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，楊創勃 ，雷雨欣，賀太平，張喜榮

（1.陜西中醫藥大學第二附屬醫院CT室，陜西 咸陽 712000；2.陜西中醫藥大學附屬醫院醫學影像科，陜西 咸陽 712000；3.陜西中醫藥大學醫學技術學院，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生和影像科醫生亟待解決的問題。自適應統計迭代重建 （Adaptive statistical iterative reconstruction，ASIR）是基于噪聲模型的數據空間的迭代重建，已廣泛應用于臨床，相比于濾波反投影（Filtered back projection，FBP）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（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。本研究經醫院倫理委員會批準，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。患者仰臥位，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：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。采用小劑量監測法，觸發掃描，將觸發區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 （Regions of interest，ROI）的放置：血管測量ROI應占據血管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。各參數測量三次取平均值作為最終的數據進行保存。

1.4 圖像評價

圖像客觀評價：根據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：由兩名有經驗的影像醫生對患者腎動脈的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 統計方法

采用SPSS 16.0進行統計分析，計量資料采用均數±標準差表示。兩名醫生對于圖像評分的一致性采用 Kappa 分析，Kappa 值≥0.75 為優、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據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組的主觀評分醫生1和醫生 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生均≥3分，腎動脈CTA圖像質量能夠滿足診斷需求，兩名醫生的一致性檢驗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組間兩名醫師主觀評分之間差異無統計學意義（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

對比劑引起的腎病（Contrast-induced nephropa-thy，CIN）是指在應用碘對比劑3天內發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內其絕對值增加≥44.2 umol/L[5-6]。CIN已成為醫院獲得性急性腎功能衰竭最常見原因的第三位（發生率約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點[3，9-10]。ASIR可以使用不同的權重去調節圖像質量，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“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組的主觀評分醫生 1 和醫生 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計模型，從采集的原始數據開始校正噪聲，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。由于病例數量有限，未能統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。