自適應迭代重建算法在低對比劑腎動脈CTA掃描中的應用

郭長義，韓 冬，楊創(chuàng)勃 ，雷雨欣，賀太平，張喜榮

（1.陜西中醫(yī)藥大學第二附屬醫(yī)院CT室，陜西 咸陽 712000；2.陜西中醫(yī)藥大學附屬醫(yī)院醫(yī)學影像科，陜西 咸陽 712000；3.陜西中醫(yī)藥大學醫(yī)學技術學院，陜西 咸陽 712000）

CT腎動脈血管成像（Computed tomography angiography，CTA）技術是目前非侵入性診斷腎動脈血管性病變的常用檢查方法[1]。然而，腎動脈CTA的廣泛使用卻會使輻射劑量增加，對比劑腎病發(fā)生率提高。因此，如何減少患者的輻射劑量和對比劑用量成為臨床醫(yī)生和影像科醫(yī)生亟待解決的問題。自適應統(tǒng)計迭代重建 （Adaptive statistical iterative reconstruction，ASIR）是基于噪聲模型的數(shù)據(jù)空間的迭代重建，已廣泛應用于臨床，相比于濾波反投影（Filtered back projection，F(xiàn)BP）具有很好地降低噪聲和提高圖像質量的能力[2-3]。本文旨在探索ASIR重建算法在降低腎動脈CTA對比劑用量的應用價值。

1 材料與方法

1.1 一般資料

收集我院2017年1—5月懷疑腎動脈血管源性病變行腎動脈CTA患者40例，男26例，女14例，隨機分為兩組（A組，B組），每組20例。A組：男15例，女 5 例，年齡（56.75±9.87）歲，體質量指數(shù)（Body mass index，BMI）（20.61±2.95） kg/m2；B 組：男 16 例，女 4 例，年齡（61.35±10.08）歲，BMI（20.74±3.56） kg/m2。所有患者意識清楚，能自主配合完成檢查，血清尿酸及肌酐均在正常水平，無碘過敏史，無心、肝、腎等重要器官衰竭。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會批準，患者均簽署知情同意書。

1.2 檢查方法

采用GE寶石能譜CT（GE Healthcare Discovery CT750 HD），腎動脈能譜掃描模式?；颊哐雠P位，足先進，掃描范圍從雙腎上極至雙腎下極水平，并對甲狀腺及盆腔進行放射防護。掃描參數(shù)：管電壓120 kVp，自動毫安，旋轉時間 0.6 s，準直器 0.625×64 mm，層厚及層距為 5 mm，螺距 1.375：1。

對比劑均采用優(yōu)維顯370（370 mgI/mL），由德國Ulrich雙筒高壓注射器從肘中靜脈注入，注射流率為3.5 mL/s。A組對比劑注射總量 600 mgI/kg，B組對比劑注射總量300 mgI/kg，注射結束后兩組均以相同的流率注射鹽水20 mL。采用小劑量監(jiān)測法，觸發(fā)掃描，將觸發(fā)區(qū)放在腹主動脈的腎門水平，當腹主動脈的CT值到100 HU時進行觸發(fā)掃描。

1.3 圖像重建

A組采用40%ASIR 70keV重建圖像；B組采用40%ASIR 40～70keV 間隔 5 keV 重建圖像（40、45、50、55、60、65、70keV），共得到 7 組圖像。 重建層厚均為0.625 mm，將重建后的圖像傳至GE AW4.4工作站（GE Volume Share 4 AW4.4，GE Healthcare）， 用Compare軟件進行圖像的觀察和分析，應用統(tǒng)一的窗寬350 HU和窗中心50 HU。

測量每組圖像的平掃和增強掃描后腎動脈的CT 值（分別記為 CT1，CT2）和標準差（分別記為 SD1，SD2），增強掃描后相同層面的豎脊肌CT值 （記為CT3）和標準差 （記為SD3）。感興趣區(qū) （Regions of interest，ROI）的放置：血管測量ROI應占據(jù)血管2/3的體積，盡量放置在血管中央；豎脊肌測量ROI應避開邊緣、肌間隙的脂肪。各參數(shù)測量三次取平均值作為最終的數(shù)據(jù)進行保存。

1.4 圖像評價

圖像客觀評價：根據(jù)下述公式計算信噪比（Signal to noise ratio，SNR）和對比噪聲比（Contrast to ratio，CNR）：SNR=CT2/SD2；CNR=（CT2-CT3）/SD3。

圖像主觀評價：由兩名有經(jīng)驗的影像醫(yī)生對患者腎動脈的VR圖像進行盲法評價，采用Sahani等[4]5分評價法：5分：清晰顯示腎動脈主干及1～4級分支，血管邊緣光滑，無呼吸運動偽影；4分：清晰顯示腎動脈主干及1～3級分支，且3級分支≥5支，血管邊緣光滑，無呼吸運動偽影；3分：清晰顯示腎動脈主干及1～3級分支，3級分支＜5支，血管邊緣光滑，無呼吸運動偽影；2分：清晰顯示腎動脈主干及1、2級分支，2級分支＜4支，血管邊緣光滑，無呼吸運動偽影；1分：顯示腎動脈主干及1級分支，血管邊緣模糊，有或無呼吸運動偽影。

1.5 統(tǒng)計方法

采用SPSS 16.0進行統(tǒng)計分析，計量資料采用均數(shù)±標準差表示。兩名醫(yī)生對于圖像評分的一致性采用 Kappa 分析，Kappa 值≥0.75 為優(yōu)、0.60～＜0.75 為良、0.40～＜0.60 為中等、＜0.40 為較差。兩組間的年齡、BMI采用獨立樣本t檢驗，性別采用卡方檢驗。八種重建方法所得圖像的客觀數(shù)據(jù)采用單因素方差分析，主觀評分采用 Wilcoxon檢驗。P＜0.05認為有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 兩組間個體因素的比較

A、B兩組間的年齡、BMI和性別之間沒有統(tǒng)計學差異（P＞0.05），說明年齡、BMI和性別不會對本研究的實驗結果產(chǎn)生影響（表1）。

表1 A、B兩組間個體因素的比較

2.2 不同重建方法間圖像主客觀評價的比較

本研究中600mgI/kg 70keV組、300mgI/kg 40keV組和300 mgI/kg 45 keV組的主觀評分醫(yī)生1和醫(yī)生 2 分別是 3.90±0.55 和 4.00±0.65，4.40±0.68 和4.50±0.60，3.55±0.83 和 3.70±0.80，圖像質量主觀評分兩名醫(yī)生均≥3分，腎動脈CTA圖像質量能夠滿足診斷需求，兩名醫(yī)生的一致性檢驗Kappa值為0.825，具有很好的一致性。其中600 mgI/kg 70 keV組和300 mgI/kg 45 keV組間兩名醫(yī)師主觀評分之間差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。 見表2，3 和圖1，2。

600 mgI/kg 70 keV組和300 mgI/kg 45 keV組間，ΔCT、SNR值和 CNR差異無統(tǒng)計學意義 （P＞0.05），說明即使造影劑濃度降低一半，使用45 keV仍可以得到和常規(guī)造影劑用量（600 mgI/kg 70 keV）接近的圖像質量，圖像質量沒有差異。

3 討論

對比劑引起的腎?。–ontrast-induced nephropa-thy，CIN）是指在應用碘對比劑3天內(nèi)發(fā)生的無其他原因可解釋的腎功能損害。其診斷標準是指在注入對比劑后血清肌酐（Cr）增加≥25%或在注入對比劑后48或72 h內(nèi)其絕對值增加≥44.2 umol/L[5-6]。CIN已成為醫(yī)院獲得性急性腎功能衰竭最常見原因的第三位（發(fā)生率約11%），特別是在患有糖尿病或預先存在腎臟功能不全的患者[5-7]。目前，還沒有預防CIN的有效策略，歐洲心臟病學會指南僅推薦使用水化治療，或者降低對比劑用量來預防CIN的發(fā)生。所以如何在保證圖像質量的前提下降低對比劑用量，這成為影像科醫(yī)生一直關注的問題。

表2 不同重建方法間圖像的ΔCT、SNR和CNR的比較

表3 不同重建方法間圖像的客觀參數(shù)和主觀評分的P值結果

圖1 不同重建方法間圖像的ΔCT、SNR和CNR的柱狀圖比較。Figure 1.The bar graph of ΔCT，SNR and CNR of difference groups.

圖2 圖2a，2b對比劑總量為600 mgI/kg，用70 keV單能量水平重建的腎動脈CTA VR重建和橫斷面圖像。圖2c～2f為同一患者對比劑總量為300 mgI/kg，用45 keV和70 keV單能量水平重建的腎動脈CTA VR重建和橫斷面圖像。Figure 2. Figure 2a and 2b show the renal CTA and axial image with 600 mgI/kg and reconstructed monochromatic images at 70 keV.Figure 2c～2f show the renal CTA and axial image with 300 mgI/kg and reconstructed monochromatic images at 45 keV and 70 keV.

能譜CT掃描模式使用高低電壓瞬間切換技術，可以產(chǎn)生101組單能量圖像。單能量圖像在不同量水平上具有不同的特征，低keV具有高對比度，但對比度噪聲較高；高keV硬化偽影少，但對比度也較低[8]。另外，碘的CT值在不同的單能量圖像上變化顯著，使用低keV可以升高碘的CT值。與傳統(tǒng)FBP相比，ASIR具有可以在低信噪比（低劑量）條件下獲得高質量重建圖像的優(yōu)點[3，9-10]。ASIR可以使用不同的權重去調節(jié)圖像質量，從0%到100%，理論上講，ASIR權重值越高，降低噪聲的能力越強，但過高的ASIR權重會造成圖像過度均勻，出現(xiàn)“塑料樣偽影”，進而使圖像質量下降而不能滿足臨床診斷的要求。本研究采用單能量圖像結合40%權重的ASIR重建[11]，探索其在低對比劑腎動脈CTA掃描中的應用。

本研究結果表明，使用ASIR在腎動脈CTA中可以獲得滿足診斷的圖像質量和更低的對比劑用量。本研究中低對比劑組采用低keV的單能量圖像，隔5 keV重建，常規(guī)對比劑組采用70 keV單能量進行重建。在圖像主觀評價方面，研究結果顯示600 mgI/kg 70 keV組和300 mgI/kg 45 keV組的主觀評分醫(yī)生 1 和醫(yī)生 2 分別是 3.90±0.55 和 4.00±0.65，3.55±0.83 和 3.70±0.80， 兩名醫(yī)生的一致性檢驗Kappa值為0.825，具有很好的一致性，圖像質量主觀評分兩名觀察者均≥3分，說明這2組腎動脈CTA圖像質量均能夠滿足診斷需求。在圖像客觀評價方面，600 mgI/kg 70 keV組和300 mgI/kg 45 keV組間，ΔCT、SNR值和CNR差異沒有統(tǒng)計學意義，說明在對比劑用量降低50%的情況下，采用45 keV 40%ASIR重建可以得到和常規(guī)對比劑用量一致的圖像質量和強化效果。這與趙永霞等[3]和成巧梅等[12]的研究結果基本一致。ASIR重建算法使用的是光子統(tǒng)計模型，從采集的原始數(shù)據(jù)開始校正噪聲，并銳化邊緣，從而具有顯著的降低圖像噪聲和提高圖像空間分辨率的能力[13]。研究表明[14]，ASIR在保證圖像質量的前提下，可降低32%～65%輻射劑量。加之單能量圖像中，低keV圖像可以提高圖像對比度，所以在降低對比劑用量的條件下，結合ASIR和低keV圖像的對比度和空間分辨率基本不受影響，可以得到滿足臨床診斷的圖像。

本研究的局限性：只使用了40%ASIR對圖像進行重建，未對比分析不同權重重建圖像的差異。由于病例數(shù)量有限，未能統(tǒng)計這兩種掃描方案對腎動脈疾病的檢出率的差異。

綜上所述，ASIR在不影響腎動脈CTA圖像質量的情況下，有效降低了對比劑濃度及用量，可以在臨床上推薦使用。