自适应迭代重建算法在低对比剂肾动脉CTA扫描中的应用

郭长义，韩 冬，杨创勃 ，雷雨欣，贺太平，张喜荣

（1.陕西中医药大学第二附属医院CT室，陕西 咸阳 712000；2.陕西中医药大学附属医院医学影像科，陕西 咸阳 712000；3.陕西中医药大学医学技术学院，陕西 咸阳 712000）

CT肾动脉血管成像（Computed tomography angiography，CTA）技术是目前非侵入性诊断肾动脉血管性病变的常用检查方法[1]。然而，肾动脉CTA的广泛使用却会使辐射剂量增加，对比剂肾病发生率提高。因此，如何减少患者的辐射剂量和对比剂用量成为临床医生和影像科医生亟待解决的问题。自适应统计迭代重建 （Adaptive statistical iterative reconstruction，ASIR）是基于噪声模型的数据空间的迭代重建，已广泛应用于临床，相比于滤波反投影（Filtered back projection，FBP）具有很好地降低噪声和提高图像质量的能力[2-3]。本文旨在探索ASIR重建算法在降低肾动脉CTA对比剂用量的应用价值。

1 材料与方法

1.1 一般资料

收集我院2017年1—5月怀疑肾动脉血管源性病变行肾动脉CTA患者40例，男26例，女14例，随机分为两组（A组，B组），每组20例。A组：男15例，女 5 例，年龄（56.75±9.87）岁，体质量指数（Body mass index，BMI）（20.61±2.95） kg/m2；B 组：男 16 例，女 4 例，年龄（61.35±10.08）岁，BMI（20.74±3.56） kg/m2。所有患者意识清楚，能自主配合完成检查，血清尿酸及肌酐均在正常水平，无碘过敏史，无心、肝、肾等重要器官衰竭。本研究经医院伦理委员会批准，患者均签署知情同意书。

1.2 检查方法

采用GE宝石能谱CT（GE Healthcare Discovery CT750 HD），肾动脉能谱扫描模式。患者仰卧位，足先进，扫描范围从双肾上极至双肾下极水平，并对甲状腺及盆腔进行放射防护。扫描参数：管电压120 kVp，自动毫安，旋转时间 0.6 s，准直器 0.625×64 mm，层厚及层距为 5 mm，螺距 1.375：1。

对比剂均采用优维显370（370 mgI/mL），由德国Ulrich双筒高压注射器从肘中静脉注入，注射流率为3.5 mL/s。A组对比剂注射总量 600 mgI/kg，B组对比剂注射总量300 mgI/kg，注射结束后两组均以相同的流率注射盐水20 mL。采用小剂量监测法，触发扫描，将触发区放在腹主动脉的肾门水平，当腹主动脉的CT值到100 HU时进行触发扫描。

1.3 图像重建

A组采用40%ASIR 70keV重建图像；B组采用40%ASIR 40～70keV 间隔 5 keV 重建图像（40、45、50、55、60、65、70keV），共得到 7 组图像。 重建层厚均为0.625 mm，将重建后的图像传至GE AW4.4工作站（GE Volume Share 4 AW4.4，GE Healthcare）， 用Compare软件进行图像的观察和分析，应用统一的窗宽350 HU和窗中心50 HU。

测量每组图像的平扫和增强扫描后肾动脉的CT 值（分别记为 CT1，CT2）和标准差（分别记为 SD1，SD2），增强扫描后相同层面的竖脊肌CT值 （记为CT3）和标准差 （记为SD3）。感兴趣区 （Regions of interest，ROI）的放置：血管测量ROI应占据血管2/3的体积，尽量放置在血管中央；竖脊肌测量ROI应避开边缘、肌间隙的脂肪。各参数测量三次取平均值作为最终的数据进行保存。

1.4 图像评价

图像客观评价：根据下述公式计算信噪比（Signal to noise ratio，SNR）和对比噪声比（Contrast to ratio，CNR）：SNR=CT2/SD2；CNR=（CT2-CT3）/SD3。

图像主观评价：由两名有经验的影像医生对患者肾动脉的VR图像进行盲法评价，采用Sahani等[4]5分评价法：5分：清晰显示肾动脉主干及1～4级分支，血管边缘光滑，无呼吸运动伪影；4分：清晰显示肾动脉主干及1～3级分支，且3级分支≥5支，血管边缘光滑，无呼吸运动伪影；3分：清晰显示肾动脉主干及1～3级分支，3级分支＜5支，血管边缘光滑，无呼吸运动伪影；2分：清晰显示肾动脉主干及1、2级分支，2级分支＜4支，血管边缘光滑，无呼吸运动伪影；1分：显示肾动脉主干及1级分支，血管边缘模糊，有或无呼吸运动伪影。

1.5 统计方法

采用SPSS 16.0进行统计分析，计量资料采用均数±标准差表示。两名医生对于图像评分的一致性采用 Kappa 分析，Kappa 值≥0.75 为优、0.60～＜0.75 为良、0.40～＜0.60 为中等、＜0.40 为较差。两组间的年龄、BMI采用独立样本t检验，性别采用卡方检验。八种重建方法所得图像的客观数据采用单因素方差分析，主观评分采用 Wilcoxon检验。P＜0.05认为有统计学意义。

2 结果

2.1 两组间个体因素的比较

A、B两组间的年龄、BMI和性别之间没有统计学差异（P＞0.05），说明年龄、BMI和性别不会对本研究的实验结果产生影响（表1）。

表1 A、B两组间个体因素的比较

2.2 不同重建方法间图像主客观评价的比较

本研究中600mgI/kg 70keV组、300mgI/kg 40keV组和300 mgI/kg 45 keV组的主观评分医生1和医生 2 分别是 3.90±0.55 和 4.00±0.65，4.40±0.68 和4.50±0.60，3.55±0.83 和 3.70±0.80，图像质量主观评分两名医生均≥3分，肾动脉CTA图像质量能够满足诊断需求，两名医生的一致性检验Kappa值为0.825，具有很好的一致性。其中600 mgI/kg 70 keV组和300 mgI/kg 45 keV组间两名医师主观评分之间差异无统计学意义（P＞0.05）。 见表2，3 和图1，2。

600 mgI/kg 70 keV组和300 mgI/kg 45 keV组间，ΔCT、SNR值和 CNR差异无统计学意义 （P＞0.05），说明即使造影剂浓度降低一半，使用45 keV仍可以得到和常规造影剂用量（600 mgI/kg 70 keV）接近的图像质量，图像质量没有差异。

3 讨论

对比剂引起的肾病（Contrast-induced nephropa-thy，CIN）是指在应用碘对比剂3天内发生的无其他原因可解释的肾功能损害。其诊断标准是指在注入对比剂后血清肌酐（Cr）增加≥25%或在注入对比剂后48或72 h内其绝对值增加≥44.2 umol/L[5-6]。CIN已成为医院获得性急性肾功能衰竭最常见原因的第三位（发生率约11%），特别是在患有糖尿病或预先存在肾脏功能不全的患者[5-7]。目前，还没有预防CIN的有效策略，欧洲心脏病学会指南仅推荐使用水化治疗，或者降低对比剂用量来预防CIN的发生。所以如何在保证图像质量的前提下降低对比剂用量，这成为影像科医生一直关注的问题。

表2 不同重建方法间图像的ΔCT、SNR和CNR的比较

表3 不同重建方法间图像的客观参数和主观评分的P值结果

图1 不同重建方法间图像的ΔCT、SNR和CNR的柱状图比较。Figure 1.The bar graph of ΔCT，SNR and CNR of difference groups.

图2 图2a，2b对比剂总量为600 mgI/kg，用70 keV单能量水平重建的肾动脉CTA VR重建和横断面图像。图2c～2f为同一患者对比剂总量为300 mgI/kg，用45 keV和70 keV单能量水平重建的肾动脉CTA VR重建和横断面图像。Figure 2. Figure 2a and 2b show the renal CTA and axial image with 600 mgI/kg and reconstructed monochromatic images at 70 keV.Figure 2c～2f show the renal CTA and axial image with 300 mgI/kg and reconstructed monochromatic images at 45 keV and 70 keV.

能谱CT扫描模式使用高低电压瞬间切换技术，可以产生101组单能量图像。单能量图像在不同量水平上具有不同的特征，低keV具有高对比度，但对比度噪声较高；高keV硬化伪影少，但对比度也较低[8]。另外，碘的CT值在不同的单能量图像上变化显著，使用低keV可以升高碘的CT值。与传统FBP相比，ASIR具有可以在低信噪比（低剂量）条件下获得高质量重建图像的优点[3，9-10]。ASIR可以使用不同的权重去调节图像质量，从0%到100%，理论上讲，ASIR权重值越高，降低噪声的能力越强，但过高的ASIR权重会造成图像过度均匀，出现“塑料样伪影”，进而使图像质量下降而不能满足临床诊断的要求。本研究采用单能量图像结合40%权重的ASIR重建[11]，探索其在低对比剂肾动脉CTA扫描中的应用。

本研究结果表明，使用ASIR在肾动脉CTA中可以获得满足诊断的图像质量和更低的对比剂用量。本研究中低对比剂组采用低keV的单能量图像，隔5 keV重建，常规对比剂组采用70 keV单能量进行重建。在图像主观评价方面，研究结果显示600 mgI/kg 70 keV组和300 mgI/kg 45 keV组的主观评分医生 1 和医生 2 分别是 3.90±0.55 和 4.00±0.65，3.55±0.83 和 3.70±0.80， 两名医生的一致性检验Kappa值为0.825，具有很好的一致性，图像质量主观评分两名观察者均≥3分，说明这2组肾动脉CTA图像质量均能够满足诊断需求。在图像客观评价方面，600 mgI/kg 70 keV组和300 mgI/kg 45 keV组间，ΔCT、SNR值和CNR差异没有统计学意义，说明在对比剂用量降低50%的情况下，采用45 keV 40%ASIR重建可以得到和常规对比剂用量一致的图像质量和强化效果。这与赵永霞等[3]和成巧梅等[12]的研究结果基本一致。ASIR重建算法使用的是光子统计模型，从采集的原始数据开始校正噪声，并锐化边缘，从而具有显著的降低图像噪声和提高图像空间分辨率的能力[13]。研究表明[14]，ASIR在保证图像质量的前提下，可降低32%～65%辐射剂量。加之单能量图像中，低keV图像可以提高图像对比度，所以在降低对比剂用量的条件下，结合ASIR和低keV图像的对比度和空间分辨率基本不受影响，可以得到满足临床诊断的图像。

本研究的局限性：只使用了40%ASIR对图像进行重建，未对比分析不同权重重建图像的差异。由于病例数量有限，未能统计这两种扫描方案对肾动脉疾病的检出率的差异。

综上所述，ASIR在不影响肾动脉CTA图像质量的情况下，有效降低了对比剂浓度及用量，可以在临床上推荐使用。