最佳对比噪声比后处理技术在下肢动脉CT血管成像中的应用研究

王凌翔 廖国芬 杨洋平

近年来，随着我国老龄化进程的加快，糖尿病、心脑血管疾病或高脂血症引发的下肢动脉病变(peripheral arterial disease，PAD)发病率逐年上升。自20世纪80年代多层螺旋计算机断层扫描仪(multi-slice spiral computed tomography，MSCT)问世以来，CT血管造影(computed tomography angiography，CTA)技术成为PAD影像学检查和诊断的首选方式[1]。图像后处理作为MSCT的关键环节，下肢动脉与伴行静脉的对比度决定了CTA图像质量。随着双能量(能谱)MSCT的问世，可以极大提高X射线发射速度，获得相对纯净的80～140 keV单能量图像，为动脉选择拥有最佳对比噪声比(contrast/noise ratio，CNR)的最佳能级图像提供了较大的机会[2-3]。本研究通过对比不同单能量图像质量，旨在利用最佳CNR选择最高质量keV单能量图像序列。

1 资料与方法

1.1 临床资料

回顾性分析2015年8月至2017年7月期间在崇州市人民医院崇州分院进行下肢动脉CTA检查的68例PAD患者的CTCA图像资料，其中男性41例，女性27例，年龄42～81岁，平均年龄(61.86±7.35)岁；体质量(body mass index，BMI)为(19.3～28.0)kg/m2，平均BMI为(21.92±1.64)kg/m2。所有受试者均接受数字减影血管造影(digital subtraction angiography，DSA)检查，确诊为下肢动脉疾病。

1.2 纳入与排除标准

(1)纳入标准：①出现间歇性跛行、静息性下肢疼痛或患肢远端缺血性溃痛等下肢动脉病变表现；②患者签署知情同意书。

(2)排除标准：①不符合上述纳入标准的受试者；②呼气屏气不良、心律不齐及心房颤动；③合并严重的肝肾功能损伤；④伴有胸腔积液患者；⑤癌症晚期患者；⑥碘对比剂过敏者。

1.3 仪器与试剂

Discovery CT750 HD宝石能谱CT仪(美国GE公司)；造影剂高压注射器(日本根本杏林堂株式会社)；碘普罗胺造影剂注射液300(德国拜耳医药保健有限公司，国药准字H10970166)。

1.4 评估标准

1.4.1 血管狭窄程度

按照国际通用标准对患者血管狭窄程度进行分级：①1级，无狭窄；②2级，轻度狭窄(＜50%)；③3级，中度狭窄(50%～74%)；④4级，重度狭窄(75%～99%)；⑤5级，完全闭塞[4]。

1.4.2 下肢动脉分段

按照Ota H等[4]采用的分段方法：髂总动脉、髂外动脉、股总动脉、股浅动脉、腘动脉、胫腓动脉干、胫前动脉、胫后动脉、腓动脉、旁路移植血管。

1.5 CTA检查

扫描前去掉下肢遮蔽物，以足先进方式取仰卧位，患者矢状位正中轴线与床板矢状位正中轴线重合，缚带固定小腿部，扫描范围定为肾以下腹主动脉至足底。放置好心电轴，接上心电导联线，采用留置针建立静脉通道，以5.5～6 ml/s的速度注射碘造影剂60～80 ml和60 ml生理盐水，示踪造影剂，监测CT值，当检测区CT值≥150 HU时，延迟15 s，自动进行CT扫描。扫描参数：X射线管电流600 mAs，曝光窗为25%～80%R-R间期，探测器准直0.6 mm×64 mm×2 mm，机架旋转时间0.28 s/转，重建时间分辨率75 ms，总扫描时间为15～18 s。

1.6 图像后处理

采用ADW4.4工作站和GSI-view软件进行图像后处理。可重建4种图像：水-碘分离图，40～140 keV共110个单能量图及质量控制图像，并默认70 keV图像作为重建参考。①图像噪声：髂总动脉CT值(HU)的标准差(SD)；②信号-噪声比(signal/noise ratio，SNR)=髂总动脉CT值÷图像噪声；③CNR=(髂总动脉CT值-髂总静脉CT值)÷图像噪声，感兴趣区(region of interest，ROI)为70%～80%大约200 mm2主动脉。

1.7 图像质量主观评估

工作站会基于101个单能量图像自动计算CNR值，并在CNR曲线中选择最佳单能量值，并将单能量序列调节成CNR曲线中选择的单能量值。分别在质量控制图像、系统默认keV值单能量图像以及最佳CNR选择的keV值单能量图像上测量各分段动脉的对比度和噪声值，并由2名放射科专业医师对图像进行评分，评分标准包括下肢动脉边缘的锐利度、髂总动脉的可见分支等级以及信噪比，每项总分均为5分。采用MPR图像观察下肢动脉的边缘锐利度：5分为非常锐利，4分为锐利，3分为比较锐利，2分为欠锐利，1分为模糊。采用MIP映射技术观察下肢动脉可见的分支等级，5分为可见5级及以后分支，4分为可见4级分支，3分为可见3级分支，2分为可见2级分支，1分为仅可见髂总动脉。对于下肢动脉与伴行静脉的信噪比：5分为极好，4分为较好，3分为一般，2分为较差，1分为差。将以上各项得分相加得出下肢动脉各节段的总分，以评估利用最佳CNR进行图像后处理的价值。

1.8 统计学方法

采用SPSS 22.0统计学软件进行数据统计分析。对质量控制、系统默认keV值及最佳CNR等3种方法所得数据进行正态分布和方差齐性检验；然后采用秩和检验分析3组数据的图像对比度和信噪比以及客观评价分数，以P＜0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 基本情况

利用最佳CNR得到keV值单能量图像平均值为(51.34±6.81)keV。部分患者某些下肢动脉段由于解剖变异未显示，共显示637段下肢动脉，其中164段1级狭窄，159段2级狭窄，171段3级狭窄，90段4级狭窄，53段5级狭窄。进行CTA检查时CNR描绘曲线中自动选取并显示最佳keV值为76 keV，如图1所示。

图1 CNR描绘曲线中自动选取的76 keV图像

将单能量序列调节成76 keV得到的CT图像如图2所示。

图2 利用最佳CNR获得的76 keV图像

2.2 图像质量主观评估

比较各下肢动脉质量控制图像、系统默认keV值单能量图像以及利用最佳CNR得到的keV值单能量图像重建后的图像质量主观评分，其结果显示，利用最佳CNR得到的keV值单能量图像质量平均分值明显高于其他两种方式得到的图像，其差异均有统计学意义(见表1)。

2.3 图像噪声和对比度

比较下肢各动脉质量控制图像、系统默认keV值单能量图像以及利用最佳CNR得到的keV值单能量图像重建后的图像对比度和噪声，其结果显示，利用最佳CNR得到的keV值单能量图像噪声和对比度均高于其他两种方式得到的图像，差异有统计学意义(见表2和表3)。

3 讨论

多层螺旋计算机断层扫描仪问世以来，CT血管成像技术越来越广泛地应用于临床各个领域，逐渐成为血管病变影像学检查和诊断的首选方式[5]。CTA的图像质量依赖于血管内对比剂的浓度，理论上对比剂浓度越高，CTA图像质量越好；但是受检者心功能、动脉狭窄程度侧支循环等都会影响动脉内对比剂的浓度，因此实际上，单纯增加对比剂浓度和剂量并不会显著提高CTA图像质量，反而会增大图像伪影和肾病发生风险[6-7]。逐渐出现的GE宝石能谱成像技术(gemstonespectral imaging，GSI)，可以极大提高X射线发射速度，降低余辉效应，获得相对纯净的单能量图像，从而增加了图像的对比分辨率，为动脉选择拥有最佳对比噪声比的最佳能级图像提供了较大的机会[8-9]。

表1 68例PAD患者3种不同方法重建下肢动脉图像质量评估比较(±s)

表1 68例PAD患者3种不同方法重建下肢动脉图像质量评估比较(±s)

下肢动脉 质量控制图像 系统默认keV图像 最佳CNR图像 t值 P值髂总动脉 8.05±1.33 10.87±1.04 13.36±1.38 5.876 0.012髂外动脉 8.42±1.08 11.02±1.36 13.24±1.42 4.815 0.022股总动脉 8.18±1.26 10.43±1.69 13.57±0.86 5.769 0.013股浅动脉 8.29±0.57 10.21±0.78 13.44±0.89 5.048 0.019腘动脉 7.98±0.74 10.14±0.82 12.94±1.15 4.911 0.021胫腓动脉 7.96±0.52 9.99±0.48 13.00±0.73 7.824 0.006胫前动脉 8.03±1.21 9.95±1.02 13.12±0.65 4.273 0.028胫后动脉 7.94±0.49 10.28±0.35 12.59±0.46 5.435 0.014腓动脉 8.17±0.86 10.16±0.66 13.27±0.88 9.865 0.001

表2 68例PAD患者3种不同方法重建下肢动脉图像对比度评估(±s)

表2 68例PAD患者3种不同方法重建下肢动脉图像对比度评估(±s)

下肢动脉 质量控制图像 系统默认keV图像 最佳CNR图像 t值 P值髂总动脉 319.43±46.85 386.59±73.42 635.17±156.84 7.885 0.004髂外动脉 308.74±74.13 360.37±69.45 601.79±138.71 6.478 0.009股总动脉 328.69±97.32 391.24±107.16 672.33±157.23 6.116 0.010股浅动脉 285.21±51.06 323.72±50.38 587.58±76.94 8.793 0.001腘动脉 246.15±77.44 302.36±81.09 594.35±127.39 5.952 0.012胫腓动脉 199.76±68.29 254.15±38.73 478.29±108.65 7.949 0.002胫前动脉 117.84±39.15 212.46±49.64 400.16±113.28 7.314 0.008胫后动脉 143.11±40.38 187.99±32.75 239.09±98.46 4.851 0.022腓动脉 65.43±11.74 100.48±19.62 171.34±73.72 4.032 0.029

表3 68例PAD患者3种不同方法重建下肢动脉图像噪声评估(±s)

表3 68例PAD患者3种不同方法重建下肢动脉图像噪声评估(±s)

下肢动脉 质量控制图像 系统默认keV图像 最佳CNR图像 t值 P值髂总动脉 14.86±1.03 17.74±0.63 20.58±1.36 4.358 0.026髂外动脉 15.23±0.68 17.98±0.72 23.34±2.51 4.819 0.022股总动脉 13.29±0.37 17.15±0.44 21.62±2.37 6.995 0.008股浅动脉 13.84±0.76 15.06±0.48 18.51±1.48 4.262 0.027腘动脉 10.65±0.39 13.19±0.17 17.69±1.52 5.683 0.014胫腓动脉 10.71±0.42 12.43±0.26 15.34±0.87 3.896 0.029胫前动脉 9.96±0.35 12.04±0.42 15.22±0.79 4.867 0.022胫后动脉 10.01±0.46 11.97±0.28 16.13±1.38 6.054 0.011腓动脉 11.82±1.18 13.46±0.63 18.47±2.01 5.916 0.010

目前，对于PAD的影像学诊断方法主要包括节段动脉压及踝肱指数的测定、动脉彩超、多层螺旋CT(multislice spiral CT，MSCTA)、数字减影血管造影(digital subtraction angiography，DSA)等[10]。长期以来，DSA一直作为PAD诊断的金标准，但是由于费用较高，且属于有创检查，所以临床上并未将其作为常规检查项目[11]。进入21世纪以来，随着我国医疗水平和经济水平的逐渐提高，MSCTA因其扫描快、图像后处理方式多样化、伪影较少、费用较低等优势越来越广泛地应用到血管疾病诊断领域，但是如何以最低辐射剂量获得高质量的诊断图像一直是该技术领域讨论的热点[12]。

20世纪初，宝石能谱CT仪的出现彻底颠覆了CT传统排层发展的概念，拓展了“病理CT和多参数CT”的新领域[13]。GSI通过快速采集能量数据，获得多个单能量图像，对不同的单能量图像进行自动筛选，选择出最佳单能量图像进行观察和分析，能够帮助医生发现传统CT无法发现的微小病灶，极大地提高了小病灶的检出率，特别适用于病灶的早期发现和早期诊断，同时也尽最大可能消除了余辉效应造成的伪影[14-15]。同时，系统可自动获取最佳CNR值，并利用最佳CNR获得最佳keV值单能量图像。

本项研究纳入68例PAD患者，全部经DSA确诊为下肢动脉疾病。经MSCT检查结果显示，利用最佳CNR获得的单能量图像质量主观评估平均分值、图像噪声及对比度均高于质量控制图像和系统默认keV值单能量图像，差异有统计学意义。这可能是由于受到X射线光子数量的影响，到达探测器的X射线光子数量越少，其穿透力越低，CT图像的噪声也就越小。X射线的穿透能力与电压有关，利用最佳CNR获得的管电压低于其他两种方式，所以达探测器的X射线光子数量较少，辐射也就相对较小，X射线穿透力相对降低，从而增加了图像的噪声。但是对比度和CNR对图像质量的决定作用高于噪声，所以利用最佳CNR获得的单能量图像质量仍然高于其他两种方式。

宝石能谱CT是目前剂量最低、最安全的绿色CT，并且可获得高质量的CTA图像，为下肢动脉疾病的诊断和治疗提供更准确的参考。