多排螺旋CT冠状动脉成像检查中消除运动伪影的相关方法与应用

李倩文，杜祥颖，李坤成

首都医科大学宣武医院 放射科，北京100053；北京磁共振成像脑信息学北京市重点实验室，北京 100053

多排螺旋CT冠状动脉成像检查中消除运动伪影的相关方法与应用

李倩文，杜祥颖，李坤成

首都医科大学宣武医院 放射科，北京100053；北京磁共振成像脑信息学北京市重点实验室，北京 100053

近年来，多排螺旋CT（Multi-Detector Spiral Computed Tomography，MDCT）冠状动脉成像已成为无创性筛查冠状动脉硬化性心脏病最重要的影像学手段。如何消除较快心率MDCT冠状动脉成像中的运动伪影进而提升图像质量是促进MDCT冠状动脉成像发展的基础。本文结合MDCT冠状动脉成像中运动伪影产生的原因，综述目前消除运动伪影的相关方法及其应用。

多排螺旋CT；冠状动脉成像；运动伪影

引言

多排螺旋计算机断层成像（Multi-Detector Spiral Computed Tomography，MDCT）技术的临床应用促进了冠状动脉CT成像的发展[1-2]。近些年，MDCT冠状动脉成像已成为无创筛查冠状动脉硬化性心脏病最重要的影像学手段[1,3-4]。但由于MDCT时间分辨率的限制，成像过程中会产生运动伪影，这是影响图像质量甚至影响诊断准确性的最重要因素之一[3]。如何消除运动伪影尤其是较快心率下的MDCT冠状动脉成像运动伪影，是促进MDCT冠状动脉成像发展的基础。本文结合MDCT冠状动脉成像运动伪影产生的原因，综述目前消除运动伪影的主要相关方法及应用。

1 冠状动脉CT成像运动伪影产生的原因

冠状动脉CT成像过程中运动伪影的形成是由于图像矩阵中的点（体素或像素）在CT获取不同角度投影数据的过程中发生了位移，运动伪影的程度取决于位移的速率和图像重建算法的校正效果[5-6]。相对低速的位移可以有效校正，而高速的位移则难以校正，这时运动伪影的程度就取决于低速位移时相的长短和CT数据采集速率之间的关系。如果重建时间窗选择不合适，会导致冠状动脉当时处于高速位移期相，而心率过快则会导致低速运动时相过短，CT无法在低速时相内完成采集，两者都会导致运动伪影的产生[6]。相关研究表明，只有CT时间分辨率达到50 ms以下，才可能真正达到在任何时相都能冻结心脏，而不出现运动伪影，但是目前CT机的时间分辨率远没有达到这个标准。综上所述，冠状动脉CT成像质量由CT成像所提供的时间分辨率和冠状动脉运动所形成的时间需求决定，矛盾双方的改变都会影响成像效果。

2 消除运动伪影的方法及其应用

2.1 控制心率

降低受检者的心率、延长心动周期，减慢冠状动脉运动和延长冠状动脉低速运动的时间，可以降低成像对时间分辨率的需求，是消除运动伪影最简便有效和经济的方法。目前常规64排冠状动脉CT检查前通常会要求受检者口服β受体阻滞剂以控制心率在65 次/min以下，同时确保心律稳定，从而可以提供更长的可用于重建的时间窗，保证冠状动脉CT成像质量[7-8]。但是，部分受检者会存在药物禁忌或无法有效降低心率的情况。

2.2 提高时间分辨率

基于MDCT冠状动脉成像基本原理及运动伪影产生的原因，要成功实现冠状动脉CT成像并完全避免运动伪影，最重要的就是将特定扫描模式下获得的最高时间分辨率与冠状动脉运动幅度最小的时相相匹配，因此提高CT的时间分辨率是技术上的关键[9-10]。提高时间分辨率的主要手段是缩短机架旋转时间，目前有效的旋转时间还没达到获取理想的时间分辨率的范围，其它一些因素如数据采集模式、图像重建方式、螺距等也可影响到时间分辨率[7-8,11]。可以使用不同的扫描方式或不同的图像重建方式来从软件角度提高时间分辨率。

2.2.1 硬件提升

（1）提高管球旋转速度。对于单源MDCT来说，利用半扫描重建技术时的单扇区时间分辨率等于球管旋转时间的l/2，时间分辨率主要由球管旋转时间所决定，提高时间分辨率最直接有效的方法就是加快球管的旋转速度。随着CT机的不断发展更新，球管的旋转速度也从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、发展到双源CT的0.27 s甚至更快，新一代的CT设备甚至将旋转速度提高到0.2 s。但是，旋转速度的提高所带来的是对硬件设备的极高要求，尤其是高速旋转所形成的超高的离心力，已经使旋转速度的提高接近极限。

（2） 采用宽体探测器。东芝320排螺旋CT Aquilion One采用纵向宽度为160 mm的宽体探测器，可以在不进床的情况下完整覆盖整个心脏，避免了64排CT扫描中多心动周期采集所形成的错位，也消除了多扇区重建中螺距设置的问题[12]。虽然其旋转时间仍为0.35 s，但通过多心动周期采集，可以基本解决心律失常甚至房颤的扫描难题，同时可利用多扇区重建提高时间分辨率。然而，由于其固有时间分辨率仍较低，而通过多扇区重建提高时间分辨率，心动周期之间的不一致仍会影响图像质量，同时，多心动周期采集必然带来剂量的增加。Philips 256排MDCT Brilliance iCT球管旋转速度提高至0.27 s，并配备8 cm的宽体探测器，在提高时间分辨率的同时增加了单圈覆盖范围，显著缩短了扫描时间(仅4～5 s)，比64层螺旋CT放宽了对心率的限制，能提供更优的图像质量[13]。GE宽体探测器CT Revolution球管转速可达0.29 s，并且探测器足够宽，只需一个心跳就可采集所需数据，并且保证图像质量，而且病人接受的辐射剂量很低[14]。

（3）西门子双球管双探测器技术（双源CT）。双源CT装备两套X线球管与探测器，两套数据采集系统成约90°夹角安装于机架上，在成像过程中，每套X线球管/探测器组合只需要旋转约90°，即可采集到图像重建所需要的180°的投影数据，使单扇区重建的时间分辨率提高到约为旋转时间的1/4（对二代双源CT而言约为75 ms）这样的时间分辨率可以满足临床所见绝大多数心率范围的收缩末期成像，同时也使舒张中晚期成像的心率范围达到80 bpm左右[15]。此外，双源CT可以采用大螺距（3.4）螺旋采集技术，在单个心动周期完成冠状动脉CT成像，其层面内时间分辨率为75 ms，但总采集时间接近300 ms，仍需在较低心率情况下应用[16]。Force CT作为三代双源CT，其扫描速度进一步提升，达到最快速度0.25 s/rot，单扇区时间分辨率可达到约66 ms，为目前所有机器中的最快单扇区时间分辨率，基本满足日常临床工作中常见心率患者的成像需求[17]。此外Force CT进床速度可达73.7 cm/s，Flash扫描螺距最大可提升到3.2。进床速度的提升配合大螺距扫描，Flash扫描患者无需憋气，单次采集即可完成成像。但是和二代双源CT类似，Flash扫描时仍需要患者心率保持在较低且平稳的状态。

硬件系统升级是提高时间分辨率进而满足高质量成像的最主要的途径，但是也存在着一些明显的缺陷，如：① 成本过高，设备价格昂贵；② 受物理特性的限制，目前的球管旋转速度已经接近极限，很难再进一步加快球管的旋转速度；③ 由于空间条件的限制，不能设计出比双球管双探测器系统更多的球管与探测器系统的设备；④ 随着心率的增快，心脏运动相对静止时期迅速缩短甚至趋近于0，意味着单靠硬件系统提高时间分辨率不能完全避免快心率时的运动伪影。

2.2.2 软件开发

（1）多扇区重建技术。除了硬件升级之外，多种软件技术也可用于消除冠状动脉成像中的运动伪影，其中多扇区重建技术是提高时间分辨率最常用的方法[18]。在半扫描重建技术的基础上，多扇区重建利用心电同步信号，从多个相邻的心动周期和不同排列的探测器，收集同一相位窗但不同角度的半扫描重建所需的原始数据进行数据重组。由于每个扇区的宽度相对单一扇区有明显减小，所以时间分辨率能够明显提高。理想状态下，利用多扇区重建技术所能达到的时间分辨率约等于半扫描重建的时间分辨率再除以扇区数。但实际应用时会受患者心率、球管旋转时间及扫描螺距的限制，所达到的时间分辨率总会低于理想状态下的时间分辨率。目前，以仅采集两个心动周期的数据加以重建的双扇区重建最常用[19]。由于重建数据来自多个心动周期，多扇区重建容易受到时相一致性水平的影响，此外，来自不同心动周期相邻角度数据在时相上的不连续也会对重建图像产生影响。因此，应用多扇区重建时维持患者心率稳定是首要条件，其在心率波动患者中的应用受到限制。其次，多扇区重建提高时间分辨率的效果受心动周期长度与旋转时间匹配的影响，导致部分心率情况下图像质量改善效果有限[20-21]。此外，多扇区重建要求相对于单扇区重建更低的螺距，这会导致辐射剂量的明显增加[22-23]。

（2）基于压缩感知的图像重建技术（Prior Image Constrained Compressed Sensing，PICCS）。除了扇区重建技术之外，还有另外一种提高时间分辨率的技术PICCS，亦称之为TRI-PICCS（Temporal Resolution Improvement-Prior Image Constrained Compressed Sensing，TRI-PICCS）[21-22]。和双源CT提高时间分辨率的目标相似，TRI-PICCS技术期望应用常规半扫描重建所需的一半数据和时间完成图像重建。但是，尽管该技术可以使时间分辨率提高一倍，但减半的图像数据不足以重建满意的图像，会因投影角不足而造成遮盖伪影。TRI-PICCS技术应用了常规重建的图像进行匹配和校正，从而消除投影角不足的伪影，在提高时间分辨率的同时确保足够的图像质量。Chen等[21]通过动物实验证实，TRI-PICCS技术在单源CT检查时对心率快于70 次/min时的冠脉成像可以获得较好图像质量，所得到的图像明显优于不使用该技术时的图像质量。与多扇区重建比较而言，该技术不会受到机架旋转时间和心脏运动时相不同步等问题的干扰，且不会额外增加辐射剂量。该技术除了可以应用于单源CT，亦可应用于双源CT以进一步提高双源CT时间分辨率。但目前该技术尚未在临床应用中得到验证。

（3）运动估算与补偿算法。除直接提高时间分辨率之外，还有一些重建算法来消除图像的运动伪影，如运动估算（Motion Estimation，ME）与补偿重建（Motion Compensation Reconstruction，MCR）算法。Isola等[23]开发的ME法基于已采集的图像数据来估算心脏四维运动，在心电门控扫描采集心脏CT图像后，选取一个心动周期中一组相对静止时相的图像，并从中挑选一个时相作为靶时相；然后，对选定的相对静止时相和靶时相分别进行三维非刚性图像配准来获取相应时相的三维运动矢量信息；接着进行三次B样条插值进一步得到该时相的四维运动矢量信息；最后，心脏运动矢量信息被反转和重新整合以计算获得感兴趣区的其他任意时相的四维运动矢量信息，进而对心脏任意时相的运动进行估算。

在Isola等人研究的基础上，Tang等[24]做出了改革创新，提出了一个完全四维的图像迭代重建算法，即ME和MCR交替的算法。与Isola等的研究方法相比，Tang的ME法是一种非刚性四维图像配准方法，其充分利用心动周期中心脏所有时相图像的容积数据直接估计四维运动矢量信息，并同时在时间与空间层面上对图像信息加以校正以保证估算的四维运动矢量信息足够可靠。此外，Tang等的MCR法采用运动跟踪锥形束反投影运动模型来进行运动的补偿重建，因而对心脏运动信息的数据利用更充分。这种运动估算与补偿重建过程迭代交替进行，从而达到改善图像质量的效果。

体模实验及初步的小样本临床研究证实，通过使用ME与MCR算法，可以减少图像的运动伪影。使用重建算法来减少图像运动伪影的方法也日益受到研究者们的关注。

（4）运动校正技术（Snap Shot Freeze，SSF）。Isolah和Tang等研发的运动估算与补偿重建算法并没有推广到临床实际应用中。GE公司在该理论基础上，研发了一种特异性针对冠状动脉运动伪影的校正技术SSF，该技术通过选取已采集图像中相对运动伪影较少、图像质量较好的时相为靶时相，软件自动分析该靶时相及其左右80 ms共3个时相的数据信息，通过3个时相的数据信息整合，精确记录冠状动脉的运动速率及幅度以追踪冠状动脉的实际运动轨迹，进而准确定位每段冠状动脉的实际位置以及运动伪影，然后特异性地消除运动伪影[25]。SSF运动校正技术为较成熟的软件技术，该算法操作过程简便易行，在选定靶时相之后，软件后台运行，耗时仅为约5 min，即可自动后处理选定时相的数据，以达到消除运动伪影、改善图像质量的目的。Leipsic等[26]在临床试验业已证实SSF可以在不控制心率条件下提高患者冠状动脉CTA检查的成功率，提高较快心率患者的CTA图像质量。和临床传统常用的多扇区重建技术相比，SSF在不额外增加辐射剂量的情况下，利用的是一个心动周期内的数据，只需增加有限的时相来采集数据即可满足重建需要。SSF同时适用于回顾性及前瞻性心电门控扫描，可以在提高图像质量的同时控制辐射剂量。

3 小结

综上所述，随着设备和技术的不断创新，MDCT冠状动脉成像质量不断完善，使快心率所导致成像过程中的运动伪影得到有效抑制。各种方法和技术的综合应用，必将进一步改善冠状动脉CTA的成像质量，使其在冠心病诊断和评价中发挥更大的作用。

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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

北京市医院管理局重点医学专业发展计划（ZYLX201609）。

杜祥颖，主任医师。研究方向：心血管影像诊断。

通讯作者邮箱：duxying_xw@163.com