基于全模型的新型迭代重建技术显示冠状动脉非钙化斑块的作用

唐田，李涛，杨立，李雪萍，罗春材，黄自立

1.瓦房店中医医院医学影像科，大连 116300；2.解放军总医院放射诊断科，北京 100853；

随着多排螺旋CT的发展，冠状动脉CT血管成像（CTA）对于冠心病筛查具有很高的临床应用价值[1]，并且影像重建算法对冠状动脉CTA起到至关重要的作用。随着管电压下降，滤过反投影算法（filtered back projection，FBP）的图像噪声会逐渐严重。近年来，新出现的以结构化知识模型为基础的全模型迭代技术（iterative model reconstruction，IMR）属于全迭代重建，降低噪声、提高图像质量的效果更优于高级混合迭代重建技术，与FBP相比[2]，可弥补由降低辐射剂量造成的噪声增加和图像质量下降，已广泛应用于临床[3-4]。这种新型迭代重建技术较多地用于腹部、头颈部、下肢血管图像质量的研究[5-7]，目前鲜有用于冠状动脉非钙化粥样硬化斑块的研究。本研究拟评价IMR对冠状动脉图像质量的影响以及对冠状动脉非钙化动脉粥样硬化斑块显示的价值。

1 资料与方法

1.1 研究对象 连续纳入2016年8－12月解放军总医院经临床怀疑冠心病、并进行冠状动脉CTA检查的成年患者。纳入标准：单支血管病变伴有非钙化斑块或非钙化为主的斑块、管腔狭窄程度≥50%。排除肾功能不全、心率不齐、对碘对比剂过敏及不能屏气的患者。共纳入47例成年患者，其中男39例，女8例；年龄39～76岁，平均（55.1±8.4）岁，共观察到55个非钙化或非钙化为主斑块，斑块位于左主干1个，前降支37个，回旋支1个，右冠状动脉16个。

1.2 仪器与方法 心率>65次/min的患者，检查前1～2 h给予口服美托洛尔25～50 mg。使用Philips 256层iCT扫描仪，采用前瞻性心电门控扫描模式，扫描范围自气管隆突下2 cm至心尖膈面下2 cm，管电压为100 kVp，自动管电流；机架旋转速度为270 ms/周，准直器宽度128×0.625 mm，矩阵512×512，螺距0.18，层厚0.8 mm，重建层间隔0.45 mm。采用智能对比追踪技术，监测主动脉根部CT值，CT值>120 HU后自动触发扫描。采用双筒高压注射器注射，以5 ml/s经肘静脉注入对比剂碘帕醇（370 mgI/ml）70 ml，对比剂注射完毕后，以相同流速注射40 ml生理盐水。

1.3 图像评价

1.3.1 客观评价 分别用混合迭代重建技术（iDose）、IMR两种方法，采用心脏Cardiac Stand标准卷积函数进行图像重建，图像重建层厚为0.8 mm，层间隔为0.45 mm。重建后的图像传至Philips星云工作站（Extended Brilliance WorkspaceV4.5.2）进行分析。图像重建和测量由2名有5年心脏CTA工作经验的医师进行。重建出最大密度投影（MIP）图像、多平面重组（MPR）及曲面重组（CPR）图像，用于探测冠状动脉斑块及管腔的狭窄程度，同时重建垂直于冠状动脉长轴、斑块所在位置的最大横轴位 MPR图像，用于显示斑块以及对斑块进行测量。将窗宽、窗位分别调整至同等条件，在iDose和IMR重建的图像相同的位置上进行测量。测量胸壁前方空气 CT值的标准差（standard deviation，SD），感兴趣区（ROI）大小约 20 mm2，定义为图像噪声；测量主动脉根部CT值，ROI放在主动脉根部中心，大小约200 mm2；测量右冠状动脉和前降支中段、回旋支近段CT值，ROI放在血管中心，超过血管横截面积50%，避开血管的边缘（图1）；在斑块中心处测量斑块CT值，ROI根据斑块大小约5～10 mm2，不能超出斑块的边缘；测量主动脉根部、右冠状动脉和前降支中段、回旋支近段及冠状动脉粥样硬化斑块邻近脂肪组织的CT值，ROI与邻近斑块大小一致（图2、3）。根据公式（1）、（2）分别计算信噪比（SNR）和对比噪声比（CNR），分别计算出主动脉根部、冠状动脉各节段、冠状动脉斑块的SNR及CNR。

图1 主动脉根部（A）、前降支中段（B）和右冠状动脉中段（C）的CT值测量

图2 iDose组冠状动脉斑块CT值及图像噪声测量。CPR重建方法显示冠状动脉斑块及对应横轴位的图像（A）；冠状动脉粥样硬化斑块以及周围脂肪组织CT值的测量方法（B）

图3 IMR组冠状动脉斑块CT值及图像噪声测量。CPR重建方法显示冠状动脉斑块及对应横轴位的图像（A）；冠状动脉粥样硬化斑块以及周围脂肪组织CT值的测量方法（B）

1.3.2 主观评价 由2名进行图像重建及测量的医师采用盲法评价，以4分制对各组冠状动脉粥样硬化斑块图像质量进行评分，评分标准[6]：1分（差），背景噪声非常明显，斑块不清，无法诊断；2分（中等），背景噪声明显，斑块边缘毛糙，影响诊断；3分（良好），背景噪声较轻，斑块边缘稍毛糙，对比良好，不影响诊断；4分（优异），背景无明显噪声，斑块边缘清楚，对比优异。

1.4 统计学方法 采用SPSS 22.0软件，连续变量以±s表示，采用配对t检验比较两种重建方法之间血管密度、斑块密度、斑块周围脂肪密度、影像噪声、图像SNR、右冠状动脉和前降支中段、回旋支近段与周围脂肪组织的CNR、斑块与周围脂肪组织的CNR之间的差异；2名医师对两组图像质量主观评分的平均值采用配对t检验进行比较，采用Kappa检验对2名医师的评分进行一致性分析。P<0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 客观评价结果 IMR组图像噪声明显小于iDose组（10±2比 12±2），差异有统计学意义（t=-8.5，P<0.01）；主动脉根部CT值在两种重建算法间差异无统计学意义（P>0.05），而IMR组的SNR及CNR均高于iDose组；IMR组右冠状动脉和前降支中段、回旋支近段的CT值、SNR及CNR显著高于iDose组，差异有统计学意义（P<0.01）；IMR组冠状动脉粥样硬化斑块的 SNR，以及斑块与周围脂肪组织的CNR显著高于iDose组，差异有统计学意义（P<0.01），见表1、2。

2.2 主观评价结果 2名医师对IMR组图像的噪声、斑块、右冠状动脉、前降支、回旋支以及总体图像质量的评分均高于 iDose组，差异有统计学意义（P<0.01），并有较高的一致性（表3、4）。

表1 IMR和iDose在主动脉根部及不同冠状动脉部位粥样斑块的CT值、CNR及SNR比较（±s）

表1 IMR和iDose在主动脉根部及不同冠状动脉部位粥样斑块的CT值、CNR及SNR比较（±s）

续表1

表2 IMR和iDose对冠状动脉粥样硬化斑块的比较（±s）

表2 IMR和iDose对冠状动脉粥样硬化斑块的比较（±s）

注：SNR：信噪比；CNR：对比噪声比

表3 IMR和iDose两种重建方法图像质量主观评分比较（±s）

表3 IMR和iDose两种重建方法图像质量主观评分比较（±s）

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表4 2名医师对两组粥样硬化斑块图像质量主观评分的一致性（Kappa值）

3 讨论

IMR是近年研发并应用于临床的新型迭代算法，是一种基于全模型基础的迭代技术，其技术特点是以解剖形态学为基础、应用遵循X线衰减特性的新型统计学模型、优化器官本身固有特性、强化目标病变的特性[8]。与混合迭代重建技术相比[9]，IMR不包含滤过反投影（FBP）的影像，能准确建立数据统计模型与图像统计模型、减少采集数据与扫描模型之间的差异，明显提升图像的空间分辨率和密度分辨率，从而提升软组织对比度。iDose是第4代混合迭代重建算法，混合了FBP及IR两种成分，本研究应用的iDose重建在我院常规使用、降噪温和4级处理，即FBP和IR各占50%。

既往IMR的研究多用于腹部CT成像[10-11]，并在心血管成像领域也有一些应用[12-15]。冠状动脉CTA检查通常采用低剂量扫描方案，但随着辐射剂量降低，传统迭代重建技术因含有FBP成分，图像噪声也会明显增加[16]，而IMR内不含有FBP成分，因而可以实现低剂量扫描，同时降低图像噪声。Yuki等[13]使用与本研究相同的 100 kVp管电压进行扫描，对 iDose、IMR重建的图像进行比较，IMR重建得到的冠状动脉图像噪声更低；高思喆等[5]、钱伟亮等[6]分别在颈部、下肢血管行低剂量扫描，对IMR图像质量进行研究，发现两种重建方法的胸主动脉、腹主动脉等大血管CT值均无差异，但IMR组图像噪声明显下降，本研究对主动脉根部进行测量的结果与之一致，但对远端小血管CT值的测量是否遵循相同规律并未进行客观评价。

本研究对直径较小的血管冠状动脉进行测量，IMR组各支冠状动脉CT值、SNR、CNR较iDose组明显升高，差异有统计学意义（P<0.01）。因此，在同等低剂量扫描条件下，IMR重建图像噪声更低，尤其对冠状动脉直径3～5 mm的小血管，能提高CT值，增加血管与周围组织的对比度，更清楚地显示血管边缘。目前鲜有两种重建方法在冠状动脉粥样硬化斑块中进行对比的报道。本研究对IMR和iDose两种重建算法在冠状动脉粥样硬化斑块中进行对比分析，结果发现与iDose组相比，IMR组因冠状动脉非钙化粥样硬化斑块噪声低，SNR及CNR均比iDose组高，故斑块与周围脂肪组织对比度更好，更清楚地显示斑块边缘、斑块中心密度等影像表现，因此更有利于发现非钙化斑块，以及清晰地显示非钙化斑块的内部特征。

本研究的局限性：①未对图像进行FBP重建，既往研究报道[12-13]高级混合迭代重建（iDose）较FBP可以降低图像噪声，因此未进行FBP重建；②本研究对图像质量、斑块显示的清晰度进行研究，未观察斑块的特征影像表现，有待进一步研究。

总之，与iDose高级混合迭代重建技术相比，IMR全模型的迭代重建技术可明显降低影像噪声，提高图像的SNR和CNR，使冠状动脉血管边缘、冠状动脉非钙化斑块边缘与周围组织有更好的对比度，对提高冠状动脉非钙化粥样硬化斑块图像质量有明显的作用。