IMR、iDose4及FBP結合不同管電壓冠狀動脈CT成像的實驗研究

蔣駿，雷益，溫紅，林一欽，黃美萍，陳子滿

[1.深圳市第二人民醫院（深圳大學第一附屬醫院） 醫學影像科，廣東 深圳 518000；2.惠州市中心人民醫院 醫學影像部，廣東 惠州 516000；3.廣東省人民醫院 心導管室，廣東 廣州 510030；4.中山大學附屬第五醫院 超聲醫學科，廣東 珠海 519000]

冠狀動脈CT 成像應用越來越普遍，既降低輻射劑量又滿足診斷需求具有重大臨床意義。傳統的濾波反投影（filtered back projection,FBP）圖像重建速度快、穩定，但對噪聲敏感，降低輻射空間有限[1]。高級混合迭代重建（iDose4）是第4 代重建算法，可降低圖像噪聲和X 射線輻射[2]；全模型迭代重建（iterative model reconstruction,IMR）是在iDose4上的又一個飛躍，但國內外多為應用于胸腹部的報道[3-5]。本研究以豬為實驗模型，比較IMR、iDose4及FBP 對不同管電壓條件下前瞻性心電門控冠狀動脈多層螺旋CT 成像質量的影響，探討IMR 在冠狀動脈CT 成像中提高圖像質量，降低輻射劑量的應用價值，為臨床應用提供實驗依據。

1 材料與方法

1.1 一般資料

選用健康小型豬5 只，其中雌性4 只，雄性1 只；豬齡300～400 d；體重37～42 kg，平均（39.5± 2.00）kg；平均胸圍（50.20±0.57）cm。螺旋CT檢查前基礎麻醉肌內注射氯胺酮10 mg/kg+地西泮0.4 mg/kg，維持麻醉用耳緣靜脈注入丙泊酚10 mg/kg。檢查前預留好靜脈留置針。每次掃描前可適當對實驗動物按情況適量增加麻醉劑量，實驗過程中要密切注意實驗動物的心肺功能，盡量避免在實驗過程中發生意外，單天實驗結束后送回飼養點控制體重喂養，下次實驗時再從飼養點運送過來，直至實驗結束。

1.2 方法

1.2.1 檢查方法 采用荷蘭Philips 公司的Brilliance 256 層CT 掃描儀行前瞻性心電門控增強掃描。實驗動物仰臥固定于掃描床上，掃描范圍自主動脈弓水平至左膈面下2 cm，由頭側向足側掃描。掃描延遲時間的確定采用對比劑示蹤法，注射對比劑后7 s 跟蹤監測，將感興趣區設在降主動脈處，閾值為180 HU，觸發后延遲7 s 開始掃描。同一只豬每2 次掃描間經過一段洗脫期（此期間一直靜脈滴注生理鹽水，及時更換導尿袋，每次平掃間隔時間不斷延長至與前次平掃測量部位血管內CT 值相近，防止造影劑稽留）直至全部掃描完成。

1.2.2 掃描參數 管電壓分別為120 kV、100 kV 及80 kV，分別作為A、B 和C 組。其中A 組為常規劑量掃描。各組管電流120 mAs，準直128 層×0.625 mm，螺距0.18 mm，管球旋轉時間0.27 s/r，重組間隔0.625 mm。CT 檢查中降心率藥物為艾斯洛爾，由獸醫根據現場實驗豬心率情況給予適當劑量靜脈推注，推注過程中觀察心率變化，目標心率70 次/min，實際檢查中控制心率58～86 次/min，當達到或接近目標心率后及時啟動增強掃描。經耳緣靜脈留置針用雙筒高壓注射器注入非離子對比劑（歐乃派克，350 mg/ml，美國GE 藥業公司，注射總量50 ml）+生理鹽水20 ml，注射流率3.5 ml/s。

1.2.3 圖像后處理 對所有原始數據分別用FBP、iDose4（Level 4 級）及IMR（Routine 2 級）重建方法進行處理，形成A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2 及C3 圖像。在心動間期的40%、45%、50%，或70%、75%、80%時進行圖像重建，篩選出質量最佳的圖像進行后處理，圖像重組方法包括：容積再現、多平面重建。

1.3 圖像質量評價

1.3.1 客觀評價 將3 種不同重建算法所得圖像同時調入Philip 工作站，使用同一屏幕，采用原始軸位圖像，對各組圖像在相同層面同時進行測量。在主動脈根部層面測量兩側豎脊肌中央的CT 值（記為SI），感興趣區取（100±1）mm2，噪聲定義為測量CT 值的標準差，左、右各重復測量3 次，取其平均值。信噪比（signal to noise ratio,SNR）定義為左主干開口處主動脈CT 值與其標準差的比值，上下層面重復3 次，取其平均值，測量中要盡量避開主動脈瓣的影響。對比噪聲比（contrast-to-noise ratio,CNR）定義為主動脈根部CT 值與豎脊肌CT 值的差與豎脊肌標準差的商。所有的測量由1 位有經驗的心血管影像學醫師 完成。

1.3.2 主觀評價 對豬冠狀動脈采取9 段分段法，由2 位具有≥5年冠狀動脈CT 閱片經驗的放射科醫師采用雙盲法分別對9 組圖像質量進行評價；對評分結果行一致性組間檢驗，其中1 位醫師對圖像質量評價前后間隔4 個星期，將2 次結果行一致性組內檢驗。采用5 分法評價冠狀動脈圖像，1 分：血管圖像質量差，對比度差，偽影重，血管錯層，不能評估。2 分：血管圖像較差，邊緣模糊不清，偽影較重，管腔不均質。3 分：血管圖像邊緣模糊，管腔內欠均質，有偽影，噪聲大，但尚能接受。4 分：血管圖像對比度可，邊緣較清晰，管腔內質地均勻，偽影少，噪聲小。5 分：血管圖像對比度佳，邊緣清晰銳利，管腔內質地均勻，無偽影[6]。≥3 分為滿足臨床診斷需要圖像，其中 3 分為基本滿足診斷要求，≥4 分為圖像優良。

1.3.3 輻射劑量計算 本實驗僅統計增強后冠狀動脈CT 血管造影輻射劑量，定位圖及平掃未納入統計范圍。由計算機計算出增強掃描序列的CT 劑量容積指數及劑量長度乘積。

1.4 統計學方法

數據分析采用SPSS 21.0 統計軟件。計量資料以均數±標準差（±s）表示，比較用方差分析，進一步兩兩比較用LSD-t檢驗；等級資料以等級表示，比較用秩和檢驗，P＜0.05 為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 各組不同條件下CT 值比較

A、B、C 組FBP、iDose4及IMR 重建的圖像CT值比較，經方差分析，差異無統計學意義（P＞0.05）；各重建方法不同管電壓條件下的CT 值比較，經方差分析，差異有統計學意義（P＜0.05），進一步兩兩比較，120 kV 低于100 kV（P＜0.05），100 kV 低于80 kV（P＜0.05）。重建方法對主動脈CT 值不構成影響，主動脈CT 值的大小與管電壓有關，且隨管電壓下降，主動脈CT 值升高。見表1、2 和圖1A。

2.2 各組不同條件下噪聲比較

A、B、C 組FBP、iDose4、IMR 重建的圖像噪聲比較，經方差分析，差異有統計學意義（P＜0.05），進一步兩兩比較，FBP 大于iDose4（P＜0.05），iDose4高于IMR（P＜0.05）。各重建方法不同管電壓條件下噪聲比較，經方差分析，差異有統計學意義（P＜0.05），進一步兩兩比較，120 kV 低于100 kV（P＜0.05），100 kV 低于80 kV（P＜0.05）（見表1、2 和圖1B）。80 kV 條件下的IMR 重建圖像（C3）與120 kV 條件下FBP（A1）、iDose4重建圖像（A2）的噪聲比較，經方差分析，差異有統計學意義（P＜0.05），IMR 小于FBP、iDose4（P＜0.05）（見表3）。噪聲與管電壓有關，隨電壓減低，噪聲升高，其中FBP 重建方法受管電壓影響最大，噪聲升高斜率最高，IMR 隨電壓變化噪聲斜率最低。噪聲與重建方法有關，同一管電壓下，IMR 重建噪聲最小，FBP 噪聲最大。

2.3 各組不同條件下SNR 比較

A、B、C 組FBP、iDose4、IMR 重建的圖像SNR比較，差異有統計學意義（P＜0.05），進一步兩兩比較，FBP 低于iDose4（P＜0.05），iDose4低于IMR（P＜0.05）（見表1和圖1C）。IMR 重建的80 kV 圖像（C3）與120 kV 條件下FBP（A1）、iDose4重建圖像（A2）的SNR 比較，經方差分析，差異有統計學意義（P＜0.05），IMR 高于FBP、iDose4（P＜0.05）（見 表3）。SNR 與電壓有關，FBP、iDose4重建下隨電壓的下降SNR 下降，在80 kV 時最低；IMR 重建下電壓100 kV 時SNR 最低。主要是因為，電壓下降，噪聲上升，主動脈CT 值亦上升，所以兩者的比值SNR 變化幅度較小。

2.4 各組不同條件下CNR 比較

A、B、C 組FBP、iDose4、IMR 重建圖像CNR比較，經方差分析，差異有統計學意義（P＜0.05），進一步兩兩比較，FBP 低于iDose4（P＜0.05），iDose4低于IMR（P＜0.05）。各重建方法不同管電壓條件下的圖像CNR 比較，差異無統計學意義（P＞0.05）（見表1、2 和圖1D）IMR 重建的80 kV 圖像與120 kV 條件下FBP（A1）、iDose4重建圖像（A2）的CNR 比較，經方差分析，差異有統計學意義（P＜0.05），IMR 高于FBP、iDose4（P＜0.05）（見表3）。CNR 與電壓關系不大，在同一種電壓條件下，IMR 重建的CNR 最好，iDose4其次，FBP 最差。

表1 不同管電壓條件下FBP、iDose4 及IMR 重建方法的CT 值、噪聲、SNR、CNR 比較 （n =5，±s）

表1 不同管電壓條件下FBP、iDose4 及IMR 重建方法的CT 值、噪聲、SNR、CNR 比較 （n =5，±s）

組別 CT 值/HU 噪聲/HU SNR CNR A 組 FBP 487.60±34.93 48.60±8.91 9.93±1.54 9.09±1.70 iDose4 492.00±34.05 30.80±5.63 15.26±2.44 14.55±2.89 IMR 485.40±26.12 11.80±2.17 37.49±5.37 37.52±6.95 F 值 0.055 43.912 86.324 57.291 P 值 0.946 0.000 0.000 0.000 B 組 FBP 646.40±80.07 59.40±7.92 8.81±1.98 10.09±2.47 iDose4 651.60±81.65 37.40±7.77 14.77±1.94 16.61±5.26 IMR 646.40±80.07 13.60±1.51 31.83±1.99 42.54±6.99 F 值 0.033 89.749 184.242 53.493 P 值 0.968 0.000 0.000 0.000 C 組 FBP 827.00±59.74 88.00±6.78 5.62±1.09 8.85±1.19 iDose4 820.00±78.69 63.70±9.82 9.55±2.41 12.23±2.84 IMR 855.60±67.10 21.50±3.87 35.69±8.26 38.10±8.45 F 值 0.374 179.724 33.268 28.413 P 值 0.696 0.000 0.000 0.001

表2 FBP、iDose4 及IMR 條件下不同管電壓的CT 值、噪聲、SNR、CNR 比較 （n =5，±s）

表2 FBP、iDose4 及IMR 條件下不同管電壓的CT 值、噪聲、SNR、CNR 比較 （n =5，±s）

重建方法 CT 值/HU 噪聲/HU SNR CNR FBP 120 kV 487.60±34.93 48.60±8.91 9.93±1.54 9.09±1.70 100 kV 646.40±80.07 59.40±7.92 8.81±1.98 10.09±2.47 80 kV 827.00±59.74 88.00±6.78 5.62±1.09 8.85±1.19 F 值 38.618 33.054 10.065 0.625 P 值 0.000 0.000 0.003 0.552 iDose4 120 kV 492.00±34.05 30.80±5.63 15.26±2.44 14.55±2.89 100 kV 651.60±81.65 37.40±7.77 14.77±1.94 16.61±5.26 80 kV 820.00±78.69 63.70±9.82 9.55±2.41 12.23±2.84 F 值 28.783 24.113 9.664 1.635 P 值 0.000 0.000 0.003 0.236 IMR 120 kV 485.40±26.12 11.80±2.17 37.49±5.37 37.52±6.95 100 kV 646.40±80.07 13.60±1.51 31.83±1.99 42.54±6.99 80 kV 855.60±67.10 21.50±3.87 35.69±8.26 38.10±8.45 F 值 40.151 18.152 1.244 0.672 P 值 0.000 0.000 0.323 0.529

圖1 各組不同條件下CT 值、噪聲、SNR 及CNR 比較 （n =5，±s）

2.5 各組圖像質量比較

對5 只健康豬共45 段冠狀動脈進行評價，所有冠狀動脈未見狹窄及鈣化，均納入評價范圍。前后2次評價一致性良好（κ=0.805，P=0.000），2 次評價組間一致性良好（κ=0.826，P=0.000）。各重建方法圖像質量主觀評分比較，差異有統計學意義（P＜0.05）（見表4）。A、B、C 組不同重建方法下≥4 分血管比例比較，差異有統計學意義（P＜0.05），IMR 圖像為優良的血管段比例最高，FBP 圖像質量最差（見 表5）。不同重建方法下冠狀動脈近段80 kV 中≥4分血管比例比較，差異有統計學意義（P＜0.05）；不同重建方法下冠狀動脈遠段80、100 kV 中≥4 分血管比例比較，差異有統計學意義（P＜0.05），IMR 對遠段血管的顯示較其他2 種方法優勢明顯（見表6和 圖2、3）。

2.6 各組輻射劑量比較

由于豬體重指數及輻射吸收劑量缺失，很難給予確切的吸收劑量，本文以劑量長度乘積來比較。A、B、C 組CT 劑量容積指數、劑量長度乘積的比較，經方差分析，差異有統計學意義（P＜0.05）。C 組輻射劑量僅為A 組的33.68%。見表7。

表3 A1、A2、C3 圖像的CT 值、噪聲、SNR、CNR 比較 （n =5，±s）

表3 A1、A2、C3 圖像的CT 值、噪聲、SNR、CNR 比較 （n =5，±s）

圖像 CT 值/HU 噪聲/HU SNR CNR A1 487.60±34.93 48.60±8.91 9.93±1.54 9.09±1.70 A2 492.00±34.05 30.80±5.63 15.26±2.44 14.55±2.89 C3 855.60±67.10 21.50±3.87 35.69±8.26 38.10±8.45 F 值 97.219 22.574 26.897 29.584 P 值 0.000 0.000 0.001 0.000

表4 不同重建方法下各組圖像質量主觀評分比較

表5 各組不同重建方法下≥ 4 分血管比例比較 [n =45，例（%）]

表6 不同重建方法下冠狀動脈近段、遠段≥4 分血管的比例比較 [n =20，例（%）]

圖2 不同重建方法下冠狀動脈近段、遠段主觀圖像

圖3 不同重建方法下冠狀動脈主觀圖像

表7 各組輻射劑量比較 （n =5，±s）

表7 各組輻射劑量比較 （n =5，±s）

組別 劑量容積指數 劑量長度乘積A 組 23.14±0.23 335.98±20.75 B 組 14.44±0.22 238.14±29.25 C 組 7.84±0.11 114.66±7.07 F 值 7866.232 138.091 P 值 0.000 0.000

3 討論

冠狀動脈CT 成像已經成為診斷和評價冠狀動脈疾病一種重要的無創手段，降低其輻射劑量具有重要的臨床意義。CT 原始數據的重組算法主要有FBP 及迭代重建兩大類。傳統的FBP 降低輻射劑量幅度有限，因其假定投影數據是無噪聲的，當X 射線劑量降低時，重建出的圖像噪聲會明顯增大[7]。近年來隨著計算機發展，迭代重建的價值逐漸受到臨床肯定[7-9]。iDose4作為第4 代重建算法，通過在投影空間和圖像空間進行基于噪聲模型和解剖模型系統的迭代運算，降低圖像噪聲[2]；IMR 是飛利浦新一代迭代重建算法，結合了以下4 個平臺：解剖幾何形態學重建平臺、以X 射線衰減特性設計的統計學模型、強化器官本身固有特性的優化功能，以及以強化目標病變的特性為臨床目標的平臺，與iDose4相比增加了后2 個平臺[9]。

本研究結果顯示iDose4重建算法較FBP 降低圖像噪聲效果更好，這與既往報道一致[10]。本研究還顯示IMR 降噪效果明顯強于iDose4，在80 kV 條件下IMR 重建的圖像噪聲仍較120 kV 條件下FBP 重建的圖像噪聲小，亦較iDose4重建的圖像噪聲小。IMR 重建的圖像SNR、CNR 在各管電壓組內亦均較FBP 及iDose4高。

既往研究報道，在冠狀動脈低電壓80 kV 掃描結合iDose4可獲得與常規掃描相仿的圖像質量[11]。而本研究顯示，IMR 重建方法較iDose4更優秀。使用80 kV 管電壓掃描，輻射劑量降低約66%，用IMR 重建后其圖像質量卻仍優于常規120 kV 條件下的FBP及iDose4重建圖像，80 kV 條件下IMR 重建的主觀圖像優良率高于120 kV 條件下FBP 及iDose4。本研究還發現，IMR 在顯示冠狀動脈遠段血管時較FBP 和iDose4優勢尤為顯著，這在既往研究中鮮被提及[12-13]。在80 kV 條件下，FBP 和iDose4重建的冠狀動脈遠段主觀圖像質量優良率均為0%，而用IMR 重建優良率達到53%。

IMR 重建算法降低管電壓同時又使降低對比劑用量成為可能，由于管電壓下降，X 射線會因光電效應增加而大比例被碘吸收，有利于監測血管中的碘對比劑濃度[14]。本研究顯示，80 kV 掃描時CNR 較120 kV時無明顯下降，歸功于管電壓下降導致血管中對比劑CT 值升高，NAKAURA 等[14]報道在80 kV 條件下可以將對比劑用量降至50%。

本研究有一些不足：①由于豬不能配合屏氣，呼吸運動偽影影響圖像質量，這也是部分IMR 重建血管不能滿足診斷的主要原因，今后在成人研究中可加呼吸門控嘗試進一步降低管電壓；②本研究建立在正常豬冠狀動脈模型上，未包括冠狀動脈病變的模型。

綜上所述，在冠狀動脈CTA 檢查中，應用IMR重建技術可明顯降低噪聲、提高SNR 及CNR、提高圖像質量，在80 kV 管電壓條件下圖像質量仍好于常規條件（120 kV 管電壓）下的FBP 及iDose4。