全模型迭代重建算法（FIRST）在低劑量冠狀動脈CTA中的應(yīng)用研究

王明，馬壯飛，朱亞新，王沄，付海鴻，王怡寧，金征宇

1. 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

隨著科技的不斷進(jìn)步，多層螺旋CT的發(fā)展更是日新月異，冠狀動脈CT血管造影（Coronary CT Angiography，CCTA）逐漸成為診斷冠心病最重要的檢查方式[1]，現(xiàn)已廣泛運(yùn)用于臨床。然而，CCTA檢查的X射線對人體有害，高劑量電離輻射所帶來的潛在風(fēng)險逐漸被人們所關(guān)注[2-3]。作為放射醫(yī)務(wù)工作者，我們應(yīng)該秉承獲得足夠診斷信息及合適圖像質(zhì)量的同時，盡可能降低輻射劑量的原則。臨床工作中，降低CCTA檢查輻射劑量的方法有降低管電壓、降低管電流、大螺距掃描、減少掃描范圍、前瞻性心電門控觸發(fā)掃描以及新型的重建算法等[4-6]。因為輻射劑量與管電壓的平方成正比，所以降低管電壓是降低輻射劑量最有效的方法[7-12]。但是，降低掃描管電壓，圖像的背景噪聲變大，圖像質(zhì)量會大幅降低。

全模型迭代重建算法（Forward Projected Model-Based Iterative Reconstruction Solution，F(xiàn)IRST）為佳能公司特有的重建算法，可以應(yīng)用于全身各個部位，由于本文的研究方向為低劑量CCTA，因此選擇了應(yīng)用于CCTA的算法FIRST_Cardiac。本文就80 kV低劑量CCTA掃描條件下，將FIRST_Cardiac與混合迭代重建算法（Adaptive Iterative Dose Reduction 3D，AIDR-3D）及濾波反投影法（Filtered Back Projection，F(xiàn)BP）所重建冠狀動脈圖像進(jìn)行比較，探討其在圖像優(yōu)化中的可行性及臨床價值。

1 材料與方法

1.1 一般材料

選取我院2020年5至8月45例臨床懷疑冠心病患者，男23例，女22例；年齡37～82（59.3±11.1）歲；體質(zhì)量指數(shù)為18.34～29.35（24.7±2.7）kg/m2。采用佳能Aquilion ONE GENESIS 640層CT進(jìn)行CCTA檢查，檢查前全部簽署危險告知書。入組標(biāo)準(zhǔn)：非碘對比劑過敏者，非心律不齊，并且心率小于70次/min。排除標(biāo)準(zhǔn)：冠脈鈣化斑塊、冠脈支架或搭橋術(shù)后等。

1.2 檢查方法

患者取仰臥位，足先進(jìn)，出床掃描，范圍始于氣管分叉下方約1 cm，終于心臟膈面水平，檢查前為患者做屏氣訓(xùn)練，無硝酸甘油禁忌癥者常規(guī)舌下含服硝酸甘油0.5 mg，連接心電導(dǎo)線，顯示動態(tài)心電圖，肘前靜脈穿刺，使用雙筒高壓注射器注入碘帕醇注射液（370 mgI/mL）和生理鹽水，對比劑注射按照165 mgI/kg個性化設(shè)定，見表1。鹽水為30 mL，運(yùn)用對比劑自動跟蹤觸發(fā)技術(shù)，檢測降主動脈層面CT值，患者注射14 s后提前屏氣，當(dāng)降主動脈CT值達(dá)到280 HU時直接觸發(fā)掃描，采用前瞻性心電門控模式，依據(jù)患者的心率自動選擇曝光范圍。掃描參數(shù)設(shè)置為：管電壓80 kV，準(zhǔn)直器320×0.5 mm，開啟自動調(diào)節(jié)管電流技術(shù)，圖像噪聲標(biāo)準(zhǔn)差（Standard Deviation，SD）為33，旋轉(zhuǎn)時間0.275 s，層厚0.5 mm，層間隔0.25 mm。原始數(shù)據(jù)分別采用FIRST_Cardiac、AIDR-3D和FBP進(jìn)行重建，四組算法重建圖像傳至workstation VITAL工作站。

表1 對比劑注射方案（80 kVp，165 mgI/kg）

1.3 圖像質(zhì)量評價

1.3.1 客觀圖像質(zhì)量評價

選取4組同期相、同層面和同位置的橫軸位圖像進(jìn)行測定和記錄，分別測量主動脈根部，左主干，前降支近、中、遠(yuǎn)段，回旋支近、遠(yuǎn)段及右冠狀動脈近、中、遠(yuǎn)段的管腔及鄰近脂肪成分CT值和SD值，并計算前降支、回旋支和右冠狀動脈的平均CT值和SD值，以及圖像的信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）和對比噪聲比（Contrast to Noise Ratio，CNR）：CT血管/SD血管，CNR=(CT血管-CT脂肪)/SD脂肪。圖像噪聲定義為感興趣區(qū)（Region of Interest，ROI）內(nèi)CT值的標(biāo)準(zhǔn)差（Standard Deviation，SD）。圖1為三種重建算法圖像的主動脈根部ROI測量示意圖。

圖1三種重建算法圖像的主動脈根部ROI測量示意圖

1.3.2 主觀圖像質(zhì)量評價

根據(jù)美國心臟協(xié)會推薦的標(biāo)準(zhǔn)，將冠狀動脈樹分為18個節(jié)段[13]，閉塞血管以遠(yuǎn)段不計入分析。由兩名高年資影像科醫(yī)師采用雙盲法對圖像質(zhì)量進(jìn)行評分。采用Likert4級評分法[14]：1級：血管顯示良好，邊界清晰，無階梯狀偽影和血管中斷；2級：血管有輕度偽影，節(jié)段輕微模糊；3級：血管有中度偽影，無節(jié)段不連續(xù)；4級：血管顯示不清，節(jié)段走行不連續(xù)，有嚴(yán)重階梯狀偽影。圖像主觀評級1～3級認(rèn)定圖像可被臨床接受。

1.4 輻射劑量

查閱掃描CT設(shè)備上顯示的數(shù)據(jù)，記錄患者的總劑量長度乘積（Dose Length Product，DLP）和CT容積劑量指數(shù)（CT Volumetric Dose Index，CTDIvol），通過公式計算有效輻射劑量（Effective Dose，ED），ED=DLP×0.014（單位為 mSv）。

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，計量資料采用均值±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）的形式表示。首先采用單樣本Kolmogorov-Smirnov檢驗數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布，若數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布則采用單因素方差分析三組數(shù)據(jù)是否具有統(tǒng)計學(xué)差異，如有統(tǒng)計學(xué)差異則進(jìn)行兩兩比較，若不符合正態(tài)分布則采用非參數(shù)檢驗進(jìn)行統(tǒng)計分析，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。兩位醫(yī)師對于圖像質(zhì)量的主觀評分一致性分析采用 Cohen’s Kappa 檢驗。

2 結(jié)果

本次試驗共連續(xù)納入45例患者，均成功完成CCTA檢查。結(jié)果顯示：三組重建方式所得圖像的冠脈各節(jié)段CT值差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）（表2）。FIRST_Cardiac組冠脈各節(jié)段圖像SD值均明顯低于AIDR-3D組和FBP組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.001）（表3），兩兩比較均有統(tǒng)計學(xué)差異（P＜0.001）。FIRST_Cardiac組冠脈各節(jié)段SNR和CNR均明顯高于AIDR-3D組和FBP組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.001）(表4～5)，兩兩比較均有統(tǒng)計學(xué)差異（P＜0.001）。所有患者有效輻射劑量平均值為（0.82±0.17）mSv。

表2 三組冠脈各節(jié)段CT值比較

表3 三組冠脈各節(jié)段SD值比較

表4 三組冠脈各節(jié)段SNR值比較

表5 三組冠脈各節(jié)段CNR值比較

一共入組45例患者，每個患者的冠狀動脈樹分為18個節(jié)段，因此總共有810節(jié)段，但是有些患者的冠狀動脈樹節(jié)段閉塞，因此可評分的冠狀動脈樹節(jié)段為768節(jié)段。醫(yī)生一結(jié)果：FIRST_Cardiac組：1分占92.9%（714/768），2 分占 7.1%（54/768），3 分為 0（0/768），4 分為 0（0/768）；AIDR-3D組：1分 占 19.9%（153/768），2分 占 65.2%（501/768），3分占 14.9%（114/768），4分為 0（0/768）；FBP組：1分 為 0（0/768），2分 為 0（0/768），3分 占59.8%（459/768），4分占40.2%（309/768）。醫(yī)生二結(jié)果：FIRST_Cardiac組：1分占93.2%（716/768），2分占6.8%（52/768），3 分為 0（0/768），4 分為 0（0/768）；AIDR-3D 組：1分占20.3%（156/768），2分占65.6%（504/768），3分占13.8%（106/768），4分占0.3%（2/768）；FBP組：1分為0（0/768），2 分 為 0（0/768），3 分 占 60.4%（464/768），4分占39.6%（304/768）。兩位醫(yī)師對于圖像質(zhì)量的主觀評分一致性較好（Kappa=0.915）。圖2為三種重建算法的容積再現(xiàn)（Volume Rendering，VR）圖，由圖可知，F(xiàn)IRST_Cardiac重建算法的VR圖噪聲最小，冠脈血管的顯示最清晰，具有最高的主觀圖像質(zhì)量。

圖2 三種重建算法圖像的VR示意圖

3 討論

FIRST是一種全新的迭代算法，通過在投影空間和圖像空間優(yōu)化圖像質(zhì)量，大幅度地提高圖像的空間分辨率和密度分辨率[15]。本文通過客觀指標(biāo)和主觀評分兩方面對傳統(tǒng)的FBP、AIDR-3D和最新的FIRST算法在低劑量條件下對冠脈圖像質(zhì)量進(jìn)行比較，初步探討FIRST算法在低劑量CCTA中的應(yīng)用價值。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)為80 kV低輻射劑量配合低對比劑流率和低對比劑用量以及使用全新的FIRST_Cardiac重建算法應(yīng)用于CCTA圖像重建。

本試驗結(jié)果顯示：入組患者所受平均有效劑量為（0.82±0.17）mSv，較常規(guī)CCTA檢查輻射劑量明顯降低。個性化的對比劑注射方案，真正實現(xiàn)了低對比劑流率和低對比劑用量，大大降低了對比劑外滲、機(jī)體過敏等風(fēng)險，讓受檢患者得到了更好的保護(hù)。圖像質(zhì)量方面，80 kV CCTA聯(lián)合FIRST_Cardiac重建算法所得冠脈圖像各節(jié)段噪聲明顯低于AIDR-3D組和FBP組，分別降低了41.5%和73.7%，而其冠脈各節(jié)段SNR和CNR及定性圖像質(zhì)量評分則均顯著高于其余兩組。有些研究也使用了FIRST重建方法評價冠脈圖像質(zhì)量。Maeda等[16]對比了低劑量下FIRST重建方法和標(biāo)準(zhǔn)劑量下AIDR-3D重建方法評價CCTA的圖像質(zhì)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)即使在低劑量下FIRST重建圖像的主觀評分依然高于標(biāo)準(zhǔn)劑量下AIDR-3D重建圖像，并且相比于標(biāo)準(zhǔn)劑量組，低劑量組的劑量降低了28%。然而，上述研究在低劑量組只是改變了管電流。在本研究中，由于降低管電壓可以有效地降低輻射劑量[17-18]，因此我們選擇了管電壓為80 kV，在低劑量下對比了三種重建方法的圖像質(zhì)量。Hirata等[19]對比了FBP、AIDR-3D、FIRST_Body和FIRST_CardiacSharp四種重建方法下CCTA的圖像質(zhì)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)相比于FBP和AIDR-3D重建方法，F(xiàn)IRST重建方法在主觀和客觀上都提高了圖像質(zhì)量，同時FIRST_Body重建圖像的噪聲最低，CNR最高，F(xiàn)IRST_CardiacSharp重建圖像的主觀評分最高。但是上述研究沒有提及FIRST_Cardiac重建方法，同時并沒有在低劑量下進(jìn)行圖像質(zhì)量的對比研究。本研究在80 kV低劑量的條件下對比了三種重建方法的圖像質(zhì)量，并且得出了FIRST_Cardiac重建方法無論是在主觀還是客觀方面都明顯地提高了圖像質(zhì)量。另外，有些研究也探究了在低劑量條件下評估CCTA的圖像質(zhì)量。Pan等[20]和Cha等[21]對比了管電壓為80 kV和100 kV下CCTA的圖像質(zhì)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)管電壓為80 kV時的CCTA圖像可以在保證圖像質(zhì)量的條件下有效地減少輻射劑量。因此，本研究選擇了80 kV作為管電壓探究低劑量下FIRST重建方法的圖像質(zhì)量。另外，有些研究也探究了其他種類的全模型迭代重建的CCTA圖像質(zhì)量。Ippolito等[22]將低劑量的全模型迭代重建和標(biāo)準(zhǔn)劑量的混合迭代重建的圖像質(zhì)量進(jìn)行了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)低劑量下全模型迭代重建的圖像質(zhì)量更高并且圖像能夠正確地用于評估冠狀動脈疾病。本研究與上述研究得到的結(jié)論具有一致性，并且像FIRST這種全模型迭代算法有助于評價細(xì)小的血管結(jié)構(gòu)。

本研究亦存在兩點(diǎn)不足之處：① 沒有使用FIRST重建方法對鈣化斑塊和支架患者的圖像質(zhì)量進(jìn)行評價。Funama等[23]對比了FBP、AIDR-3D和FIRST重建方法評價冠脈鈣化的圖像質(zhì)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)FIRST重建方法可以有效地提高斑塊密度和管腔斑塊對比度，增加冠脈斑塊的可視性，這個也是我們未來的研究方向；② 入組人數(shù)相對較少，今后的研究還需要增加入組人數(shù)。

綜上所述，相比于傳統(tǒng)的重建算法，F(xiàn)IRST重建算法可以明顯改善80 kV低劑量CCTA的圖像質(zhì)量，降低圖像噪聲，提高圖像SNR和CNR。