高級迭代重建算法在雙低主動脈CTA中的應用研究

許晨陽 安恒彬 朱紹成 郭濴 王梅云 竇社偉 譚紅娜 史大鵬 寧培鋼

(河南省人民醫院放射科， 河南 鄭州 450003)

多層螺旋CT掃描技術的發展日新月異，主動脈CT血管成像(aorta computed tomography angiography,ACTA)也越來越廣泛應用于臨床疾病診斷與治療，既往應用濾波反投影算法(filtered back projection ,FBP)重建圖像，存在噪聲較大，對比噪聲比(Comparison Noise Ratio)較低等問題[1]，迭代重建算法(sinogram affirmed iterative reconstruction,SAFIRE)能夠有效解決此類問題，它能降低圖像噪聲，提高圖像對比噪聲比，在保證圖像質量滿足影像診斷要求的前提下， 間接降低掃描管電壓、輻射劑量及造影劑用量。[2-5]本研究比較不同管電壓(80 kV、100 kV)下，不同造影劑使用量(0.7 mL/kg、1.0 mL/kg)下兩種不同重建算法(FBP、SAFIRE)對圖像噪聲、對比噪聲比及輻射劑量的影響，從而探討高級迭代重建算法在雙低主動脈CTA中的應用價值。報告如下。

1 資料與方法(Materials and methods)

1.1 一般資料 采用簡單隨機分組將2017年1—9月在我院行全主動脈CTA掃描的臨床患者108例(男70例，女38例)分為實驗組(A)和對照組(B)，A組(n=52)，B組(n=56)，體重指數正常(≤2 5 kg/m2)。所有患者試驗前均告知使用碘造影劑的相關反應及可能出現的過敏反應，并簽訂碘造影劑使用知情同意書。本實驗經醫學倫理委員會批準。

1.2 方法 掃描技術：所有實驗對象均采用西門子雙源FlashCT(Somatom Definition Flash，Siemens Healthcare，Forchheim，Germany)進行掃描。掃描模式選擇Flash Spiral模式，管電壓分別為實驗組80 kV(52例)、對照組100 kV(56例)，管電流采用自動調節技術，參考管電流為288 mAs/rot，探測器準直為2×64×0.6 mm，螺距3.2。先進行胸腹聯合定位像掃描，再進行增強掃描，掃描范圍為胸廓入口處至恥骨聯合處。增強掃描采用高壓注射器，以4.5 mL/s的流速經肘前靜脈注入非離子型造影劑(碘普羅胺 370 mgI/mL)，實驗組造影劑用量0.7 mL/kg，對照組造影劑用量1.0 mL/kg，注射完畢后隨即以4.5 mL/s的流速注入30 ml生理鹽水，應用對比劑跟蹤技術(bolus tracking)，在主動脈根部層面選擇感興趣區(ROI)檢測CT值，當ROI層面內CT值達到100 HU時，延遲5 S自動觸發掃描。圖像重建:實驗組及對照組所有圖像均分別應用FBP及SAFIRE重建算法分別進行重建，從而將患者圖像分為四組(80 kV+SAFIRE組，80 kV+FBP組，100 kV+SAFIRE組，100 kV+FBP組)，重建層厚0.625 mm；將重建后圖像導入影像工作站。客觀評價：選擇四個層面(升主動脈起始部、主動脈弓、腹主動脈腹腔干開口水平、髂總動脈起始部)，每個層面選擇三個感興趣區(ROI)，每個ROI面積為100 mm2，將ROI完整復制到所選層面圖像上，保證所有ROI形態、大小及位置相同，然后分別記錄相應層面的CT值、噪聲(SD)、對比噪聲比(contract-noise-radio，CNR)；CNR計算公式CNR=(CTA-CTB)/SDB，其中，CTA代表測量層面主動脈的CT值，CTB代表所測量主動脈同層面的肌肉CT值，SDB代表所測量主動脈同層面肌肉的SD值。1.3 統計學方法 使用SPSS20.0統計學軟件包采用獨立樣本T檢驗，對A、B兩組患者的輻射劑量、造影劑用量及四組患者主動脈ROI的CT值、SD、CNR、主動脈圖像質量主觀評分進行統計學分析，P<0.05為差異有統計學意義。

2 結 果

2.1 A組與B組患者臨床基本特征比較 主要包括年齡和體重指數(BMI)，A組年齡平均為(59.00±11.00)歲，B組年齡平均為(61.00±11.00)歲，兩組間年齡差異無統計學意義(F=0.35,P>0.05)；A組平均體重為(67.14±11.21) kg，B組平均體重為(67.73±14.87) kg，兩組間體重差異無統計學意義(F=3.16，P>0.05)；A組體重指數平均為(24.40±3.41) Kg/m2，B組體重指數平均為(23.76±3.96) Kg/m2，兩組間體重指數差異無統計學意義(F=0.80,P>0.05)。

2.2 A組與B組患者輻射劑量對比 在基本掃描參數相同的條件下，A組患者接受輻射劑量減少，CTDI及DLP均減少，與B組比較差異有統計學意義(F=24.94、1.92，P<0.01)，均減少67%。A組患者造影劑用量減少，與B組比較差異有統計學意義(F=2.76，P<0.01)，減少28%。見表1。

表1 A組與B組輻射劑量及造影劑用量對比

2.3 各組患者主動脈CT成像主客觀圖像質量比較：A組+SAFIRE升主動脈、主動脈弓、腹主動脈及髂總動脈ROI噪聲低于A組+FBP，兩者差異有統計學意義(F=7.96,0.12,9.98,0.16；P<0.01)；A組+SAFIRE的ROI對比噪聲比高于A組+FBP，兩者差異有統計學意義(F=11.80,1.60,2.21,1.64；P<0.01)；B組+SAFIRE升主動脈、主動脈弓、腹主動脈及髂總動脈ROI噪聲低于B組+FBP，兩者差異有統計學意義(F=7.32,2.06,0.12,0.33；P<0.05)；B組+SAFIRE的ROI對比噪聲比高于B組+FBP圖像對比噪聲比，兩者差異有統計學意義(F=2.54,12.90,5.04,7.03；P<0.05)；A組+SAFIRE升主動脈、主動脈弓、腹主動脈及髂總動脈ROI噪聲低于B組+FBP，兩者差異有統計學意義(F=7.32,2.06,0.12,0.33；P<0.05)；A組+SAFIRE的ROI對比噪聲比高于B組+FBP，兩者差異有統計學意義(F=0.02，6.03,10.22,12.22；P<0.05)。A組+SAFIRE的ROI噪聲高于B組+SAFIRE，兩者差異有統計學意義(F=16.39,25.39，7.78，2.75；P<0.01)；A組+SAFIRE的ROI對比噪聲比低于B組+SAFIR，兩者差異有統計學意義(F=6.80,25.67,20.03,24.94；P<0.01)。圖像質量主觀評分A組+SAFIRE高于B組+FBP(F=0.31，P>0.05)，B組+SAFIRE高于A組+SAFIRE(F=0.001，P>0.05)。B組+SAFIRE高于B組+FBP(F=0.01，P>0.05)。見表2。

表2 各組患者主動脈CT成像客觀圖像質量及主觀質量評分比較

注：P1值為A組+FBP與A組+SAFIRE比較，P2值為B組+FBP與B組+SAFIRE比較，P3值為B組+FBP與A組+SAFRE比較，P4值為A組+SAFIRE與B組+SAFIRE比較。

3 討 論

主動脈CTA掃描領域通常較大，掃描層數相對較多，患者受輻射劑量也較大，存在損害 DNA 的潛在作用，與一些惡性腫瘤的發生也存在一定相關性[6]。X線與人體組織主要發生兩種物理反應：康普頓效應和光電效應[7]，而影響輻射劑量的主要因素是后者。光電效應能否發生又取決于兩個因素：組織有效原子序數和管電壓[8]。曹國全等[9]應用迭代重建技術聯合低電壓(80kV)行胸主動脈CTA掃描，在圖像CNR與120kV管電壓掃描無統計學意義前提下，輻射劑量卻下降了約69%，與本研究所得結果基本一致。但是由于80kV管電壓平均能量較低，X線穿透力不足，特別是在體厚較大的層面，還是會產生較大噪聲，特別是用傳統FBP重建圖像時，圖像噪聲較大，顆粒感強，主動脈血管壁顯示毛糙欠清，影響圖像質量及影像診斷。SAFIRE是第二代迭代重建技術，利用矩陣代數，選擇性地識別并去除圖像噪聲，使圖像噪聲降低，并能最大限度保證圖像細節信息不被丟失，保持和提高圖像的空間分辨率，進而有效提高了圖像質量[10]，第二代迭代重建技術除了建立系統統計模型之外，還建立了系統光學模型，從而使體素、X射線光子初始位置和探測器幾何因素均通過模型進行模擬，空間分辨率和對比噪聲比進一步提高[11]。更重要的是，SAFIRE算法可以有效地在圖像過程中將由于X線減少而產生的量子噪聲排除[12]。Winklehner等[13]應用雙源CT進行體部 CTA掃描， 采用 SAFIRE重建對一個球管的原始數據進行重組，圖像噪聲較雙球管FBP重組降低9.4% ，而輻射劑量則減少了一半。

本研究中，相同管電壓掃描條件下，使用SAFIRE重建的圖像質量客觀評價的對比噪聲比較使用FBP算法為高；試驗組(80kV)圖像質量客觀評價的噪聲、對比噪聲比與對照組(100kV)比較，差異有統計學意義(P<0.05)，但是兩組間圖像質量主觀評分均值差異無統計學意義，也說明應用在低電壓掃描前提下，雖然圖像噪聲及CNR有所降低，但由于運用SAFIRE重建算法，圖像質量不至于影響診斷，從而驗證了低劑量掃描的可行性。實驗組造影劑用量為0.7 mL/kg，對照組造影劑用量為1.0 mL/kg，實驗組造影劑平均用量較對照組減少28%，通過應用迭代重建技術，雖然兩組圖像的噪聲及CNR差異有統計學意義，兩組圖像主觀評分均值差異無統計學意義，這說明本研究中降低造影劑劑量對圖像質量的影響較小，不影響影像診斷。付傳明[14]等的通過應用雙低技術(低電壓、低對比劑碘量)技術，使實驗組較對照組平均碘量減 少47.77%，但兩組圖像間CNR差異無統計學意義，究其原因，80 kV管電壓產生的光子能量較100 KV管電壓產生的光子能量更易被對比劑中碘原子的K緣吸收，從而提高血管增強掃描后的CT值，增加了血管與周圍組織的對比度[15]。再加上應用迭代重建算法，使圖像的噪聲進一步減低，對比噪聲比進一步提高。

綜上所述，在保證圖像質量符合影像診斷要求的前提下，低管電壓、低造影劑使用量聯合迭代重建算法能有效降低輻射劑量及患者接受碘量，必將在提高主動脈CT成像質量中得到越來越廣泛的應用。