全模型迭代重建技術(shù)（FIRST）在改善冠狀動脈支架成像中的價值

曹立坤，王怡寧，易妍，王沄，馬壯飛，閆靜，付海鴻，金征宇

1. 北京中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)院 放射科，北京 100730；2. 佳能醫(yī)療系統(tǒng)（中國）有限公司，北京 100015

引言

冠狀動脈粥樣硬化性心臟病近十年來發(fā)病率增長2～3倍，死亡率不斷增長，極大地威脅了人類的生命健康[1]。經(jīng)皮冠狀動脈介入治療（Percutaneous Coronary Intervention，PCI）在冠脈置放支架，能夠改善心肌血運，已成為治療冠心病的主要手段之一[2]。但術(shù)后支架內(nèi)再狹窄、閉塞、支架斷裂等并發(fā)癥的發(fā)生率較高[3-4]，患者仍面臨心肌缺血和心肌梗死的風(fēng)險。因此，對置入支架進行密切、精確的隨訪監(jiān)測是心血管影像工作中極其重要的部分。

冠狀動脈CT血管成像（Coronary CT Angiography，CTA）以其具備的無創(chuàng)性、空間分辨力高、檢查成功率高等優(yōu)勢，已成為冠心病PCI術(shù)后復(fù)查的首選方法[5]。然而，高密度支架產(chǎn)生的線束硬化偽影極大地干擾了管腔內(nèi)結(jié)構(gòu)的顯示[6]，加之管腔細小，為診斷醫(yī)師評價支架內(nèi)腔和結(jié)構(gòu)造成困難。

全模型迭代算法（Forward Projected Model-Based Iterative Reconstruction Solution，F(xiàn)IRST）是近年來提出的首個應(yīng)用于寬體探測器CT的全模型迭代重建算法，其經(jīng)五種數(shù)學(xué)模型（統(tǒng)計模型、掃描模型、光學(xué)模型、錐形束模型和解剖學(xué)模型）進行多次圖像迭代，得到最終圖像。有研究認為其與傳統(tǒng)的混合迭代重建法（Adaptive Iterative Dose Reduction 3D，AIDR-3D）、濾波反投影法（Filtered Back Projection，F(xiàn)BP）相比，能夠降低圖像噪聲[7-9]，對細小管腔的顯示有明顯優(yōu)勢[10]。本研究旨在通過比較FIRSTCardiac（FIRST-C），F(xiàn)IRST-Cardiac sharp（FIRST-CS），AIDR-3D和FBP重建技術(shù)在冠脈支架節(jié)段的圖像質(zhì)量，探討FIRST技術(shù)在改善支架成像質(zhì)量中的能力。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

本研究回顧性納入2020年4至8月于我院行CCTA檢查的冠脈支架置入術(shù)后患者。排除以下情況患者：① 嚴重肝腎功能不全；② 碘對比劑過敏；③ 孕婦或哺乳期婦女；④ 嚴重心律不齊或失代償性心功能不全；⑤ 接受冠狀動脈旁路移植術(shù)或心臟起搏器置入術(shù)后；⑥ 圖像質(zhì)量差，運動偽影重。本研究共納入44例患者，其中男33例，女11例，平均年齡（61.2±12.5）歲，體質(zhì)量指數(shù)為（25.53±3.99）kg/m2。共納入支架59枚，其中左前降支26枚，右冠狀動脈17枚，左回旋支12枚，對角支2枚，左主干2枚。

1.2 儀器與方法

1.2.1 檢查方法

采用佳能320排容積CT對所有患者行CCTA檢查?；颊邫z查前行呼吸訓(xùn)練，無硝酸甘油禁忌癥者于掃描前5 min使用硝酸甘油氣霧劑約0.5 mg，以擴張冠狀動脈提高成像質(zhì)量。心率大于70次/min的患者，檢查前服用倍他洛克25 mg以控制心率。患者呈頭先進仰臥位，掃描范圍為氣管分叉下方1 cm至心臟膈面水平。掃描方式采用前瞻性心電門控掃描方式，單個心動周期內(nèi)完成全心圖像采集。掃描參數(shù)為：管電壓100 kV，管電流基于定位像自動調(diào)制，調(diào)節(jié)范圍為40～800 mA，球管轉(zhuǎn)速0.275 s/r，準直器寬度0.5 mm×320排。

使用雙筒高壓注射器及20 G套管經(jīng)患者右側(cè)肘前靜脈以5 mL/s的速率注射造影劑（碘帕醇，370 mgI/mL）50 mL，隨后以相同速率注入40 mL生理鹽水沖刷。應(yīng)用對比劑示蹤法監(jiān)測降主動脈（膈肌平面）CT值，當(dāng)CT值達到觸發(fā)閾值（280 HU）時，系統(tǒng)延遲2 s自動開始掃描。當(dāng)患者心率小于75次/min，采集窗選擇在最佳舒張期（70%～80% R-R間期）；當(dāng)患者心率大于75次/min，采集窗選擇在最佳收縮期（40%～50% R-R間期）。

1.2.2 圖像后處理

使用FIRST-C，F(xiàn)IRST-CS，AIDR-3D（kernel值FC09）和FBP四種算法對所有患者原始數(shù)據(jù)進行重建，重建層厚0.5 mm，層間距0.25 mm。重建圖像傳輸至佳能VITAL工作站行后處理，常規(guī)行多平面重組（Multi-Planar Reformation，MPR）、曲面重組（Curved-Planar Reformation，CPR）、容積再現(xiàn)（Volume Rendering，VR）等處理。

1.3 圖像評價

1.3.1 客觀評價

所有圖像均在窗寬2000 HU、窗位500 HU下顯示?？陀^指標(biāo)包括：① 管腔信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）、對比噪聲比（Contrast to Noise Ratio，CNR）：于AIDR-3D重建圖像上，選取支架內(nèi)管腔顯示最佳的層面，確保4組圖像選擇同一層面，避開支架管壁及鈣化斑塊繪制感興趣區(qū)，大小約為2.5 mm×2.5 mm，記錄支架管腔CT值、管腔噪聲、周圍脂肪CT值以及近端正常冠脈管腔CT值，測量主動脈根部噪聲作為背景噪聲。計算：管腔SNR=管腔CT值/管腔噪聲，管腔CNR=（管腔CT值-周圍脂肪CT值）/背景噪聲；② 支架可見內(nèi)徑：對支架血管做拉直處理，于軸面圖像上分別測量近、中、遠三個位置可見內(nèi)徑，取平均值作為支架可見內(nèi)徑；③ 支架管腔衰減率（Stent lumen Attenuation Increase Ratio，SAIR）用于評估支架暈狀偽影對管腔內(nèi)顯示的影響[11]，公式如下：SAIR=（管腔CT值-正常冠脈CT值）/正常冠脈CT值，SAIR越高，支架暈狀偽影對管腔影響越大，圖像質(zhì)量越差。

1.3.2 主觀評分

由兩位分別具備5年和3年CCTA診斷經(jīng)驗的放射科醫(yī)師對所有支架節(jié)段進行雙盲評分，評價內(nèi)容包括支架結(jié)構(gòu)及管腔內(nèi)部顯示，采用Likert五分法[12]：1分：圖像質(zhì)量很差，管腔內(nèi)受偽影影響大，無法觀察，支架結(jié)構(gòu)模糊不清；2分：圖像質(zhì)量差，管腔可見但清晰度低，支架模糊，無法診斷；3分：圖像質(zhì)量中等，管腔內(nèi)部可觀察，但受圖像噪聲及偽影影響邊界顯示不清；4分：圖像質(zhì)量好，管腔內(nèi)密度略高于正常水平，但不影響管腔評價，支架細小結(jié)構(gòu)顯示較清；5分：圖像質(zhì)量優(yōu)，管腔內(nèi)密度在正常水平，支架邊界清晰，細小結(jié)構(gòu)銳利分辨清楚。將圖像質(zhì)量評分3～5分血管定義為可評估血管，滿足診斷需要，評分1、2分為不可評估血管。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析

連續(xù)變量采用均值±標(biāo)準差（±s）表示，計數(shù)資料采用頻率或構(gòu)成比（%）表示。服從正態(tài)分布的計量資料的比較采用單因素方差分析，不服從正態(tài)分布的計量資料的比較采用相關(guān)樣本Friedman秩和檢驗，而后進一步行兩兩比較。對兩位觀察者的主觀評分行Kappa一致性檢驗，Cohen’s Kappa ≤ 0.40 為 一 致 性 差，0.41＜Cohen’s Kappa＜0.60 為一致性中等，0.61＜Cohen’s Kappa ＜0.80 為一致性良好，0.81＜Cohen’s Kappa ＜1.00 為一致性優(yōu)。P＜0.05 視為差異存在統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 客觀評價

客觀指標(biāo)SNR、CNR、內(nèi)徑和SAIR值在組間均不服從正態(tài)分布。秩和檢驗結(jié)果顯示，SNR在四組間差異存在統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.001），F(xiàn)IRST-C組 SNR值最大，為33.11±28.08，依次大于AIDR-3D、FIRST-CS和FBP組，兩兩比較顯示FIRST-CS與AIDR-3D組間差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.275），其余組間差異均存在統(tǒng)計學(xué)意義。CNR在四組間差異存在統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.001），F(xiàn)IRST-C組最大，為28.23±5.25，依次大于AIDR-3D、FIRST-CS和FBP組，兩兩比較顯示CNR各組間差異均存在統(tǒng)計學(xué)意義（P均＜0.001）。支架可見內(nèi)徑在四組間差異存在統(tǒng)計學(xué)意義（P均＜0.001），F(xiàn)IRST-CS組最大，為（1.96±0.42） mm，依次大于FBP組、FIRST-CS組和AIDR-3D組，兩兩比較顯示可見內(nèi)徑在FIRST-CS組和FBP組間差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.336），其余組間差異均存在統(tǒng)計學(xué)差異。SAIR在四組間差異存在統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.001），F(xiàn)IRST-CS組最小，為0.32±0.27，依次低于FIRST-CS、FBP和AIDR-3D組，兩兩比較結(jié)果顯示SAIR在AIDR-3D和FBP組間差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.943），其余組間差異存在統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.001），見表1～2。

表1 4種重建算法冠脈支架節(jié)段客觀指標(biāo)的統(tǒng)計值和比較結(jié)果

表2 4種重建算法冠脈支架節(jié)段客觀指標(biāo)的兩兩比較結(jié)果

2.2 主觀評分

觀察者1對FIRST-C，F(xiàn)IRST-CS，AIDR-3D和FBP四組圖像的評分分別為4.17±0.46、4.64±0.64、3.90±0.61和2.93±0.79，觀察者2對四組圖像的評分分別為4.19±0.47、4.61±0.64、3.81±0.82 和 2.86±0.82。兩觀察者對FIRST-C、FIRST-CS、AIDR-3D和FBP四組圖像評分的 Cohen’s Kappa值分別為 0.868、0.829、0.759和 0.895，一致性均在良好及以上。兩觀察者中，F(xiàn)IRST-C、FIRST-CS組圖像的冠脈支架節(jié)段均可評估，F(xiàn)BP圖像中16個（27.1%）冠脈節(jié)段不可評估；觀察者1認為AIDR-3D圖像中1個（1.7%）冠脈節(jié)段不可評估，觀察者2認為AIDR-3D圖像中2個（3.4%）冠脈節(jié)段不可評估?？傮w評分FIRST-CS組依次優(yōu)于FIRST-C組、AIDR-3D組、FBP組（表3～4）。

表3 觀察者1對4種重建算法冠脈支架圖像的主觀評分

表4 觀察者2對4種重建算法冠脈支架圖像的主觀評分

FIRST-CS和FIRST-C圖像中，支架管腔內(nèi)密度正常，噪聲較小、結(jié)構(gòu)顯示較好，F(xiàn)IRST-CS對于管腔內(nèi)低密度區(qū)及支架壁細小結(jié)構(gòu)的顯示較FIRST-C更為清晰，圖像質(zhì)量均優(yōu)于AIDR-3D和FBP， 見圖1。

圖1 46歲男性患者前降支中段支架冠脈MPR圖像

3 討論

冠脈CTA以其高空間分辨力、高成功率和非侵入性等優(yōu)勢，已成為臨床評估PCI術(shù)后支架通暢度的首選影像學(xué)方法，能較好地顯示支架位置和形態(tài)特征、遠端血供[13]。但由于多層螺旋CT空間分辨率有限，金屬支架導(dǎo)致的線束硬化偽影和部分容積效應(yīng)導(dǎo)致的“暈狀偽影”，嚴重干擾了支架管腔的評估[14]。支架高密度影向管腔內(nèi)散射，支架壁較實際增厚，使得醫(yī)師無法評估管腔情況或高估支架內(nèi)再狹窄程度。因此，改善支架及管腔內(nèi)成像質(zhì)量是當(dāng)前CCTA的研究重點。FIRST全模型迭代重建算法直接在原始數(shù)據(jù)域進行正投影，通過五種數(shù)學(xué)模型（統(tǒng)計模型、掃描模型、光學(xué)模型、錐形束模型和解剖學(xué)模型）計算仿真的正投影和原始投影數(shù)據(jù)之間的差值，經(jīng)數(shù)學(xué)校正方法修正差別得到新的種子圖像，而后重復(fù)多次類似的迭代過程達到收斂，最終得到與原始數(shù)據(jù)之間差別最小的FIRST重建圖像。該過程同時優(yōu)化了投影空間和影像空間的圖像質(zhì)量，在AIDR-3D增強的基礎(chǔ)上將空間分辨率提升了224%，密度分辨率提升了100%[9,15-16]，為小內(nèi)徑管腔的顯示以及腔內(nèi)結(jié)構(gòu)準確評估提供了新的技術(shù)可能。模體研究[10]發(fā)現(xiàn)FIRST在顯示管徑小于4 mm的細小血管時優(yōu)于AIDR-3D。在心血管成像中，F(xiàn)IRST使用不同的濾波函數(shù)，分別生成圖像較為平滑的Cardiac和更為銳利的Cardiac sharp。本研究從圖像客觀指標(biāo)和醫(yī)師主觀評分兩方面，首次探討和比較了FIRST-CS、FIRST-C、臨床常用混合迭代模型AIDR-3D和傳統(tǒng)的FBP在顯示冠脈支架內(nèi)腔中的能力，為未來臨床應(yīng)用提供參考。

本研究的客觀評價結(jié)果顯示，F(xiàn)IRST-C相比AIDR-3D和FBP顯著提高了管腔SNR、CNR，降低了管腔內(nèi)噪聲。FIRST-CS的SNR、CNR與AIDR-3D未見明顯差異，但顯著優(yōu)于FBP。FIRST-CS重建圖像的支架可見內(nèi)徑最大，且管腔受暈狀偽影影響更小，對于管腔顯示更加清晰，優(yōu)于FIRST-C及其他兩種算法。Tatsugami等[17]在關(guān)于冠脈支架的小樣本研究中，發(fā)現(xiàn)FIRST的支架內(nèi)徑顯示率、管腔衰減率均優(yōu)于AIDR 3D；Tatsugami等[18]的另一研究根據(jù)支架直徑將其分為小于3 mm組和大于3 mm組，兩組內(nèi)FIRST圖像可見支架內(nèi)徑均大于AIDR-3D ，受金屬偽影影響均小于AIDR-3D。以上結(jié)果與本研究結(jié)果一致。Yokomachi等[19]關(guān)于頸部支架的研究發(fā)現(xiàn)FIRST圖像測量得到的支架直徑與AIDR-3D和FBP相比更接近真實值，且在顯示小直徑支架中更具優(yōu)勢。說明FIRST全模型迭代算法能夠有效降低噪聲，提高圖像SNR，并且能夠提高圖像空間分辨力，增強對細小血管和支架細小內(nèi)腔的顯示。

本研究主觀評分結(jié)果顯示，F(xiàn)IRST-CS、FIRST-C重建圖像能夠滿足臨床對支架評估的要求，評分優(yōu)于AIDR-3D和FBP，部分AIDR-3D和FBP重建圖像無法滿足診斷要求。FIRST-CS相較其他三者，在支架節(jié)段的診斷滿意度最高，這與客觀評價結(jié)果中FIRST-CS能夠更大地可見內(nèi)徑、受金屬支架暈狀偽影影響小相對應(yīng)。Hirata等[8]比較了FIRST-C和FIRST-CS在顯示冠脈分支和斑塊中的能力，認為盡管FIRST-C血管SNR更高，但其在對斑塊邊界、結(jié)構(gòu)的主觀評分中不及FIRST-CS，這與本研究結(jié)果一致。這可能由于FIRST-CS相比FIRST-C圖像銳利度高、空間分辨力好，使得支架周邊射線硬化偽影顯著減少，金屬偽影對內(nèi)腔影響減小。雖然FIRST-CS的SNR不敵FIRST-C組，但在可接受范圍內(nèi)；而FIRST-C組雖然大大降低了圖像噪聲，但圖像過于平滑，管腔邊界模糊，不利于內(nèi)部管腔評價。FIRST-CS和FIRST-C準確評價支架再狹窄程度的能力，仍需冠脈造影結(jié)果作為金標(biāo)準進一步驗證。

本研究亦存在一些不足之處：① 樣本量相對較小，未來需擴大病例數(shù)進一步驗證；② 未獲取患者置入支架的實際管徑數(shù)據(jù)，僅比較了支架可見內(nèi)徑；③ 本研究只分析了冠脈支架圖像質(zhì)量的客觀與主觀評價，未與有創(chuàng)冠脈造影“金標(biāo)準”結(jié)果對照；④ 未將FIRST算法與其他廠家全模型迭代重建算法，例如Veo（GE Healthcare，Milwaukee，WI）、IMR（Philips Healthcare，Cleveland，OH）等進行對比。未來應(yīng)行前瞻性研究，進一步研究和比較該技術(shù)對支架內(nèi)再狹窄的診斷準確性。

4 結(jié)論

綜上所述，本研究結(jié)果表明FIRST有助于改善冠脈支架圖像質(zhì)量，F(xiàn)IRST-C能有效提高圖像SNR，但FIRST-CS在降低金屬暈狀偽影、提高對支架壁顯示和支架內(nèi)腔可視化中更具優(yōu)勢，能為臨床提供高質(zhì)量圖像，值得推廣。