能谱CT单能量重建结合迭代算法对冠状动脉优化显示的初步探讨

潘存雪 邢 艳 古丽娜·阿扎提 党 军 刘文亚

作者单位：新疆医科大学第一附属医院影像中心



能谱CT单能量重建结合迭代算法对冠状动脉优化显示的初步探讨

潘存雪 邢 艳 古丽娜·阿扎提 党 军 刘文亚*

作者单位：新疆医科大学第一附属医院影像中心

【摘要】目的：评价能谱CT单能量重建技术结合ASIR重建算法对冠脉优化显示的作用；方法：前瞻性收集能谱冠状动脉CT检查20例，患者均采用能谱扫描模式、单源瞬时（0.5 ms）管电压（140、80 kVp）切换技术行心脏能谱CT检查。将扫描获得的原始图像采用40%自适应统计迭代重组技术重组为轴位单能量图像（60、70、80、90、100、110、120、130、140 keV），并常规重组轴位混合能量图像。在不同重建模式下，分别测量主动脉根部、左主干、前降支中段、右冠状动脉根部、右冠状动脉中段血管腔内的噪声，信噪比、对比噪声比。将9个单能量水平的上述测量指标分别与混合能量的对应指标进行统计学分析比较，统计学比较方法均采用随机区组设计的方差分析。结果：①噪声：混合能量水平主动脉根部、左主干、右冠状动脉根部、前降支中段、右冠状动脉中段血管腔内的噪声分别为（24.32±5.84）HU、（25.65±10.83）HU、（33.27±11.95）HU、（42.16±15.52）HU、（35.58±13.21）HU，随着keV上升噪声逐渐下降，与混合能量相比，所测冠脉噪声均在90～140keV水平得到了改善（P均＜0.05），其中除主动脉根部血管腔内噪声在130keV达到最低水平（10.85±2.49）HU外，余各测量位置血管腔内的噪声均在140keV水平达到最低水平，分别为左主干（10.65±6.55）HU、右冠状动脉根部（13.07±5.06）HU、前降支中段（21.94±8.31）HU、右冠中段（16.83±6.05）HU；②信噪比：混合能量水平主动脉根部、左主干、右冠状动脉根部、前降支中段、右冠状动脉中段血管腔内的信噪比分别11.47±1.97、15.23±7.51、10.19±3.98、6.94±2.85、7.60±3.28，与混合能量相比，上述测量点信噪比分别在60～90keV、60～80keV、60～70keV、60keV、60～70keV水平得到明显改善（P均＜0.05），且均在60keV水平得到最佳改善，分别为22.20±5.74、23.82±11.19、16.61±8.15、8.78±3.67、8.91±4.12；3、对比噪声比：混合能量水平主动脉根部、左主干、右冠状动脉根部、前降支中段、右冠状动脉中段血管腔内的对比噪声比分别18.68±6.90、18.74±7.12、17.58±6.56、12.29±2.40、17.88±7.16，与混合能量相比，上述测量点对比噪声比分别在60～80keV、60～80keV、60～80keV、60～70keV、60～70keV水平得到明显改善（P均＜0.05），其中前降支中段的对比噪声比在60keV得到了最佳改善，为17.82±5.40，余各测量点的对比噪声比均在70keV水平得到了最佳改善，分别为主动脉根部29.73±8.46、左主干28.69±7.65、右冠状动脉根部25.70±7.59、右冠状动脉中段21.62±10.23；结论：冠状动脉能谱CT成像的单能量图像结合迭代重建算法，能够有效降低冠脉的噪声，提高冠脉信噪比及对比噪声比，从而达到优化冠脉显示的目的。

【关键词】冠状动脉；能谱CT成像；迭代重建

中国医学计算机成像杂志，2016，22：176-181

Chin Comput Med Imag，2016，22：176-181

Imaging Center， The First Affiliated Hospital of Xingjiang MedicalUniversity Ad

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冠状动脉CT造影（CT coronary angiography，CTCA）是目前临床无创诊断冠脉狭窄性疾病的最常用检查手段［1-2］，然而由于支架、钙化等产生的伪影常导致常规冠脉CTA对冠脉狭窄的过度诊断，有初步研究认为双能量CT能够改善这种现象［3-4］，加之最新的能谱纯化技术已经可以与自适应统计迭代重建（adaptive statistical iterative reconstruction，ASIR）技术结合使用，允许操作者根据需要选择不同水平的ASIR重建单能量图像，从而在不增加辐射计量的同时进一步提高冠脉CTA的图像质量［5-7］。目前，本研究拟通过对单源双能量冠状动脉CTA检查40%ASIR重建的单能keV图像与常规混合能量kVp图像的比较分析，评价能谱CT单能量重建技术结合迭代重建算法对冠状动脉优化显示的作用。

方 法

1.临床资料

连续收集2013年10月至2014年1月间在新疆医科大学第一附属医院影像中心成功行单源双能量CTCA扫描的患者27例，按照拟定的纳入排除标准，将其中20例纳入研究，其中男性11例，女性9例，年龄范围36～68岁，平均年龄54.75±9.97岁。纳入标准：以往未曾行冠状动脉介入术的疑似冠心病患者。排除标准：①既往有心肌梗死、冠状动脉腔内成形术、冠状动脉支架置入术及冠状动脉搭桥术史；②复杂先天性心脏病；③起搏器或内部除颤器植入患者；④心律失常或心动过速；⑤血清肌酐水平大于1.5 mg / dl；⑥已知的碘过敏；⑦怀孕妇女；⑧BMI＞35。

2.CT检查方法

所有检查均在GE宝石CT（HDCT 750，GE Healthcare，Milwaukee，WI）完成。①扫描前准备：研究对象均为窦性心律，必要时检查前使用倍他乐克25～50 mg口服，使扫描时心率控制在65次/min以下；扫描前先用22 G套管针穿刺肘静脉，连接心电门控，对患者进行呼吸训练等准备工作；②扫描模式：宝石能谱扫描（Gemstone Spectral Imaging，GSI），采用单源瞬时（0.5ms）kVp（140kVp和80kVp）切换技术，管电流为600mA，机架旋转速度为0.35s/转，探测器宽度40mm。扫描延迟时间均根据小剂量预注射时间确定，扫描范围自气管隆突下2 cm至膈下2 cm；③对比剂注射：采用高压注射器（德国 Ulrich Missouri XD2314 ） 自肘前静脉团注碘海醇（350mgI/ml），对比剂用量（ml）=体重（kg）×0.8ml/kg，采用相同的对比剂注射时间（12s），对比剂流率（ml/s）=对比剂用量（ml）/12s［8］。

3.图像分析

将扫描获得的原始图像按间隔10keV，使用自适应统计迭代重建技术（40% ASIR）分别重建60～140KeV的轴位图像，并常规重建混合能量的图像，层厚层间距均为0.625mm。采用原始轴位图像，对10组图像在相同层面同时进行测量。分别选取在主动脉根部（aorta root，AO-r）、左主干（left main artery， LMA）、前降支中段（mid-left anterior descending artery ，mid-LAD ）、右冠状动脉根部（right coronary artery root， RCA-r）、右冠状动脉中段（mid-right coronary artery， mid-RCA）进行冠脉CT值的测量，感兴趣区（ROI）放在各感兴趣血管段腔内，主动脉根部ROI面积200mm2，余分支ROI面积5 mm2，可根据血管直径大小选择圆形或椭圆形，并尽量避开钙化、斑块及狭窄；同时测量主动脉根旁脂肪组织，左心室中部前壁心肌，四腔心层面右房室间沟脂肪作为计算对比噪声比（contrast-to-noise-ratio， CNR）时的背景，ROI面积均为20mm2。CT值的标准差（standard deviation， SD）定义为图像噪声（Image Noise）。 信噪比（signal-to-noise-ratio， SNR）=血管CT值/血管噪声；对比噪声比CNR=（血管CT值-血管周围背景组织CT值）/血管周围背景组织噪声，其中AO、LMA根部、RCA根部的背景组织选取为主动脉根旁脂肪组织，LAD中段的背景组织选取为左心室中部前壁心肌，RCA中段的背景组织选取为四腔心层面右房室间沟脂肪。

4.统计学分析

使用SPSS17.0统计软件包进行统计分析。不同单能量水平血管SD，SNR，CNR与混合能量水平对应指标的比较，均采用随机区组设计的方差分析，检验水准取0.05。

结 果

1、SD

与混合能量相比，所有测量点的冠脉噪声均在80～140 keV水平得到了改善（P均＜0.05），且随着keV的上升，冠脉噪声逐渐下降。具体见表1。

2、SNR

与混合能量相比，AO-r、LMA、RCA-r、mid-LAD、mid-RCA的SNR分别在60～90keV、60～80keV、60～70keV、60keV、60～70keV水平得到明显改善（P均＜0.05），且均在60keV水平得到最佳改善，相比于混合能量SNR提高的程度分别为93.55%、56.4%、63%、26.51%、17.23%。具体结果见表2。

3、CNR

与混合能量相比，AO-r、LMA、RCA-r、mid-LAD、mid-RCA的CNR分别在60～80keV、60～80keV、60～80keV、60～70keV、60～70keV水平得到明显改善（P均＜0.05），其中前降支中段的对比噪声比在60Kev得到了最佳改善，相比于混合能量CNR提高程度为45%，余各测量点CNR均在70keV水平得到了最佳改善，相比于混合能量CNR提高程度分别为AO-r 69%、LMA 63.34%、RCA-r 57.45%、mid-LAD25.28%。具体结果见表3。

4、辐射剂量

本组患者具体辐射剂量如下：CTDI （65.24±8.43）mGy，DLP（333.96±32.67）mGy×cm，ED （4.68±0.46）mSv。

表1 噪声（SD）

表2 信噪比（SNR ）

表3 对比噪声比 （CNR）

图1 A～C.分别为常规混合能量、60keV+40%Asir、140keV+40%Asir重建条件下LCX的MPR图像，LCX近段可见一混合斑块，合并局部管腔轻度狭窄，LCX远段可见一钙斑，合并局部管腔轻度狭窄；相对于常规混合能量图像（A），140keV+40%Asir（C）图像噪声下降，但组织对比度亦下降，LCX管壁及病变边缘显示清晰度欠佳，60keV+40%Asir（B）图像噪声明显下降，LCX管壁及病变的边缘显示更加清晰锐利。

讨 论

近年来，CT的发展日新月异，各种成像及重组技术极大地促进了CT在临床实践中的应用，CT能谱成像技术更是把CT成像带入了一个全新的时代，其可对原始图像进行重建，生成40～140 keV的101个单能量图像，并能够进一步对人体组织进行定性与定量分析，大量研究显示双能量CT成像的单能量图像能够降低图像噪声，提高信噪比及对比噪声比，去除硬化伪影，从而达到优化图像质量的目的［9-11］。迭代重建（iterative reconstruction，IR）算法是目前研究低剂量冠脉成像的热点，它能够在保证冠状动脉腔内强化程度不变的同时明显降低图像噪声，改善图像质量，减低放射线剂量［12-14］。不同程度的迭代对图像质量的改善程度不同，随着迭代程度的增加，图像的噪声逐渐下降，SNR及CNR逐渐增加，而过度迭代则可导致“蜡像样伪影”。有学者研究证明，40%～60%的迭代重建能够最大程度的改善图像质量，提升诊断者的信心［12］。本研究即通过40%ASIR重建单能量图像与常规混合能量图像的比较分析来探讨能谱CT单能量重建技术结合迭代重建算法对冠状动脉优化显示的作用。

该研究在计算CNR时，考虑到心包不同部位脂肪密度及不同部位冠脉临近组织分布特点存在一定程度差异，故在选择冠脉背景组织时，根据血管的分布走行特点，选取了几种不同的背景组织：其中AO-r、LMA、RCA的背景组织均选取为主动脉根旁脂肪组织；mid-LAD因走行往往与心肌临近，且好发心肌桥，故背景组织选取为左心室中部前壁心肌；mid-RCA因走行于右侧房室间沟内，且该部位受心脏搏动伪影较大，故背景组织选取为四腔心层面右房室间沟脂肪。

研究结果显示与混合能量相比，AO-r、LMA、RCA-r、mid-LAD、mid-RCA的SNR得到明显改善的单能量水平个数分别为4、3、2、1、2，最佳改善程度分别为93.55%、56.4%、63%、26.51%、17.23%， CNR得到明显改善的Kev个数分别为3、3、3、2、2，最佳改善程度分别为69%、63.34%、57.45%、45%、25.28%，从上述数据我们可以看出，冠脉近心端管腔内（LMA，RCA-r）的SNR 及CNR得到改善的单能量水平个数均较冠脉远心端（mid-LAD、mid-RCA）多，且改善程度也较高，这可能与冠脉远心端血管直径较近心端血管直径细，且远心端血管受心脏搏动影响更大有关。随着keV的上升，各测量位置冠脉管腔内噪声均呈逐渐下降趋势，并在140keV+40%Asir的重建条件下达到最低，而SNR及CNR则在60keV+40%Asir、70keV+40%Asir的重建条件下得到最佳改善，相对于常规混合能量图像，60keV+40%Asir较140keV+40%Asir提供可更加清晰可靠的图像，见图1。

本研究的局限性在于研究样本含量较少，这在一定程度上限制了研究的效能；其次本研究未将能谱Kev CTCA图像与常规120kVp CTCA图像做对比，这些不足都有待进一步研究来完善。

综上所述，能谱CT单能量重建技术结合ASiR算法能够有效降低冠状动脉噪声，提高信噪比及对比噪声比，从而达到优化冠状动脉显示的目的。

参 考 文 献

［1］Husmann L， Gaemperli O， Schepis T，et al. Accuracy of quantitative coronary angiography with computed tomography and its dependency on plaque composition: plaque composition andaccuracy of cardiac CT. Int J Cardiovasc Imaging，2008，24:895-904

［2］Schroeder S， Achenbach S， Bengel F，et al. Cardiac computed tomography : indications， applications， limitations，and training requirements: report of a Writing Group deployed by the Working Group Nuclear Cardiology andCardiac CT of the European Society of Cardiology and the European Council of Nuclear Cardiology. Eur Heart J， 2008， 29 :531-556

［3］齐琳，毛定飚，毕正宏，等.宝石能谱CT显示支架内腔及再狭窄体模初步实验研究.中国医学计算机成像杂志，2013，19：70-73

［4］ecchi F， De Cecco CN， Spearman JV，et al. Monoenergetic extrapolation of cardiac dual energy energy CT for artifact reduction. Acta Radiol，2014， 10. pii: 0284185114527867

［5］李 勇，孔祥泉，王成伟，等.宝石能谱CT不同比例ASIR在改善冠状动脉单能量图像质量中的初步应用.临床放射学杂志，2015，34：984-987

［6］Suh YJ， Kim YJ， Hong SR，et al. Combined use of automatic tube potential selection with tube current modulation and iterative recon struction technique in coronary CT angiography. Radiology， 2013，269:722-729

［7］Leipsic J， Labounty TM， Heilbron B， et al. Adaptive statistical iterative reconstruction: assessment of image noise and image quality in coronary CT angiography. AJR Am J Roentgenol， 2010，195 :649-654

［8］Abbara S， Arbab-Zadeh A， Callister T， et al. SCCT guidelines for performance of coronary computed topographic angiography: A report of the Society of Cardiovascular Computed Tomography Guidelines Committee . Cardiovasc Comput Tomogr，2009，3:190-204

［9］Lin XZ， Miao F， Li JY， et a1.High—Definition CT Gemstone Spectral Imaging of the Brain：Initial Results of Selecting Optimal Monochromatic Image for Beam-Hardening Artifacts and Image Noise Reduction.J Comput Assist Tomogr，2011，35：294-297

［10］王杏娟，任小璐，王雪梅，等. 能谱CT单能量成像在提高下肢CT静脉成像质量中的价值.中华放射学杂志，2013，47：563-565

［11］沈慧娟，曾宪智，刘义军，等.CT单能量成像在肝图像质量和诊断中的价值.中国医学计算机成像杂志，2013，19：519-523

［12］Fuchs TA， Stehli J， Fiechter M， et al. First experience with monochromatic coronary computed tomography angiography from a 64-slice CT scanner with Gemstone Spectral Imaging （GSI）.J Cardiovasc Comput Tomogr， 2013，7:25-31

［13］李 琼，于 红，张丽迭，等.迭代重建技术对胸部低剂量CT图像质量影响的初步研究.中国医学计算机成像杂志，2014，20：191-194

［14］侯 阳，于 兵，郭启勇，等.迭代重建对前置门控冠状动脉CT图像质量及辐射剂量的影响.中华放射学杂志，2013，47：305-309

Monochromatic Imaging Combined with ASIR of Dual Energy Spectral CT for Optimized Coronary Artery Imaging

PAN Cun-xue， XING Yan， GULINA Azhati， DANG Jun， LIU Wen-ya

【Abstract】Purpose: To evaluate the image quality of monochromatic reconstruction combined with ASIR of coronary artery CT angiography （CCTA） by the use of Gemstone Spectral Imaging （GSI）. Methods: Twenty patients who received CCTA on single-source dual-energy CT were enrolled in this study prospectively. The scanning mode was GSI， single-source instantaneous （0.5ms） kVp （140kVp and 80kVp） switch. The original images acquired were reconstructed into monochromatic energy （60， 70， 80， 90， 100， 110， 120， 130， 140 keV） axial images via 40% ASIR and the polychromatic axial images. The standard deviation （SD）， signal-to-noise ratios（SNR） and contrast-to-noise ratios（CNR） were measured in aortic root， LMA， RCA root， mid-LAD and mid-RCA at different monochromatic energy levels and polychromatic images. Randomized block designed ANOVA were used to compare the difference of SD， SNR， CNR between monochromatic images and polychromatic images. Results: 1. The SD of aortic root，LMA， RCA root， mid-LAD， and mid-RCA at polychromatic images were （24.32±5.84） HU， （25.65±10.83） HU，（33.27±11.95） HU， （42.16±15.52） HU， and （35.58±13.21） HU. They were decreased when keV was increased， and all got the lowest level at 140keV images ［SDLMA （10.65±6.55） HU， SDmid-LAD （21.94±8.31） HU， SDRCA root （13.07±5.06） HU and SDmid-RCA （16.83±6.05） HU］ except SDaortic root got the lowest level （10.85±2.49）HU at 130 keV images； 2. The SNR of aortic root， LMA， RCA root， mid-LAD， and mid-RCA at polychromatic images were 11.47±1.97， 15.23±7.51， 10.19±3.98， 6.94±2.85， and 7.60±3.28， they were improved at （60-90）keV， （60-80）keV， （60-70）keV， 60keV and （60-70）keV images （P＜0.05）， and got the highest level at 60keV images （SNRaortic root 22.20±5.74， SNRLMA 23.82±11.19， SNRmid-LAD8.78±3.67， SNRRCA root 16.61±8.15 and SNRmid-RCA 8.91±4.12）； 3. The CNR of aortic root， LMA， RCA root， mid-LAD and mid-RCA at polychromatic images were 18.68±6.90， 18.74±7.12， 17.58±6.56， 12.29±2.40， and 17.88±7.16， they were improved at （60-80）keV， （60-80）keV， （60-80）keV， （60-70）keV， （60-70）keV images （P＜0.05）， and got the highest level at 60keV images in LAD （17.82±5.40）， at 70 keV images in all the other locations （CNRaortic root 29.73±8.46， CNRLMA 28.69±7.65，CNRRCA root 25.70±7.59 and CNRmid-RCA 21.62±10.23）. Conclusion: Compared with the polychromatic images，monochromatic energy images combined with ASIR resulted in significant SD reduction and SNR， CNR increment，thus coronary artery imaging could be optimized.

【Key words】Coronary artery； Spectral CT imaging； Iterative reconstruction

收稿时间：（2015.03.19；修回时间：2016.01.20）

基金项目：新疆乌鲁木齐市科技局科学技术计划项目，Y121320019

通信作者：刘文亚 （电子邮箱：13999202977@163.com）

通信地址：新疆乌鲁木齐市 鲤鱼山南路137号 ，乌鲁木齐 830054

中图分类号：R814.42

文献标志码：A

文章编号：1006-5741（2016）-02-0176-06