多排螺旋CT冠狀動脈成像檢查中消除運動偽影的相關方法與應用

李倩文，杜祥穎，李坤成

首都醫科大學宣武醫院 放射科，北京100053；北京磁共振成像腦信息學北京市重點實驗室，北京 100053

多排螺旋CT冠狀動脈成像檢查中消除運動偽影的相關方法與應用

李倩文，杜祥穎，李坤成

首都醫科大學宣武醫院 放射科，北京100053；北京磁共振成像腦信息學北京市重點實驗室，北京 100053

近年來，多排螺旋CT（Multi-Detector Spiral Computed Tomography，MDCT）冠狀動脈成像已成為無創性篩查冠狀動脈硬化性心臟病最重要的影像學手段。如何消除較快心率MDCT冠狀動脈成像中的運動偽影進而提升圖像質量是促進MDCT冠狀動脈成像發展的基礎。本文結合MDCT冠狀動脈成像中運動偽影產生的原因，綜述目前消除運動偽影的相關方法及其應用。

多排螺旋CT；冠狀動脈成像；運動偽影

引言

多排螺旋計算機斷層成像（Multi-Detector Spiral Computed Tomography，MDCT）技術的臨床應用促進了冠狀動脈CT成像的發展[1-2]。近些年，MDCT冠狀動脈成像已成為無創篩查冠狀動脈硬化性心臟病最重要的影像學手段[1,3-4]。但由于MDCT時間分辨率的限制，成像過程中會產生運動偽影，這是影響圖像質量甚至影響診斷準確性的最重要因素之一[3]。如何消除運動偽影尤其是較快心率下的MDCT冠狀動脈成像運動偽影，是促進MDCT冠狀動脈成像發展的基礎。本文結合MDCT冠狀動脈成像運動偽影產生的原因，綜述目前消除運動偽影的主要相關方法及應用。

1 冠狀動脈CT成像運動偽影產生的原因

冠狀動脈CT成像過程中運動偽影的形成是由于圖像矩陣中的點（體素或像素）在CT獲取不同角度投影數據的過程中發生了位移，運動偽影的程度取決于位移的速率和圖像重建算法的校正效果[5-6]。相對低速的位移可以有效校正，而高速的位移則難以校正，這時運動偽影的程度就取決于低速位移時相的長短和CT數據采集速率之間的關系。如果重建時間窗選擇不合適，會導致冠狀動脈當時處于高速位移期相，而心率過快則會導致低速運動時相過短，CT無法在低速時相內完成采集，兩者都會導致運動偽影的產生[6]。相關研究表明，只有CT時間分辨率達到50 ms以下，才可能真正達到在任何時相都能凍結心臟，而不出現運動偽影，但是目前CT機的時間分辨率遠沒有達到這個標準。綜上所述，冠狀動脈CT成像質量由CT成像所提供的時間分辨率和冠狀動脈運動所形成的時間需求決定，矛盾雙方的改變都會影響成像效果。

2 消除運動偽影的方法及其應用

2.1 控制心率

降低受檢者的心率、延長心動周期，減慢冠狀動脈運動和延長冠狀動脈低速運動的時間，可以降低成像對時間分辨率的需求，是消除運動偽影最簡便有效和經濟的方法。目前常規64排冠狀動脈CT檢查前通常會要求受檢者口服β受體阻滯劑以控制心率在65 次/min以下，同時確保心律穩定，從而可以提供更長的可用于重建的時間窗，保證冠狀動脈CT成像質量[7-8]。但是，部分受檢者會存在藥物禁忌或無法有效降低心率的情況。

2.2 提高時間分辨率

基于MDCT冠狀動脈成像基本原理及運動偽影產生的原因，要成功實現冠狀動脈CT成像并完全避免運動偽影，最重要的就是將特定掃描模式下獲得的最高時間分辨率與冠狀動脈運動幅度最小的時相相匹配，因此提高CT的時間分辨率是技術上的關鍵[9-10]。提高時間分辨率的主要手段是縮短機架旋轉時間，目前有效的旋轉時間還沒達到獲取理想的時間分辨率的范圍，其它一些因素如數據采集模式、圖像重建方式、螺距等也可影響到時間分辨率[7-8,11]。可以使用不同的掃描方式或不同的圖像重建方式來從軟件角度提高時間分辨率。

2.2.1 硬件提升

（1）提高管球旋轉速度。對于單源MDCT來說，利用半掃描重建技術時的單扇區時間分辨率等于球管旋轉時間的l/2，時間分辨率主要由球管旋轉時間所決定，提高時間分辨率最直接有效的方法就是加快球管的旋轉速度。隨著CT機的不斷發展更新，球管的旋轉速度也從4排螺旋CT的0.5 s、16排螺旋CT的0.42 s、64排螺旋CT的0.33～0.35 s、發展到雙源CT的0.27 s甚至更快，新一代的CT設備甚至將旋轉速度提高到0.2 s。但是，旋轉速度的提高所帶來的是對硬件設備的極高要求，尤其是高速旋轉所形成的超高的離心力，已經使旋轉速度的提高接近極限。

（2） 采用寬體探測器。東芝320排螺旋CT Aquilion One采用縱向寬度為160 mm的寬體探測器，可以在不進床的情況下完整覆蓋整個心臟，避免了64排CT掃描中多心動周期采集所形成的錯位，也消除了多扇區重建中螺距設置的問題[12]。雖然其旋轉時間仍為0.35 s，但通過多心動周期采集，可以基本解決心律失常甚至房顫的掃描難題，同時可利用多扇區重建提高時間分辨率。然而，由于其固有時間分辨率仍較低，而通過多扇區重建提高時間分辨率，心動周期之間的不一致仍會影響圖像質量，同時，多心動周期采集必然帶來劑量的增加。Philips 256排MDCT Brilliance iCT球管旋轉速度提高至0.27 s，并配備8 cm的寬體探測器，在提高時間分辨率的同時增加了單圈覆蓋范圍，顯著縮短了掃描時間(僅4～5 s)，比64層螺旋CT放寬了對心率的限制，能提供更優的圖像質量[13]。GE寬體探測器CT Revolution球管轉速可達0.29 s，并且探測器足夠寬，只需一個心跳就可采集所需數據，并且保證圖像質量，而且病人接受的輻射劑量很低[14]。

（3）西門子雙球管雙探測器技術（雙源CT）。雙源CT裝備兩套X線球管與探測器，兩套數據采集系統成約90°夾角安裝于機架上，在成像過程中，每套X線球管/探測器組合只需要旋轉約90°，即可采集到圖像重建所需要的180°的投影數據，使單扇區重建的時間分辨率提高到約為旋轉時間的1/4（對二代雙源CT而言約為75 ms）這樣的時間分辨率可以滿足臨床所見絕大多數心率范圍的收縮末期成像，同時也使舒張中晚期成像的心率范圍達到80 bpm左右[15]。此外，雙源CT可以采用大螺距（3.4）螺旋采集技術，在單個心動周期完成冠狀動脈CT成像，其層面內時間分辨率為75 ms，但總采集時間接近300 ms，仍需在較低心率情況下應用[16]。Force CT作為三代雙源CT，其掃描速度進一步提升，達到最快速度0.25 s/rot，單扇區時間分辨率可達到約66 ms，為目前所有機器中的最快單扇區時間分辨率，基本滿足日常臨床工作中常見心率患者的成像需求[17]。此外Force CT進床速度可達73.7 cm/s，Flash掃描螺距最大可提升到3.2。進床速度的提升配合大螺距掃描，Flash掃描患者無需憋氣，單次采集即可完成成像。但是和二代雙源CT類似，Flash掃描時仍需要患者心率保持在較低且平穩的狀態。

硬件系統升級是提高時間分辨率進而滿足高質量成像的最主要的途徑，但是也存在著一些明顯的缺陷，如：① 成本過高，設備價格昂貴；② 受物理特性的限制，目前的球管旋轉速度已經接近極限，很難再進一步加快球管的旋轉速度；③ 由于空間條件的限制，不能設計出比雙球管雙探測器系統更多的球管與探測器系統的設備；④ 隨著心率的增快，心臟運動相對靜止時期迅速縮短甚至趨近于0，意味著單靠硬件系統提高時間分辨率不能完全避免快心率時的運動偽影。

2.2.2 軟件開發

（1）多扇區重建技術。除了硬件升級之外，多種軟件技術也可用于消除冠狀動脈成像中的運動偽影，其中多扇區重建技術是提高時間分辨率最常用的方法[18]。在半掃描重建技術的基礎上，多扇區重建利用心電同步信號，從多個相鄰的心動周期和不同排列的探測器，收集同一相位窗但不同角度的半掃描重建所需的原始數據進行數據重組。由于每個扇區的寬度相對單一扇區有明顯減小，所以時間分辨率能夠明顯提高。理想狀態下，利用多扇區重建技術所能達到的時間分辨率約等于半掃描重建的時間分辨率再除以扇區數。但實際應用時會受患者心率、球管旋轉時間及掃描螺距的限制，所達到的時間分辨率總會低于理想狀態下的時間分辨率。目前，以僅采集兩個心動周期的數據加以重建的雙扇區重建最常用[19]。由于重建數據來自多個心動周期，多扇區重建容易受到時相一致性水平的影響，此外，來自不同心動周期相鄰角度數據在時相上的不連續也會對重建圖像產生影響。因此，應用多扇區重建時維持患者心率穩定是首要條件，其在心率波動患者中的應用受到限制。其次，多扇區重建提高時間分辨率的效果受心動周期長度與旋轉時間匹配的影響，導致部分心率情況下圖像質量改善效果有限[20-21]。此外，多扇區重建要求相對于單扇區重建更低的螺距，這會導致輻射劑量的明顯增加[22-23]。

（2）基于壓縮感知的圖像重建技術（Prior Image Constrained Compressed Sensing，PICCS）。除了扇區重建技術之外，還有另外一種提高時間分辨率的技術PICCS，亦稱之為TRI-PICCS（Temporal Resolution Improvement-Prior Image Constrained Compressed Sensing，TRI-PICCS）[21-22]。和雙源CT提高時間分辨率的目標相似，TRI-PICCS技術期望應用常規半掃描重建所需的一半數據和時間完成圖像重建。但是，盡管該技術可以使時間分辨率提高一倍，但減半的圖像數據不足以重建滿意的圖像，會因投影角不足而造成遮蓋偽影。TRI-PICCS技術應用了常規重建的圖像進行匹配和校正，從而消除投影角不足的偽影，在提高時間分辨率的同時確保足夠的圖像質量。Chen等[21]通過動物實驗證實，TRI-PICCS技術在單源CT檢查時對心率快于70 次/min時的冠脈成像可以獲得較好圖像質量，所得到的圖像明顯優于不使用該技術時的圖像質量。與多扇區重建比較而言，該技術不會受到機架旋轉時間和心臟運動時相不同步等問題的干擾，且不會額外增加輻射劑量。該技術除了可以應用于單源CT，亦可應用于雙源CT以進一步提高雙源CT時間分辨率。但目前該技術尚未在臨床應用中得到驗證。

（3）運動估算與補償算法。除直接提高時間分辨率之外，還有一些重建算法來消除圖像的運動偽影，如運動估算（Motion Estimation，ME）與補償重建（Motion Compensation Reconstruction，MCR）算法。Isola等[23]開發的ME法基于已采集的圖像數據來估算心臟四維運動，在心電門控掃描采集心臟CT圖像后，選取一個心動周期中一組相對靜止時相的圖像，并從中挑選一個時相作為靶時相；然后，對選定的相對靜止時相和靶時相分別進行三維非剛性圖像配準來獲取相應時相的三維運動矢量信息；接著進行三次B樣條插值進一步得到該時相的四維運動矢量信息；最后，心臟運動矢量信息被反轉和重新整合以計算獲得感興趣區的其他任意時相的四維運動矢量信息，進而對心臟任意時相的運動進行估算。

在Isola等人研究的基礎上，Tang等[24]做出了改革創新，提出了一個完全四維的圖像迭代重建算法，即ME和MCR交替的算法。與Isola等的研究方法相比，Tang的ME法是一種非剛性四維圖像配準方法，其充分利用心動周期中心臟所有時相圖像的容積數據直接估計四維運動矢量信息，并同時在時間與空間層面上對圖像信息加以校正以保證估算的四維運動矢量信息足夠可靠。此外，Tang等的MCR法采用運動跟蹤錐形束反投影運動模型來進行運動的補償重建，因而對心臟運動信息的數據利用更充分。這種運動估算與補償重建過程迭代交替進行，從而達到改善圖像質量的效果。

體模實驗及初步的小樣本臨床研究證實，通過使用ME與MCR算法，可以減少圖像的運動偽影。使用重建算法來減少圖像運動偽影的方法也日益受到研究者們的關注。

（4）運動校正技術（Snap Shot Freeze，SSF）。Isolah和Tang等研發的運動估算與補償重建算法并沒有推廣到臨床實際應用中。GE公司在該理論基礎上，研發了一種特異性針對冠狀動脈運動偽影的校正技術SSF，該技術通過選取已采集圖像中相對運動偽影較少、圖像質量較好的時相為靶時相，軟件自動分析該靶時相及其左右80 ms共3個時相的數據信息，通過3個時相的數據信息整合，精確記錄冠狀動脈的運動速率及幅度以追蹤冠狀動脈的實際運動軌跡，進而準確定位每段冠狀動脈的實際位置以及運動偽影，然后特異性地消除運動偽影[25]。SSF運動校正技術為較成熟的軟件技術，該算法操作過程簡便易行，在選定靶時相之后，軟件后臺運行，耗時僅為約5 min，即可自動后處理選定時相的數據，以達到消除運動偽影、改善圖像質量的目的。Leipsic等[26]在臨床試驗業已證實SSF可以在不控制心率條件下提高患者冠狀動脈CTA檢查的成功率，提高較快心率患者的CTA圖像質量。和臨床傳統常用的多扇區重建技術相比，SSF在不額外增加輻射劑量的情況下，利用的是一個心動周期內的數據，只需增加有限的時相來采集數據即可滿足重建需要。SSF同時適用于回顧性及前瞻性心電門控掃描，可以在提高圖像質量的同時控制輻射劑量。

3 小結

綜上所述，隨著設備和技術的不斷創新，MDCT冠狀動脈成像質量不斷完善，使快心率所導致成像過程中的運動偽影得到有效抑制。各種方法和技術的綜合應用，必將進一步改善冠狀動脈CTA的成像質量，使其在冠心病診斷和評價中發揮更大的作用。

[1]Hulten EA,Carbonaro S,Petrillo SP,et al.Prognostic value of cardiac computed tomography angiography: a systematic review and meta-analysis[J].J Am Coll Cardio,2011,57(10):1237-1247.

[2]中華放射學雜志心臟冠狀動脈多排CT臨床應用協作組.心臟冠狀動脈多排CT臨床應用專家共識[J].中華放射學雜志,2011, 45(1):9-17.

[3]Min JK,Shaw LJ,Berman DS,et al.The present state of coronary computed tomography angiography a process in evolution[J].JAm Coll Cardio,2010,55 (10):957-965.

[4]Schlett CL,Banerji D,Siegel E,et al.Prognostic value of CT angiography for major adverse cardiac events in patients with acute chest pain from the emergency department: 2-year outcomes of the ROMICAT trial[J].JACC Cardiovasc Imaging,2011,4(5):481-491.

[5]Nieman K,Rensing BJ,van Geuns RJ,et al. Non-invasive coronary angiography with multislice spiral computed tomography: impact of heart rate[J].Heart,2002, 88(5):470-474.

[6]Kalender WA.Thin-section three-dimensional spiral CT: is isotropic imaging possible?[J].Radiology,1995,197(3):578-580.

[7]Habib PJ,Green J,Butterfield RC,et al.Association of cardiac events with coronary artery disease detected by 64-slice or greater coronary CT angiography: a systematic review and metaanalysis[J].Int J Cardiol,2013,169(2):112-120.

[8]Leschka S,Husmann L,Desbiolles LM,et al. Optimal image reconstruction intervals for non-invasive coronary angiography with 64-slice CT[J].Eur Radiol,2006,16 (9):1964-1972.

[9]Herzog C,Arning-Erb M,Zangos S,et al.Multi-detector row ct coronary angiography: Influence of reconstruction technique and heart rate on image quality[J].Radiology, 2006,238(1):75-86.

[10]Leschka S,Wildermuth S,Boehm T,et al.Noninvasive coronary angiography with 64-section CT: Effect of average heart rate and heart rate variability on image quality[J].Radiology,2006,241(2):378-385.

[11]Ropers D,Baum U,Pohle K,et al.Detection of coronary artery stenoses with thin-slice multi-detector row spiral computed tomography and multiplanar reconstruction[J].Circulation,2003, 107(5):664-666.

[12]Pelliccia F,Pasceri V,Evangelista A,et al.Diagnostic accuracy of 320-row computed tomography as compared with invasive coronary angiography in unselected, consecutive patients with suspected coronary artery diseasep[J].Int J Cardiovasc Imaging, 2013,29(2):443-452.

[13]Leschka S,Husmann L,Desbiolles LM,et al. Cardiac imaging using 256-detector row four-dimensional CT: Preliminary clinical report[J].Radiat Med,2007,25(1):38-44.

[14]Stassi D,Dutta S,Ma H,et al.Automated selection of the optimal cardiac phase for single-beat coronary CT angiography reconstruction[J].Med Phys,2016,43(1):324.

[15]Adler G,Meille L,Rohnean A,et al.Robustness of end-systolic reconstructions in coronary dual-source CT angiography for high heart rate patients[J].Eur Radiol,2010,20(5):1118-1123.

[16]Wang Q,He B,Zhou Y,et al.Double prospectively ECG-triggered high-pitch spiral acquisition for CT coronary angiography: initial experience[J].Clin Radiol,2013,68(8):792-798.

[17]Hell MM,Bittner D,Schuhbaeck A,Muschiol G,et al.Prospectively ECG-triggered high-pitch coronary angiography with third-generation dualsource CT at 70 kVp tube voltage: feasibility, image quality, radiation dose, and effect of iterative reconstruction[J].J Cardiovasc Comput Tomogr,2014,8(6):418-425.

[18]Halliburton SS,Stillman AE,Flohr T,et al.Do segmented reconstruction algorithms for cardiac multi-slice computed tomography improve image quality?[J].Herz,2003,28(1):20-31.

[19]Herzog C,Nguyen SA,Savino G,et al.Does two-segment image reconstruction at 64-section ct coronary angiography improve image quality and diagnostic accuracy?[J].Radiology,2007,244(1):121-129.

[20]Flohr T,Ohnesorge B.Heart rate adaptive optimization of spatial and temporal resolution for electrocardiogram-gated multi-slice spiral ct of the heart[J].J Comput Assist Tomogr,2001,25(6):907-923.

[21]Chen GH,Tang J,Hsieh J.Temporal resolution improvement using PICCS in MDCT cardiac imaging[J].Med Phy,2009,36(6):2130-2135.

[22]Tang J,Hsieh J,Chen GH.Temporal resolution improvement in cardiac ct using piccs (tri-piccs): Performance studies[J].Med Phys,2010,37(10):4377-4388.

[23]Isola AA,Grass M,Niessen WJ.Fully automatic nonrigid registrationbased local motion estimation for motion-corrected iterative cardiac ct reconstruction[J].Med Phys,2010,37(3):1093-1109.

[24]Tang Q,Cammin J,Srivastava S,et al.A fully four-dimensional, iterative motion estimation and compensation method for cardiac CT[J].Med Phys,2012,39(7):4291-4305.

[25]Bhagalia R,Pack JD,Miller JV,et al.Nonrigid registrationbased coronary artery motion correction for cardiac computed tomography[J].Med Phys,2012,39(7):4245-4254.

[26]Leipsic J,LabountyTM,Hague CJ,et al.Effect of a novel vendorspecific motion-correction algorithm on image quality and diagnostic accuracy in persons undergoing coronary CT angiography without rate-control medications[J].J Cardiovasc Comput Tomogr,2012,6(3): 164-171.

Related Methods and Applications to Eliminate Motion Artifact in MDCT Coronary Angiography Examination

In recent years, the Multi-Detector Spiral Computed Tomography (MDCT) coronary angiography has become the most iconography method to non-invasive screen coronary artery disease. How to eliminate motion artifacts in rapid heart rates MSCT coronary artery imaging and further improve the image quality is the basis to promote the development of MSCT coronary angiography. Based on the causes of motion artifacts in MSCT coronary angiography, this article reviews the related methods to eliminate motion artifact and their applications.

MSCT; coronary angiography; motion artifact

LI Qian-wen, DU Xiang-ying, LI Kun-cheng
Department of Radiology, Xuanwu Hospital, Capital Medical University, Beijing 100053, China; Beijing Key Laboratory of Magnetic Resonance Imaging and Brain Informatics, Beijing 100053, China

R817.4

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.12.018

1674-1633(2016)12-0073-04

2016-08-07

2016-09-09

北京市醫院管理局重點醫學專業發展計劃（ZYLX201609）。

杜祥穎，主任醫師。研究方向：心血管影像診斷。

通訊作者郵箱：duxying_xw@163.com