)患者的吸收劑量。記錄掃描過(guò)程中CTDI及DLP值，根據(jù)公式（1）計(jì)算ED。

其中k 為轉(zhuǎn)換系數(shù)，取0.014 mSv/（mGy·cm）[8]。

1.3 CACS 測(cè)量 應(yīng)用CACS 軟件（Heartbeat CS v3.5.0.2254）半自動(dòng)得出患者的Agatston 評(píng)分。Agatston 法：對(duì)于斑塊面積≥1 mm2、CT值≥130 Hu 的區(qū)域認(rèn)定為鈣化，在每一個(gè)鈣化區(qū)域，以其最高CT值計(jì)算其積分，CT值130～199、200～299、300～399、≥400 Hu 分別對(duì)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[9]。將常規(guī)劑量FBP 重建的CACS>0 的受檢者，按照Agatston 積分危險(xiǎn)度分類(lèi)進(jìn)一步分為4個(gè)亞組：低風(fēng)險(xiǎn)（1～10分），低中風(fēng)險(xiǎn)（11～99分），中風(fēng)險(xiǎn)（100～399分），高風(fēng)險(xiǎn)（>400分）[10]。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 應(yīng)用SPSS 19.0軟件，不符合正態(tài)分布的連續(xù)變量以中位數(shù)（四分位數(shù)間距）表示。以常規(guī)劑量FBP 重建方法的CACS 為“金標(biāo)準(zhǔn)”，采用非參數(shù)Friedman 檢驗(yàn)分別比較不同劑量下iDose4組及IMR組與常規(guī)劑量FBP組CACS 的總體差異，組間比較采用Wilcoxon 符號(hào)秩和檢驗(yàn)，P<0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，校正P<0.017。應(yīng)用Kappa 檢驗(yàn)評(píng)價(jià)不同重建算法危險(xiǎn)度分層的一致性，從而驗(yàn)證不同重建算法是否會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)度評(píng)級(jí)的改變。并計(jì)算重新分類(lèi)率，重新分類(lèi)率=（分類(lèi)改變例數(shù)/原組例數(shù)）×100%。

2 結(jié)果

2.1 常規(guī)劑量及低劑量掃描有效劑量 188例患者的一般資料、常規(guī)劑量及低劑量掃描有效劑量見(jiàn)表1。低風(fēng)險(xiǎn)、低中風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)各亞組分別有20、67、74、27例，圖1顯示應(yīng)用迭代重建會(huì)導(dǎo)致鈣化減少。

2.2 常規(guī)劑量下不同重建算法組CACS 比較 在常規(guī)劑量下，F(xiàn)BP組與IMR組總體CACS 差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.017），iDose4組總體評(píng)分與FBP組比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而IMR組明顯低于FBP組及iDose4組。且在4個(gè)危險(xiǎn)度分層亞組內(nèi)，IMR組CACS 均較FBP組及iDose4組降低，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.017，表2）。

表1 188例患者一般資料及掃描有效劑量（±s）

表1 188例患者一般資料及掃描有效劑量（±s）

注：CTDI 為CT 容積劑量指數(shù)，DLP 為劑量長(zhǎng)度乘積，ED 為有效輻射劑量

項(xiàng)目 數(shù)值年齡（歲） 59.9±8.7 106/82 體重指數(shù)（kg/m2） 24.4±3.0 性別（男/女，例） 常規(guī)劑量 CTDI（mGy） 4.17±0.17 DLP（mGy·cm） 46.66±6.02 ED（mSv） 0.65±0.08 低劑量 CTDI（mGy） 1.67±0.08 DLP（mGy·cm） 18.77±2.38 ED（mSv） 0.26±0.03

2.3 低劑量下迭代重建算法組與常規(guī)劑量FBP組CACS 比較 低劑量條件下，低劑量IMR組總體評(píng)分及各亞組評(píng)分均低于常規(guī)FBP組及低劑量iDose4組。低劑量iDose4組總體評(píng)分與常規(guī)FBP組比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但是在高風(fēng)險(xiǎn)組，其CACS 高于常規(guī)FBP組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.017，表3）。

2.4 迭代重建算法對(duì)患者危險(xiǎn)度分層的影響 常規(guī)FBP組與常規(guī)iDose4組、常規(guī)IMR組、低劑量iDose4組及低劑量IMR組受檢者危險(xiǎn)度分層的一致性：Kappa值=0.969、0.786、0.853、0.633，iDose4重建與FBP 重建組分層的一致性?xún)?yōu)于IMR。其中常規(guī)劑量下iDose4一致性最好，低劑量下IMR 最差。迭代重建各組的重新分類(lèi)率為1.6%～26.1%。

與常規(guī)FBP組相比，常規(guī)iDose4組有3例患者危險(xiǎn)度分層發(fā)生改變，均下降1個(gè)風(fēng)險(xiǎn)度等級(jí)。常規(guī)IMR組27例發(fā)生改變，均下降1個(gè)風(fēng)險(xiǎn)度等級(jí)。低劑量iDose4組19例發(fā)生改變，其中13例下降1個(gè)風(fēng)險(xiǎn)度等級(jí)，6例提高1個(gè)風(fēng)險(xiǎn)度等級(jí)。低劑量IMR組49例發(fā)生改變，其中46例降低1個(gè)風(fēng)險(xiǎn)度等級(jí)，2例降低2個(gè)風(fēng)險(xiǎn)度等級(jí)，1例提升1個(gè)風(fēng)險(xiǎn)度等級(jí)（表4）。

圖1 47歲，冠狀動(dòng)脈前降支近段鈣化。A～E 分別為常規(guī)FBP組、常規(guī)iDose4組、常規(guī)IMR組、低劑量iDose4組、低劑量IMR組的重建圖像，鈣化大小分別6.26、6.10、5.65、5.99、4.27。常規(guī)FBP組與應(yīng)用iDose4 重建方法的兩組無(wú)顯著差異，但明顯高于應(yīng)用IMR 重建方法的兩組

表2 常規(guī)劑量下不同重建算法組CACS 比較[M（Q1，Q3）]

表3 低劑量迭代重建算法組與常規(guī)劑量FBP組CACS 比較[M（Q1，Q3）]

表4 各組患者基于CACS 危險(xiǎn)度分層分布情況[例（%）]

3 討論

本研究表明，混合型迭代重建iDose4在常規(guī)劑量及低劑量下均與FBP 重建的CACS值無(wú)顯著差異。兩種算法具有較好的危險(xiǎn)度分層一致性。而全模型迭代重建IMR 較FBP 重建低估CACS，從而使冠心病危險(xiǎn)度分層發(fā)生改變。

3.1 IMR 重建算法對(duì)CACS 的影響 IMR 為完全型迭代重建，該算法整合了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、圖像統(tǒng)計(jì)和系統(tǒng)模型，在保證圖像質(zhì)量的前提下可以顯著降低輻射劑量[11]。然而，本研究結(jié)果表明，應(yīng)用IMR 在常規(guī)劑量及低劑量下冠狀動(dòng)脈鈣化斑塊邊緣更為清晰，部分低CT值的鈣化斑塊在應(yīng)用IMR 重建后CT值會(huì)減低，甚至發(fā)生鈣化消失的現(xiàn)象，導(dǎo)致積分值均較常規(guī)劑量FBP 重建算法減少。這一發(fā)現(xiàn)與既往應(yīng)用IMR進(jìn)行冠狀動(dòng)脈CTA 評(píng)價(jià)的文獻(xiàn)一致，IMR 重建會(huì)使冠狀動(dòng)脈CTA 中血管的邊緣更為清晰，尤其是在有鈣化斑塊的節(jié)段[12]。Willemink 等[13]對(duì)于離體心臟標(biāo)本的冠狀動(dòng)脈進(jìn)行不同劑量掃描并結(jié)合不同等級(jí)的IMR 重建，發(fā)現(xiàn)IMR 重建算法下Agatston 積分減低。Karolyi 等[11]的研究結(jié)果同樣顯示在常規(guī)劑量下，IMR重建會(huì)明顯減少鈣化體積。上述結(jié)果均反映IMR 算法可以降低鈣化斑塊的“光暈”偽影和部分容積效應(yīng)，從而使斑塊邊緣顯示更為清晰，CACS值較傳統(tǒng)FBP算法更小。

3.2 iDose4重建算法對(duì)CACS 的影響 常規(guī)劑量下，iDose4組與FBP組的CACS 基本一致。在低劑量下，iDose4算法高危亞組的CACS 有升高的傾向。既往研究同樣觀察到低管電流下會(huì)導(dǎo)致CACS 增高，這種現(xiàn)象可能是由于低劑量下圖像噪聲及嚴(yán)重鈣化斑塊的暈狀偽影增加導(dǎo)致[13]，而iDose4重建算法無(wú)法完全抑制嚴(yán)重的鈣化斑塊的暈狀偽影。

此外，迭代等級(jí)也會(huì)影響CACS 的定量評(píng)估。Takx 等[14]、王勇等[15]及van der Werf 等[16]的研究表明，隨著迭代等級(jí)增高，CACS 減低。本研究應(yīng)用中等迭代等級(jí)的iDose4重建算法，常規(guī)劑量下總體、各亞組及低劑量下總體CACS 與常規(guī)劑量FBP組差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。這一結(jié)果與Takx 等[14]的研究結(jié)果基本一致[11]，表明迭代等級(jí)與劑量降低的程度匹配才能維持CACS 定量的穩(wěn)定性。

3.3 迭代重建算法對(duì)患者危險(xiǎn)度分層的影響 迭代重建算法會(huì)導(dǎo)致患者危險(xiǎn)度分層的改變。其中IMR 重建算法的改變較大，常規(guī)劑量及低劑量下IMR組的重新分類(lèi)率分別為14.4%和26.1%；iDose4重建對(duì)危險(xiǎn)分層影響較小，常規(guī)劑量及低劑量下iDose4組的重新分類(lèi)率分別為1.6%和10.1%，與既往研究結(jié)果[17]類(lèi)似，表明應(yīng)用IMR 重建會(huì)明顯導(dǎo)致CACS 的危險(xiǎn)分層改變。因?yàn)槲ｋU(xiǎn)度的改變可能會(huì)影響患者的臨床治療，所以在高危險(xiǎn)度分層合并高危因素（高血壓、糖尿病等）的情況下尤其應(yīng)該注意這種現(xiàn)象，本研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)劑量下3例患者由高危險(xiǎn)度再分類(lèi)到中危險(xiǎn)度，低劑量下4例由高危險(xiǎn)度再分類(lèi)至中危險(xiǎn)度，這部分患者在應(yīng)用IMR 重建時(shí)需要注意，避免由于重建算法的不同對(duì)臨床決策發(fā)生不利的影響[7]。值得注意的是，應(yīng)用IMR 重建算法時(shí)，常規(guī)劑量組6例、低劑量組12例出現(xiàn)CACS為零的情況，表明應(yīng)用IMR重建在低風(fēng)險(xiǎn)組可能會(huì)導(dǎo)致假陰性。但鑒于低風(fēng)險(xiǎn)組的危險(xiǎn)度較小，不會(huì)產(chǎn)生明顯的臨床意義。而中等迭代等級(jí)的iDose4算法對(duì)CACS 危險(xiǎn)度分層影響較小，因此應(yīng)用iDose4算法的CACS 定量無(wú)論是常規(guī)劑量還是低劑量下，均可以相對(duì)安全地應(yīng)用于臨床危險(xiǎn)度評(píng)估。

本研究的局限性：①病例數(shù)較少，尚需大樣本研究進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)果。②掃描設(shè)定的劑量水平及迭代重建的等級(jí)比較單一，需進(jìn)一步探討不同的掃描劑量及迭代重建等級(jí)組合的結(jié)果，更全面地分析迭代重建技術(shù)的最佳適應(yīng)劑量及迭代等級(jí)。③所有測(cè)量均由同一人完成，但是這也會(huì)減少觀察者的誤差。

總之，中等迭代等級(jí)的HIR（iDose4）技術(shù)對(duì)CACS及危險(xiǎn)度分層評(píng)價(jià)的影響無(wú)明顯差異，IMR 會(huì)對(duì)CACS 定量及危險(xiǎn)度分層產(chǎn)生明顯影響。因此，IMR應(yīng)用于評(píng)定臨床CACS 時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎。