自由心率、个性化扫描和碘对比剂注射的前瞻性冠状动脉计算机体层摄影血管造影中迭代算法对于图像质量的影响

金 倞 高轶奕 孙英丽 高 盼 赵 伟 张渌恺 姜安琪 李 铭

因冠状动脉CTA(coronary computed tomography angiography，CCTA)具有高分辨率和低假阴性率[1-2]的特点而被作为冠状动脉疾病筛查的主要检查方式，已被广泛应用于临床[3-4]。CCTA检查包括扫描、对比剂注射、图像后处理重建等步骤。减少CT扫描的辐射剂量是临床医师关注的重点[5]，如大螺距扫描技术的运用[5]。目前，多数研究关注辐射剂量，仅少数研究探讨在减少辐射剂量的同时优化对比剂的使用方案[6-8]。关于CCTA检查中对比剂的低注射速率鲜见报道，而国际上对对比剂使用的关注与日俱增[9]。关于迭代算法，很多研究[5,10]仅报道了单一的正弦图确定迭代重建(sinogram affirmed iterative reconstruction，SAFIRE)或高级建模迭代重建(advanced modeled iterative reconstruction，ADMIRE)在临床的运用。关于SAFIRE与ADMIRE之间的直接比较少见，原因可能为来源于一台CT扫描仪扫描产生的原始数据只能使用其配备的SAFIRE或ADMIRE迭代算法进行后重建，不同CT扫描仪间的原始数据并不兼容。本研究通过评估并比较SAFIRE和ADMIRE两代迭代算法的功效，探索结合自由心率、个性化的扫描参数和碘对比剂注射方案，以期为临床医师提供迭代算法全面性的效能分析和应用建议，提高对比剂的使用效率和降低对比剂的注射速率。

1 对象与方法

1.1 研究对象 选择2017年8月—2018年1月在复旦大学附属华东医院连续入组因疑诊为冠心病行CCTA检查的患者50例，男28例、女22例；年龄范围35～90岁，年龄为(63.98±10.99)岁；BMI范围18～32 kg/m2，BMI为(24.37±2.69) kg/m2。按患者入组时的顺序，序号为1至30号的患者应用第2代双源CT扫描前瞻性心电触发序列扫描模式进行检查(Flash组)，序号为31至50号的患者应用第3代双源CT扫描前瞻性心电触发序列扫描模式进行检查(Force组)。排除标准：①对碘对比剂过敏；②严重肝、肾功能不全；③失代偿性心功能不全；④检查前曾使用药物控制心率；⑤心律失常、心律不齐、支架植入术后或冠状动脉旁路移植术后，以及不能配合屏气。本研究经医院伦理委员会审核和批准(批准号为2019K005)，所有患者均签署知情同意书。

1.2 方法 扫描前对所有患者进行严格的屏气训练。Flash组应用第2代双源CT扫描仪(型号为Somatom Definition Flash，德国西门子医疗系统有限公司)检查，准直器2.0 mm×64.0 mm×0.6 mm，机架转速0.28 s/rot。Force组应用第3代双源CT扫描仪(型号为Somatom Force，德国西门子医疗系统有限公司)检查，准直器2.0 mm×96.0 mm×0.6 mm，机架转速0.25 s/rot。扫描范围均为由头部至足部方向覆盖整个心脏。采用前瞻性心电触发序列扫描模式，设置管电流和管电压，运用全自动动态实时射线剂量调控技术[CARE Dose(4D)技术，参考管电流为320 mA(CARE Dose 4D自动调节管电流的参考基准值)]、实时心电脉冲(ECG-pulsing)技术，全剂量曝光的范围为35%～80% R-R间期；运用对比剂示踪技术，触发阈值为80 Hu，延迟7 s。应用Ulrich插瓶式高压注射器注射碘对比剂370 mgI/mL(即对比剂含碘量为370 mg/mL)。

1.2.1 管电流和管电压参数设置 当BMI≤20.0 kg/m2时，管电压为70 kV，运用CARE Dose(4D)技术自动调节管电流；当BMI为>20.0～25.0 kg/m2时，管电压为80 kV，运用CARE Dose(4D)技术自动调节管电流；当BMI为>25.0～27.5 kg/m2时，管电压为100 kV，管电流为250 mA；当BMI为>27.5～30.0 kg/m2时，管电压为100 kV，管电流为280 mA；当BMI>30.0 kg/m2时，管电压为120 kV，管电流为300 mA。

1.2.2 对比剂注射方案 体表面积(BSA)<1.70 m2，注射碘对比剂40 mL，0.9%氯化钠溶液50 mL，注射速率3.5 mL/s；BSA为1.70～<1.80 m2，碘对比剂45 mL，0.9%氯化钠溶液50 mL，注射速率3.5 mL/s；BSA为1.80～<1.95 m2，碘对比剂55 mL，0.9%氯化钠溶液40 mL，注射速率4.0 mL/s；BSA为1.95～<2.15 m2，碘对比剂60 mL，0.9%氯化钠溶液35 mL，注射速率4.5 mL/s；BSA为2.15～<2.50 m2，碘对比剂70 mL，0.9%氯化钠溶液20 mL，注射速率5.0 mL/s；BSA≥2.50 m2，碘对比剂90 mL，0.9%氯化钠溶液20 mL，注射速率5.0 mL/s。

1.3 图像重建 所有图像重建层厚度均为0.75 mm，选择冠状动脉显示最佳期相(收缩末期或舒张末期)进行重建。Flash组图像的重建方式为滤波反投影算法[filtered back projection，FBP(Flash-FBP)]、SAFIRE的迭代强度3算法(SAFIRE-3)和SAFIRE的迭代强度5算法(SAFIRE-5)，Force组图像的重建方式为滤波反投影算法(Force-FBP)、ADMIRE的迭代强度3算法(ADMIRE-3)和ADMIRE的迭代强度5算法(ADMIRE-5)，将所有重建后的图像传输至后处理工作站进行分析。

1.4 图像客观评价 分别测量主动脉根部(aortic root，AO)、左前降支近端(proximal left anterior descending，LAD-P)、左前降支远端(distal left anterior descending，LAD-D)、左回旋支近端(proximal left circumflex，LCX-P)、左回旋支远端(distal left circumflex，LCX-D)、右冠状动脉近端(proximal right coronary artery，RCA-P)、右冠状动脉远端(distal right coronary artery，RCA-D)的管腔，以及邻近血管周围组织的CT值和标准差，以AO CT值的标准差作为图像噪声值。设置AO的感兴趣区域(region of interest，ROI)大小为90 mm2，设置其余部位的ROI为1 mm2；信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)为ROI CT值与图像噪声值的比值，对比度噪声比(contrast noise ratio，CNR)为ROI CT值与邻近血管周围组织CT值的差值/邻近血管周围组织的标准差。记录两种CT扫描各图像重建方式的AO CT值、图像噪声、SNR-AO、CNR-AO，以及冠状动脉各节段的CNR(CNR-LAD-P、CNR-LAD-D、CNR-LCX-P、CNR-LCX-D、CNR-RCA-P、CNR-RCA-D)。

1.5 图像主观评价 由1名具有8年和1名具有15年以上临床诊断经验的放射科医师进行双盲评分，采用美国心脏学会15段分段标准(不包括中间支)随机评分(50例患者，每1例冠状动脉有15个分段，共750个节段)，按照Likert 5分制的评分标准对每1个冠状动脉节段进行评分：1分为极差，血管轮廓分辨不清，无法进行诊断；2分为差，血管轮廓大部分显示不清，无法用于诊断；3分为良，血管轮廓可以分辨，能够用于诊断，但准确性可能受影响；4分为好，大部分血管轮廓边界清楚，仅有少量伪影，基本不影响诊断；5分为极好，血管边界清楚，无伪影，对诊断无影响。评分≥3分的图像的质量可满足诊断所需。

1.6 辐射剂量 应用CT扫描仪统计CCTA扫描的辐射剂量，以CT容积剂量指数(CTDIvol)表示。

2 结 果

2.1 Flash组和Force组患者基本资料、对比剂使用情况和辐射剂量比较 所有患者均顺利完成CCTA检查，图像质量均满足诊断要求。Flash组的BSA显著大于Force组(P<0.01)，心率显著低于Flash组(P<0.01)，比剂注射速率显著高于Force组(P<0.01)，对比剂剂量显著多于Force组(P<0.01)；两组间患者BMI和CTDIvol的差异均无统计学意义(P值均>0.05)。见表1。

表1 Flash组和Force组患者基本资料、对比剂使用情况和辐射剂量比较

2.2 两组各重建处理方式的图像客观和主观评价结果比较 kappa检验结果显示，两位医师评定结果的一致性良好(kappa值为0.86)，本研究选用具有15年以上临床诊断经验的放射科医师的评分结果。

Flash-FBP和SAFIRE-3的图像噪声均显著高于SAFIRE-5(P值均<0.05)，SNR-AO、CNR-AO、CNR-LAD-P、CNR-LAD-D、CNR-LCX-P、CNR-LCX-D、CNR-RCA-P、CNR-RCA-D和主观评分均显著低于SAFIRE-5(P值分别<0.05、0.01)；Flash-FBP主观评分显著低于SAFIRE-3(P<0.05)，Flash-FBP与SAFIRE-3间图像噪声、SNR-AO、CNR-AO、CNR-LAD-P、CNR-LAD-D、CNR-LCX-P、CNR-LCX-D、CNR-RCA-P、CNR-RCA-D的差异均无统计学意义(P值均>0.05)。Flash组3种重建方式的图像中AO CT值的差异无统计学意义(P值均>0.05)。见表2。

Force-FBP和ADMIRE-3的图像噪声均显著高于ADMIRE-5(P值均<0.01)，SNR-AO、CNR-AO、CNR-LAD-P、CNR-LAD-D、CNR-LCX-P、CNR-LCX-D、CNR-RCA-P、CNR-RCA-D均显著低于ADMIRE-5(P值均<0.01)；Force-FBP的图像噪声显著高于ADMIRE-3(P<0.01)，SNR-AO显著低于ADMIRE-3(P<0.01)；Force-FBP与ADMIRE-3间CNR-AO、CNR-LAD-P、CNR-LAD-D、CNR-LCX-P、CNR-LCX-D、CNR-RCA-P、CNR-RCA-D的差异均无统计学意义(P值均>0.05)。Force-FBP和ADMIRE-5主观评分均显著低于ADMIRE-3(P值分别<0.01、0.05)，Force-FBP主观评分显著低于ADMIRE-5(P<0.01)。Force组3种重建方式的图像中AO CT值的差异无统计学意义(P值均>0.05)。见表2。

表2 两种CT扫描仪不同重建方式的图像客观和主观评价结果

3 讨 论

已有学者对SAFIRE和ADMIRE迭代重建进行了详细的研究[5,10]。Gordic等[5]的研究评价了ADMIRE迭代重建(强度1至5)的功效。最新的研究[10]阐明了ADMIRE-3对射线束硬化伪影的影响。

在前期研究的基础上，本研究使用两种CT扫描仪对各自的迭代算法进行组间图像质量的评估；结果显示，Flash组中，Flash-FBP和SAFIRE-3的图像噪声均显著高于SAFIRE-5，SNR-AO、CNR-AO、CNR-LAD-P、CNR-LAD-D、CNR-LCX-P、CNR-LCX-D、CNR-RCA-P、CNR-RCA-D和主观评分均显著低于SAFIRE-5，表明各冠状动脉分段的客观图像质量均有显著改善。放射科医师对Flash组中SAFIRE-5的主观评分[(4.20±0.07)分]最高，也印证了其具有显著的图像质量优势。

本研究结果显示，Force-FBP的图像噪声均显著高于ADMIRE-3和ADMIRE-5，SNR-AO、CNR-AO、CNR-LAD-P、CNR-LAD-D、CNR-LCX-P、CNR-LCX-D、CNR-RCA-P、CNR-RCA-D均显著低于ADMIRE-3和ADMIRE-5，表明各冠状动脉分段的客观图像质量均有显著改善。然而，Force组中ADMIRE-3主观评分[(4.50±0.12)分]最高，很好地印证了前期研究[10]在第3代双源CT上推荐选用ADMIRE-3进行评价的事实。由于ADMIRE-5的图像蜡样感明显，噪声滤过多，与放射科医师日常阅片时所见的图像存在较大差异。Gordic等[5]的研究结果表明，不推荐使用ADMIRE-5算法。通常也不推荐SAFIRE-5算法，但是对比图像质量无显著改善的SAFIRE-3算法，只能推荐SAFIRE-5算法。

前瞻性心电门控的辐射剂量通常为2～4 mSv[11-12]，回顾性心电门控的辐射剂量通常为6.0～11.8 mSv[13]。第3代双源CT扫描仪的时间分辨率由第2代的75 ms提升至66 ms，大螺距前瞻性心电扫描的广泛应用，实现了辐射剂量<1 mSv的CCTA检查[8,14]，将CCTA检查的辐射剂量降低约90%。虽然大螺距扫描在辐射剂量方面的贡献优于本研究使用的前瞻性心电门控，但是大螺距扫描对患者的心率要求较高，应用第2代双源CT扫描仪检查时要求患者心率≤63次/min，第3代双源CT扫描仪放宽至70次/min，心率>75次/min的可诊断率仅为14%[14]。因此，本研究采用成功率更高、适用人群更广泛的前瞻性心电门控扫描技术，两组患者心率分别为(83.74±13.31)和(95.22±11.42)次/min。

为了有效地提高对比剂的使用效率，减少其使用量，更好地保护患者的肾脏功能，本研究在前期研究的基础上重新设计了对比剂注射方案。Gordic等[5]研究中的碘对比剂剂量为60 mL(42～90 mL)，注射速率为5～6 mL/s。本研究结果显示，Flash组和Force组对比剂注射速率分别为(3.90±0.44)、(3.63±0.22) mL/s，对比剂剂量分别为(50.50±8.65)、(45.00±6.28) mL，在保证了图像诊断质量的情况下较前期研究[5]结果有了很大的提升。

本研究尚存在以下不足：①样本量不够充足，导致入组时间段内样本总量间的BMI差异性较小，使得本研究结果的覆盖范围不够全面；但从结果来看，即使未增加样本量，SAFIRE-5和ADMIRE-3作为本研究推荐的迭代强度，改善图像质量的能力已得到论证。②未能探讨不同强度迭代重建诊断冠状动脉狭窄的准确性，有待后续的进一步研究。③本研究仍存在进一步优化辐射剂量、减少碘对比剂注射总量和降低其注射速率的空间。

综上所述，SAFIRE-5和ADMIRE-3的迭代性能优越，不仅减少了图像噪声对图像质量的影响，且有较好的主观评价性。本研究采用的注射方案，在实现保证图像质量的前提下，成功地提高了对比剂使用效率，降低了对比剂注射速率，可在临床推广应用。