基于低輻射劑量全模型迭代CTP的顱腦側支循環研究

吳曉玲，胡杉，莫梓華，楊云竣，黃飚

缺血性腦血管病具有發病率高、死亡率高、致殘率高、復發率高的特點，是嚴重威脅我國居民健康的重大疾病。急性缺血性腦血管病患者如果存在側支循環，可維持腦血流灌注使缺血半暗帶維持較長時間，能降低出血轉化的風險［1］，降低腦中風復發風險［2］。2018年美國心臟協會／美國卒中協會推薦評估側支循環狀態來指導臨床決策，篩選適合機械取栓的患者［3］。全面評估側支循環狀態對指導臨床工作有重要的意義。DSA是評估側支循環的金標準，但屬于有創性檢查。CT血 管 成 像（computed tomography angiography，CTA）是一種快速無創的成像方法，可以顯示Willis環的完整性，顱內血管狹窄的部位、程度等，但常規的單期CTA可能會低估側支循環［4］。多期CTA、4DCTA雖然可以較好的顯示側支血管，但輻射劑量也明顯增 加［5］。CT灌 注（computed tomography perfusion，CTP）成像覆蓋了對比劑從動脈流入到靜脈流出的整個過程，因此可以進行動態腦血管成像。全模型迭代重建技術（iterative model reconstruction，IMR）是一種新型的迭代重建技術，輻射劑量極低，從基于IMR技術的CTP原始數據可重組出多期相CTA，在不增加患者輻射劑量及對比劑使用量前提下，既能獲得腦組織血流灌注信息，又能動態、全面評估患者側支循環情況。本研究的主要目的是分析從基于IMR技術CTP原始數據中重組的多期相CTA的圖像質量，探討其在缺血性腦血管病患者側支循環評估中的價值。

材料與方法

1．一般資料

搜集2016年4月－2019年9月在本院行血管內治療的MCA狹窄患者。納入標準：①短暫性腦缺血發作或缺血性卒中癥狀發作14天內；②既往行MRA或DSA檢查發現單側MCA重度狹窄或閉塞；③年齡＞18歲；④美國國立衛生研究院卒中量表（NIHSS）評分≥5；⑤CT檢查前未接受任何血管內治療。排除標準：①常規頭顱CT平掃提示顱內出血；②嚴重的心、肺、肝、腎功能不全，無法耐受CT檢查；③CT掃描過程中運動偽影嚴重，影響圖像觀察；④臨床或影像資料不完善。本研究經醫院倫理委員會批準，所有患者在檢查前均簽署知情同意書。

2．檢查方法及參數

采用256層螺旋CT（Philips Brilliance iCT）進行CT掃描，患者采用仰臥位，頭先進，用固定帶固定頭部，囑患者保持頭部不動，平靜呼吸。所有患者先行頭顱CT平掃排除顱內出血后再行頭顱CTP及CTA檢查。頭顱CT平掃，管電壓120kVp，管電流350mAs，層厚5mm，探測器64×0．625mm，矩陣512×512。以眥耳線為基線，掃描層面與基線平行，掃描范圍從顱底部至顱頂部。CTP掃描范圍以眥耳線為基線，從顱底部向上80mm。管電壓80kVp，管電流50mAs，層厚5mm，探測器128×0．625mm，矩陣512×512，視野220mm×220mm。采用雙筒高壓注射器經肘前靜脈團注非離子型對比劑碘普羅胺（370mg I／mL，拜耳醫藥）約40mL，注射流率為4．0mL／s，然后以相同流率注射生理鹽水20mL。注射對比劑后延遲8s開始掃描，采用不移動掃描床模式連續采集40個不同期相動態容積數據，每期循環掃描時間0．8s，總掃描時間32s。頭顱CTA掃描范圍從顱底部至顱頂部，管電壓120kVp，管電流350mAs，層厚1mm，探測器64×0．625mm，矩陣512×512。

3．圖像后處理

CTP原始數據經IMR重建算法重建后，將層厚為5mm的原始圖像重組為1mm薄層圖像用于CTA成像。將所有圖像傳至CT圖像后處理工作站（Philips Intelli Space Portal，v6．0．6．20039），運 行 工 作 站Brain Perfusion軟件，自動選擇大腦前動脈為輸入動脈，上矢狀竇為輸出靜脈，經工作站后處理得到時間－密度曲線（time－density curve，TDC）及腦血容量（cerebral blood volume，CBV）、腦血流量（cerebral blood flow，CBF）、平均通過時間（mean transit time，MTT）及達峰時間（time to peak，TTP）灌注偽彩圖。根據TDC曲線選取動脈期（以動脈強化峰值為中心的5個時相）、動脈晚期（動脈期后的5個時相）及靜脈期（以靜脈強化峰值為中心的5個時相），為提高圖像信噪比，將不同期的5個時相圖像進行融合重組，分別重組為層厚為1mm的動脈期、動脈晚期及靜脈期CT灌注血管成像（CT perfusion angiography，CTPA）圖像。將不同期相CTPA圖像采用最大密度投影（maximum intensity projection，MIP）及多平面重組（multiplanar reconstruction，MPR）方法顯示血管。為更好地觀察側支血管，將層厚為1mm的動脈期、動脈晚期的CTPA圖像重組為層厚為25mm的MIP圖像，采用相同的窗寬、窗位顯示，然后用動脈晚期的MIP圖像減去動脈期MIP圖像，得到減影后MIP圖像。

4．圖像分析

由5年以上神經影像診斷經驗的放射科醫師對CTP及CTPA圖像質量進行主觀評價，并評價側支循環情況。患者的臨床信息、掃描參數、檢查號等被隱藏。CTPA圖像隨機分配給醫師，采用統一顯示屏及相同的窗寬、窗位顯示，結合橫軸面、MPR、MIP圖像對顱內血管進行分析評估。

①CTP主觀質量評價：對四種灌注偽彩圖進行腦灰白質分界、缺血灶與正常組織偽彩色階差異、圖像均勻性、圖像偽影嚴重程度評分，每項指標均作0～2分評分：0分，差；1分，中等；2分，好。將各項指標評分相加作為圖像質量主觀評分，總分最高為8分。≤3分認為圖像質量差，不能診斷；＞3分且≤6分認為圖像質量中等，可以診斷；＞6分認為圖像質量好，診斷明確［6］。

②CTPA客觀質量評價：在CTA、動脈期CTPA圖像上正常一側MCA近端放置興趣區（ROI），大小為1～3mm2，盡量避開血管壁和鈣化斑塊。保持兩組圖像中ROI位置、大小一致。記錄每個ROI的CT值及CT值的標準差（standard deviation，SD）。SD作為圖像噪聲。在同層面肌肉放置ROI，大小為15～30mm2。測量同層面肌肉的CT值。所有ROI均測量3次，取平均值。利用公式計算信噪比（signal to noise ratio，SNR）及對比 噪聲比（contrast to noise ratio，CNR），SNR＝CT血管／SD血管，CNR＝（CT血管－CT肌肉）／SD血管。

③CTPA主觀質量評價：對CTA、CTPA圖像進行動脈強化、小動脈細節顯示、圖像噪聲、靜脈污染四個方面評分，每項均作0～2分評分：0分，差；1分，中等；2分，好。

④CTPA側支循環評價：根據患側MCA供血區與對側正常大腦半球相比，側支血管顯示程度進行4分評價法［7］。0分：無側支血管；1分：側支血管＜50%；2分：50%≤側支血管＜100%；3分：側支血管100%。≥2分認為側支循環良好，＜2分認為側支循環差。

5．輻射劑量

記錄CT掃描完成后自動生成的劑量參數，包括CT容積劑量指數（volume CT dose index，CTDIvol）和劑量長度乘積（dose length product，DLP），并計算有效劑量E＝DLP×k，其中k為轉換因子，成人頭部k為0．0021／mSv·mGy－1·cm－1。

6．統計學分析

采用SPSS 22．0統計軟件進行統計學分析。CTPA血管強化CT值、圖像噪聲、SNR、CNR比較采用配對t檢驗，不符合正態分布時采用Wilcoxon符號秩和檢驗。CTPA圖像質量主觀評分、側支循環評分采用Wilcoxon符號秩和檢驗。以P＜0．05為差異有統計學意義。

結 果

1．一般臨床資料

共納入68例患者，其中男54例，女14例，年齡39～81歲，平均（61．2±9．7）歲，從癥狀發作到進行檢查時間為7h～14天。主要臨床癥狀包括：頭痛、頭暈、一側肢體乏力、意識障礙、言語不清等。

2．輻射劑量

根據計算公式得出CT平掃的有效輻射劑量為1．83mSv，CTP的有效輻射劑量為1．28mSv，CTA的有效輻射劑量為1．83mSv。

3．CTP主觀質量評價

灌注偽彩圖圖像質量主觀評分為7．28±1．09分。其中3例4分（4%），3例5分（4%），6例6分（9%），16例7分（24%），40例8分（59%）。56例（83%）患者灌注偽彩圖圖像整體質量良好，可以滿足診斷需求。圖像腦灰白質分界清晰，梗死灶與正常腦組織偽彩色階差異明顯，圖像均勻性良好，沒有明顯的偽影（圖1）。

4．CTPA客觀質量評價

CTPA組的血管強化CT值、SNR、CNR明顯高于CTA組（均P＜0．05，表1）。CTPA組血管強化CT值為（390．94±78．02）HU，CTA組為（116．13±52．66）HU。CTPA組的SNR、CNR比CTA組分別增加了31%、176%。CTPA組噪聲高于CTA組（T＝2189，P＜0．001）。

5．CTPA主觀質量評價

CTPA組圖像質量良好，圖像血管邊緣光滑，銳利，動脈遠端分支顯示清晰，圖像質量能滿足臨床診斷需求（圖2）。在動脈強化、小動脈細節顯示及靜脈污染方面CTPA組圖像質量優于CTA組（均P＜0．05，表2）。CTPA組圖像噪聲高于CTA組（P＜0．001，表2）。

6．CTPA側支循環評價

CTPA組的側支評分高于CTA組（1．79±0．64 vs．1．22±0．77，P＜0．001）。CTA組只能顯示動脈期的腦內主要動脈，而CTPA組可顯示延遲顯影的側支血管。54%（37／68）患者CTPA側支評分高于CTA，46%（31／68）患者二者側支評分結果相同。CTPA組中有71%（48／68）側支循環良好，CTA組中有31%（21／68）側支循環良好。有些患者的側支血管在單期CTA中顯示不佳，在多期相CTPA中側支血管顯示良好（圖3），減影MIP圖像能更加直觀、清晰地顯示側支血管（圖3d）。

表1 CTA與CTPA組圖像質量客觀評價結果

表2 CTA與CTPA組圖像質量主觀評價結果

圖1 男，48歲，右側大腦中動脈供血區腦梗死。a）CBV圖像顯示右側大腦中動脈供血區CBV稍升高；b）CBF圖像顯示右側大腦中動脈供血區CBF降低；c）MTT圖像顯示右側大腦中動脈供血區MTT延長；d）TTP圖像顯示右側大腦中動脈供血區TTP延長。CT灌注偽彩圖腦灰白質分界清晰，梗死灶與正常腦組織偽彩色階差異明顯，圖像均勻性良好，沒有明顯的偽影，圖像質量評分為8分。 圖2 男，39歲，左側大腦中動脈重度狹窄。a）常規CTA圖像顯示左側大腦中動脈M1段重度狹窄；b）動脈晚期CTPA圖像同樣清晰顯示左側大腦中動脈M1段重度狹窄，小動脈細節顯示更好。CTA圖像動脈強化、小動脈細節顯示、圖像噪聲、靜脈污染評分均為1分，而CTPA圖像均為2分。 圖3 女，74歲，右側大腦中動脈狹窄。a）常規CTA重組MIP圖像顯示右側大腦中動脈M2段重度狹窄，狹窄血管遠端側支血管顯示不清；b）CTPA動脈期重組MIP圖像顯示右側大腦中動脈M2段重度狹窄；c）動脈晚期重組MIP圖像顯示狹窄血管遠端可見豐富的側支血管；d）減影MIP圖像顯示右側大腦中動脈供血區存在豐富的側支血管。

討 論

腦梗死后側支循環的建立存在個體差異，良好的側支循環能改善腦組織的缺血狀況、減緩缺血半暗帶組織壞死，減少梗塞灶的數量和體積［8］，改善預后。本研究發現基于IMR算法的CTP檢查可以大幅度降低患者接受的輻射劑量，不影響CTP灌注參數圖的質量和診斷價值。重組的CTPA在沒有增加輻射劑量的前提下，圖像質量與常規CTA相當，又可以動態評估側支循環的狀態，重組的CTPA圖像經減影后能直觀地顯示側支血管。

CT灌注成像已經廣泛應用于缺血性腦血管病的評估［9－11］。2018年美國心臟協會／美國卒中協會推薦卒中發作6～24h內的前循環大血管閉塞患者行CT灌注檢查，篩選適合機械取栓的患者［3］。CTP檢查需要對興趣區進行反復多次掃描，因此患者接受的輻射劑量比常規CT檢查明顯增加。目前有多種方法可以降低CTP的輻射劑量，包括降低管電壓、降低管電流及改善重建技術等。

全模型迭代重建技術（iterative model reconstruction，IMR）是一種新型的完全迭代重建技術，與部分迭代重建技術不同，IMR技術充分考慮了系統模型、圖像統計模型和數據統計模型，通過復雜的迭代運算，反復對掃描模型與采集數據進行對比、校正，最終得到低噪聲的高質量圖像［12－13］。一些體模試驗和臨床研究證實，IMR技術與濾波反投影法（filtered back projection，FBP）相比可以降低輻射劑量75%～90%［14－16］，降低圖像噪聲59．1%～81．1%［17］，提高圖像CNR約330%［18］，而不影響圖像質量。降低管電流是簡單有效的降低輻射劑量的方法［9］，因為管電流與輻射劑量呈線性相關。有研究表明將管電流從190mAs降低到127mAs，不影響CTP的定量參數值和主觀圖像質量［19］。進一步研究表明，將管電流降低至72mAs不會影響CT灌注圖像的診斷準確性［20］。Murphy等［21］研究發現即使將管電流降低至50mAs也能獲得足夠的圖像質量。但管電流低于50mAs時會嚴重影響灌注圖像的質量［19，21］。當管電壓為80kVp時，降低了X射線的能量，更接近于對比劑中碘原子的K緣，此時碘原子對X射線的吸收率最大，圖像的CT值更高［22］。本研究采用50mAs管電流、80kVp管電壓聯合IMR技術，CTP的輻射劑量僅為1．28mSv，CTP偽彩圖圖像質量良好，腦灰白質分界清晰，缺血灶與正常腦組織偽彩色階差異明顯，圖像均勻性良好，沒有明顯的偽影，可以滿足臨床診斷需求。

CTP圖像可以獲得腦血流灌注信息，這些圖像覆蓋了對比劑從動脈流入到靜脈流出的整個過程，因此可以根據需要分別對狹窄的動脈以及側支血管進行多期相顯像。有研究表明，利用CTP原始數據重組出的CTA圖像質量與常規CTA相當。重組的CTA圖像結合CT灌注參數圖檢測顱內動脈狹窄的敏感度為94%，陽性預測值為100%［23］。除此之外，重組的CTA圖像還可以發現單期CTA不能顯示的側支血管，全面、準確評估側支循環的程度、速度［24－27］。本研究團隊之前的研究從基于迭代算法（iDose4技術）CTP原始數據中重組出CTA圖像，雖然重組圖像也能夠滿足臨床診斷需求，但圖像質量比常規的CTA要差［28］。本研究采用IMR迭代重建技術，重組的CTPA圖像血管強化CT值、SNR、CNR明顯高于CTA組，圖像血管邊緣光滑、銳利，動脈細節顯示清晰，圖像質量良好，可以滿足臨床診斷需求。CTPA組的側支評分高于常規CTA組，這一結果與Smit等［7］及Menon等［29］的研究結果類似。多期相的CTPA圖像可以避免單期CTA單一時間點采集圖像，無法動態顯示血管的問題，可以更加全面評估顱內血管狹窄程度以及側支循環的狀態。

側支循環的影像學評估方法包括結構學和功能學評估。全面評估側支循環的結構和功能有助于確立患者個體化治療方案及判斷預后。側支循環結構學評估方法包括：CTA、MRA、DSA等。DSA被認為是評估側支循環的金標準，但是DSA是有創性檢查，在無條件或不適用DSA檢查時，無創性影像檢查仍是主要的檢查手段。單期CTA可以無創評估側支循環，但缺點是單期CTA是單一時間點成像，會造成側支評估的低估，因為在病理狀態下，側支血管的顯示往往是延遲的。多期CTA、動態CTA及4D－CTA可以準確評估側支循環，但是會明顯增加患者接受的輻射劑量［5］，因此不適用于臨床常規檢查。功能學評估方法包括CTP和磁共振灌注成像等。這些技術通過評估腦血流狀態間接評估側支循環。結構學和功能學評估相結合才能全面、準確評估側支循環的狀態。本研究中，CTP聯合CTPA不僅可以獲得反映腦組織血流灌注狀態的功能成像，還可以動態評估側支血管。利用減影的方法，可以去除顱骨、腦實質對腦血管觀察的影響，更加清晰、直觀的顯示側支血管情況。

本研究存在以下局限性。首先，研究中CTP的覆蓋范圍為8cm，未能實現全腦CTP掃描，但8cm的掃描范圍基本覆蓋了顱底至半卵圓中心大部分腦組織及主要的顱內血管，可滿足臨床診斷需要。此外，本研究僅納入大腦中動脈狹窄的患者，研究結果是否適用于后循環缺血的患者仍需要進一步研究。

綜上所述，基于IMR算法的CTP檢查可以大幅度降低患者接受的輻射劑量，不僅可以獲得腦組織血流灌注信息，還可以重組出多期相CTPA圖像。CTPA不僅圖像質量可以與常規CTA相媲美，還可以全面評估大腦中動脈狹窄患者的側支循環狀態，經減影后能直觀、清晰地顯示側支血管。總之，對于大腦中動脈狹窄患者，CTP聯合CTPA圖像可以快速提供腦血流灌注信息，全面評估腦側支循環的結構和功能，為缺血性腦血管病患者的病情評估、個體化治療方案的選擇提供重要依據。