高級迭代重建算法在雙低主動脈CTA中的應(yīng)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(yī)院放射科， 河南 鄭州 450003)

多層螺旋CT掃描技術(shù)的發(fā)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(yīng)用于臨床疾病診斷與治療，既往應(yīng)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(zhì)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(yīng)用價(jià)值。報(bào)告如下。

1 資料與方法(Materials and methods)

1.1 一般資料 采用簡單隨機(jī)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(shí)驗(yàn)組(A)和對照組(B)，A組(n=52)，B組(n=56)，體重指數(shù)正常(≤2 5 kg/m2)。所有患者試驗(yàn)前均告知使用碘造影劑的相關(guān)反應(yīng)及可能出現(xiàn)的過敏反應(yīng)，并簽訂碘造影劑使用知情同意書。本實(shí)驗(yàn)經(jīng)醫(yī)學(xué)倫理委員會批準(zhǔn)。

1.2 方法 掃描技術(shù)：所有實(shí)驗(yàn)對象均采用西門子雙源FlashCT(Somatom Definition Flash，Siemens Healthcare，F(xiàn)orchheim，Germany)進(jìn)行掃描。掃描模式選擇Flash Spiral模式，管電壓分別為實(shí)驗(yàn)組80 kV(52例)、對照組100 kV(56例)，管電流采用自動調(diào)節(jié)技術(shù)，參考管電流為288 mAs/rot，探測器準(zhǔn)直為2×64×0.6 mm，螺距3.2。先進(jìn)行胸腹聯(lián)合定位像掃描，再進(jìn)行增強(qiáng)掃描，掃描范圍為胸廓入口處至恥骨聯(lián)合處。增強(qiáng)掃描采用高壓注射器，以4.5 mL/s的流速經(jīng)肘前靜脈注入非離子型造影劑(碘普羅胺 370 mgI/mL)，實(shí)驗(yàn)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(yīng)用對比劑跟蹤技術(shù)(bolus tracking)，在主動脈根部層面選擇感興趣區(qū)(ROI)檢測CT值，當(dāng)ROI層面內(nèi)CT值達(dá)到100 HU時(shí)，延遲5 S自動觸發(fā)掃描。圖像重建:實(shí)驗(yàn)組及對照組所有圖像均分別應(yīng)用FBP及SAFIRE重建算法分別進(jìn)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(dǎo)入影像工作站?？陀^評價(jià)：選擇四個(gè)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(gè)層面選擇三個(gè)感興趣區(qū)(ROI)，每個(gè)ROI面積為100 mm2，將ROI完整復(fù)制到所選層面圖像上，保證所有ROI形態(tài)、大小及位置相同，然后分別記錄相應(yīng)層面的CT值、噪聲(SD)、對比噪聲比(contract-noise-radio，CNR)；CNR計(jì)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(tǒng)計(jì)學(xué)方法 使用SPSS20.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件包采用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，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(zhì)量主觀評分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 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(shù)(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(tǒng)計(jì)學(xué)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(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=3.16，P>0.05)；A組體重指數(shù)平均為(24.40±3.41) Kg/m2，B組體重指數(shù)平均為(23.76±3.96) Kg/m2，兩組間體重指數(shù)差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)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(shù)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(tǒng)計(jì)學(xué)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(tǒng)計(jì)學(xué)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(zhì)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(tǒng)計(jì)學(xué)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(tǒng)計(jì)學(xué)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(tǒng)計(jì)學(xué)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(tǒng)計(jì)學(xué)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(tǒng)計(jì)學(xué)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(tǒng)計(jì)學(xué)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(tǒng)計(jì)學(xué)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(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=6.80,25.67,20.03,24.94；P<0.01)。圖像質(zhì)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(zhì)量及主觀質(zhì)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(lǐng)域通常較大，掃描層數(shù)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(fā)生也存在一定相關(guān)性[6]。X線與人體組織主要發(fā)生兩種物理反應(yīng)：康普頓效應(yīng)和光電效應(yīng)[7]，而影響輻射劑量的主要因素是后者。光電效應(yīng)能否發(fā)生又取決于兩個(gè)因素：組織有效原子序數(shù)和管電壓[8]。曹國全等[9]應(yīng)用迭代重建技術(shù)聯(lián)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(tǒng)計(jì)學(xué)意義前提下，輻射劑量卻下降了約69%，與本研究所得結(jié)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(chǎn)生較大噪聲，特別是用傳統(tǒng)FBP重建圖像時(shí)，圖像噪聲較大，顆粒感強(qiáng)，主動脈血管壁顯示毛糙欠清，影響圖像質(zhì)量及影像診斷。SAFIRE是第二代迭代重建技術(shù)，利用矩陣代數(shù)，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(xì)節(jié)信息不被丟失，保持和提高圖像的空間分辨率，進(jìn)而有效提高了圖像質(zhì)量[10]，第二代迭代重建技術(shù)除了建立系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)模型之外，還建立了系統(tǒng)光學(xué)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(jìn)行模擬，空間分辨率和對比噪聲比進(jìn)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(chǎn)生的量子噪聲排除[12]。Winklehner等[13]應(yīng)用雙源CT進(jìn)行體部 CTA掃描， 采用 SAFIRE重建對一個(gè)球管的原始數(shù)據(jù)進(jìn)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(zhì)量客觀評價(jià)的對比噪聲比較使用FBP算法為高；試驗(yàn)組(80kV)圖像質(zhì)量客觀評價(jià)的噪聲、對比噪聲比與對照組(100kV)比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，但是兩組間圖像質(zhì)量主觀評分均值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，也說明應(yīng)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(yùn)用SAFIRE重建算法，圖像質(zhì)量不至于影響診斷，從而驗(yàn)證了低劑量掃描的可行性。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)組造影劑平均用量較對照組減少28%，通過應(yīng)用迭代重建技術(shù)，雖然兩組圖像的噪聲及CNR差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，兩組圖像主觀評分均值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，這說明本研究中降低造影劑劑量對圖像質(zhì)量的影響較小，不影響影像診斷。付傳明[14]等的通過應(yīng)用雙低技術(shù)(低電壓、低對比劑碘量)技術(shù)，使實(shí)驗(yàn)組較對照組平均碘量減 少47.77%，但兩組圖像間CNR差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，究其原因，80 kV管電壓產(chǎn)生的光子能量較100 KV管電壓產(chǎn)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(qiáng)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(yīng)用迭代重建算法，使圖像的噪聲進(jìn)一步減低，對比噪聲比進(jìn)一步提高。

綜上所述，在保證圖像質(zhì)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(lián)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(zhì)量中得到越來越廣泛的應(yīng)用。