低剂量自适应迭代重建技术在低辐射剂量头颈部CT血管成像中的应用*

张力，徐延峰，郑婧，于淑靖，陈跃峰，车延旭，宋兆伟

（河北省沧州市中心医院CT诊断科，河北沧州061001）

低剂量自适应迭代重建技术在低辐射剂量头颈部CT血管成像中的应用*

张力，徐延峰，郑婧，于淑靖，陈跃峰，车延旭，宋兆伟

（河北省沧州市中心医院CT诊断科，河北沧州061001）

目的探讨低剂量自适应迭代重建技术（AIDR3D）在头颈部CT血管成像（CTA）中对图像质量及辐射剂量的影响。方法行头颈部CTA检查的患者90例，随机分为A、B两组，每组45例。A组扫描参数为120 kV、300 mA，经滤波反投影法（FBP）重建。B组为80 kV、自动毫安，经AIDR 3D重建。对两组图像的噪声、信噪比（SNR）、对比噪声比（CNR）、图像质量主观评分及辐射剂量进行评价。结果①客观评价:颈总动脉血管噪声值B组低于A组，差异有统计学意义（P＜0.05）。颈动脉窦及颈内动脉血管噪声值B组高于A组，差异有统计学意义（P＜0.05）。颈部SNR及CNR值B组高于A组，差异有统计学意义（P＜0.05）。颅内段血管（MCA1）噪声值A组低于B组，差异有统计学意义（P＜0.05）。颅内血管SNR及CNR值B组高于A组（P＜0.05）。②主观评价：颈总动脉评分B组高于A组，差异有统计学意义（P＜0.05）。两组间颈动脉窦及颈内动脉评分差异无统计学意义（P＞0.05）。颅内动脉评分B组低于A组，但B组图像质量均能满足临床诊断要求。③两组有效辐射剂量B组低于A组，差异有统计学意义（P＜0.05），B组较A组辐射剂量降低约76％。结论在头颈CTA联合扫描中，使用80 kV和自动毫安调节，并运用AIDR3D迭代重建技术，在获得优质血管图像的同时可降低辐射剂量。

计算机体层成像；血管造影术；迭代重建；辐射剂量

脑血管疾病是危及患者生命安全的常见病，早期诊断、早期治疗对改善患者预后具有极其重要的意义。随着多层螺旋CT时间及空间分辨率的提高，非侵入性头颈部CT血管成像（computed tomography angiography，CTA）获得广泛应用，其临床价值可以和侵入性血管造影（digital subtraction angiography，DSA）相媲美。然而CT辐射引起的潜在危害也越来越为人们关注[1-2]。如何在满足诊断要求的前提下对CT扫描进行系统性优化，降低患者的辐射剂量，已经成为当前医学影像学一个重要的研究方向。近年来研究表明，一些新的迭代重建技术，使低辐射剂量扫描所得的图像质量明显提高，具有降低辐射剂量的潜能[3-6]。本研究以常规滤波反投影法（filtered back projection，FBP）重建为对照，探讨低剂量自适应迭代重建（adaptive iterative dose reduction 3D，AIDR 3D）联合自动毫安技术，对头颈部CTA图像质量及患者辐射剂量的影响，优化头颈部CTA扫描方案。

1 资料与方法

1.1 一般资料

本研究经医院伦理委员会批准并均签署知情同意书。选取2015年8月-2016年1月行80排头颈部CTA检查的患者90例。入选条件：患者神志清楚，无碘过敏史，无心、肝、肾等重要脏器功能衰竭。按CT扫描参数不同，采用随机数字表法分为对照组（A组）和低辐射剂量（B组）两组，每组45例。A组男23例，女22例；B组男22例，女23例，性别差异无统计学意义（χ2=0.044，P=0.500）。两组间年龄、体重、身高及体重指数差异无统计学意义（见表1）。

表1 两组患者一般资料比较（n=45，±s）

表1 两组患者一般资料比较（n=45，±s）

组别体重指数/（kg/m2）A组59.71±8.9764.16±8.02 165.56±6.0423.41±2.71 B组58.29±9.6466.60±9.81 165.91±6.1824.10±2.51 t值0.725-1.294-0.276-1.241 P0.4710.1990.7830.218年龄/岁体重/kg身高/cm

1.2 仪器与方法

1.2.1 检查前准备患者均采用仰卧位，双臂垂放于身体两侧，去除头颈部金属异物，固定患者头部，扫描过程中平静呼吸并禁做吞咽动作。扫描范围从主动脉弓到颅顶，扫描方向为足-头方向。

1.2.2 扫描设备及参数采用东芝PRIME 80排CT扫描仪。扫描参数：探测器准直80 mm×0.5 mm，螺距0.831∶1，旋转时间0.5 s/周，层厚0.5 mm，层间距0.5 mm，矩阵512×512。A组管电压120 kV、管电流300 mA，FBP重建。B组管电压80 kV，自动毫安（40～600 mA），标准偏差15.0，经AIDR 3D迭代重建。采用对比剂智能触发技术，感兴趣区（region of interest，ROI）设在主动脉弓层面的降主动脉，触发阈值设定为160 HU。采用高压注射器由右侧肘前静脉注入，对比剂使用碘海醇（350 mg/ml），先以4 ml/s注射对比剂60 ml，然后以4 ml/s注射生理盐水40 ml。扫描完成后将原始数据导入Vitrea Fx工作站中进行图像分析及重组。

1.3 图像质量分析

1.3.1 客观评价在轴位图像（0.5 mm层厚）上测量C7椎体水平右侧颈总动脉及同层胸锁乳突肌CT值和噪声值（CT值标准差），右侧颈动脉窦（约C4椎体水平）和同层胸锁乳突肌CT值和噪声值，C1椎体水平右侧颈内动脉及同层咀嚼肌CT值和噪声值，右侧大脑中动脉M1段（MCA1段）及同层面脑组织CT值和噪声值。动脉ROI放置于血管中央区域，约占2/3血管面积，避开斑块；肌肉及脑组织ROI放置面积45 mm2，避开伪影[6]（见图1）；遇有动脉明显狭窄或闭塞时，则对同层面对侧动脉及对应肌肉或脑组织进行测量。A、B两组分别计算颈段和颅内段动脉信噪比（SNR）和载噪比（CNR）。颈段SNR/CNR为每组颈总动脉、颈动脉窦和颈内动脉3个水平上的SNR/CNR均值，SNR计算方法为SNR=ROI血管/SD血管；CNR计算方法为CNR=（ROI血管-ROI肌肉或脑组织）×2/（SD血管+SD肌肉或脑组织）。其中ROI血管为颈总动脉、颈动脉窦、颈内动脉或MCA1段CT值。ROI肌肉或脑组织为同层胸锁乳突肌、同层咀嚼肌或同层脑组织CT值。SD为对应血管、肌肉或脑组织的噪声值（CT值标准差）。

1.3.2 主观评价由2位5年以上头颈部CTA处理经验的放射科医师共同阅片，阅片医师知道患者的临床信息，但不知道扫描条件和实验目的，2位医师共同达成一致意见。血管图像质量主观评价基于0.5 mm层厚轴位图像、曲面重组（curved planar reconstruction，CPR）及容积重建（volume rendering，VR）图像（脑内动脉对3级分支以上节段进行评价）。评分标准如下：5分，头颈部动脉充盈良好，轮廓清楚，管腔内密度均匀，管壁锐利，无伪影；4分，头颈部动脉充盈良好，轮廓清楚，管腔内密度均匀，管壁稍模糊或轻微伪影；3分，头颈部动脉充盈尚可，管腔内密度欠均匀，管壁稍模糊或有轻度伪影，但仍可评价。2分，头颈部动脉充盈差，管腔内密度不均，管壁模糊，严重伪影，评价受限；1分，头颈部血管不能识别，伪影严重，不能诊断。评分≥3分为符合临床诊断要求，≤2分为不符合要求。

1.4 辐射剂量评估

扫描结束后，记录CT设备显示的剂量长度乘积（dose length product，DLP）和CT容积剂量指数（CT dose index volume，CTDIvol），并计算有效辐射剂量（effective dose，ED），ED=DLP×K，其中K为换算系数，K值参照欧盟委员会关于CT质量标准指南，在头颈CTA扫描时K=0.0031[7]。

1.5 统计学方法

采用SPSS 17.0统计软件进行数据处理，两组患者年龄、体重、身高、体重指数、CT值、噪声值、SNR、CNR、CTDIvol、DLP和ED的组间差异采用2个独立样本t检验；两组患者性别情况比较用χ2检验。两组间图像质量评分采用2个独立样本的非参数检验，P＜0.05为差异有统计学意义。

图1 血管CT值及图像噪声值的测定

2 结果

2.1 客观指标评价

颈部两组间CT值、SNR、CNR比较，B组＞A组，差异有统计学意义（P＜0.05）。颈部血管噪声组间比较差异有统计学意义，颈总动脉，B组＜A组（P＜0.05），颈动脉窦及颈内动脉，B组＞A组（P＜0.05）（见表2）。颅内段血管（MCA1）两组间CT值、噪声值比较，B组＞A组，差异有统计学意义（P＜0.05），颅内血管SNR及CNR值B组＞A组（P＜0.05）（见表3）。

表2 两组颈部图像质量客观参数结果比较（n=45，±s）

表2 两组颈部图像质量客观参数结果比较（n=45，±s）

组别颈总动脉（C7水平）颈动脉窦（约C4水平）颈内动脉（C1水平）噪声/HU A组362.21±56.1724.71±10.68397.95±50.7510.38±3.28395.10±53.9915.32±5.2029.38±14.4827.22±12.13 B组626.22±136.8018.79±5.54677.80±165.0817.90±5.35685.40±141.9819.48±5.9138.84±15.8435.90±13.33 t值-11.9753.303-10.870-8.032-12.821-3.548-5.121-5.592 P值0.0000.0000.0000.0000.0000.0010.0000.000CT值/HU噪声/HUCT值/HU噪声/HUCT值/HU颈部SNR颈部CNR

表3 两组头部图像质量客观参数结果比较（n=45，±s）

表3 两组头部图像质量客观参数结果比较（n=45，±s）

组别颅内血管（MCA1）噪声/HU A组377.39±47.5120.38±6.7920.89±8.9121.98±6.24 B组611.10±122.1925.03±6.2725.93±8.4125.80±6.35 t值-11.958-3.380-2.762-2.882 P值0.0000.0010.0070.005CT值/HU颅内血管SNR颅内血管CNR

2.2 图像质量主观评价

在头颈部动脉图像质量的主观评价中，除A组部分患者（7例）在颈总动脉的图像不能满足临床需要外，在其他层面A、B两组图像均满意。颈总动脉评分两组比较，B组＞A组，差异有统计学意义（P＜0.05）；颈动脉窦、颈内动脉评分两组比较，差异无统计学意义（P＞0.05）。颅内动脉评分A组＞B组，差异有统计学意义，但两组颅内血管评分均≥4分，均能较好的满足临床诊断需要（见表4和图2、3）。

2.3 辐射剂量评价

B组较A组辐射剂量降低约76％，差异有统计学意义（P＜0.05）（见表5）。

表4 两组头颈部CTA主观评分结果比较（n=45，±s）

表4 两组头颈部CTA主观评分结果比较（n=45，±s）

组别颅内动脉（MCA1）A组3.40±0.814.98±0.154.87±0.344.93±0.25 B组3.93±0.624.96±0.214.80±0.404.64±0.65 Z值-3.5140.5820.8422.798 P值0.0010.5620.4020.007颈总动脉颈动脉窦颈内动脉

表5 两组辐射剂量结果比较（n=45，±s）

表5 两组辐射剂量结果比较（n=45，±s）

组别ED A组579.42±24.2014.70±0.001.80±0.08 B组142.62±26.393.66±0.590.44±0.08 t值81.841125.49381.841 P值0.0000.0000.000DLPCTDI

图2 A组患者（男，47岁）

图3 B组患者（女，49岁，颈根部动脉受邻近骨骼影响较小，图像质量较好）

3 讨论

作为传统的重建算法，FBP自20世纪70年代应用于临床以来，一直被商业CT设备广泛采用。其优点是快速、可靠，缺点是对噪声较为敏感，当通过降低管电压或管电流来降低辐射剂量时图像噪声明显增大。因此，为保证良好的图像质量，就不能大幅降低辐射剂量[8]。随着人们对CT扫描剂量与图像质量关系的日益关注，FBP重建算法已经不能满足人们对低辐射剂量扫描的需求，迭代重建方法是目前CT应用领域的研究重点之一。AIDR3D是基于原始数据空间和图像空间的迭代技术，配置优化的解剖模型进行对比迭代优化重建，对所有噪声来源进行降噪处理，可在保证图像质量前提下，通过降低管电压或管电流最大程度降低辐射剂量。目前，已有多项关于AIDR3D临床应用的研究报道[9-10]，并且证明该技术在临床应用中能够有效减低扫描剂量，但其在优化头颈部CTA扫描方案中的应用，报道很少。

本研究采用了降低管电压和自动管电流调节的方法降低辐射剂量。辐射剂量与管电压的平方呈正比，管电压降低，辐射剂量以平方的关系降低[11]，而自动管电流调节技术可以使管电流根据受检者体型的变化自动调节，使各断层图像的噪声保持在预设水平，获得稳定的图像质量，同时降低辐射剂量[12]。目前已经有很多关于低管电压与自动管电流调节技术联合应用来降低辐射剂量的研究报道[6]。

在CT头颈部血管成像中，肩部伪影对颈动脉干扰最为明显，因此常规头颈部CTA检查在扫描肩部时需增加辐射剂量。本研究结果显示，在扫描范围、患者体重指数、对比剂注射流速、注射部位等完全相同的情况下，B组颈总动脉血管噪声明显低于A组血管主观评分B组亦高于A组，因此AIDR3D迭代重建技术能有效避免肩部伪影。尽管随着管电压的减低B组在颈动脉窦及颈内动脉的血管噪声值有所提高，但随着血管CT值的升高，颈部SNR、CNR亦较A组升高，在主观质量评价中，两组差异无统计学意义，因此在颈部图像质量方面B组图像质量优于A组，同时也证明AIDR3D重建模式可提高扫描过程中产生噪声多的脏器的图像质量，与其他学者的研究结果一致[6]；在颅内血管评价方面，尽管B组颅内血管的噪声有所升高，但同样是因为CT值的升高，B组颅内血管SNR及CNR亦高于A组，在主观质量评价中，B组评分均≥4分，因此颅内CTA图像仍能较好地满足临床诊断的需要；在辐射剂量方面，由于B组采用低管电压与自动管电流调节相结合，辐射剂量减低，较A组辐射剂量降低约76％。综上所述，AIDR3D重建技术可以在降低辐射剂量的同时有效地避免肩部伪影，提高图像质量，得到满意的CTA图像。

低辐射剂量扫描会导致光电效应增强，提高强化血管的CT值[13]，本研究B组血管CT值均高于A组，为了减少静脉注射对比剂引发的不良反应，可以适当降低对比剂剂量，如何确定最低对比剂用量有待进一步探讨。由于B组在采用AIDR3D迭代技术的同时，还采用自动毫安技术，因此无论从图像质量亦或扫描剂量上的获益，都是AIDR3D和自动毫安技术联合应用的结果，在进一步的研究中需要优化。此外进一步降低管电压或通过改变自动管电流调节范围及标准偏差值，观察能否在更低的辐射剂量下图像质量仍能满足临床诊断需要，还待今后进一步完善。

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（张蕾 编辑）

Application of adaptive iterative dose reduction 3D in low-dose CT angiography of craniocervical arteries*

Li Zhang,Yan-feng Xu,Jing Zheng,Shu-jing Yu, Yue-feng Chen,Yan-xu Che,Zhao-wei Song
(Department of CT Diagnosis,Cangzhou Central Hospital,Cangzhou,Hebei 061001,China)

ObjectiveTo assess the effect of adaptive iterative dose reduction 3D(AIDR3D)on image quality and radiation dosage in CT angiography(CTA)of craniocervical arteries.MethodsNinety patients who underwent the head and neck CTA examination were divided into group A and group B at random.Each group included 45 patients.In the group A,the scanning parameters were 120 kV and 300 mA,and the images were reconstructed using conventional filtered back projection(FBP).In the group B,the scanning parameters were 80 kV and AutomA and the images were reconstructed using AIDR 3D.All of the images were evaluated on image quality and radiation dose.ResultsIn objective evaluation,the noise level of the group B was significant lower than that of the group A in the common carotid arteries(P＜0.05),but higher than that of the group A in the carotid sinuses and the internal carotid arteries(P＜0.05);neck artery SNR and CNR of the group B were significant higher than those of the group A(P＜0.05).The noise level of the intracranial arteries(MCA1)in the group A was significantly lower than that of the group B(P＜0.05),but the SNR and CNR of the group B were significantly higher than those of the group A(P＜0.05).In subjective evaluation,the image quality score of the common carotid arteries in the group B was higher than that in the group A(P＜0.05),but there was no significant difference in image quality scoring of thecarotid sinuses or the internal carotid arteries(P＞0.05).The score of the group B was lower than that of the group A in image quality of the intracranial arteries,but the quality of all the images could meet the requirements of clinical diagnosis.Compared with the group A,the radiation dose in the group B was reduced by 76％,there was significant difference(P＜0.05).ConclusionsFor CT angiography of craniocervical arteries,AIRD 3D reconstruction along with 80 kV and auto-mA modulation produces diagnostic quality images while substantially reduces radiation dose.

computed tomography;angiography;iterative reconstruction;radiation dose

R445.3

：B

10.3969/j.issn.1005-8982.2017.02.015

1005-8982（2017）02-0081-05

2016-05-26

河北省沧州市科技计划项目（No：151302114）