全迭代重建技術(shù)在心臟冠狀動脈CTA中的應(yīng)用現(xiàn)狀

江蘇省南京醫(yī)科大學(xué)附屬蘇州醫(yī)院放射科 (江蘇 蘇州 215002)

錢偉亮 許建銘

心臟冠狀動脈血管成像(coronary CT angiography，CCTA)由于其高敏感度和陰性預(yù)測值是目前無創(chuàng)診斷冠狀動脈疾病的重要手段[1]，但其潛在的輻射劑量和對比劑用量危害一直是人們關(guān)注的焦點。迭代重建(iterative reconstruction，IR)技術(shù)可以提高圖像質(zhì)量、降低輻射劑量[2]，國內(nèi)最新指南[3]亦推薦使用IR進(jìn)行圖像重建。由于計算能力的提升以及設(shè)備硬件、軟件的發(fā)展，IR技術(shù)發(fā)展迅速，其中全迭代重建技術(shù)是最新形式，在降低CTA輻射劑量上比以往IR技術(shù)更有潛 力[4]，在減少對比劑用量[5]、提高診斷準(zhǔn)確性[6]和血管斑塊分析[7]等方面也有很大價值。本文就全迭代重建技術(shù)在CCTA的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

1 全迭代重建技術(shù)的原理

全迭代重建技術(shù)是對X射線束從焦點到探測器的整個光學(xué)采集過程建立多個模型，不僅考慮了噪聲模型，還包括解剖模型、幾何模型和系統(tǒng)模型等平臺，在重建過程中確立數(shù)據(jù)統(tǒng)計模型以及圖像統(tǒng)計模型，考慮到了焦點尺寸、X線束寬度、體素大小、探測器像素尺寸和光束和探測器之間的相互作用等因素，并且通過不斷迭代來減少掃描模型與采集數(shù)據(jù)之間的差異，最終更真實準(zhǔn)確的還原掃描信息，獲取最優(yōu)化的圖像。有別于既往的IR技術(shù)，它是純模型迭代，不包含F(xiàn)BP成分，獲取的空間分辨率與對象的對比度和噪聲水平是非線性變化 的[8-9]。目前在臨床上應(yīng)用的主要包括GE的基于模型的迭代重建(model-based iterative reconstruction，MBIR)即VEO技術(shù)、Philips的全模型迭代重建(iterative model reconstruction，IMR)和Toshiba的基于正投影模型的迭代重建法(forward projected model-based iterative reconstruction solution，F(xiàn)IRST)。

2 全迭代重建技術(shù)在CCTA中的應(yīng)用

2.1 降低輻射劑量 降低CCTA輻射劑量的主要手段包括：降低管電流、降低管電壓、大螺距掃描、前瞻性心電門控的使用以及IR技術(shù)的應(yīng)用。目前降低CCTA輻射劑量的方式除了調(diào)整掃描條件外，更多的是結(jié)合IR的使用[10]。有學(xué)者[11-12]在動物模型中分別采用低管電壓和低管電流聯(lián)合IMR重建的方法評估低劑量CCTA的可行性，認(rèn)為利用80kV或最低70%的管電流成像條件，IMR可提高實驗豬模型冠狀動脈圖像質(zhì)量并且滿足診斷要求。Yuki H等[13]利用100kV聯(lián)合IMR行成人CCTA成像，對比冠狀動脈的三個主要分支，相較FBP和iDose4，除了血管內(nèi)CT值無差異外，IMR圖像的噪聲明顯下降、CNR明顯升高，初步證實了全迭代重建在低劑量成人CCTA中的可行性。Park CH等[14]進(jìn)一步降低管電壓至80kV并聯(lián)合前瞻性心電門控行CCTA成像，發(fā)現(xiàn)IMR的圖像質(zhì)量仍優(yōu)于FBP和iDose4，其輻射劑量僅為0.89mSv。蔣耀軍等[15]利用前瞻性心電門控聯(lián)合低管電壓掃描條件，將BMI≥25kg/m2的患者管電壓設(shè)置為100kV，其余設(shè)為80kV，發(fā)現(xiàn)IMR的圖像更能降低噪聲、偽影，提高血管內(nèi)CT值、SNR和CNR，相較于指南[3]推薦的管電壓進(jìn)一步降低，也說明了利用全迭代重建的低管電壓成像適用范圍更廣。究其原因，主要是由于80kV的X射線光子能量靠近的碘的吸收峰，利于血管成像，而全迭代重建技術(shù)的強(qiáng)去噪性能可以避免因降低掃描條件后產(chǎn)生高噪聲的缺點，最終能確保良好的圖像質(zhì)量[5]。Fuchs TA等[16]對管電流、管電壓進(jìn)行大幅度調(diào)控后行CCTA掃描，利用MBIR重建獲得的輻射劑量最低僅為0.21mSv，相當(dāng)于一張胸片的劑量，進(jìn)一步證實了全迭代重建應(yīng)用在低劑量CCTA上的潛力。

2.2 降低對比劑量 降低對比劑量主要包括降低對比劑的用量和濃度，最終目的都是為了減少碘的攝入量，減少對比劑腎病的發(fā)生。Zhang F等[5]采用80kV聯(lián)合IMR行CCTA時，將對比劑用量從70ml降低到35ml，對比劑速從(4.5-5.5)ml/s降低到(3.5-4.5)ml/s，發(fā)現(xiàn)低劑量組CCTA圖像在血管內(nèi)CT值、SNR和CNR都優(yōu)于常規(guī)組(100kV聯(lián)合iDose4)，在顯示冠脈遠(yuǎn)端分支時甚至更有優(yōu)勢，而該方案能降低52.4%的碘攝入率((1.0±0.5)gI/s、(2.1±0.5)gI/s)和56.4%的輻射劑量((2.4±1.2)mSv、(5.5±1.4)mSv)。而Iyama Y等[17]將對比劑濃度從370mgI/kg降至222mgI/kg，同時縮短注射速率(15s降至12s)，通過調(diào)整對比劑濃度及速率來減少碘攝入量(18.5mgI/kg/s、24.7mgI/kg/s)，同時降低管電壓(120kV降至80kV)，評估不同重建技術(shù)行“雙低”CCTA的可行性，發(fā)現(xiàn)IMR圖像在主觀和客觀評價方面都有優(yōu)勢，而新方案可以減少40%對比劑劑量((35.7±8.4)ml、(59.7±9.0)ml)和74%輻射劑量((1.4±0.1)mSv、(5.4±0.5)mSv)。降低對比度用量、濃度和注射速率可能導(dǎo)致血管內(nèi)增強(qiáng)不足而影響診斷，而利用低管電壓聯(lián)合全迭代重建卻依舊能保持良好的圖像質(zhì)量，一方面低管電壓可以減少輻射劑量，且其平均光子能量更接近碘的K峰邊緣33keV，會導(dǎo)致高碘對比劑增強(qiáng)，有利于血管成像，另一方面由于低管電壓穿透力下降會導(dǎo)致圖像噪聲升高，不利于產(chǎn)生良好的圖像質(zhì)量，使得低管電壓并不常規(guī)適用于臨床。而全迭代重建在降低圖像噪聲方面優(yōu)勢顯著，正好能彌補(bǔ)低管電壓的劣勢，因此兩者的聯(lián)合使用是目前雙低CCTA的熱點研究和發(fā)展趨勢。

2.3 病變評估

2.3.1 圖像質(zhì)量：相比FBP和HIR，全迭代重建能降低圖像噪聲、減少硬化束偽影、提高血管銳利度、提高診斷信心，也能提高血管內(nèi)CT值、SNR和CNR，在冠狀動脈遠(yuǎn)端分支顯影方面也有優(yōu)勢[5-6，11-15，17]，也能更好的識別解剖結(jié)構(gòu)[18-19]。然而，也有學(xué)者在胸部[20]、腹部[21]研究中提到全迭代重建由于去噪能力過強(qiáng)而導(dǎo)致圖像過度平滑，可能會丟失部分解剖學(xué)細(xì)節(jié)，這也是指南[3]不推薦迭代重建過高權(quán)重設(shè)置的原因。通過重建條件的合理選擇、優(yōu)化設(shè)置可能會使降噪和失真達(dá)到平衡，減少對整體圖像質(zhì)量的影響[22-23]。

2.3.2 狹窄程度：Benz DC 等[6]以數(shù)字減影血管造影(digital subtraction angiography，DSA)為標(biāo)準(zhǔn)，評估MBIR和不同權(quán)重HIR對于CCTA診斷冠狀動脈狹窄的影響，認(rèn)為MBIR的診斷特異度和準(zhǔn)確度均高于HIR，而診斷敏感度無差異，推測可能是由于MBIR的低噪聲和高SNR所導(dǎo)致。Stehli J 等[24]進(jìn)一步以低管電壓聯(lián)合MBIR行CCTA掃描并對照DSA，在取得的輻射劑量僅為(0.29±0.12)mSv時發(fā)現(xiàn)其診斷患者血管狹窄程度大于50%時的敏感度、特異度、陽性預(yù)測值、陰性預(yù)測值和準(zhǔn)確度分別為100%，74%，77%，100%和86%。目前基于全迭代重建CCTA的研究主要在集中在降低輻射劑量、提高圖像質(zhì)量等可行性方面，仍需要更多的研究來評估與DSA的一致性。

2.3.3 斑塊分析：除了對于管腔狹窄程度的判斷，斑塊分析也是人們關(guān)注的焦點。Scheffel H等[25]發(fā)現(xiàn)MBIR比FBP和HIR能更好的顯示冠狀動脈粥樣硬化斑塊，F(xiàn)unama Y等[26]進(jìn)一步分析不同重建方式對斑塊測量的影響，認(rèn)為FIRST能增加斑塊的密度和對比度，從而提高斑塊的可視化程度。而Precht H等[27]認(rèn)為VEO測量的斑塊體積和負(fù)荷均呈減小趨勢，但密度沒變化，Karolyi M 等[28]也同樣認(rèn)為IMR測量的斑塊體積小于FBP和HIR。Puchner SB 等[29]利用斑塊自動分析軟件對FBP、HIR和MBIR圖像分析，發(fā)現(xiàn)MBIR圖像需要人工手動修正血管內(nèi)外壁邊界的比例顯著低于前兩者，特別是在鈣化的部位，并且MBIR圖像所需的分析時間最短，其團(tuán)隊又以血管內(nèi)超聲測量斑塊為標(biāo)準(zhǔn)，利用自動化軟件分別對FBP、ASIR和MBIR圖像分析，發(fā)現(xiàn)MBIR圖像的符合率更高[7]，并又從組織學(xué)上證實MBIR在檢出脂質(zhì)體斑塊的優(yōu)勢[30]。這些研究展示了全迭代重建圖像在斑塊評估方面的潛力，為自動化評估血管斑塊提供了潛在的臨床可行性。

2.3.4 診斷價值：由于降低圖像噪聲，減少圖像偽影，全迭代重建技術(shù)能提高人工心臟瓣 膜[31]、冠狀動脈支架置入后[32]的圖像質(zhì)量，并對于支架內(nèi)再狹窄的診斷也更準(zhǔn)確[33]。Tanabe Y等[34]對比碘劑延遲增強(qiáng)CT與釓劑延遲增強(qiáng)MRI，發(fā)現(xiàn)IMR比FBP和HIR允許更精確的心肌梗死程度評價。目前全迭代重建的研究主要集中在掃描可行性方面，對于其可能為CCTA帶來更好的臨床診斷價值仍需要更多的研究來證實。

2.4 特殊人群 嬰幼兒對于輻射的敏感是成人的10倍，運用IR來降低患兒CT檢查中的輻射劑量也是重要的方法之一。在嬰幼兒先天性心臟病CTA評估時，不同研究者[18，35]利用低管電壓聯(lián)合全迭代重建時均能將有效輻射劑量控制在1mSv以下，最低僅為0.16mSv[18]，全迭代重建能提高圖像質(zhì)量，更好的識別解剖結(jié)構(gòu)，其診斷價值并沒有下降。

體重≥90kg的患者指南[3]推薦使用120kV掃描，因為過高體重患者在采用低管電壓掃描時由于圖像噪聲大而可能影響診斷，全迭代算法可以有效地抑制噪聲。McLaughlin PD等[36]認(rèn)為不論患者身體質(zhì)量指數(shù)(body mass index，BMI)高低，MBIR在盆腹部都具有降低輻射劑量的能力，只是對高BMI患者的去噪聲能力可能稍遜于低BMI患者。Fuchs TA等[23]在BMI≥40kg/m2的患者中對比低劑量組(100kV、210mAs、MBIR)和常規(guī)劑量組(120kV、700mAs、HIR)的CCTA圖像，認(rèn)為前者的圖像質(zhì)量仍要優(yōu)于后者，說明MBIR在對高體重患者行CCTA檢查時應(yīng)用范圍廣泛。目前全迭代重建大部分都在標(biāo)準(zhǔn)BMI患者中應(yīng)用，日后仍需要在高BMI患者中進(jìn)一步研究。

3 問題與展望

全迭代重建的應(yīng)用目前仍存在一些問題。第一，早期的MBIR重建時間過長是制約其在臨床上推廣的主要因素，最新IMR的重建時間大幅降低，縮短至5min，雖然仍慢于FBP，但基本能滿足臨床應(yīng)用，而在急診方面的價值有待于進(jìn)一步研究。第二，全迭代重建消除噪聲后產(chǎn)生的圖像由于太過平滑而顯示的不太自然，被稱為蠟像偽影，這與其他重建圖像差異明顯，研究中的主觀分析方面很難做到雙盲，總之如何減少閱片者的主觀評判偏倚將是一個挑戰(zhàn)。第三、目前大部分基于全迭代重建的CCTA研究都只是評估圖像質(zhì)量，初步探討其臨床應(yīng)用的可行性，仍需要更多的研究來評估與金標(biāo)準(zhǔn)DSA的符合率，以全面探討該類算法的臨床價值。

全迭代重建圖像的客觀圖像參數(shù)良好，對斑塊的可視化程度較好，在未來人工智能斑塊分析方面可能會有一定價值，因為其相對不需要依賴閱片者的經(jīng)驗。全迭代重建應(yīng)用基于一定的硬件設(shè)施及強(qiáng)大的計算能力，目前并沒有在臨床上廣泛應(yīng)用，因此需要更多的研究結(jié)果來評估其臨床價值。

總之，在CCTA方面，與FBP、部分迭代重建相比，全迭代重建能更好的降低噪聲、減少偽影、提高圖像質(zhì)量，在狹窄評估、斑塊分析和疾病診斷方面也具有一定價值，特別是在“雙低”成像掃描中潛力巨大。