640层CT冠状动脉造影AIDR3D重建算法的图像质量及辐射剂量评价

沈合松，王馨华，罗明月△，梁 丹，朱珊珊，朱冬云，杜彩虹

（1.中山大学附属第六医院放射科，广东广州510655；1.重庆市肿瘤研究所放射科，重庆400030）

CT 冠状动脉造影（CTCA）已经成为非侵袭性诊断冠状动脉疾病的首选检查方法，它的图像空间分辨率及时间分辨率均较高，能够诊断或者排除冠状动脉疾病，但是其电离辐射的危害问题也备受关注［1］。目前主流的64 层CTCA 的有效电离辐射剂量为8～18mSv［2］，因此研究开发新的图像重建算法，在保证图像质量的前提下，采用低电流剂量扫描从而降低电离辐射剂量为CTCA 未来的研究发展方向［3-4］。Toshiba公司新近推出的640层动态容积CT 采用自动曝光扫描技术，能够根据定位图像获得的体质量指数及CT 值、目标图像噪声、管电压而自动调节扫描的管电流。同时使用三维自适应迭代剂量降 低（adaptive iterative dose reduction three-dimensional，AIDR3D）重建算法，自动扫描而产生的原始高噪声图像经过一系列自适应迭代重建，图像噪声不断减少，直到目标图像的噪声达到希望的水平，成为一种降低电离辐射剂量的新技术［5-7］。它有望突破目前最广泛使用的图像常规重建算法滤波反投影（filtered back-projection，FBP）的局限性，减少自动扫描产生的图像噪声，从而提高图像质量［8］。因此，本研究将以常规的FBP 为参照标准，评价640层动态容积CTCA AIDR3D重建算法的图像质量及辐射剂量。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选择中山大学附属第六医院2012年6～10月接受CTCA 检查的连续性患者84 例，其中男57 例，女27例；年龄30岁～80岁，中位58岁。心率42～65 次／分，平均59次／分；12例心率小于65次／分，未服用降心率药物；72 例心率大于65次／分者，检查前60min口服25mg酒石酸美托洛尔后心率小于或等于65次／分。曾经行冠状动脉支架置入术和（或）搭桥术，检查前60min口服25mg酒石酸美托洛尔后心率仍然大于65次／分，以及心肾功能不全、不能配合屏气、对碘对比剂过敏者未纳入本研究。本研究得到本院医学伦理委员会的批准，所有患者均知情同意本研究。

1.2 方法

1.2.1 CT 扫描图像数据采集 每例患者均接受严格的口、鼻屏气训练，没有禁忌证者扫描前3 min舌下含服硝酸甘油0.50mg。使用Toshiba公司640层动态容积CT 机进行冠状动脉容积扫描。仰卧位头尾方向扫描，采用自动曝光扫描技术，球管旋转一周的时间为350 ms。在肘正中静脉留置18G静脉套管针，采用密苏里TMXD2001CT 注射器，以5mL／s的注射速度注入非离子型对比剂碘普罗胺（Ultravist，370 mgI／mL；广州先灵药业公司）60 mL，随后以同样的注射速度注入0.9%生理盐水20mL。将采集的CT 扫描原始图像数据经医学影像信息系统（PACS）传送到图像后处理工作站。

1.2.2 图像重建 在图像后处理工作站分别使用AIDR3D（标准AIDR3D，75%AIDR）、FBP重建算法获得冠状动脉的造影图像，软组织重建函数FC43，重建层厚0.50mm，重建间隔0.25mm，重建视野只包括心脏。

1.2.3 图像质量定量评价 2位富有心脏影像诊断经验的影像科医生在不知道临床信息及重建算法的情况下独立测量、计算2种重建算法得出的CTCA 图像的噪声、信噪比和对比噪声比。如果2位医生的评价有分歧，则与另1位高年资影像科医生共同讨论后达成一致性意见。测量左冠状动脉主干开口层面主动脉根部的CT 值、左冠状动脉主干的CT 值及左冠状动脉主干旁脂肪的CT 值，感兴趣区尽可能大，但是要避免钙化、斑块、血管狭窄部位及血管壁。图像噪声＝主动脉根部CT 值的标准差，信噪比＝左冠状动脉主干的CT 值／图像噪声，对比噪声比＝（左冠状动脉主干的CT 值-左冠状动脉主干旁脂肪的CT 值）／图像噪声［3-4，9］。

1.2.4 图像质量定性评价 上述2位影像科医生同样采用盲法定性评价冠状动脉的图像质量。按照美国心脏协会指南修正版将冠状动脉分为15段，15段再分成3个部位：（1）冠状动脉近部，包括右冠状动脉近段、左冠状动脉主干、左回旋支近段、左前降支近段，共4段；（2）冠状动脉中部，包括右冠状动脉中段、右冠状动脉远段、中间支、钝圆支、第一对角支、左前降支中段，共6段；（3）冠状动脉远部，包括后降支、左回旋支中段、左回旋支远段、第二对角支、左前降支远段，共5段。根据Rybicki等［10］的CTCA 的 图 像 质 量 定 性 评 价 标 准，CTCA 的 图 像质量分为4个等级：4分，优秀，图像噪声小，血管壁清晰，几乎没有伪影；3分，好，图像噪声较小，管壁轻度伪影；2分，尚可接受，图像噪声较大，管壁中度伪影；1 分，不可评价，图像噪声大，管壁严重伪影，无法做出诊断。图像质量3～4分，可以用于诊断。图像质量小于3分，不可以用于诊断。

1.2.5 计算电离辐射剂量 记录CT 机每次扫描输出的剂量长度乘积。电离辐射剂量用有效剂量表示。有效剂量＝剂量长度乘积×CF，其中CF 指不同组织的转化系数，胸部的CF为0.014［11］。

1.3 统计学处理 使用SPSS13.0统计软件处理数据。采用配对t检验，比较AIDR3D、FBP 重建算法CTCA 的图像质量定量评价及定性评价得分。采用配对χ2检验，比较AIDR3D、FBP重建算法CTCA 图像可用于诊断的段数。用Kappa系数κ评价两名医师对冠状动脉图像质量定性评价的一致性，κ为0.00～0.20时，一致性差；κ＞0.20～0.40时，一致性一般；κ＞0.40～0.60时，一致性中等；κ＞0.60～0.80时，一致性较好；κ＞0.80～1.00时，一致性好［12］。以P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结 果

2.1 图像质量定量评价 与FBP 比较，AIDR3D 重建算法CTCA 的图像噪声减少了46.10%，信噪比提高了84.70%，对比噪声比提高了82.20%，差异有统计学意义（P＜0.05），见表1。

表1 AIDR3D、FBP重建算法CTCA 的图像质量定量评价

2.2 图像质量定性评价 两名医师对84例患者共1 260段冠状动脉的图像质量定性评价一致性好（κ＝0.83，P＜0.05）。AIDR3D、FBP重建算法CTCA 近部、中部、远部的图像质量定性评价得分，见表2。AIDR3D 重建算法CTCA 近部、中部、远部的图像质量定性评价得分均明显高于FBP 重建算法，二者比较差异有统计学意义（P＜0.05）。典型病例CTCA 左冠状动脉主干的图像，见图1。84例患者共有冠状动脉1 260段，其中近部336段、中部504段、远部420段。AIDR3D、FBP 重建算法CTCA 的图像质量定性评价1、2、3、4分的冠状动脉段数见表3。AIDR3D 重建算法CTCA 的近部、中部、远部图像可以用于诊断的冠状动脉段数分别为336段（100.00%）、486段（96.43%）、394段（93.81%），FBP重建算法CTCA 的近部、中部、远部图像可以用于诊断的冠状动脉段数分别为217 段（64.58%）、173段（34.33%）、114段（27.14%）；AIDR3D 重建算法CTCA 的近部、中部、远部图像可以用于诊断的冠状动脉段数明显高于FBP重建算法，二者比较差异均有统计学意义（χ2＝117.01、272.17、311.00，P＜0.05），分别见表4、5、6。AIDR3D、FBP重建算法可以用于诊断的冠状动脉总段数分别为1 216段（96.51%）、504段（40.00%），二者比较差异有统计学意义（χ2＝704.07，P＜0.05），见表7。

表2 AIDR3D、FBP重建算法CTCA 近中远部 图像质量定性评价得分比较

图1 典型病例CTCA 左冠状动脉主干的图像

表3 AIDR3D、FBP重建算法CTCA 图像质量定性 评价的冠状动脉段数（段）

表4 二者在冠状动脉近部图像可用于 诊断的段数［段（%）］

表5 二者在冠状动脉中部图像可用于 诊断的段数［段（%）］

表6 二者在冠状动脉远部图像可用于 诊断的段数［段（%）］

表7 二者在冠状动脉图像可用于 诊断的总段数［段（%）］

2.3 电离辐射剂量 84例患者的有效电离辐射剂量范围为0.90～6.60 mSv，平均有效电离辐射剂量为（2.10±1.00）mSv。

3 讨 论

随着CT 图像数据采集及重建算法的进步，CTCA 的图像质量、诊断能力明显提高，已经成为非侵袭性诊断冠状动脉疾病的首选检查方法［2，5］。CTCA 需要遵循辐射剂量尽可能低的原则，即在图像质量满足诊断需要的前提下将电离辐射剂量降到最低［13］。如何平衡电离辐射剂量与图像质量满足诊断需要之间的关系是CTCA 的关键技术问题。降低电离辐射剂量的主要方法有降低管电流、降低管电压、自动调节扫描管电流剂量、应用迭代重建算法等。管电流与电离辐射剂量呈线性相关，降低电离辐射剂量直截了当的方法是选择低的管电流。但是管电流的降低会增加图像噪声，降低图像质量。单独应用降低管电流等方法，电离辐射剂量的降低程度有限［14］。因此，CTCA 的研究重点已经从前期单独降低管电流到目前联合使用新的图像重建算法，希望在图像质量满足诊断需要的前提下进一步降低电离辐射剂量。

FBP是传统的解析重建算法，重建速度快，为目前最广泛使用的图像常规重建算法。但是它不能分辨图像数据采集的基本成分，假设X 射线源和探测器为一个点，忽略了图像数据采集过程中量子噪声和电子噪声对投影数据的污染，将噪声带到重建图像中去，从而影响图像质量，掩盖病变和有价值的诊断信息［15］。

AIDR3D 为Toshiba公司新近推出的640层动态容积CT研究开发的AIDR3D 重建算法，它的重建过程分解成许多运算步骤，这些步骤要么在投影数据空间的正弦图上进行，要么在图像空间的初始重建FBP图上完成。AIDR3D 在图像空间的运算上，通过使用和修正各向异性滤波器，自适应性地使图像质量在噪声抑制和细节保留之间取得平衡，反复进行图像空间滤波噪声抑制，达到设定的最终目标才停止［16］。由于在投影数据空间和图像运算空间方面的结合，AIDR3D 有望减少低管电流剂量扫描而产生的图像噪声，提高图像质量［4-5］。本研究中，与FBP比较，AIDR3D 重建算法CTCA 的图像噪声减少了46.10%，信噪比提高了84.70%，对比噪声提高了82.20%，二者比较均差异有统计学意义（P＜0.05）；冠状动脉近部、中部、远部的图像质量定性评价分数明显高于FBP重建算法，二者比较均差异有统计学意义（P＜0.05）；可以用于诊断的近部、中部、远部冠状动脉段数分别为336段（100.00%）、486段（96.43%）、394段（93.81%），明显高于FBP 重建算 法的217段（64.58%）、173段（34.33%）、114段（27.14%），二者比较均差异有统计学意义（P＜0.05）；AIDR3D 可以用于诊断的冠状动脉总段数为1 216段（96.51%），明显高于FBP 重建算法的504段（40.00%），差异有统计学意义（P＜0.05）。

在本组研究中，640层CT 采用自动曝光扫描技术，它根据定位图像获得的体重指数、CT 值、目标图像噪声及管电压来自动调节扫描的管电流。此基础上，再使用标准的75%AIDR进行AIDR3D 技术重建的CTCA 的图像噪声、信噪比、对比噪声比分别为（27.20±4.40）HU、21.10±5.10、24.70±5.10。Yoo等［6］研 究 的640 层CT 采 用 低 档 的50%AIDR 进 行AIDR3D 技术重建的CTCA 的图像噪声、信噪比、对比噪声比分别为（45.00±9.40）HU、15.00±2.10、16.80±2.30。虽然二者研究得出的平均有效电离辐射剂量均仅为（2.10±1.00）mSv，但是本研究较后者降低了图像噪声、提高了信噪比及对比噪声比。覃杰等［17］320层CTCA 的平均有效电离辐射剂量为（3.36±1.00）mSv，明显高于本研究。目前主流的64 层CTCA 的有效电离辐射剂量为8～18mSv［2］，高于本研究。

综上所述，本研究结果说明640层动态容积CT 自动曝光扫描CTCA AIDR3D 重建算法不仅较常规的FBP重建算法的图像噪声减少了46.10%，定量及定性图像质量均明显提高；而且有效电离辐射剂量低，仅为（2.10±1.00）mSv。

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