黎佩君LI Peijun
黄 飚2HUANG Biao
梁长虹2LIANG Changhong
朱文珍3ZHU Wenzhen
冯结映2FENG Jieying
钟小玲2ZHONG Xiaoling
论著 Original Research
迭代重建算法CT灌注成像与CT血管造影在缺血性脑血管病中的诊断价值
黎佩君1,2LI Peijun
黄 飚2HUANG Biao
梁长虹2LIANG Changhong
朱文珍3ZHU Wenzhen
冯结映2FENG Jieying
钟小玲2ZHONG Xiaoling
目的利用迭代算法重建的头颅低剂量CT灌注扫描的容积数据重组CT血管造影(PCTA)图像,分析PCTA对脑内动脉的显示能力,探讨降低脑卒中CT检查辐射剂量的方法。资料与方法本研究为前瞻性研究,临床拟诊为缺血性脑血管病的55例患者(605个动脉血管节段),使用256层螺旋CT进行头颅CT平扫、迭代算法头颅低剂量CT灌注扫描和常规头颅CTA检查。每个病例均分析11个节段的脑动脉,以常规CTA结果为标准,评估PCTA对脑内动脉的显示情况。结果CT灌注扫描有效剂量为2.12 mSv。CTA未见狭窄或狭窄程度<30%的580个节段血管中,PCTA仅1个节段血管显示与CTA不符;CTA提示狭窄程度≥30%但达闭塞的19个节段血管中,12个节段血管PCTA与CTA结果一致,PCTA夸大了另外7个节段血管的狭窄程度;CTA发现闭塞的6个节段血管与PCTA显示结果一致。PCTA与CTA对脑内动脉血管显示一致性检验的Kw值均>0.75。结论迭代算法的头颅CT灌注扫描辐射剂量明显减低,而且从CT灌注的容积数据重组的动脉图像与CTA结果具有较高的一致性,可以满足临床诊断需要。
脑缺血;卒中;体层摄影术,螺旋计算机;灌注成像;脑血管造影术;迭代重建算法;辐射剂量
脑卒中具有高发病率、高死亡率、高复发率和高致残率的特点,已成为我国居民的第一位死因,严重威胁着我国居民的健康水平。诊断缺血性脑卒中的影像学方法主要有CT或MRI。脑卒中CT(stroke CT)检查包括CT平扫、CT灌注(PCT)和CT血管造影(CTA)。CT灌注对起病3 h内的急性脑梗死有较好的敏感性(64.6%)和准确性(76.0%)[1],能在短时间内获得灌注信息,确定脑梗死的范围及可能存在的缺血半暗带[2,3],有助于判断患者是否适合行溶栓治疗[1]。CTA对血管病变的诊断准确性高,能明确责任血管及脑血管动脉硬化的程度。约50%的缺血性脑梗死由颅内大血管闭塞引起[4],因此,及时显示颅内大血管病变对于急性缺血性脑卒中患者尤其重要。另外,结合脑CT灌注提供的局部血流灌注与CTA提供的责任血管存在血栓两方面的信息,可以指导临床溶栓治疗[5]。
脑卒中CT检查辐射剂量相对较大。如何尽可能地降低患者CT检查的辐射剂量,成为一个亟需解决的棘手难题。国外有学者从常规扫描剂量的CT灌注原始数据重组出符合诊断要求的CTA图像,但目前国内外尚无有关报道低剂量CT灌注原始数据能否重组出符合诊断要求的CTA图的研究。本研究采用低毫安秒的扫描参数,利用双空间多模型迭代算法重建(iDose4)技术重建图像,以降低噪声,提高信噪比(SNR)。以常规CTA为标准,比较低剂量CT灌注重组的PCTA对颅内血管病变的显示能力。
1.1 研究对象 收集广东省人民医院2012-09~2013-04临床拟诊为缺血性脑血管病的60例患者,5例因明显运动伪影被除外。其中男32例,女23例;年龄37~85岁,平均(62.0±13.2)岁;从出现症状到检查的时间为8 h~6个月。拟诊为缺血性脑血管病的标准:中老年人既往有高血压、糖尿病、动脉粥样硬化史等,出现神经系统定位体征如偏瘫、失语等局灶性神经功能障碍,或其他脑局灶性症状,一般无明显的意识障碍,CT平扫排除脑出血。本组患者临床表现包括头痛、头晕、肢体乏力、肢体麻木、言语含糊、意识不清、口角歪斜、视物模糊、反应迟钝等。本研究为前瞻性研究,所有患者及其监护人均对本研究知情同意并签署知情同意书,并经广东省人民医院伦理委员会批准。
1.2 仪器与方法 采用256层螺旋CT机(Philips Brilliance iCT),所有患者均首先行常规头颅CT平扫,排除颅内出血后依次进行头颅CT灌注及头颅CTA检查。以眦耳线为基线,用约束带外固定患者头部。CT灌注数据用iDose4重建,CT平扫及CTA均采用传统的滤波反投影(filtered back projection, FBP)方法重建图像。
1.2.1 头颅CT平扫 扫描参数:管电压120 kV,管电流150 mAs,层厚5 mm,球管转速0.75 s/r,探测器16×0.625 mm,矩阵512×512。扫描范围从颅底部至颅顶部,扫描层面与基线平行。剂量长度乘积(dose-length product, DLP)约为408~415 mGy·cm。
1.2.2 头颅CT灌注扫描 扫描范围从颅底部层面向上8 cm为感兴趣区脑组织。采用双筒高压注射器经肘前静脉团注非离子型对比剂碘普罗胺(370 mgI/ml)约40 ml,速度4.0 ml/s,然后以相同速度注射生理盐水20 ml。注射对比剂后延迟7 s开始扫描,曝光一次覆盖范围8 cm,采用不移动扫描床(non-jog)模式连续对感兴趣区脑组织进行动态扫描,采集30个动态容积数据,时间分辨率1.5 s,总扫描时间45 s。扫描参数:层厚5 mm,管电压80 kV,管电流100 mAs,探测器128×0.625 mm,球管转速0.5 s/r,视野220 mm,矩阵512×512。DLP为920 mGy·cm。
1.2.3 头颅CTA 扫描参数:管电压120 kV,管电流250 mAs,层厚0.625 mm,球管转速0.5 s/r,探测器128×0.625 mm,螺距0.71,矩阵512×512。扫描范围从颅底部至颅顶部,DLP约为1000~1007 mGy·cm。射线剂量计算公式:E=k×DLP,其中E为有效剂量,k为不同部位的权重因子,头部k值为0.0023 mSv/mGy·cm。
1.3 图像后处理 将CT灌注原始图像数据经iDose4迭代算法重建(Level 4)后,再把5 mm层厚的CT灌注原始图像重建成0.625 mm层厚的薄层图像。所有图像传输到CT图像后处理工作站(Extended Brilliance Workspace 4.5 I),运行工作站内Brain Perfusion软件,手工选取大脑前动脉为输入动脉,上矢状窦为输出静脉。经软件自动生成时间-密度曲线(TDC)及灌注参数平均通过时间(MTT)图、脑血容量(CBV)图、脑血流量(CBF)图及达峰时间(TTP)图。根据TDC曲线选取达到强化峰值的动脉期薄层灌注图像进行血管重组,采用容积再现(VR)、最大密度投影(MIP)和多平面重组(MPR)等方法显示血管。CTA扫描得到的图像也同样以VR、MIP和MPR等方法显示血管。
1.4 图像分析 所有图像均由放射科神经诊断组的1名主任医师和1名副主任医师采用盲法阅片。排除有明显运动伪影或其他原因造成的图像质量不佳者。观察分析的血管包括双侧颈内动脉远端,双侧大脑中动脉M1段、M2~3段,双侧大脑前动脉A1~3段、双侧大脑后动脉P1~3段、基底动脉。所观察的血管段分为4个级别:无狭窄或狭窄<30%,30%≤狭窄<50%,狭窄≥50%但未达闭塞,闭塞。2名医师分别进行分析,意见不一致时协商后达成一致意见。首先评价分析所有的CTA图,评价范围仅为PCTA能覆盖的范围。无论是CTA图还是CT灌注重组的CTA图,均要求2名医师注意是否合并动脉瘤或动脉畸形。
1.5 统计学方法 采用SPSS 13.0软件,2名医师对观察血管段结果的一致性分析采用Kappa检验。CTA与PCTA对检测颅内动脉血管病变结果的一致性采用加权Kappa检验,Kw>0.75提示两种方法的一致性非常好,即相关性高;Kw值为0.40~0.75提示两种方法的一致性中等;Kw<0.40提示两种方法的一致性较差。
2.1 辐射剂量 CT平扫有效剂量约为0.94~0.95 mSv,CT灌注有效剂量为2.12 mSv,CTA有效剂量约为2.31~2.32 mSv。
2.2 血管分析 55例患者中,CTA与PCTA均未发现动脉瘤或动脉畸形。与CTA图像相比,PCTA显示的血管边缘锐利度较差(图1)。分析11个节段的颅内动脉血管,即CTA与PCTA各分析605个节段血管,结果见表1。CTA未见狭窄或狭窄程度<30%的580个节段血管中,仅1个节段的血管PCTA显示与CTA不一致,PCTA显示为狭窄程度≥50%;2个节段为动脉支架置入术后(分别为右侧大脑中动脉M1段及基底动脉),两种方法均能清晰地显示支架及管腔。CTA发现狭窄程度≥30%但未达闭塞的19个节段血管中,12个节段血管PCTA与CTA检测狭窄结果一致,7个狭窄节段血管PCTA与CTA检测结果不一致,PCTA均夸大了血管狭窄程度(表2、图2)。CTA发现6个节段血管闭塞,PCTA显示结果与其一致(图3)。
2.3 观察者间的一致性分析 2位医师的观察结果具有较好的一致性(Kappa=0.827)。
表1 血管病变检测结果(个)
表2 PCTA与CTA对血管显示不一致的情况(个)
2.4 血管一致性分析 11个节段血管一致性检验的Kw值为0.832~1.000,均大于0.75,表明CTA与PCTA对颅内动脉的显示具有较高的一致性。
图1 患者男,66岁,右侧颞顶叶急性脑梗死。A、B分别为常规CTA重组图和PCTA重组图,PCTA对远段血管及血管边缘锐利度的显示较CTA差(箭)
图2 患者男,46岁,缺血性脑血管病。A.常规CTA显示左侧大脑中动脉M1段狭窄程度≥50%但未闭塞;B. PCTA显示为闭塞,夸大了血管的狭窄程度(箭)
图3 患者男,65岁,左侧额颞岛叶急性脑梗死。A. CT灌注CBF图显示左侧额颞岛叶脑血流量较对侧明显下降;B. DWI图提示左侧额颞岛叶明显扩散受限(箭头);C、D.常规CTA重组图及PCTA重组图均显示左侧大脑中动脉M1段闭塞(箭)
3.1 CT辐射剂量 多层螺旋CT技术的发展不仅提高了疾病的诊断准确性,同时也扩大了影像检查的应用范围,增加了CT检查的数目[6,7]。因此,CT检查已经成为受检人群中最大的射线来源,约2%的恶性肿瘤是由CT辐射所致[8]。CT检查中应该遵循CT成像辐射防护最优化(as low as reasonably achievable, ALARA)原则,指在能满足诊断的情况下,辐射剂量越低越好。脑卒中CT检查辐射剂量相对较大,其主要来自PCT。PCT过多的辐射剂量使40%的患者出现扫描野范围头皮脱发现象[1]。在CT灌注扫描中,低管电压(80 kV)和低毫安秒(代表性的是100 mAs)联合使用能增加对比(与碘K边缘接近)而降低辐射剂量[9,10]。本研究中CT灌注的有效剂量仅为2.12 mSv,比常规扫描的头颅CT灌注剂量低。CT灌注的容积数据作为CTA源图像重组CTA图像,或许可以省去常规CTA检查,进一步降低患者的辐射剂量,并减少对比剂的使用及对比剂肾病的发生。
3.2 迭代算法的应用 自CT技术诞生以来,已经发展了众多的图像重建算法,但各种算法均存在各自的优缺点。解析重建和迭代重建是CT图像重建的两种基本方法。迭代重建计算速度慢、所需存储空间大,在计算机技术水平不是很高的年代,其应用和发展受到限制。滤波反投影(FBP)是解析重建的主要方法,也是目前CT的主流算法,其优点是重建速度快,图像重建系统成本低;但缺点是低剂量条件下图像质量损失严重,因此在临床应用中必须付出辐射风险的代价。曾有多种降低CT辐射剂量的方法,如自动毫安秒、低电压扫描、降噪声过滤器等,但均不能有效地降低辐射剂量,而且降低毫安秒会显著增加图像噪声。这是由现在标准的FBP重建算法的内在特征决定的,该算法隐含假定投影数据是无噪声的。然而噪声是投影数据的固有特性,特别是在低剂量条件下,有效成像X线光子数量减少,噪声水平升高。
迭代重建的iDose4技术的基本原理是首先在投影空间,通过构造的噪声模型系统对噪声加以抑制和部分消除;再将降噪之后的数据转换入图像空间,针对图像空间的噪声模型系统和解剖模型系统进一步降低图像噪声,并且通过噪声频率谱模型来保证降噪过程中避免噪声频率分布改变。本研究使用较低的辐射剂量扫描条件,利用iDose4技术的优势,即通过在投影空间和图像空间进行基于噪声模型系统和解剖模型系统的迭代运算,达到降低图像噪声的目的。此外,iDose4技术可以提供IR和FBP混合重建,分1~7级,分别反映与FBP相比的降噪程度(20%~80%)。迭代重建比例越高,重建速度越慢。应根据临床实际要求选择不同的等级,以兼顾速度与图像。应用迭代算法重建图像,腹、胸部分别可以降低33%~50%、36%~75%的辐射剂量[11-15]。Korn等[8]的研究表明,在头部CT平扫,要保持与常规剂量相当的图像质量,利用图像空间迭代重建(IRIS)技术可以降低20%的辐射剂量。常规头部CT灌注扫描技术一般采用200 mAs。本研究依据iDose4方案表,使用100 mAs,结合iDose4第4等级(level 4)重建,图像质量改善可以达到原始约200 mAs的图像质量水平[16]。
3.3 从CT灌注的容积数据中重组出CTA 既往研究采用64层螺旋CT机从头颅CT灌注的容积数据中重组出CTA,结果表明PCTA能够达到诊断要求,但图像质量较传统CTA差[17,18]。近年来,Saake等[19]和Frölich等[20]采用不同的标准对CTA与PCTA的图像质量进行评价,发现CTA的图像质量明显优于PCTA,但从达到诊断要求的角度来看,两种方法无显著差异。因此,本研究未重点比较两者的图像质量。CTA比PCTA图像质量好的重要原因是CTA使用较多的对比剂[18]。一般来说,脑远段血管的狭窄程度评价存在一定的难度,本研究发现,与CTA相比,PCTA对远段血管的显示欠佳,血管边缘锐利度不够好,推测PCTA对颅内远段血管的评价存在较大的难度。
CTA探测颅内大血管闭塞有很高的敏感性和特异性[21,22]。Frölich等[20]的研究结果表明,PCTA探测颅内大血管闭塞的敏感度为85%,阳性预测值为97%;若PCTA结合CT灌注参数图,则敏感度为94%,阳性预测值达100%。Morhard等[23]也报道CTA与PCTA的一致性较高,PCTA探测血管病变的敏感度为90%。本研究中,11个观察血管段的CTA与PCTA评价结果的一致性较高;8个节段血管不一致,多由于扫描管电压较低致穿透力不足、扫描条件较低(低管电压、低管电流)致图像信噪比下降,导致PCTA夸大了血管狭窄程度。但总体来说,PCTA能满足临床的诊断要求,与Saake等[19]的大样本研究结果一致。
Zhang等[24]研究表明,CT灌注重组的CTA同样能显示烟雾病中的烟幕血管,并得出灌注动脉期CTA图像与传统CTA图像显示术后桥血管情况的结果一致。本研究中有1例为数字减影血管造影检查发现颅底有大量烟幕血管而拟诊为烟雾病。传统的CTA能较好地显示烟幕血管,但PCTA显示不佳,其原因可能为烟幕血管较细小,当扫描条件较低时,则较小较细的血管难以显示清楚。
PCTA比传统单时相的CTA能提供额外的信息。PCTA是一种动态CTA,可以分为动脉期、毛细血管期和静脉期。静脉窦栓塞的情况能否在动态CTA的静脉期显示出静脉窦的充盈缺损尚需要进一步深入探讨。Saake等[19]和Frölich等[20]预测PCTA还能够显示血管代偿的情况,但尚需要后续研究进一步证实。张永海等[25]报道,灌注延迟时相CTA可以有效地发现晚期反向充盈血管,反映侧支循环的血流动力学情况。
总之,基于iDose4技术的CT灌注检查能有效地降低检查的辐射剂量,在获得反映急性缺血性脑梗死的血流动力学信息的同时,利用CT灌注的容积数据重组PCTA,与传统CTA比较图像质量降低,但结果一致性较高,基本达到了诊断要求,有望省去CTA检查,将进一步降低患者的辐射剂量并减少对比剂的使用。
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(责任编辑 张春辉)
Iterative Reconstruction Algorithm CT Perfusion and Angiography in the Diagnosis of Ischemic Cerebrovascular Disease
PurposeTo reconstruct perfusion computerized tomography angiography (PCTA) images from the volume data of low-dose brain CT perfusion scan with iterative reconstruction algorithm, to analyze the capability of PCTA on the display of brain arteries, and to explore the methods to reduce the radiation dose for stroke CT examinations.Materials and MethodsThis was a prospective study, 55 patients (605 arterial segments) with clinical diagnosis of ischemic cerebrovascular disease underwent cranial CT scan, iterative algorithm low-dose brain CT perfusion scan and conventional cranial CTA examinations using a 256-slice spiral CT. 11 segments of the cerebral artery in each case were analyzed using conventional CTA results as the reference standard to assess the display of brain arteries in PCTA.ResultsEffective dose of CT perfusion scan was 2.12 mSv. Among the 580 vessel segments which CTA showed no stenosis or stenosis<30%, only one vessel segment of PCTA was inconsistent with CTA; among the 19 vessel segments which CTA showed stenosis ≥30% but not occluded, results of 12 vessel segments in PCTA were consistent with CTA, while the stenosis states were exaggerated by PCTA in the other seven vessel segments; results of the two methods were consistent in six vessel segments which was found occluded by CTA. Kw values were >0.75 for the consistency test between PCTA and CTA on the display of brain arteries.ConclusionRadiation dose of iterative algorithm cranial CT perfusion scan is significantly lower, and the images reconstructed from the volume data of perfusion CT are highly consistent with the CTA results, thus are able to meet the needs of the clinical diagnosis.
Brain ischemia; Stroke; Tomography, spiral computed; Perfusion weighted imaging; Cerebral angiography; Iterative reconstruction algorithm; Radiation dosage
1.南方医科大学 广东广州 510515
2. 广东省人民医院(广东省医学科学院)广东广州 510080
3. 华中科技大学同济医学院附属同济医院放射科 湖北武汉 430030
黄 飚
Guangdong General Hospital (Guangdong Academy of Medical Sciences), Guangzhou 510080, China
Address Correspondence to: HUANG Biao
E-mail: cjr.huangbiao@vip.163.com
国家科技部“十二五”科技支撑计划资助项目(2011BAI08B10)。
R743;R445.3
2013-08-15
修回日期:2013-11-15
中国医学影像学杂志
2013年 第21卷 第12期:881-885,890
Chinese Journal of Medical Imaging
2013 Volume 21(12): 881-885, 890
10.3969/j.issn.1005-5185.2013.12.001