低劑量自適應迭代重建技術在低輻射劑量頭頸部CT血管成像中的應用*

張力，徐延峰，鄭婧，于淑靖，陳躍峰，車延旭，宋兆偉

（河北省滄州市中心醫院CT診斷科，河北滄州061001）

低劑量自適應迭代重建技術在低輻射劑量頭頸部CT血管成像中的應用*

張力，徐延峰，鄭婧，于淑靖，陳躍峰，車延旭，宋兆偉

（河北省滄州市中心醫院CT診斷科，河北滄州061001）

目的探討低劑量自適應迭代重建技術（AIDR3D）在頭頸部CT血管成像（CTA）中對圖像質量及輻射劑量的影響。方法行頭頸部CTA檢查的患者90例，隨機分為A、B兩組，每組45例。A組掃描參數為120 kV、300 mA，經濾波反投影法（FBP）重建。B組為80 kV、自動毫安，經AIDR 3D重建。對兩組圖像的噪聲、信噪比（SNR）、對比噪聲比（CNR）、圖像質量主觀評分及輻射劑量進行評價。結果①客觀評價:頸總動脈血管噪聲值B組低于A組，差異有統計學意義（P＜0.05）。頸動脈竇及頸內動脈血管噪聲值B組高于A組，差異有統計學意義（P＜0.05）。頸部SNR及CNR值B組高于A組，差異有統計學意義（P＜0.05）。顱內段血管（MCA1）噪聲值A組低于B組，差異有統計學意義（P＜0.05）。顱內血管SNR及CNR值B組高于A組（P＜0.05）。②主觀評價：頸總動脈評分B組高于A組，差異有統計學意義（P＜0.05）。兩組間頸動脈竇及頸內動脈評分差異無統計學意義（P＞0.05）。顱內動脈評分B組低于A組，但B組圖像質量均能滿足臨床診斷要求。③兩組有效輻射劑量B組低于A組，差異有統計學意義（P＜0.05），B組較A組輻射劑量降低約76％。結論在頭頸CTA聯合掃描中，使用80 kV和自動毫安調節，并運用AIDR3D迭代重建技術，在獲得優質血管圖像的同時可降低輻射劑量。

計算機體層成像；血管造影術；迭代重建；輻射劑量

腦血管疾病是危及患者生命安全的常見病，早期診斷、早期治療對改善患者預后具有極其重要的意義。隨著多層螺旋CT時間及空間分辨率的提高，非侵入性頭頸部CT血管成像（computed tomography angiography，CTA）獲得廣泛應用，其臨床價值可以和侵入性血管造影（digital subtraction angiography，DSA）相媲美。然而CT輻射引起的潛在危害也越來越為人們關注[1-2]。如何在滿足診斷要求的前提下對CT掃描進行系統性優化，降低患者的輻射劑量，已經成為當前醫學影像學一個重要的研究方向。近年來研究表明，一些新的迭代重建技術，使低輻射劑量掃描所得的圖像質量明顯提高，具有降低輻射劑量的潛能[3-6]。本研究以常規濾波反投影法（filtered back projection，FBP）重建為對照，探討低劑量自適應迭代重建（adaptive iterative dose reduction 3D，AIDR 3D）聯合自動毫安技術，對頭頸部CTA圖像質量及患者輻射劑量的影響，優化頭頸部CTA掃描方案。

1 資料與方法

1.1 一般資料

本研究經醫院倫理委員會批準并均簽署知情同意書。選取2015年8月-2016年1月行80排頭頸部CTA檢查的患者90例。入選條件：患者神志清楚，無碘過敏史，無心、肝、腎等重要臟器功能衰竭。按CT掃描參數不同，采用隨機數字表法分為對照組（A組）和低輻射劑量（B組）兩組，每組45例。A組男23例，女22例；B組男22例，女23例，性別差異無統計學意義（χ2=0.044，P=0.500）。兩組間年齡、體重、身高及體重指數差異無統計學意義（見表1）。

表1 兩組患者一般資料比較（n=45，±s）

表1 兩組患者一般資料比較（n=45，±s）

組別體重指數/（kg/m2）A組59.71±8.9764.16±8.02 165.56±6.0423.41±2.71 B組58.29±9.6466.60±9.81 165.91±6.1824.10±2.51 t值0.725-1.294-0.276-1.241 P0.4710.1990.7830.218年齡/歲體重/kg身高/cm

1.2 儀器與方法

1.2.1 檢查前準備患者均采用仰臥位，雙臂垂放于身體兩側，去除頭頸部金屬異物，固定患者頭部，掃描過程中平靜呼吸并禁做吞咽動作。掃描范圍從主動脈弓到顱頂，掃描方向為足-頭方向。

1.2.2 掃描設備及參數采用東芝PRIME 80排CT掃描儀。掃描參數：探測器準直80 mm×0.5 mm，螺距0.831∶1，旋轉時間0.5 s/周，層厚0.5 mm，層間距0.5 mm，矩陣512×512。A組管電壓120 kV、管電流300 mA，FBP重建。B組管電壓80 kV，自動毫安（40～600 mA），標準偏差15.0，經AIDR 3D迭代重建。采用對比劑智能觸發技術，感興趣區（region of interest，ROI）設在主動脈弓層面的降主動脈，觸發閾值設定為160 HU。采用高壓注射器由右側肘前靜脈注入，對比劑使用碘海醇（350 mg/ml），先以4 ml/s注射對比劑60 ml，然后以4 ml/s注射生理鹽水40 ml。掃描完成后將原始數據導入Vitrea Fx工作站中進行圖像分析及重組。

1.3 圖像質量分析

1.3.1 客觀評價在軸位圖像（0.5 mm層厚）上測量C7椎體水平右側頸總動脈及同層胸鎖乳突肌CT值和噪聲值（CT值標準差），右側頸動脈竇（約C4椎體水平）和同層胸鎖乳突肌CT值和噪聲值，C1椎體水平右側頸內動脈及同層咀嚼肌CT值和噪聲值，右側大腦中動脈M1段（MCA1段）及同層面腦組織CT值和噪聲值。動脈ROI放置于血管中央區域，約占2/3血管面積，避開斑塊；肌肉及腦組織ROI放置面積45 mm2，避開偽影[6]（見圖1）；遇有動脈明顯狹窄或閉塞時，則對同層面對側動脈及對應肌肉或腦組織進行測量。A、B兩組分別計算頸段和顱內段動脈信噪比（SNR）和載噪比（CNR）。頸段SNR/CNR為每組頸總動脈、頸動脈竇和頸內動脈3個水平上的SNR/CNR均值，SNR計算方法為SNR=ROI血管/SD血管；CNR計算方法為CNR=（ROI血管-ROI肌肉或腦組織）×2/（SD血管+SD肌肉或腦組織）。其中ROI血管為頸總動脈、頸動脈竇、頸內動脈或MCA1段CT值。ROI肌肉或腦組織為同層胸鎖乳突肌、同層咀嚼肌或同層腦組織CT值。SD為對應血管、肌肉或腦組織的噪聲值（CT值標準差）。

1.3.2 主觀評價由2位5年以上頭頸部CTA處理經驗的放射科醫師共同閱片，閱片醫師知道患者的臨床信息，但不知道掃描條件和實驗目的，2位醫師共同達成一致意見。血管圖像質量主觀評價基于0.5 mm層厚軸位圖像、曲面重組（curved planar reconstruction，CPR）及容積重建（volume rendering，VR）圖像（腦內動脈對3級分支以上節段進行評價）。評分標準如下：5分，頭頸部動脈充盈良好，輪廓清楚，管腔內密度均勻，管壁銳利，無偽影；4分，頭頸部動脈充盈良好，輪廓清楚，管腔內密度均勻，管壁稍模糊或輕微偽影；3分，頭頸部動脈充盈尚可，管腔內密度欠均勻，管壁稍模糊或有輕度偽影，但仍可評價。2分，頭頸部動脈充盈差，管腔內密度不均，管壁模糊，嚴重偽影，評價受限；1分，頭頸部血管不能識別，偽影嚴重，不能診斷。評分≥3分為符合臨床診斷要求，≤2分為不符合要求。

1.4 輻射劑量評估

掃描結束后，記錄CT設備顯示的劑量長度乘積（dose length product，DLP）和CT容積劑量指數（CT dose index volume，CTDIvol），并計算有效輻射劑量（effective dose，ED），ED=DLP×K，其中K為換算系數，K值參照歐盟委員會關于CT質量標準指南，在頭頸CTA掃描時K=0.0031[7]。

1.5 統計學方法

采用SPSS 17.0統計軟件進行數據處理，兩組患者年齡、體重、身高、體重指數、CT值、噪聲值、SNR、CNR、CTDIvol、DLP和ED的組間差異采用2個獨立樣本t檢驗；兩組患者性別情況比較用χ2檢驗。兩組間圖像質量評分采用2個獨立樣本的非參數檢驗，P＜0.05為差異有統計學意義。

圖1 血管CT值及圖像噪聲值的測定

2 結果

2.1 客觀指標評價

頸部兩組間CT值、SNR、CNR比較，B組＞A組，差異有統計學意義（P＜0.05）。頸部血管噪聲組間比較差異有統計學意義，頸總動脈，B組＜A組（P＜0.05），頸動脈竇及頸內動脈，B組＞A組（P＜0.05）（見表2）。顱內段血管（MCA1）兩組間CT值、噪聲值比較，B組＞A組，差異有統計學意義（P＜0.05），顱內血管SNR及CNR值B組＞A組（P＜0.05）（見表3）。

表2 兩組頸部圖像質量客觀參數結果比較（n=45，±s）

表2 兩組頸部圖像質量客觀參數結果比較（n=45，±s）

組別頸總動脈（C7水平）頸動脈竇（約C4水平）頸內動脈（C1水平）噪聲/HU A組362.21±56.1724.71±10.68397.95±50.7510.38±3.28395.10±53.9915.32±5.2029.38±14.4827.22±12.13 B組626.22±136.8018.79±5.54677.80±165.0817.90±5.35685.40±141.9819.48±5.9138.84±15.8435.90±13.33 t值-11.9753.303-10.870-8.032-12.821-3.548-5.121-5.592 P值0.0000.0000.0000.0000.0000.0010.0000.000CT值/HU噪聲/HUCT值/HU噪聲/HUCT值/HU頸部SNR頸部CNR

表3 兩組頭部圖像質量客觀參數結果比較（n=45，±s）

表3 兩組頭部圖像質量客觀參數結果比較（n=45，±s）

組別顱內血管（MCA1）噪聲/HU A組377.39±47.5120.38±6.7920.89±8.9121.98±6.24 B組611.10±122.1925.03±6.2725.93±8.4125.80±6.35 t值-11.958-3.380-2.762-2.882 P值0.0000.0010.0070.005CT值/HU顱內血管SNR顱內血管CNR

2.2 圖像質量主觀評價

在頭頸部動脈圖像質量的主觀評價中，除A組部分患者（7例）在頸總動脈的圖像不能滿足臨床需要外，在其他層面A、B兩組圖像均滿意。頸總動脈評分兩組比較，B組＞A組，差異有統計學意義（P＜0.05）；頸動脈竇、頸內動脈評分兩組比較，差異無統計學意義（P＞0.05）。顱內動脈評分A組＞B組，差異有統計學意義，但兩組顱內血管評分均≥4分，均能較好的滿足臨床診斷需要（見表4和圖2、3）。

2.3 輻射劑量評價

B組較A組輻射劑量降低約76％，差異有統計學意義（P＜0.05）（見表5）。

表4 兩組頭頸部CTA主觀評分結果比較（n=45，±s）

表4 兩組頭頸部CTA主觀評分結果比較（n=45，±s）

組別顱內動脈（MCA1）A組3.40±0.814.98±0.154.87±0.344.93±0.25 B組3.93±0.624.96±0.214.80±0.404.64±0.65 Z值-3.5140.5820.8422.798 P值0.0010.5620.4020.007頸總動脈頸動脈竇頸內動脈

表5 兩組輻射劑量結果比較（n=45，±s）

表5 兩組輻射劑量結果比較（n=45，±s）

組別ED A組579.42±24.2014.70±0.001.80±0.08 B組142.62±26.393.66±0.590.44±0.08 t值81.841125.49381.841 P值0.0000.0000.000DLPCTDI

圖2 A組患者（男，47歲）

圖3 B組患者（女，49歲，頸根部動脈受鄰近骨骼影響較小，圖像質量較好）

3 討論

作為傳統的重建算法，FBP自20世紀70年代應用于臨床以來，一直被商業CT設備廣泛采用。其優點是快速、可靠，缺點是對噪聲較為敏感，當通過降低管電壓或管電流來降低輻射劑量時圖像噪聲明顯增大。因此，為保證良好的圖像質量，就不能大幅降低輻射劑量[8]。隨著人們對CT掃描劑量與圖像質量關系的日益關注，FBP重建算法已經不能滿足人們對低輻射劑量掃描的需求，迭代重建方法是目前CT應用領域的研究重點之一。AIDR3D是基于原始數據空間和圖像空間的迭代技術，配置優化的解剖模型進行對比迭代優化重建，對所有噪聲來源進行降噪處理，可在保證圖像質量前提下，通過降低管電壓或管電流最大程度降低輻射劑量。目前，已有多項關于AIDR3D臨床應用的研究報道[9-10]，并且證明該技術在臨床應用中能夠有效減低掃描劑量，但其在優化頭頸部CTA掃描方案中的應用，報道很少。

本研究采用了降低管電壓和自動管電流調節的方法降低輻射劑量。輻射劑量與管電壓的平方呈正比，管電壓降低，輻射劑量以平方的關系降低[11]，而自動管電流調節技術可以使管電流根據受檢者體型的變化自動調節，使各斷層圖像的噪聲保持在預設水平，獲得穩定的圖像質量，同時降低輻射劑量[12]。目前已經有很多關于低管電壓與自動管電流調節技術聯合應用來降低輻射劑量的研究報道[6]。

在CT頭頸部血管成像中，肩部偽影對頸動脈干擾最為明顯，因此常規頭頸部CTA檢查在掃描肩部時需增加輻射劑量。本研究結果顯示，在掃描范圍、患者體重指數、對比劑注射流速、注射部位等完全相同的情況下，B組頸總動脈血管噪聲明顯低于A組血管主觀評分B組亦高于A組，因此AIDR3D迭代重建技術能有效避免肩部偽影。盡管隨著管電壓的減低B組在頸動脈竇及頸內動脈的血管噪聲值有所提高，但隨著血管CT值的升高，頸部SNR、CNR亦較A組升高，在主觀質量評價中，兩組差異無統計學意義，因此在頸部圖像質量方面B組圖像質量優于A組，同時也證明AIDR3D重建模式可提高掃描過程中產生噪聲多的臟器的圖像質量，與其他學者的研究結果一致[6]；在顱內血管評價方面，盡管B組顱內血管的噪聲有所升高，但同樣是因為CT值的升高，B組顱內血管SNR及CNR亦高于A組，在主觀質量評價中，B組評分均≥4分，因此顱內CTA圖像仍能較好地滿足臨床診斷的需要；在輻射劑量方面，由于B組采用低管電壓與自動管電流調節相結合，輻射劑量減低，較A組輻射劑量降低約76％。綜上所述，AIDR3D重建技術可以在降低輻射劑量的同時有效地避免肩部偽影，提高圖像質量，得到滿意的CTA圖像。

低輻射劑量掃描會導致光電效應增強，提高強化血管的CT值[13]，本研究B組血管CT值均高于A組，為了減少靜脈注射對比劑引發的不良反應，可以適當降低對比劑劑量，如何確定最低對比劑用量有待進一步探討。由于B組在采用AIDR3D迭代技術的同時，還采用自動毫安技術，因此無論從圖像質量亦或掃描劑量上的獲益，都是AIDR3D和自動毫安技術聯合應用的結果，在進一步的研究中需要優化。此外進一步降低管電壓或通過改變自動管電流調節范圍及標準偏差值，觀察能否在更低的輻射劑量下圖像質量仍能滿足臨床診斷需要，還待今后進一步完善。

[1]BERRINGTON DE GONZALEZ A,SALOTTI J A,MCHUGH K, et al.Relationship between paediatric CT scans and subsequent risk of leukaemia and brain tumours:assessment of the impact of underlying conditions[J].Br J Cancer,2016,114(4):388-394.

[2]BAYSSON H,JOURNY N,ROUE T,et al.Exposure to CT scans in childhood and long-term cancer risk:A review of epidemiological studies[J].Bull Cancer,2016,103(2):190-198.

[3]GORDIC S,DESBIOLLES L,SEDLMAIR M,et al.Optimizing radiation dose by using advanced modelled iterative reconstruction in high-pitch coronary CT angiography[J].Eur Radiol,2016,26(2): 459-468.

[4]DEN HARDER A M,WILLEMINK M J,VAN HAMERSVELT R W,et al.Effect of radiation dose reduction and iterative reconstruction on computer-aided detection of pulmonary nodules:Intra-individual comparison[J].Eur J Radiol,2016,85(2):346-351.

[5]袁灼彬,鄭曉林,鄒玉堅,等.迭代重建技術在CT腹部低劑量掃描應用的可行性研究[J].臨床放射學雜志,2016,35(2):288-293.

[6]ZHANG W L,LI M,ZHANG B,et al.CT angiography of the head-and-neck vessels acquired with low tube voltage,low iodine,and iterative image reconstruction:clinical evaluation of radiation dose and image quality[J].PLoS One,2013,8(12):e81486. [7]ROGERS LF.Dose reduction in CT:how low can we go[J].Am J Roentgenol,2002,179(2):299.

[8]WANG G,YU H,DE MAN B.An outlook on X-ray CT research and development[J].Med Phys,2008,35(3):1051-1064.

[9]PAN Y N,LI A J,CHEN Z Q,et al.Improved image quality and decreased radiation dose of lower extremity computed tomography angiography using low-tube-voltage and adaptive iterative reconstruction[J].J Comput Assist Tomogr,2016,40(2):272-276.

[10]嚴誠,陳剛,丁玉芹,等.評價迭代重建法與濾過反投影法在冠狀動脈CTA檢查中的價值[J].放射學實踐,2014,29(6):663-667.

[11]COAKLEY F V,GOULD R,YEH B M,et al.CT radiation dose:what can you do right now in your practice[J].Am J Roentgenol,2011,196(3):619-625.

[12]王倩,趙心明,宋俊峰,等.自動管電流調制技術對腹部CT圖像質量及輻射劑量影像的體模研究[J].中華放射學雜志,2013,47(7): 648-653.

[13]呂婷婷,劉愛連,汪禾青,等.低濃度對比劑和低管電壓結合適應性統計迭代技術對腹部動脈血管成像質量的影響[J].中國醫學影像學雜志,2015,23(4):260-263.

（張蕾 編輯）

Application of adaptive iterative dose reduction 3D in low-dose CT angiography of craniocervical arteries*

Li Zhang,Yan-feng Xu,Jing Zheng,Shu-jing Yu, Yue-feng Chen,Yan-xu Che,Zhao-wei Song
(Department of CT Diagnosis,Cangzhou Central Hospital,Cangzhou,Hebei 061001,China)

ObjectiveTo assess the effect of adaptive iterative dose reduction 3D(AIDR3D)on image quality and radiation dosage in CT angiography(CTA)of craniocervical arteries.MethodsNinety patients who underwent the head and neck CTA examination were divided into group A and group B at random.Each group included 45 patients.In the group A,the scanning parameters were 120 kV and 300 mA,and the images were reconstructed using conventional filtered back projection(FBP).In the group B,the scanning parameters were 80 kV and AutomA and the images were reconstructed using AIDR 3D.All of the images were evaluated on image quality and radiation dose.ResultsIn objective evaluation,the noise level of the group B was significant lower than that of the group A in the common carotid arteries(P＜0.05),but higher than that of the group A in the carotid sinuses and the internal carotid arteries(P＜0.05);neck artery SNR and CNR of the group B were significant higher than those of the group A(P＜0.05).The noise level of the intracranial arteries(MCA1)in the group A was significantly lower than that of the group B(P＜0.05),but the SNR and CNR of the group B were significantly higher than those of the group A(P＜0.05).In subjective evaluation,the image quality score of the common carotid arteries in the group B was higher than that in the group A(P＜0.05),but there was no significant difference in image quality scoring of thecarotid sinuses or the internal carotid arteries(P＞0.05).The score of the group B was lower than that of the group A in image quality of the intracranial arteries,but the quality of all the images could meet the requirements of clinical diagnosis.Compared with the group A,the radiation dose in the group B was reduced by 76％,there was significant difference(P＜0.05).ConclusionsFor CT angiography of craniocervical arteries,AIRD 3D reconstruction along with 80 kV and auto-mA modulation produces diagnostic quality images while substantially reduces radiation dose.

computed tomography;angiography;iterative reconstruction;radiation dose

R445.3

：B

10.3969/j.issn.1005-8982.2017.02.015

1005-8982（2017）02-0081-05

2016-05-26

河北省滄州市科技計劃項目（No：151302114）