IMR、iDose4及FBP结合不同管电压冠状动脉CT成像的实验研究

蒋骏，雷益，温红，林一钦，黄美萍，陈子满

[1.深圳市第二人民医院（深圳大学第一附属医院） 医学影像科，广东 深圳 518000；2.惠州市中心人民医院 医学影像部，广东 惠州 516000；3.广东省人民医院 心导管室，广东 广州 510030；4.中山大学附属第五医院 超声医学科，广东 珠海 519000]

冠状动脉CT 成像应用越来越普遍，既降低辐射剂量又满足诊断需求具有重大临床意义。传统的滤波反投影（filtered back projection,FBP）图像重建速度快、稳定，但对噪声敏感，降低辐射空间有限[1]。高级混合迭代重建（iDose4）是第4 代重建算法，可降低图像噪声和X 射线辐射[2]；全模型迭代重建（iterative model reconstruction,IMR）是在iDose4上的又一个飞跃，但国内外多为应用于胸腹部的报道[3-5]。本研究以猪为实验模型，比较IMR、iDose4及FBP 对不同管电压条件下前瞻性心电门控冠状动脉多层螺旋CT 成像质量的影响，探讨IMR 在冠状动脉CT 成像中提高图像质量，降低辐射剂量的应用价值，为临床应用提供实验依据。

1 材料与方法

1.1 一般资料

选用健康小型猪5 只，其中雌性4 只，雄性1 只；猪龄300～400 d；体重37～42 kg，平均（39.5± 2.00）kg；平均胸围（50.20±0.57）cm。螺旋CT检查前基础麻醉肌内注射氯胺酮10 mg/kg+地西泮0.4 mg/kg，维持麻醉用耳缘静脉注入丙泊酚10 mg/kg。检查前预留好静脉留置针。每次扫描前可适当对实验动物按情况适量增加麻醉剂量，实验过程中要密切注意实验动物的心肺功能，尽量避免在实验过程中发生意外，单天实验结束后送回饲养点控制体重喂养，下次实验时再从饲养点运送过来，直至实验结束。

1.2 方法

1.2.1 检查方法 采用荷兰Philips 公司的Brilliance 256 层CT 扫描仪行前瞻性心电门控增强扫描。实验动物仰卧固定于扫描床上，扫描范围自主动脉弓水平至左膈面下2 cm，由头侧向足侧扫描。扫描延迟时间的确定采用对比剂示踪法，注射对比剂后7 s 跟踪监测，将感兴趣区设在降主动脉处，阈值为180 HU，触发后延迟7 s 开始扫描。同一只猪每2 次扫描间经过一段洗脱期（此期间一直静脉滴注生理盐水，及时更换导尿袋，每次平扫间隔时间不断延长至与前次平扫测量部位血管内CT 值相近，防止造影剂稽留）直至全部扫描完成。

1.2.2 扫描参数 管电压分别为120 kV、100 kV 及80 kV，分别作为A、B 和C 组。其中A 组为常规剂量扫描。各组管电流120 mAs，准直128 层×0.625 mm，螺距0.18 mm，管球旋转时间0.27 s/r，重组间隔0.625 mm。CT 检查中降心率药物为艾斯洛尔，由兽医根据现场实验猪心率情况给予适当剂量静脉推注，推注过程中观察心率变化，目标心率70 次/min，实际检查中控制心率58～86 次/min，当达到或接近目标心率后及时启动增强扫描。经耳缘静脉留置针用双筒高压注射器注入非离子对比剂（欧乃派克，350 mg/ml，美国GE 药业公司，注射总量50 ml）+生理盐水20 ml，注射流率3.5 ml/s。

1.2.3 图像后处理 对所有原始数据分别用FBP、iDose4（Level 4 级）及IMR（Routine 2 级）重建方法进行处理，形成A1、A2、A3、B1、B2、B3、C1、C2 及C3 图像。在心动间期的40%、45%、50%，或70%、75%、80%时进行图像重建，筛选出质量最佳的图像进行后处理，图像重组方法包括：容积再现、多平面重建。

1.3 图像质量评价

1.3.1 客观评价 将3 种不同重建算法所得图像同时调入Philip 工作站，使用同一屏幕，采用原始轴位图像，对各组图像在相同层面同时进行测量。在主动脉根部层面测量两侧竖脊肌中央的CT 值（记为SI），感兴趣区取（100±1）mm²，噪声定义为测量CT 值的标准差，左、右各重复测量3 次，取其平均值。信噪比（signal to noise ratio,SNR）定义为左主干开口处主动脉CT 值与其标准差的比值，上下层面重复3 次，取其平均值，测量中要尽量避开主动脉瓣的影响。对比噪声比（contrast-to-noise ratio,CNR）定义为主动脉根部CT 值与竖脊肌CT 值的差与竖脊肌标准差的商。所有的测量由1 位有经验的心血管影像学医师 完成。

1.3.2 主观评价 对猪冠状动脉采取9 段分段法，由2 位具有≥5年冠状动脉CT 阅片经验的放射科医师采用双盲法分别对9 组图像质量进行评价；对评分结果行一致性组间检验，其中1 位医师对图像质量评价前后间隔4 个星期，将2 次结果行一致性组内检验。采用5 分法评价冠状动脉图像，1 分：血管图像质量差，对比度差，伪影重，血管错层，不能评估。2 分：血管图像较差，边缘模糊不清，伪影较重，管腔不均质。3 分：血管图像边缘模糊，管腔内欠均质，有伪影，噪声大，但尚能接受。4 分：血管图像对比度可，边缘较清晰，管腔内质地均匀，伪影少，噪声小。5 分：血管图像对比度佳，边缘清晰锐利，管腔内质地均匀，无伪影[6]。≥3 分为满足临床诊断需要图像，其中 3 分为基本满足诊断要求，≥4 分为图像优良。

1.3.3 辐射剂量计算 本实验仅统计增强后冠状动脉CT 血管造影辐射剂量，定位图及平扫未纳入统计范围。由计算机计算出增强扫描序列的CT 剂量容积指数及剂量长度乘积。

1.4 统计学方法

数据分析采用SPSS 21.0 统计软件。计量资料以均数±标准差（±s）表示，比较用方差分析，进一步两两比较用LSD-t检验；等级资料以等级表示，比较用秩和检验，P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 各组不同条件下CT 值比较

A、B、C 组FBP、iDose4及IMR 重建的图像CT值比较，经方差分析，差异无统计学意义（P＞0.05）；各重建方法不同管电压条件下的CT 值比较，经方差分析，差异有统计学意义（P＜0.05），进一步两两比较，120 kV 低于100 kV（P＜0.05），100 kV 低于80 kV（P＜0.05）。重建方法对主动脉CT 值不构成影响，主动脉CT 值的大小与管电压有关，且随管电压下降，主动脉CT 值升高。见表1、2 和图1A。

2.2 各组不同条件下噪声比较

A、B、C 组FBP、iDose4、IMR 重建的图像噪声比较，经方差分析，差异有统计学意义（P＜0.05），进一步两两比较，FBP 大于iDose4（P＜0.05），iDose4高于IMR（P＜0.05）。各重建方法不同管电压条件下噪声比较，经方差分析，差异有统计学意义（P＜0.05），进一步两两比较，120 kV 低于100 kV（P＜0.05），100 kV 低于80 kV（P＜0.05）（见表1、2 和图1B）。80 kV 条件下的IMR 重建图像（C3）与120 kV 条件下FBP（A1）、iDose4重建图像（A2）的噪声比较，经方差分析，差异有统计学意义（P＜0.05），IMR 小于FBP、iDose4（P＜0.05）（见表3）。噪声与管电压有关，随电压减低，噪声升高，其中FBP 重建方法受管电压影响最大，噪声升高斜率最高，IMR 随电压变化噪声斜率最低。噪声与重建方法有关，同一管电压下，IMR 重建噪声最小，FBP 噪声最大。

2.3 各组不同条件下SNR 比较

A、B、C 组FBP、iDose4、IMR 重建的图像SNR比较，差异有统计学意义（P＜0.05），进一步两两比较，FBP 低于iDose4（P＜0.05），iDose4低于IMR（P＜0.05）（见表1和图1C）。IMR 重建的80 kV 图像（C3）与120 kV 条件下FBP（A1）、iDose4重建图像（A2）的SNR 比较，经方差分析，差异有统计学意义（P＜0.05），IMR 高于FBP、iDose4（P＜0.05）（见 表3）。SNR 与电压有关，FBP、iDose4重建下随电压的下降SNR 下降，在80 kV 时最低；IMR 重建下电压100 kV 时SNR 最低。主要是因为，电压下降，噪声上升，主动脉CT 值亦上升，所以两者的比值SNR 变化幅度较小。

2.4 各组不同条件下CNR 比较

A、B、C 组FBP、iDose4、IMR 重建图像CNR比较，经方差分析，差异有统计学意义（P＜0.05），进一步两两比较，FBP 低于iDose4（P＜0.05），iDose4低于IMR（P＜0.05）。各重建方法不同管电压条件下的图像CNR 比较，差异无统计学意义（P＞0.05）（见表1、2 和图1D）IMR 重建的80 kV 图像与120 kV 条件下FBP（A1）、iDose4重建图像（A2）的CNR 比较，经方差分析，差异有统计学意义（P＜0.05），IMR 高于FBP、iDose4（P＜0.05）（见表3）。CNR 与电压关系不大，在同一种电压条件下，IMR 重建的CNR 最好，iDose4其次，FBP 最差。

表1 不同管电压条件下FBP、iDose4 及IMR 重建方法的CT 值、噪声、SNR、CNR 比较 （n =5，±s）

表1 不同管电压条件下FBP、iDose4 及IMR 重建方法的CT 值、噪声、SNR、CNR 比较 （n =5，±s）

组别 CT 值/HU 噪声/HU SNR CNR A 组 FBP 487.60±34.93 48.60±8.91 9.93±1.54 9.09±1.70 iDose4 492.00±34.05 30.80±5.63 15.26±2.44 14.55±2.89 IMR 485.40±26.12 11.80±2.17 37.49±5.37 37.52±6.95 F 值 0.055 43.912 86.324 57.291 P 值 0.946 0.000 0.000 0.000 B 组 FBP 646.40±80.07 59.40±7.92 8.81±1.98 10.09±2.47 iDose4 651.60±81.65 37.40±7.77 14.77±1.94 16.61±5.26 IMR 646.40±80.07 13.60±1.51 31.83±1.99 42.54±6.99 F 值 0.033 89.749 184.242 53.493 P 值 0.968 0.000 0.000 0.000 C 组 FBP 827.00±59.74 88.00±6.78 5.62±1.09 8.85±1.19 iDose4 820.00±78.69 63.70±9.82 9.55±2.41 12.23±2.84 IMR 855.60±67.10 21.50±3.87 35.69±8.26 38.10±8.45 F 值 0.374 179.724 33.268 28.413 P 值 0.696 0.000 0.000 0.001

表2 FBP、iDose4 及IMR 条件下不同管电压的CT 值、噪声、SNR、CNR 比较 （n =5，±s）

表2 FBP、iDose4 及IMR 条件下不同管电压的CT 值、噪声、SNR、CNR 比较 （n =5，±s）

重建方法 CT 值/HU 噪声/HU SNR CNR FBP 120 kV 487.60±34.93 48.60±8.91 9.93±1.54 9.09±1.70 100 kV 646.40±80.07 59.40±7.92 8.81±1.98 10.09±2.47 80 kV 827.00±59.74 88.00±6.78 5.62±1.09 8.85±1.19 F 值 38.618 33.054 10.065 0.625 P 值 0.000 0.000 0.003 0.552 iDose4 120 kV 492.00±34.05 30.80±5.63 15.26±2.44 14.55±2.89 100 kV 651.60±81.65 37.40±7.77 14.77±1.94 16.61±5.26 80 kV 820.00±78.69 63.70±9.82 9.55±2.41 12.23±2.84 F 值 28.783 24.113 9.664 1.635 P 值 0.000 0.000 0.003 0.236 IMR 120 kV 485.40±26.12 11.80±2.17 37.49±5.37 37.52±6.95 100 kV 646.40±80.07 13.60±1.51 31.83±1.99 42.54±6.99 80 kV 855.60±67.10 21.50±3.87 35.69±8.26 38.10±8.45 F 值 40.151 18.152 1.244 0.672 P 值 0.000 0.000 0.323 0.529

图1 各组不同条件下CT 值、噪声、SNR 及CNR 比较 （n =5，±s）

2.5 各组图像质量比较

对5 只健康猪共45 段冠状动脉进行评价，所有冠状动脉未见狭窄及钙化，均纳入评价范围。前后2次评价一致性良好（κ=0.805，P=0.000），2 次评价组间一致性良好（κ=0.826，P=0.000）。各重建方法图像质量主观评分比较，差异有统计学意义（P＜0.05）（见表4）。A、B、C 组不同重建方法下≥4 分血管比例比较，差异有统计学意义（P＜0.05），IMR 图像为优良的血管段比例最高，FBP 图像质量最差（见 表5）。不同重建方法下冠状动脉近段80 kV 中≥4分血管比例比较，差异有统计学意义（P＜0.05）；不同重建方法下冠状动脉远段80、100 kV 中≥4 分血管比例比较，差异有统计学意义（P＜0.05），IMR 对远段血管的显示较其他2 种方法优势明显（见表6和 图2、3）。

2.6 各组辐射剂量比较

由于猪体重指数及辐射吸收剂量缺失，很难给予确切的吸收剂量，本文以剂量长度乘积来比较。A、B、C 组CT 剂量容积指数、剂量长度乘积的比较，经方差分析，差异有统计学意义（P＜0.05）。C 组辐射剂量仅为A 组的33.68%。见表7。

表3 A1、A2、C3 图像的CT 值、噪声、SNR、CNR 比较 （n =5，±s）

表3 A1、A2、C3 图像的CT 值、噪声、SNR、CNR 比较 （n =5，±s）

图像 CT 值/HU 噪声/HU SNR CNR A1 487.60±34.93 48.60±8.91 9.93±1.54 9.09±1.70 A2 492.00±34.05 30.80±5.63 15.26±2.44 14.55±2.89 C3 855.60±67.10 21.50±3.87 35.69±8.26 38.10±8.45 F 值 97.219 22.574 26.897 29.584 P 值 0.000 0.000 0.001 0.000

表4 不同重建方法下各组图像质量主观评分比较

表5 各组不同重建方法下≥ 4 分血管比例比较 [n =45，例（%）]

表6 不同重建方法下冠状动脉近段、远段≥4 分血管的比例比较 [n =20，例（%）]

图2 不同重建方法下冠状动脉近段、远段主观图像

图3 不同重建方法下冠状动脉主观图像

表7 各组辐射剂量比较 （n =5，±s）

表7 各组辐射剂量比较 （n =5，±s）

组别 剂量容积指数 剂量长度乘积A 组 23.14±0.23 335.98±20.75 B 组 14.44±0.22 238.14±29.25 C 组 7.84±0.11 114.66±7.07 F 值 7866.232 138.091 P 值 0.000 0.000

3 讨论

冠状动脉CT 成像已经成为诊断和评价冠状动脉疾病一种重要的无创手段，降低其辐射剂量具有重要的临床意义。CT 原始数据的重组算法主要有FBP 及迭代重建两大类。传统的FBP 降低辐射剂量幅度有限，因其假定投影数据是无噪声的，当X 射线剂量降低时，重建出的图像噪声会明显增大[7]。近年来随着计算机发展，迭代重建的价值逐渐受到临床肯定[7-9]。iDose4作为第4 代重建算法，通过在投影空间和图像空间进行基于噪声模型和解剖模型系统的迭代运算，降低图像噪声[2]；IMR 是飞利浦新一代迭代重建算法，结合了以下4 个平台：解剖几何形态学重建平台、以X 射线衰减特性设计的统计学模型、强化器官本身固有特性的优化功能，以及以强化目标病变的特性为临床目标的平台，与iDose4相比增加了后2 个平台[9]。

本研究结果显示iDose4重建算法较FBP 降低图像噪声效果更好，这与既往报道一致[10]。本研究还显示IMR 降噪效果明显强于iDose4，在80 kV 条件下IMR 重建的图像噪声仍较120 kV 条件下FBP 重建的图像噪声小，亦较iDose4重建的图像噪声小。IMR 重建的图像SNR、CNR 在各管电压组内亦均较FBP 及iDose4高。

既往研究报道，在冠状动脉低电压80 kV 扫描结合iDose4可获得与常规扫描相仿的图像质量[11]。而本研究显示，IMR 重建方法较iDose4更优秀。使用80 kV 管电压扫描，辐射剂量降低约66%，用IMR 重建后其图像质量却仍优于常规120 kV 条件下的FBP及iDose4重建图像，80 kV 条件下IMR 重建的主观图像优良率高于120 kV 条件下FBP 及iDose4。本研究还发现，IMR 在显示冠状动脉远段血管时较FBP 和iDose4优势尤为显著，这在既往研究中鲜被提及[12-13]。在80 kV 条件下，FBP 和iDose4重建的冠状动脉远段主观图像质量优良率均为0%，而用IMR 重建优良率达到53%。

IMR 重建算法降低管电压同时又使降低对比剂用量成为可能，由于管电压下降，X 射线会因光电效应增加而大比例被碘吸收，有利于监测血管中的碘对比剂浓度[14]。本研究显示，80 kV 扫描时CNR 较120 kV时无明显下降，归功于管电压下降导致血管中对比剂CT 值升高，NAKAURA 等[14]报道在80 kV 条件下可以将对比剂用量降至50%。

本研究有一些不足：①由于猪不能配合屏气，呼吸运动伪影影响图像质量，这也是部分IMR 重建血管不能满足诊断的主要原因，今后在成人研究中可加呼吸门控尝试进一步降低管电压；②本研究建立在正常猪冠状动脉模型上，未包括冠状动脉病变的模型。

综上所述，在冠状动脉CTA 检查中，应用IMR重建技术可明显降低噪声、提高SNR 及CNR、提高图像质量，在80 kV 管电压条件下图像质量仍好于常规条件（120 kV 管电压）下的FBP 及iDose4。