全模型及混合型迭代重建算法对冠状动脉钙化积分的影响

贾德召，王一婧，马跃，马少卫，侯阳*

1.中国医科大学附属盛京医院放射科，辽宁沈阳 110004；2.河北省人民医院影像科，河北石家庄 050051；

冠状动脉钙化积分（coronary artery calcium score，CACS）作为公认的冠心病危险度分层的一个重要指标得到广泛应用[1-2]，如何在保持CACS 稳定的情况下降低检查的辐射剂量是备受瞩目的问题。在降低剂量的条件下，采用传统的滤波反投影（filtered back projection，FBP）重建算法会增加图像噪声及钙化伪影，导致CACS 增加，从而影响患者的危险度分层[3]。近年来，迭代重建（iterative reconstruction，IR）算法的应用使图像噪声显著降低，大幅减少辐射剂量，使得低剂量下获得较准确的CACS 成为可能[4]。然而，低剂量下IR 算法评价CACS 的研究多采用混合型迭代重建（hybrid iterative reconstruction，HIR），且结果并不一致，可能与各家研究采用HIR 的类型不同及扫描剂量设置的差异有关[5]。目前，采用全模型迭代重建（iterative model reconstruction，IMR）评价CACS的研究多为模体[6]或离体实验[7]，应用于临床常规检查的报道较少。本研究将IMR 及HIR（iDose4）与FBP重建的CACS 进行定量比较，探讨常规剂量及低剂量下不同IR 技术对CACS 定量及患者危险度分层的影响。

1 资料与方法

1.1 研究对象 收集2016年10月—2017年2月中国医科大学附属盛京医院临床疑诊为冠心病并行冠状动脉CT血管成像检查的188例患者进行前瞻性研究。纳入标准：常规剂量下FBP 重建图像显示存在冠状动脉钙化。排除标准：心律不齐，冠状动脉旁路移植术后，支架术后，心脏机械瓣膜置换术后，起搏器及电除颤器植入术后，运动伪影及错层伪影。本研究经中国医科大学附属盛京医院伦理委员会批准（2016PS392K），所有患者扫描前均签署知情同意书。

1.2 扫描方法和图像重建 采用Philips Brilliance 256 iCT 进行常规剂量及低剂量CT 两次扫描。扫描参数：管电压120 kV，常规剂量管电流分别为50 mAs（体重≤90 kg）/80 mAs（体重>90 kg）；低剂量管电流分别为20 mAs（体重≤90 kg）/30 mAs（体重>90 kg）。球管转速0.27 s/周，准直器宽度128×0.625 mm，FOV 200 mm×200 mm。采用前置心电门控扫描，触发时相为R-R 间期75%。心率≥70次/min 者口服β 受体阻滞剂（酒石酸美托洛尔片）25～50 mg，保证扫描时心率低于70次/min。常规剂量扫描的原始数据分别采用FBP、iDose4及IMR 算法进行重建，分别命名为常规FBP组、常规iDose4组及常规IMR组；低剂量扫描的原始数据分别采用iDose4及IMR 算法进行重建，分别命名为低剂量iDose4组、低剂量IMR组。iDose4迭代等级采用3级，IMR 迭代等级采用1级。重建层厚2.5 mm，层间距2.5 mm。采用CT 容积剂量指数（CT dose index volume，CTDI）、剂量长度乘积（dose-length product，DLP）及有效辐射剂量（effective dose，ED）评价患者的吸收剂量。记录扫描过程中CTDI及DLP值，根据公式（1）计算ED。

其中k 为转换系数，取0.014 mSv/（mGy·cm）[8]。

1.3 CACS 测量 应用CACS 软件（Heartbeat CS v3.5.0.2254）半自动得出患者的Agatston 评分。Agatston 法：对于斑块面积≥1 mm2、CT值≥130 Hu 的区域认定为钙化，在每一个钙化区域，以其最高CT值计算其积分，CT值130～199、200～299、300～399、≥400 Hu 分别对应1～4分，然后将所有钙化区域的密度积分乘以面积，并求和即为总Agatston 积分[9]。将常规剂量FBP 重建的CACS>0 的受检者，按照Agatston 积分危险度分类进一步分为4个亚组：低风险（1～10分），低中风险（11～99分），中风险（100～399分），高风险（>400分）[10]。

1.4 统计学方法 应用SPSS 19.0软件，不符合正态分布的连续变量以中位数（四分位数间距）表示。以常规剂量FBP 重建方法的CACS 为“金标准”，采用非参数Friedman 检验分别比较不同剂量下iDose4组及IMR组与常规剂量FBP组CACS 的总体差异，组间比较采用Wilcoxon 符号秩和检验，P<0.05 为差异有统计学意义，校正P<0.017。应用Kappa 检验评价不同重建算法危险度分层的一致性，从而验证不同重建算法是否会导致危险度评级的改变。并计算重新分类率，重新分类率=（分类改变例数/原组例数）×100%。

2 结果

2.1 常规剂量及低剂量扫描有效剂量 188例患者的一般资料、常规剂量及低剂量扫描有效剂量见表1。低风险、低中风险、中风险、高风险各亚组分别有20、67、74、27例，图1显示应用迭代重建会导致钙化减少。

2.2 常规剂量下不同重建算法组CACS 比较 在常规剂量下，FBP组与IMR组总体CACS 差异有统计学意义（P<0.017），iDose4组总体评分与FBP组比较，差异无统计学意义，而IMR组明显低于FBP组及iDose4组。且在4个危险度分层亚组内，IMR组CACS 均较FBP组及iDose4组降低，差异有统计学意义（P<0.017，表2）。

表1 188例患者一般资料及扫描有效剂量（±s）

表1 188例患者一般资料及扫描有效剂量（±s）

注：CTDI 为CT 容积剂量指数，DLP 为剂量长度乘积，ED 为有效辐射剂量

项目 数值年龄（岁） 59.9±8.7 106/82 体重指数（kg/m2） 24.4±3.0 性别（男/女，例） 常规剂量 CTDI（mGy） 4.17±0.17 DLP（mGy·cm） 46.66±6.02 ED（mSv） 0.65±0.08 低剂量 CTDI（mGy） 1.67±0.08 DLP（mGy·cm） 18.77±2.38 ED（mSv） 0.26±0.03

2.3 低剂量下迭代重建算法组与常规剂量FBP组CACS 比较 低剂量条件下，低剂量IMR组总体评分及各亚组评分均低于常规FBP组及低剂量iDose4组。低剂量iDose4组总体评分与常规FBP组比较，差异无统计学意义，但是在高风险组，其CACS 高于常规FBP组，差异有统计学意义（P<0.017，表3）。

2.4 迭代重建算法对患者危险度分层的影响 常规FBP组与常规iDose4组、常规IMR组、低剂量iDose4组及低剂量IMR组受检者危险度分层的一致性：Kappa值=0.969、0.786、0.853、0.633，iDose4重建与FBP 重建组分层的一致性优于IMR。其中常规剂量下iDose4一致性最好，低剂量下IMR 最差。迭代重建各组的重新分类率为1.6%～26.1%。

与常规FBP组相比，常规iDose4组有3例患者危险度分层发生改变，均下降1个风险度等级。常规IMR组27例发生改变，均下降1个风险度等级。低剂量iDose4组19例发生改变，其中13例下降1个风险度等级，6例提高1个风险度等级。低剂量IMR组49例发生改变，其中46例降低1个风险度等级，2例降低2个风险度等级，1例提升1个风险度等级（表4）。

图1 47岁，冠状动脉前降支近段钙化。A～E 分别为常规FBP组、常规iDose4组、常规IMR组、低剂量iDose4组、低剂量IMR组的重建图像，钙化大小分别6.26、6.10、5.65、5.99、4.27。常规FBP组与应用iDose4 重建方法的两组无显著差异，但明显高于应用IMR 重建方法的两组

表2 常规剂量下不同重建算法组CACS 比较[M（Q1，Q3）]

表3 低剂量迭代重建算法组与常规剂量FBP组CACS 比较[M（Q1，Q3）]

表4 各组患者基于CACS 危险度分层分布情况[例（%）]

3 讨论

本研究表明，混合型迭代重建iDose4在常规剂量及低剂量下均与FBP 重建的CACS值无显著差异。两种算法具有较好的危险度分层一致性。而全模型迭代重建IMR 较FBP 重建低估CACS，从而使冠心病危险度分层发生改变。

3.1 IMR 重建算法对CACS 的影响 IMR 为完全型迭代重建，该算法整合了数据统计、图像统计和系统模型，在保证图像质量的前提下可以显著降低辐射剂量[11]。然而，本研究结果表明，应用IMR 在常规剂量及低剂量下冠状动脉钙化斑块边缘更为清晰，部分低CT值的钙化斑块在应用IMR 重建后CT值会减低，甚至发生钙化消失的现象，导致积分值均较常规剂量FBP 重建算法减少。这一发现与既往应用IMR进行冠状动脉CTA 评价的文献一致，IMR 重建会使冠状动脉CTA 中血管的边缘更为清晰，尤其是在有钙化斑块的节段[12]。Willemink 等[13]对于离体心脏标本的冠状动脉进行不同剂量扫描并结合不同等级的IMR 重建，发现IMR 重建算法下Agatston 积分减低。Karolyi 等[11]的研究结果同样显示在常规剂量下，IMR重建会明显减少钙化体积。上述结果均反映IMR 算法可以降低钙化斑块的“光晕”伪影和部分容积效应，从而使斑块边缘显示更为清晰，CACS值较传统FBP算法更小。

3.2 iDose4重建算法对CACS 的影响 常规剂量下，iDose4组与FBP组的CACS 基本一致。在低剂量下，iDose4算法高危亚组的CACS 有升高的倾向。既往研究同样观察到低管电流下会导致CACS 增高，这种现象可能是由于低剂量下图像噪声及严重钙化斑块的晕状伪影增加导致[13]，而iDose4重建算法无法完全抑制严重的钙化斑块的晕状伪影。

此外，迭代等级也会影响CACS 的定量评估。Takx 等[14]、王勇等[15]及van der Werf 等[16]的研究表明，随着迭代等级增高，CACS 减低。本研究应用中等迭代等级的iDose4重建算法，常规剂量下总体、各亚组及低剂量下总体CACS 与常规剂量FBP组差异无统计学意义。这一结果与Takx 等[14]的研究结果基本一致[11]，表明迭代等级与剂量降低的程度匹配才能维持CACS 定量的稳定性。

3.3 迭代重建算法对患者危险度分层的影响 迭代重建算法会导致患者危险度分层的改变。其中IMR 重建算法的改变较大，常规剂量及低剂量下IMR组的重新分类率分别为14.4%和26.1%；iDose4重建对危险分层影响较小，常规剂量及低剂量下iDose4组的重新分类率分别为1.6%和10.1%，与既往研究结果[17]类似，表明应用IMR 重建会明显导致CACS 的危险分层改变。因为危险度的改变可能会影响患者的临床治疗，所以在高危险度分层合并高危因素（高血压、糖尿病等）的情况下尤其应该注意这种现象，本研究发现，常规剂量下3例患者由高危险度再分类到中危险度，低剂量下4例由高危险度再分类至中危险度，这部分患者在应用IMR 重建时需要注意，避免由于重建算法的不同对临床决策发生不利的影响[7]。值得注意的是，应用IMR 重建算法时，常规剂量组6例、低剂量组12例出现CACS为零的情况，表明应用IMR重建在低风险组可能会导致假阴性。但鉴于低风险组的危险度较小，不会产生明显的临床意义。而中等迭代等级的iDose4算法对CACS 危险度分层影响较小，因此应用iDose4算法的CACS 定量无论是常规剂量还是低剂量下，均可以相对安全地应用于临床危险度评估。

本研究的局限性：①病例数较少，尚需大样本研究进一步验证结果。②扫描设定的剂量水平及迭代重建的等级比较单一，需进一步探讨不同的扫描剂量及迭代重建等级组合的结果，更全面地分析迭代重建技术的最佳适应剂量及迭代等级。③所有测量均由同一人完成，但是这也会减少观察者的误差。

总之，中等迭代等级的HIR（iDose4）技术对CACS及危险度分层评价的影响无明显差异，IMR 会对CACS 定量及危险度分层产生明显影响。因此，IMR应用于评定临床CACS 时应谨慎。