100 kVp條件下全模型迭代技術(shù)對(duì)頭頸CTA圖像質(zhì)量的影響

陸曉平，王沄，徐敏，馬壯飛，王彥玲，付海鴻，陳鈺，金征宇

1.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)院 放射科，北京 100730；2.佳能醫(yī)療系統(tǒng)（中國）有限公司，北京 100015

引言

頭頸CT血管造影（CT Angiography，CTA）是頭和頸部的非創(chuàng)傷性血管造影檢查，該檢查可以多角度反映動(dòng)脈及其分支走形、狹窄程度和管腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在血管畸形、動(dòng)脈粥樣硬化、動(dòng)脈瘤、腦卒中等方面均具有較大的臨床價(jià)值[1-2]。而不同重建方式的選擇對(duì)頭頸CTA中的血管顯示情況也會(huì)產(chǎn)生影響，全模型迭代技術(shù)（Forward Projected Model-Based Iterative Reconstruction Solution，F(xiàn)IRST）是佳能醫(yī)療開發(fā)的基于模型的前向投影迭代重建，能夠?qū)φ麄€(gè)成像過程進(jìn)行精確建模以實(shí)現(xiàn)最佳的圖像質(zhì)量[3]。本研究在常規(guī)100 kVp條件下對(duì)比濾波反投影（Filtered Back Projection，F(xiàn)BP）、混合迭代重建算法（Adaptive Iterative Dose Reduction 3D，AIDR-3D Standard）、FIRST BRAIN CTA Standand三種不同重建方式，從客觀和主觀兩方面探討頭頸CTA檢查中可獲得最佳圖像質(zhì)量的重建方法，評(píng)價(jià)FIRST在頭頸部血管檢查的應(yīng)用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

收集2021年3月內(nèi)在我院進(jìn)行頭頸CTA檢查的患者33例，其中男性20例，女性13例，年齡22～83歲，平均年齡（56.79±15.36）歲，BMI（24.44±3.25） kg/m2。納入標(biāo)準(zhǔn)：① 年齡18歲以上；② 能配合檢查，無運(yùn)動(dòng)偽影。排除標(biāo)準(zhǔn)：腎功能障礙、既往對(duì)含碘對(duì)比劑產(chǎn)生過敏反應(yīng)者。所有患者均簽署知情同意書，并通過本院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)（倫理批號(hào)：HS-2175）。

1.2 儀器與方法

所有患者均使用佳能Aquilion ONE GENESIS 320排寬體CT進(jìn)行掃描，檢查時(shí)取仰臥位，雙臂放松置于身體兩側(cè)，并囑患者平靜呼吸且無吞咽動(dòng)作。掃描范圍由主動(dòng)脈弓至顱頂，設(shè)定監(jiān)測(cè)位置為胸主動(dòng)脈，閾值設(shè)置為180 HU，使用雙筒高壓注射器經(jīng)患者右側(cè)肘正中靜脈以4.0 mL/s的速率注射非離子型對(duì)比劑碘帕醇（370 mgI/mL）和生理鹽水各40 mL，觸發(fā)bolus tracking啟動(dòng)增強(qiáng)血管掃描，CT掃描參數(shù)：管電壓為100 kVp，管電流智能自動(dòng)調(diào)制，轉(zhuǎn)速 0.5 s/r，噪聲指數(shù)SD為1.5，濾波函數(shù)FC43，D-FOV300（M），準(zhǔn)直器0.5×160，矩陣512×512，螺距0.8，掃描完成后重建出層厚與層間距均為1mm的FBP、AIDR 3D Standard、FIRST BRAIN CTA Standand共三組圖像，并對(duì)圖像進(jìn)行最大密度投影（Maximum Intensity Projection，MIP）處理。

1.3 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)

客觀評(píng)價(jià)：在三組重建圖像相同層面的橫斷位上分別選取主動(dòng)脈弓、頸內(nèi)動(dòng)脈、大腦中動(dòng)脈、椎動(dòng)脈、基底動(dòng)脈、胸鎖乳突肌進(jìn)行感興趣區(qū)域（Region of Interest，ROI）的勾畫，勾畫部位應(yīng)密度均勻且避開鈣化,記錄各感興趣區(qū)的CT值與標(biāo)準(zhǔn)差，選用胸鎖乳突肌的標(biāo)準(zhǔn)差代表背景噪聲（SD）。計(jì)算信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）和對(duì)比噪聲比（Contrast to Noise Ratio，CNR），SNRROI=CT 值ROI/SD值ROI，CNR血管=（血管CT值-胸鎖乳突肌CT值）/胸鎖乳突肌SD值。

主觀評(píng)價(jià)：由1名具有十年工作經(jīng)驗(yàn)的放射科診斷醫(yī)師對(duì)三組MIP圖像的顱內(nèi)血管顯示情況進(jìn)行評(píng)分，標(biāo)準(zhǔn)如下：5分：三級(jí)以上血管分支顯示清晰，噪聲小；4分：三級(jí)血管分支顯示清晰，噪聲??；3分：三級(jí)分支顯示欠清，噪聲較大；2分：二級(jí)分支顯示好，噪聲較大；1分：二級(jí)分支顯示差，噪聲大。認(rèn)為圖像評(píng)分≥3分為符合臨床診斷需求，2分及以下為不符合臨床診斷要求。

1.4 輻射劑量

記錄設(shè)備自動(dòng)生成的各患者CT劑量指數(shù)(CT Dose Volume Index，CTDIvol)、劑量長度乘積（Dose Length Product，DLP)的數(shù)值，有效輻射劑量 (Effective Dose，ED)用公式計(jì)算：ED＝DLP×k，k為權(quán)重因子[4]，見表1。

表1 不同身體部位有效劑量權(quán)重因子k

因?yàn)轭^頸部CTA檢查范圍較大，因此選擇單部位的權(quán)重因子是不恰當(dāng)?shù)摹１狙芯坎捎妙^、頸、胸各占1/3的方式進(jìn)行計(jì)算，即k=1/3（0.0023+0.0054+0.017）=0.00823[5]。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

數(shù)據(jù)采用R software (version 3.6.1, http://www.R-project.org)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用Shapiro-Wilk檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否滿足正態(tài)分布，若數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布，采用One-Way Repeated Measures ANOVA來分析多組間差異，P<0.05表示具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。如果P<0.05，采用Paired Samples t-Test with Bonferroni correction進(jìn)行組間兩兩比較，P<0.05表示有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異；若數(shù)據(jù)不滿足正態(tài)分布，采用Friedman test來分析多組之間的差異，P<0.05表示具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。如果P<0.05，采用Wilcoxon signed rank test with Bonferroni correction進(jìn)行組間兩兩比較，P<0.05表示有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

2 結(jié)果

2.1 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)

客觀評(píng)價(jià)：三組不同重建方式圖像間的CT值僅在主動(dòng)脈弓處具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P<0.001），在其余部位三組圖像間的CT值沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。兩兩比較：FITST組與另外兩組相比在主動(dòng)脈弓處的CT值均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P<0.001），F(xiàn)BP組和AIDR-3D組的CT值比較在各部位均沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。三組不同重建方式圖像間的SD值、SNR、CNR在各部位均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P<0.05），見表2。選取其中一位BMI指數(shù)為18.73 kg/m2、因頭暈就診的70歲女性患者FBP圖像進(jìn)行感興趣區(qū)部位的勾畫，見圖1。

圖1 選取的其中一位患者FBP圖像進(jìn)行感興趣區(qū)勾畫部位示意圖

表2 FBP、AIDR-3D與FIRST圖像的CT值、SD值、SNR和CNR結(jié)果

主觀評(píng)價(jià)：FBP組圖像評(píng)分為（3.67±0.48）分，AIDR-3D組圖像評(píng)分為（3.39±0.66）分，F(xiàn)IRST組圖像評(píng)分為（4.73±0.45）分，F(xiàn)BP組圖像與AIDR-3D組圖像間的評(píng)分值比較，無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P>0.05），F(xiàn)IRST組圖像與FBP組、AIDR-3D組間的評(píng)分值比較，均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P<0.001）。選取同一位患者大腦前動(dòng)脈層面的矢狀位、層厚為30 mm的MIP圖像進(jìn)行主觀評(píng)分，F(xiàn)BP組、AIDR-3D組和FIRST組評(píng)分分別為3分、4分和5分，F(xiàn)BP組和AIDR-3D組血管顯示情況無明顯差別，但FBP組噪聲較大，F(xiàn)IRST組相比于另外兩組血管顯示更加清晰且噪聲少，見圖2。

圖2 同一患者的MIP圖像

2.2 輻射劑量

33例行頭頸CTA檢查的患者平均CTDIvol為（17.65±2.42）mGy，平均DLP為（573.93±74.49）mGy·cm，平均ED為（4.72±0.61）mSV。

3 討論

頭頸CTA檢查速度快，操作簡(jiǎn)單，可以觀察血管腔內(nèi)外和管壁的病變，是臨床上檢查腦血管病的重要影像學(xué)方法。如何在實(shí)現(xiàn)頭頸部大范圍血管成像的同時(shí)保證顱內(nèi)小血管的精細(xì)顯像是放射科醫(yī)師關(guān)注的重點(diǎn)問題。FIRST是一種快速的、先進(jìn)的、集合正投影算法和全模型數(shù)據(jù)迭代的重建技術(shù)，包含噪聲統(tǒng)計(jì)模型、掃描模型、光學(xué)模型和錐形束模型四種主要模型，可結(jié)合不同模式進(jìn)行器官感知去噪，在提高空間分辨率的同時(shí)能夠大幅度降低圖像噪聲[6]。

既往FIRST技術(shù)與其他重建方式相比，在肺部、心臟、腹部等方面的輻射劑量、圖像質(zhì)量均具有優(yōu)異表現(xiàn)[7-10]，如Cameron等[7]對(duì)胸部低劑量CT的研究表明，與AIDR-3D相比，F(xiàn)IRST在肺窗的SD值下降44%，在軟組織窗的SD值下降約32%。Maeda等[8]在對(duì)冠脈的研究中發(fā)現(xiàn)FIRST與AIDR-3D相比能夠降低約28%輻射劑量，在對(duì)比度、信噪比和主觀圖像評(píng)價(jià)等方面也優(yōu)于AIDR-3D。Wu等[10]在對(duì)腹部CTA的研究中發(fā)現(xiàn)FIRST與AIDR-3D和FBP相比能夠在降低噪聲的同時(shí)顯著提高信噪比，在肝右動(dòng)脈的CNR最高，且主觀評(píng)價(jià)FIRST在三種重建中評(píng)分最高。但FIRST算法在頭頸CTA檢查方面的研究較少，本研究是在100 kVp掃描條件下對(duì)比FBP、AIDR-3D和FIRST三種重建方式對(duì)頭頸CTA圖像質(zhì)量的影響，尤其評(píng)價(jià)不同重建方式對(duì)顱內(nèi)細(xì)小血管的顯示能力。有研究認(rèn)為，100 kVp條件下的低電壓掃描不但可以降低輻射劑量，還可以增強(qiáng)光電效應(yīng)，增加含碘造影劑的血管和周圍組織的對(duì)比程度，但圖像的噪聲會(huì)增加[11-12]。噪聲是影響圖像質(zhì)量的重要因素，尤其影響顱內(nèi)細(xì)小血管及后循環(huán)的對(duì)比顯示清晰程度[13]。雖然可能管電壓的降低會(huì)引起圖像噪聲的升高，但結(jié)合FIRST算法優(yōu)秀的降噪能力，圖像的信噪比依然可以保持較好的狀態(tài)，因此本研究采用100 kVp的條件對(duì)比FBP、AIDR-3D和FIRST三種重建方式對(duì)頭頸CTA圖像質(zhì)量的影響。

客觀結(jié)果顯示三組不同重建方式圖像間的CT值僅在主動(dòng)脈弓處具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P<0.001），F(xiàn)IRST組圖像CT值高于另外兩組30%左右，而在其余部位三組圖像間的CT值沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異；三組圖像間的SD值在各部位均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P<0.001），F(xiàn)BP組SD值最高，F(xiàn)IRST組SD值最低，在主動(dòng)脈弓處FIFST組相比于FBP組SD值降幅約77%，在大腦中動(dòng)脈處降幅最低約32%。三組重建圖像間各部位的SNR值和CNR值均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，F(xiàn)BP組圖像的CNR值最低，F(xiàn)IRST組圖像的CNR值最高，在主動(dòng)脈弓處FIRST組與FBP組相比CNR升高約260%，F(xiàn)IRST組與AIDR-3D組相比CNR升高約89%。在主動(dòng)脈弓處因肩胛骨和體厚的影響導(dǎo)致圖像在上胸部的噪聲較高，圖像質(zhì)量較差，AIDR-3D組和FIRST組在此部位相比于FBP組均能明顯提高信噪比，優(yōu)化圖像質(zhì)量。Yu等[14]對(duì)比分析了不同重建方式對(duì)頭頸部檢查的影響，認(rèn)為AIDR-3D比FBP能夠在降低輻射劑量的同時(shí)保證血管和實(shí)質(zhì)組織的圖像質(zhì)量，且在頸內(nèi)動(dòng)脈處的圖像質(zhì)量最好，本研究結(jié)果中頸內(nèi)動(dòng)脈的SNR值和CNR值基本高于其他部位，這一點(diǎn)與Yu等[14]的結(jié)論是一致的，但Yu等[14]的研究中并未涉及FIRST重建方式。Higaki等[15]在對(duì)冠狀動(dòng)脈的體模研究中發(fā)現(xiàn)血管的管徑大小也會(huì)對(duì)圖像的信噪比產(chǎn)生影響，比如管徑在3 mm以下時(shí)FIRST組圖像的信噪比會(huì)高于AIDR-3D。Olguin等[16]在對(duì)AIDR-3D和FIRST的CT圖像質(zhì)量對(duì)比研究中傾向于認(rèn)為FIRST在腦部的成像細(xì)節(jié)中更具優(yōu)勢(shì)。而頭頸部CTA的圖像質(zhì)量主要取決于CNR值[17-18]，因此在本研究的客觀評(píng)價(jià)上FIRST重建算法相比與FBP和AIDR-3D更有優(yōu)勢(shì)。主觀評(píng)價(jià)結(jié)果顯示在對(duì)顱內(nèi)小血管的顯示能力上FIRST組MIP圖像評(píng)分最高，與另外兩組相比具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，AIDR-3D組與FBP組兩者之間的評(píng)分沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

本研究的局限性在于：① 樣本量較少，未涉及頭頸部病變的分析，為保證研究結(jié)果的可靠性應(yīng)納入更多的病例進(jìn)行評(píng)價(jià)；② FIRST有多種重建模式和分級(jí)，本研究?jī)H選用了FIRST BRAIN CTA Standand來進(jìn)行對(duì)比分析，可能對(duì)研究結(jié)果產(chǎn)生偏差。

4 結(jié)論

綜上所述，F(xiàn)IRST技術(shù)較FBP和AIDR-3D算法可以進(jìn)一步降低噪聲，增加圖像信噪比，優(yōu)化圖像質(zhì)量，在保證頭頸CTA檢查圖像質(zhì)量的同時(shí)對(duì)顱內(nèi)小血管的顯示能力更佳，可以在臨床上加以應(yīng)用。