640層CT冠狀動(dòng)脈造影AIDR3D重建算法的圖像質(zhì)量及輻射劑量評(píng)價(jià)

沈合松，王馨華，羅明月△，梁 丹，朱珊珊，朱冬云，杜彩虹

（1.中山大學(xué)附屬第六醫(yī)院放射科，廣東廣州510655；1.重慶市腫瘤研究所放射科，重慶400030）

CT 冠狀動(dòng)脈造影（CTCA）已經(jīng)成為非侵襲性診斷冠狀動(dòng)脈疾病的首選檢查方法，它的圖像空間分辨率及時(shí)間分辨率均較高，能夠診斷或者排除冠狀動(dòng)脈疾病，但是其電離輻射的危害問(wèn)題也備受關(guān)注［1］。目前主流的64 層CTCA 的有效電離輻射劑量為8～18mSv［2］，因此研究開(kāi)發(fā)新的圖像重建算法，在保證圖像質(zhì)量的前提下，采用低電流劑量掃描從而降低電離輻射劑量為CTCA 未來(lái)的研究發(fā)展方向［3-4］。Toshiba公司新近推出的640層動(dòng)態(tài)容積CT 采用自動(dòng)曝光掃描技術(shù)，能夠根據(jù)定位圖像獲得的體質(zhì)量指數(shù)及CT 值、目標(biāo)圖像噪聲、管電壓而自動(dòng)調(diào)節(jié)掃描的管電流。同時(shí)使用三維自適應(yīng)迭代劑量降 低（adaptive iterative dose reduction three-dimensional，AIDR3D）重建算法，自動(dòng)掃描而產(chǎn)生的原始高噪聲圖像經(jīng)過(guò)一系列自適應(yīng)迭代重建，圖像噪聲不斷減少，直到目標(biāo)圖像的噪聲達(dá)到希望的水平，成為一種降低電離輻射劑量的新技術(shù)［5-7］。它有望突破目前最廣泛使用的圖像常規(guī)重建算法濾波反投影（filtered back-projection，F(xiàn)BP）的局限性，減少自動(dòng)掃描產(chǎn)生的圖像噪聲，從而提高圖像質(zhì)量［8］。因此，本研究將以常規(guī)的FBP 為參照標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)640層動(dòng)態(tài)容積CTCA AIDR3D重建算法的圖像質(zhì)量及輻射劑量。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選擇中山大學(xué)附屬第六醫(yī)院2012年6～10月接受CTCA 檢查的連續(xù)性患者84 例，其中男57 例，女27例；年齡30歲～80歲，中位58歲。心率42～65 次／分，平均59次／分；12例心率小于65次／分，未服用降心率藥物；72 例心率大于65次／分者，檢查前60min口服25mg酒石酸美托洛爾后心率小于或等于65次／分。曾經(jīng)行冠狀動(dòng)脈支架置入術(shù)和（或）搭橋術(shù)，檢查前60min口服25mg酒石酸美托洛爾后心率仍然大于65次／分，以及心腎功能不全、不能配合屏氣、對(duì)碘對(duì)比劑過(guò)敏者未納入本研究。本研究得到本院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)的批準(zhǔn)，所有患者均知情同意本研究。

1.2 方法

1.2.1 CT 掃描圖像數(shù)據(jù)采集 每例患者均接受?chē)?yán)格的口、鼻屏氣訓(xùn)練，沒(méi)有禁忌證者掃描前3 min舌下含服硝酸甘油0.50mg。使用Toshiba公司640層動(dòng)態(tài)容積CT 機(jī)進(jìn)行冠狀動(dòng)脈容積掃描。仰臥位頭尾方向掃描，采用自動(dòng)曝光掃描技術(shù)，球管旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間為350 ms。在肘正中靜脈留置18G靜脈套管針，采用密蘇里TMXD2001CT 注射器，以5mL／s的注射速度注入非離子型對(duì)比劑碘普羅胺（Ultravist，370 mgI／mL；廣州先靈藥業(yè)公司）60 mL，隨后以同樣的注射速度注入0.9%生理鹽水20mL。將采集的CT 掃描原始圖像數(shù)據(jù)經(jīng)醫(yī)學(xué)影像信息系統(tǒng)（PACS）傳送到圖像后處理工作站。

1.2.2 圖像重建 在圖像后處理工作站分別使用AIDR3D（標(biāo)準(zhǔn)AIDR3D，75%AIDR）、FBP重建算法獲得冠狀動(dòng)脈的造影圖像，軟組織重建函數(shù)FC43，重建層厚0.50mm，重建間隔0.25mm，重建視野只包括心臟。

1.2.3 圖像質(zhì)量定量評(píng)價(jià) 2位富有心臟影像診斷經(jīng)驗(yàn)的影像科醫(yī)生在不知道臨床信息及重建算法的情況下獨(dú)立測(cè)量、計(jì)算2種重建算法得出的CTCA 圖像的噪聲、信噪比和對(duì)比噪聲比。如果2位醫(yī)生的評(píng)價(jià)有分歧，則與另1位高年資影像科醫(yī)生共同討論后達(dá)成一致性意見(jiàn)。測(cè)量左冠狀動(dòng)脈主干開(kāi)口層面主動(dòng)脈根部的CT 值、左冠狀動(dòng)脈主干的CT 值及左冠狀動(dòng)脈主干旁脂肪的CT 值，感興趣區(qū)盡可能大，但是要避免鈣化、斑塊、血管狹窄部位及血管壁。圖像噪聲＝主動(dòng)脈根部CT 值的標(biāo)準(zhǔn)差，信噪比＝左冠狀動(dòng)脈主干的CT 值／圖像噪聲，對(duì)比噪聲比＝（左冠狀動(dòng)脈主干的CT 值-左冠狀動(dòng)脈主干旁脂肪的CT 值）／圖像噪聲［3-4，9］。

1.2.4 圖像質(zhì)量定性評(píng)價(jià) 上述2位影像科醫(yī)生同樣采用盲法定性評(píng)價(jià)冠狀動(dòng)脈的圖像質(zhì)量。按照美國(guó)心臟協(xié)會(huì)指南修正版將冠狀動(dòng)脈分為15段，15段再分成3個(gè)部位：（1）冠狀動(dòng)脈近部，包括右冠狀動(dòng)脈近段、左冠狀動(dòng)脈主干、左回旋支近段、左前降支近段，共4段；（2）冠狀動(dòng)脈中部，包括右冠狀動(dòng)脈中段、右冠狀動(dòng)脈遠(yuǎn)段、中間支、鈍圓支、第一對(duì)角支、左前降支中段，共6段；（3）冠狀動(dòng)脈遠(yuǎn)部，包括后降支、左回旋支中段、左回旋支遠(yuǎn)段、第二對(duì)角支、左前降支遠(yuǎn)段，共5段。根據(jù)Rybicki等［10］的CTCA 的 圖 像 質(zhì) 量 定 性 評(píng) 價(jià) 標(biāo) 準(zhǔn)，CTCA 的 圖 像質(zhì)量分為4個(gè)等級(jí)：4分，優(yōu)秀，圖像噪聲小，血管壁清晰，幾乎沒(méi)有偽影；3分，好，圖像噪聲較小，管壁輕度偽影；2分，尚可接受，圖像噪聲較大，管壁中度偽影；1 分，不可評(píng)價(jià)，圖像噪聲大，管壁嚴(yán)重偽影，無(wú)法做出診斷。圖像質(zhì)量3～4分，可以用于診斷。圖像質(zhì)量小于3分，不可以用于診斷。

1.2.5 計(jì)算電離輻射劑量 記錄CT 機(jī)每次掃描輸出的劑量長(zhǎng)度乘積。電離輻射劑量用有效劑量表示。有效劑量＝劑量長(zhǎng)度乘積×CF，其中CF 指不同組織的轉(zhuǎn)化系數(shù)，胸部的CF為0.014［11］。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理 使用SPSS13.0統(tǒng)計(jì)軟件處理數(shù)據(jù)。采用配對(duì)t檢驗(yàn)，比較AIDR3D、FBP 重建算法CTCA 的圖像質(zhì)量定量評(píng)價(jià)及定性評(píng)價(jià)得分。采用配對(duì)χ2檢驗(yàn)，比較AIDR3D、FBP重建算法CTCA 圖像可用于診斷的段數(shù)。用Kappa系數(shù)κ評(píng)價(jià)兩名醫(yī)師對(duì)冠狀動(dòng)脈圖像質(zhì)量定性評(píng)價(jià)的一致性，κ為0.00～0.20時(shí)，一致性差；κ＞0.20～0.40時(shí)，一致性一般；κ＞0.40～0.60時(shí)，一致性中等；κ＞0.60～0.80時(shí)，一致性較好；κ＞0.80～1.00時(shí)，一致性好［12］。以P＜0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 圖像質(zhì)量定量評(píng)價(jià) 與FBP 比較，AIDR3D 重建算法CTCA 的圖像噪聲減少了46.10%，信噪比提高了84.70%，對(duì)比噪聲比提高了82.20%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），見(jiàn)表1。

表1 AIDR3D、FBP重建算法CTCA 的圖像質(zhì)量定量評(píng)價(jià)

2.2 圖像質(zhì)量定性評(píng)價(jià) 兩名醫(yī)師對(duì)84例患者共1 260段冠狀動(dòng)脈的圖像質(zhì)量定性評(píng)價(jià)一致性好（κ＝0.83，P＜0.05）。AIDR3D、FBP重建算法CTCA 近部、中部、遠(yuǎn)部的圖像質(zhì)量定性評(píng)價(jià)得分，見(jiàn)表2。AIDR3D 重建算法CTCA 近部、中部、遠(yuǎn)部的圖像質(zhì)量定性評(píng)價(jià)得分均明顯高于FBP 重建算法，二者比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。典型病例CTCA 左冠狀動(dòng)脈主干的圖像，見(jiàn)圖1。84例患者共有冠狀動(dòng)脈1 260段，其中近部336段、中部504段、遠(yuǎn)部420段。AIDR3D、FBP 重建算法CTCA 的圖像質(zhì)量定性評(píng)價(jià)1、2、3、4分的冠狀動(dòng)脈段數(shù)見(jiàn)表3。AIDR3D 重建算法CTCA 的近部、中部、遠(yuǎn)部圖像可以用于診斷的冠狀動(dòng)脈段數(shù)分別為336段（100.00%）、486段（96.43%）、394段（93.81%），F(xiàn)BP重建算法CTCA 的近部、中部、遠(yuǎn)部圖像可以用于診斷的冠狀動(dòng)脈段數(shù)分別為217 段（64.58%）、173段（34.33%）、114段（27.14%）；AIDR3D 重建算法CTCA 的近部、中部、遠(yuǎn)部圖像可以用于診斷的冠狀動(dòng)脈段數(shù)明顯高于FBP重建算法，二者比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（χ2＝117.01、272.17、311.00，P＜0.05），分別見(jiàn)表4、5、6。AIDR3D、FBP重建算法可以用于診斷的冠狀動(dòng)脈總段數(shù)分別為1 216段（96.51%）、504段（40.00%），二者比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（χ2＝704.07，P＜0.05），見(jiàn)表7。

表2 AIDR3D、FBP重建算法CTCA 近中遠(yuǎn)部 圖像質(zhì)量定性評(píng)價(jià)得分比較

圖1 典型病例CTCA 左冠狀動(dòng)脈主干的圖像

表3 AIDR3D、FBP重建算法CTCA 圖像質(zhì)量定性 評(píng)價(jià)的冠狀動(dòng)脈段數(shù)（段）

表4 二者在冠狀動(dòng)脈近部圖像可用于 診斷的段數(shù)［段（%）］

表5 二者在冠狀動(dòng)脈中部圖像可用于 診斷的段數(shù)［段（%）］

表6 二者在冠狀動(dòng)脈遠(yuǎn)部圖像可用于 診斷的段數(shù)［段（%）］

表7 二者在冠狀動(dòng)脈圖像可用于 診斷的總段數(shù)［段（%）］

2.3 電離輻射劑量 84例患者的有效電離輻射劑量范圍為0.90～6.60 mSv，平均有效電離輻射劑量為（2.10±1.00）mSv。

3 討 論

隨著CT 圖像數(shù)據(jù)采集及重建算法的進(jìn)步，CTCA 的圖像質(zhì)量、診斷能力明顯提高，已經(jīng)成為非侵襲性診斷冠狀動(dòng)脈疾病的首選檢查方法［2，5］。CTCA 需要遵循輻射劑量盡可能低的原則，即在圖像質(zhì)量滿足診斷需要的前提下將電離輻射劑量降到最低［13］。如何平衡電離輻射劑量與圖像質(zhì)量滿足診斷需要之間的關(guān)系是CTCA 的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。降低電離輻射劑量的主要方法有降低管電流、降低管電壓、自動(dòng)調(diào)節(jié)掃描管電流劑量、應(yīng)用迭代重建算法等。管電流與電離輻射劑量呈線性相關(guān)，降低電離輻射劑量直截了當(dāng)?shù)姆椒ㄊ沁x擇低的管電流。但是管電流的降低會(huì)增加圖像噪聲，降低圖像質(zhì)量。單獨(dú)應(yīng)用降低管電流等方法，電離輻射劑量的降低程度有限［14］。因此，CTCA 的研究重點(diǎn)已經(jīng)從前期單獨(dú)降低管電流到目前聯(lián)合使用新的圖像重建算法，希望在圖像質(zhì)量滿足診斷需要的前提下進(jìn)一步降低電離輻射劑量。

FBP是傳統(tǒng)的解析重建算法，重建速度快，為目前最廣泛使用的圖像常規(guī)重建算法。但是它不能分辨圖像數(shù)據(jù)采集的基本成分，假設(shè)X 射線源和探測(cè)器為一個(gè)點(diǎn)，忽略了圖像數(shù)據(jù)采集過(guò)程中量子噪聲和電子噪聲對(duì)投影數(shù)據(jù)的污染，將噪聲帶到重建圖像中去，從而影響圖像質(zhì)量，掩蓋病變和有價(jià)值的診斷信息［15］。

AIDR3D 為T(mén)oshiba公司新近推出的640層動(dòng)態(tài)容積CT研究開(kāi)發(fā)的AIDR3D 重建算法，它的重建過(guò)程分解成許多運(yùn)算步驟，這些步驟要么在投影數(shù)據(jù)空間的正弦圖上進(jìn)行，要么在圖像空間的初始重建FBP圖上完成。AIDR3D 在圖像空間的運(yùn)算上，通過(guò)使用和修正各向異性濾波器，自適應(yīng)性地使圖像質(zhì)量在噪聲抑制和細(xì)節(jié)保留之間取得平衡，反復(fù)進(jìn)行圖像空間濾波噪聲抑制，達(dá)到設(shè)定的最終目標(biāo)才停止［16］。由于在投影數(shù)據(jù)空間和圖像運(yùn)算空間方面的結(jié)合，AIDR3D 有望減少低管電流劑量掃描而產(chǎn)生的圖像噪聲，提高圖像質(zhì)量［4-5］。本研究中，與FBP比較，AIDR3D 重建算法CTCA 的圖像噪聲減少了46.10%，信噪比提高了84.70%，對(duì)比噪聲提高了82.20%，二者比較均差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；冠狀動(dòng)脈近部、中部、遠(yuǎn)部的圖像質(zhì)量定性評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)明顯高于FBP重建算法，二者比較均差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；可以用于診斷的近部、中部、遠(yuǎn)部冠狀動(dòng)脈段數(shù)分別為336段（100.00%）、486段（96.43%）、394段（93.81%），明顯高于FBP 重建算 法的217段（64.58%）、173段（34.33%）、114段（27.14%），二者比較均差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）；AIDR3D 可以用于診斷的冠狀動(dòng)脈總段數(shù)為1 216段（96.51%），明顯高于FBP 重建算法的504段（40.00%），差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

在本組研究中，640層CT 采用自動(dòng)曝光掃描技術(shù)，它根據(jù)定位圖像獲得的體重指數(shù)、CT 值、目標(biāo)圖像噪聲及管電壓來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)掃描的管電流。此基礎(chǔ)上，再使用標(biāo)準(zhǔn)的75%AIDR進(jìn)行AIDR3D 技術(shù)重建的CTCA 的圖像噪聲、信噪比、對(duì)比噪聲比分別為（27.20±4.40）HU、21.10±5.10、24.70±5.10。Yoo等［6］研 究 的640 層CT 采 用 低 檔 的50%AIDR 進(jìn) 行AIDR3D 技術(shù)重建的CTCA 的圖像噪聲、信噪比、對(duì)比噪聲比分別為（45.00±9.40）HU、15.00±2.10、16.80±2.30。雖然二者研究得出的平均有效電離輻射劑量均僅為（2.10±1.00）mSv，但是本研究較后者降低了圖像噪聲、提高了信噪比及對(duì)比噪聲比。覃杰等［17］320層CTCA 的平均有效電離輻射劑量為（3.36±1.00）mSv，明顯高于本研究。目前主流的64 層CTCA 的有效電離輻射劑量為8～18mSv［2］，高于本研究。

綜上所述，本研究結(jié)果說(shuō)明640層動(dòng)態(tài)容積CT 自動(dòng)曝光掃描CTCA AIDR3D 重建算法不僅較常規(guī)的FBP重建算法的圖像噪聲減少了46.10%，定量及定性圖像質(zhì)量均明顯提高；而且有效電離輻射劑量低，僅為（2.10±1.00）mSv。

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