滤波反投影与迭代算法的图像质量及左心室功能评价准确性的比较研究

李佩玲，蒋 娜，赵 宇，赵 丽，李松柏

（中国医科大学附属第一医院放射科，辽宁 沈阳 110001）

滤波反投影与迭代算法的图像质量及左心室功能评价准确性的比较研究

李佩玲，蒋 娜，赵 宇，赵 丽，李松柏

（中国医科大学附属第一医院放射科，辽宁 沈阳 110001）

目的：比较滤波反投影 （Filtered back projection，FBP）与迭代算法 （Sinogram-affirmed iterative reconstruction，SAFIRE）的图像质量及左心室功能评价的准确性。材料与方法：纳入我院先后3天内行冠状动脉CT检查和心脏MR检查者82例为研究对象，分别采用FBP和SAFIRE重建系列图像。将82例按照体质量指数（BMI）分成A组（BMI≤24 kg/m2，共30例）和B组（BMI＞24 kg/m2，共52例），测量主动脉根部及皮下脂肪组织CT值及标准差，计算图像信噪比（SNR）和对比噪声（CNR），分别比较两个BMI组不同重建方法的图像质量。利用心功能分析软件测量两种重建图像的左心室舒张末期容积（EDV）、收缩末期容积（ESV）、每搏输出量（SV）和射血分数（EF），并以MRI心功能测量结果作为金标准，对比分析两种重建方法评价左心室功能的准确性。统计分析采用配对t检验和Pearson相关分析。结果：A组和B组SAFIRE重建图像噪声分别下降18．98%和17．40%，SNR和CNR分别提高23．99%、32．54%和22．07%、31．73%，差异均有显著的统计学意义（P＜0．001）。与MRI相比较，两种重建算法测得的左心室EDV、ESV、SV和EF值均无统计学差异（P＞0．05），经Pearson相关分析，两种重建方法与MRI的结果均具有相关性。结论：SAFIRE重建较FBP重建可提高图像质量。两组重建方法测量左心室功能与MRI均具有相关性，SAFIRE重建图像测量结果更为准确。

心室功能，左；体层摄影术，X线计算机；血管造影术

心功能评价对临床上心脏病患者评估疗效及判断预后具有重要意义。超声心动图目前已成为临床上首选的心功能评价方法[1]。多层螺旋CT冠状动脉血管造影（CT Angiography，CTA）可重建出心动周期中不同时相的系列图像，利用心功能分析软件亦可对心脏功能作出评价，但不同重建方法对评价结果的影响国内未见文献报道。本研究收集临床上先后行冠状动脉CTA检查和心脏磁共振（MRI）检查者82例，CT图像分别采用滤波反投影法（Filtered back projection，FBP）和迭代算法（Sinogram-affirmed iterative reconstruction，SAFIRE）重建，比较两种重建方法的图像质量，并以MRI心功能评价结果作为金标准，对比分析两种重建方法评价左心室功能的准确性。

1 材料与方法

1．1 病例收集

本研究前瞻性收集2013年12月—2014年8月就诊我院并于3 d内分别行冠状动脉CTA及心脏MRI检查者84例，男40例，女44例，年龄21～71岁，平均（54．21±10．92）岁。其中确诊或疑诊冠心病患者49例、高血压26例、肥厚型心肌病3例、心律不齐2例、先天性心脏病2例、风湿性心脏病1例、心包炎1例。

纳入及排除标准：凡在我院门诊就诊或住院患者均可纳入本研究。排除标准：①对含碘对比剂过敏；②活动性甲亢；③严重心、肝、肾功能不全；④各种原因不能配合屏气者；⑤图像采集过程中出现心律不齐或屏气欠佳致图像不满意者。本研究中2例心律不齐者，MRI图像不能用于心功能分析被排除，共有82例纳入研究。将所有病例依据体质量指数（BMI）分为2组，A组：BMI≤24 kg/m2，共30例，平均BMI为（21．68±1．74）kg/m2；B组：BMI＞24 kg/m2，共52例，平均BMI为（27．22±2．55）kg/m2。所有患者检查前均签署知情同意书。

1．2 CT检查方法与图像后处理

使用西门子双源CT扫描仪 （Siemence Flash，德国生产）。所有患者均未控制心率，于扫描前5min舌下含服硝酸甘油0．5mg，并对患者进行严格的屏气训练。扫描方法：患者仰卧位，先行定位扫描，然后行冠状动脉钙化评分扫描，扫描范围为气管分叉下10mm至心脏隔面，扫描参数：管电压100 kV，管电流100mAs，扫描时间7～11 s。CTA增强扫描时，扫描范围自左主干开口上方10mm的层面至心脏隔面，覆盖整个心脏，管电压100 kV，管电流为CARE Dose 4D调制管电流，准直器宽度0．6×128mm，层厚0．6mm。增强扫描采用自动示踪技术自动启动，监测层面为升主动脉，启动阈值90HU，延迟时间6 s。对比剂使用高浓度对比剂（370mgI/mL），经肘静脉以5．0mL/s流速注射75～80mL，接着以相同流速团注生理盐水40mL冲洗。图像重建分别采用：常规FBP重建，卷积核选择B26f（图1a，2a）；SAFIRE重建卷积核选择i26f，迭代等级3（图1b，2b），重建层厚及层间隔分别为0．75mm和0．5mm。两种方法均行多期相重建，共获得R-R间期0%～90%（间隔10%）的20组系列图像。

CT图像后处理：在后处理工作站利用心功能软件进行图像分析。先选择左心室标准切面，即四腔心平面、左心室短轴、两腔心平面，确定舒张末期和收缩末期的重建期相。通常收缩末期位于R-R间期的40%～50%，舒张末期位于90%～0%。利用左心室功能分析软件，利用Simpson法计算，从而得出左心室舒张末期容积（EDV）、收缩末期容积（ESV）、每搏输出量（SV）和射血分数（EF）。

1．3 心脏MRI检查方法及心功能测量

使用GE 1．5T超导磁共振扫描仪 （Signal HD，GE Medical System），采用8通道心脏专用线圈，加用呼吸门控和心电门控。患者仰卧位足先进，扫描前行严格屏气训练。采用二维快速平衡稳态进动序列（Fast imaging employing steady-state acquisition，FIESTA）屏气状态进行扫描。扫描参数如下：TR= 3．2ms，TE=1．3ms，翻转角：45°，层厚10mm，层间距0mm，每一心动周期采集20帧图像。扫描步骤：①完成快速三平面定位后利用2D FIESTA实时成像获得水平长轴位、垂直长轴位及短轴两腔心层面。②利用2D FIESTA电影序列，在矢状位定位像及水平、垂直长轴位层面上获取标准的四腔心层面（二尖瓣中点到心尖连线），在标准四腔心层面上获取左室长轴位图像和多层面左室短轴像（图1c，2c）。所有图像均于呼气末屏气状态下获得，每次屏气约11 s，短轴位图像扫描范围覆盖整个左心室，一般10～12层。③于左心室短轴基底段与两腔心平面定位三腔心，并于三腔心图像上平行于左室流出道定位主动脉根部图像。

心功能测量：使用GE专用心脏后处理软件Report Card 3．7进行图像后处理。分别选择垂直长轴位及短轴位序列图像，确定为舒张末期及收缩末期图像，乳头肌包含在心血池内。计算机软件将自动探测勾画出心内膜、心外膜轮廓，然后使用手动方式加以修正后，软件将自动计算左室功能参数。

1．4 图像质量评价与心功能分析指标

所有病例的图像测量和心肌勾画分别由2位高年资医生完成，取其均值。图像质量采用客观评价方法，测量主动脉根部的CT值（CTA）及标准差（SDA），同时测量皮下脂肪组织CT值（CTF），计算图像的信噪比（SNR）和对比噪声比（CNR），计算公式：SNR= CTA/SDA，CNR=（CTA-CTF）/SDF，其中SDF代表皮下脂肪组织的标准差。心功能分析指标主要包括EDV、ESV、SV和EF。

1．5 统计学分析

采用SPSS 17．0统计软件进行统计分析，图像质量及心功能指标均以均数±标准差（±s）表示，采用t检验进行比较；心功能指标组间相关性比较采用Pearson相关分析，以r值为0．1～＜0．3代表低度相关，0．3～＜0．5中度相关，0．5～1．0高度相关。P＜0．05认为差异有统计学意义。

2 结果

2．1 图像质量客观评价结果

依据BMI分组后，A组的实际管电流为（295．38±36．90）mAs，增强扫描序列的有效辐射剂量为（6．08±2．36）mSv；B组分别为（329．09±25．78）mAs 和 （7．93±2．85）mSv。两组病例分别在FBP重建与SAFIRE重建图像上所测得的主动脉根部CT值、图像噪声、SNR、CNR计算结果及统计分析结果见表1。A组和B组的FBP与SAFIRE两种方法分别比较，主动脉平均CT值差异均无统计学意义 （P＞0．05），而A组和B组SAFIRE重建图像噪声分别下降18．98%和17．40%，SNR和CNR分别为23．99%、32．54%和22．07%、31．73%。图像噪声、SNR和CNR差异均有统计学意义（P＜0．001）。

2．2 心功能测量结果

所有病例的两种CT重建图像及MRI图像所测得的每组数据，均先行方差齐性检验，样本总体符合正态分布。心功能分析软件所获得的测量结果及统计分析结果见表2。从表2中可以看出，两种重建算法分别与MRI相比较，左心室EDV、ESV、SV和EF值均无统计学差异（P＞0．05），四项指标均无过度评估或低估，除了EF值外，其余3项指标CT测量值普遍高于MRI，SAFIRE更接近MRI。经Pearson相关分析，除ESV、SAFIRE与MRI间EDV的r值为高度相关外，其余指标均为中度相关。

表1 按BMI分组后2种重建算法所测得的图像质量结果及比较

表2 2种CT重建图像与MRI的左心室功能测量结果及比较（n=82）

图1 女，48岁。BMI 22．39 kg/m2。左心室短轴像。图1a：FBP图像；图1b：SAFIRE图像显示图像噪声降低，心肌壁变清晰，较FBP图像略有改善；图1c：MRI图像。 图2 男，63岁。BMI 26．17 kg/m2。左心室短轴像。图2a：FBP图像；图2b：SAFIRE图像，显示图像噪声降低，心肌壁变清晰，较FBP图像明显改善；图2c：MRI图像。

Figure 1.A 48-year-old female patient with BMI 22．39 kg/m2．Short-axis view of left ventricle．Figure 1a:FBP image．Figure 1b: SAFIRE image shows image noise decreasing and myocardiac edge clear．The image quality is improved slightly．Figure 1c:MRI image．Figure 2. A 63-year-old male patient with BMI 26．17 kg/m2．Short-axis view of left ventricle．Figure 2a:FBP image．Figure 2b: SAFIRE image shows image noise decreasing and myocardiac edge much clear．The image quality is improved obviously．Figure 2c:MRI image．

3 讨论

SAFIRE利用原始数据将图像噪声建模去除图像伪影，如线束硬化伪影、螺旋伪影等，通过分析原始数据来评估图像每一个像素中的噪声部分，然后将噪声从图像中去除，同时也利用原始数据进行图像空间分辨率的改善 。近年来，关于SAFIRE的文献报道很多，绝大多数结果证实SAFIRE重建算法可以有效的降低辐射剂量、改善图像质量、降低噪声、提高SNR及CNR[3-4]，现已成为了临床工作中重要的图像重建算法，尤其是低剂量扫描时配合SAFIRE重建可保证图像质量不衰减。但由于随着管电压的下降，X线的光电效应所占的比例增加，康普顿效应比例减少，CT图像表现为含碘量高的组织CT值提高明显，而轻微强化的软组织CT值增加却不明显，因此，降低电压扫描配合SAFIRE重建的最佳应用部位为包括心脏在内的CT血管成像。本研究结果表明扫描条件相同的情况下，SAFIRE能有效降低图像的噪声水平，A组和B组均较FBP平均降低约18%，SNR和CNR均提高约22%以上，CNR提高超过30%，而对主动脉强化后CT值影响不大，经统计学分析两种重建算法差异均无统计学意义。尽管图像质量提高的幅度不尽相同，但变化的趋势与文献报道基本一致[5-6]。

近年来，文献报道多层螺旋CT心功能评价多与超声心动图进行相关分析，得出的结论基本一致，即两种检查方法具有相关性，特别是左心室EDV和左心室ESV更是具有高度相关性[7-8]。但关于心功能多层螺旋 CT评价与 MRI的对照研究较少[9]。Mahnken等[10]利用多层螺旋CT与MRI对同组16例患者的心功能评价结果进行比较，得出的4项主要心功能指标结果及心肌质量均有高度的一致性。赵希刚等[11]对30例临床疑诊冠心病者进行了增强螺旋CT和MRI检查，研究结果发现增强螺旋CT与MRI的心功能测量结果亦具有高度的相关性，两种方法的测量值均无统计学差异，CT测量的结果略高于MRI。本研究通过与MRI的心功能测量结果对比分析，发现两种重建方法获得的心功能测量结果均与MRI无统计学差异，二者的检查结果均与MRI非常接近。相比较而言，SAFIRE重建测得的左心室EDV、ESV和SV更接近MRI，而左心室EF值略低于MRI测量结果。本研究及大量文献已经证实SAFIRE较FBP重建能够提高图像质量，增加组织对比度，这样更有利于心肌血池的对比观察及心内膜与心外膜的勾画，因而使心功能的评价结果更为准确。

然而，本研究中从表2还可以看出多排螺旋CT左心功能测量值与MRI之间存在一定的差异，分析其原因可能是因为CT检查时用于心功能评价的期相常常并非最佳期相，图像质量有一定程度的下降，导致血池心壁对比度变差；其次，冠脉CT检查的最佳延迟时间常常右心室内几乎无对比剂存留，使室间隔处心外膜的界限不甚清晰，从而导致测量中主观误差被引入；此外，增强CT检查时快速团注对比剂及生理盐水也会对心脏功能产生一定的影响，从而在一定程度上导致测量结果的变化。另外，本研究中研究对象的入选条件没有对心功能状态加以限制，并不具有特定的代表性，因此心功能测量结果不能用作临床评价心功能状态的参考标准。文献报道的心功能测量结果之间存在的差异也可能与研究对象的入选条件不甚一致有关。

总之，双源CT冠脉成像可以在评价冠状动脉病变的同时准确地定量评估左心功能，SAFIRE与FBP两种重建方法心功能测量结果与MRI均具有良好的相关性，SAFIRE重建图像噪声明显降低，图像质量得到改善，测量结果亦更为准确。

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Com parative study of image quality and accuracy of evaluation of left ventricular function between sinogram-affirmed iterative reconstruction and filtered back projection

LI Pei-ling,JIANG Na,ZHAO Yu,ZHAO Li,LI Song-bai
(Department of Radiology,the First Affiliated Hospital of China Medical University,Shenyang 110001,China)

Objective:To compare the image quality and the accuracy of contrast computed tomography(CT)for left ventricular function assessment between sinogram-affirmed iterative reconstruction(SAFIRE)and filtered back projection(FBP)．Methods:A total of 82 patients prospectively underwent cardiac examination with Dual-source CT and MRI(as reference standard)within 3 days．All CT images were reconstructed with FBP and SAFIRE techniques，respectively．All patients were divided into group A(BMI≤24 kg/m2，n=30)and group B(BMI＞24 kg/m2，n=52)．The CT values and standard deviations of aorta and subcutaneous fat tissue were measured and SNRs and CNRs were calculated．Image quality was assessed for both reconstruction techniques．From these two different reconstruction images，ESV，EDV，SV and EF were determined using the Simpson's method and compared with MRI．Paired-t test and Pearson's correlation were used for statistical analysis．Results:The image noises on SAFIRE images decreased by 18．98%and 17．40%and SNRs/CNRs increased by 23．99%/32．54%(group A) and 22．07%/31．73%(group B)compared with FBP images，respectively(all P＜0．001)．There was no significantly overestimation and underestimation of EDV，ESV，SV and EF by FBP and SAFIRE compared to MRI(all P＞0．05)，respectively．All LV function measurements of CT images showed statistically intraclass correlations with MRI．Conclusion:SAFIRE may improve image quality．LV function measurements acquired by SAFIRE and FBP image data sets all were statistically related to MRI．The LV function results derived by SAFIRE images were more accurate．

Ventricular function，left;Tomography，X-ray computed;Angiography

R541；R814．42；R814．43

A

1008-1062（2015）12-0869-04

2015-03-03；眼

2015-06-04

李佩玲（1967-），女，辽宁营口人，副教授。

辽宁省自然科学基金资助项目（项目编号2014021072）。