“三低”剂量与图像重建算法在CT血管成像应用中的研究进展

四川大学华西医院 放射科，四川 成都 610041

引言

心脑血管疾病无论是在发达国家，还是在发展中国家，都具有高发病率、高致死率和高致残率的特点[1-2]。数字减影血管造影技术（Digital Subtraction Angiography，DSA）因其具有较高的时间分辨率和空间分辨率，是目前临床诊断血管疾病的“金标准”。然而，DSA是一种侵入性影像学检查手段，可引起缺血性脑卒中、心肌梗死，甚至死亡等并发症[3-4]。CT血管成像（Computed Tomography Angiography，CTA）不仅检查流程便捷、检查费用低，而且还是一项无创的影像学检查手段，在临床上被广泛用于血管病变的筛查和治疗前评估，常见检查部位包括冠脉CTA、头颈部CTA、主动脉CTA等[5-7]。虽然CTA不是临床诊断血管疾病的金标准，但其诊断血管病变的敏感度和特异性均较高，甚至在血管管壁评价方面优于DSA[8]。

随着CT辐射剂量的增加，受检者发生随机辐射效应的风险也明显增加，研究发现，CT带来的辐射损伤占所有医疗辐射损伤的一半左右[9]。美国的一项流行病学研究表明，有1.5%～2%的肿瘤可能与CT扫描产生的电离辐射有关[10]。国际辐射防护委员会提出保证CT图像质量满足诊断要求的前提条件下，尽可能降低患者接受的辐射剂量[11]。无论是医疗行业管理机构，还是从事医学影像相关的研究者越来越重视X线辐射剂量的规范使用和规范管理，研究者均在合理应用X射线检查、优化辐射剂量方面较为关注[12]。碘对比剂的适当使用是CTA成功的关键因素之一，行CTA扫描时，对比剂通常使用5 mL/s的较高流速注射，对于血管弹性较差的患者存在血管破裂的风险[13]。此外，碘对比剂可引发肾脏损伤，导致对比剂肾病（Contrast-Media Induced Nephropathy，CIN）的发生，CIN占医源性急性肾功能衰竭原因中的第三位[14]。因此，降低对比剂注射流速和对比剂注射总量均使患者受益。然而，降低对比剂的注射流速即降低碘流率，会导致图像CT值下降，从而使客观图像质量的信噪比（Signal To Noise Ratio，SNR）与对比噪声比（Contrast To Noise Ratio，CNR）均有所下降。低剂量扫描CT（Low Dose CT，LDCT）中使用管电压的方法不仅可降低辐射剂量，还可以降低对比剂的流速和总量[15]。LDCT扫描必然会导致图像质量的下降，图像质量的下降主要原因是噪声的增加，因此，如何在降低X线辐射剂量的情况下，不降低图像质量，只有使用新的重建算法降低图像噪声。迭代重建算法（Iterative Reconstruction，IR）是低剂量CT扫描后应用最多的改善图像质量的方法，可明显降低图像的噪声，从而改善图像质量[16]。但是，既往IR算法应用于临床后出现“蜡像感”，也就是图像失真情况，那么最优IR算法是什么呢？随着图像重建算法的不断改进，基于人工智能（Artificial Intelligence，AI）的深度学习算法（Deep Learning Reconstruction，DLR）在改善图像质量方面也有相关研究报道，相比IR重建，DLR算法优势又如何？本文就低X线辐射剂量、低对比剂用量、流速和图像重建算法在CTA应用中的研究进展进行综述。

1 低辐射剂量、低对比剂用量和流速在CTA中的研究

CT检查采用X射线作为成像源，X线具有辐射效应。辐射剂量相关的影响因素较多，主要包括设备本身和检查时所采用的成像参数。涉及设备相关的主要参数包括：扫描模式、螺距、曝光时间、扫描范围、管电压和管电流等。在相同的扫描部位或同一类型的病人，通常扫描模式、曝光时间、扫描范围基本都是相对固定的，因此影响CT检查辐射剂量最重要的两个参数就是管电压和管电流。降低管电流会使CT图像噪声增加，致图像出现颗粒感，从而导致CT图像质量下降，但是如果在适当的范围内降低管电流，图像质量是可以满足诊断要求的[17-19]。然而，降低管电流不能提高血管内的CT值，因此不能实现降低患者对比剂流速和总量的目的。有文献研究表明，低管电压行CTA扫描不仅可以降低辐射剂量，而且还可以明显降低对比剂用量[20]。这是由于低管电压不仅与辐射剂量呈指数关系，且低管电压降低了X射线束能量，更接近碘对比剂K层电子的结合能，使得碘对比剂衰减增加，血管内CT值更高，从而提高CTA图像的SNR和CNR[21]。根据冠脉CTA成像技术规范化应用中国指南指出，建议冠脉CTA的主干分支血管的CT值在300～450 HU有利于诊断[22]。根据头颈部CTA扫描专家共识，建议头颈部CTA的主要血管分支的CT值超过200 HU就可以满足要求[23]。在管电压一定的前提下，对比剂的流速和总量决定了血管内的CT值高低。基于低电压与碘对比剂的原子特点，采用低管电压扫描的同时，可以使用较低的对比剂流注射流速和总量[24]。目前的研究结果表明，低管电压使用的大小可参考患者的体质指数（Body Mass Index，BMI）：①BMI≤25 kg/m2，选择超低管电压≤80 kVp；②25 kg/m2＜BMI≤30 kg/m2，选择低管电压90 kVp或100 kVp；③BMI＞25 kg/m2，管电压选择120 kVp[20]。邓亮等[25]研究表明，使用100 kVp管电压与120 kVp管电压行冠状动脉CTA扫描，对比剂的注射流速从6 mL/s降到4 mL/s，注射流速降低了23%，对比剂外渗率也明显降低。Qi等[26]使用80 kVp管电压行冠状动脉CTA扫描，不仅可以降低对比剂的注射流速，且可以使用更低的对比剂浓度，减少患者碘总量的注入。Kok等[27]分别使用70、80、100 kVp管电压和120 kVp高管电压在一个冠脉循环体模和60例冠脉CTA扫描病例的研究结果表明，在保持冠脉血管CT值无统计学差异前提下，100 kVp较120 kVp对比剂注射流速和总量降低的范围在12%～23%，80 kVp较120 kVp对比剂注射流速和总量降低的范围在34%～56%，70 kVp较120 kVp对比剂注射流速和总量降低的范围在45%～67%。有研究表明[28]，在142651例患者中发生对比剂外渗的病例仅为321例，外渗率仅为0.23%，虽然经过治疗，大部份患者都能较好的康复，但是对于老年或者合并糖尿病的患者，严重对比剂外渗可引起组织溃疡或者坏死。因此，预防对比剂外渗显得尤为重要，降低对比剂注射流速是预防外渗的有效方法之一[29]。因此，使用低管电压技术不仅可以降低CTA扫描时的辐射剂量，同时还可以在一定程度上降低对比剂的注射流速和总量，使靶血管内的CT值可接近高管电压、高对比较流速和总量条件下扫描的图像，保证了血管图像质量。

2 IR在低剂量CTA中的研究

CTA应用中，图像重建是体现CTA质量和效果的重要环节。传统CT图像重建通常使用滤波反投影技术（Filtered Back Projection，FBP），然而，低剂量CT扫描仍然使用FBP算法重建无疑导致图像噪声增加。为解决低剂量CT扫描图像噪声增加的问题，各设备厂家推出了IR来改善低剂量CT图像的噪声[30]。最初研发的IR算法虽然能够在一定程度上解决图像噪声增加的问题，但是也会使图像产生“蜡像感”，导致血管边缘显示不清而影响诊断[31]。第一代IR算法是图像后处理上进行重建，第二代IR算法是基于CT原始数据的迭代重建，而第三代IR算法结合原始数据、图像和多模型三方面的数据进行图像重建。因此，后期研发的IR算法不仅改善图像噪声更加有效，而且不产生“蜡像感”图像[32-33]。

目前，低剂量扫描数据结合第二代和第三代IR算法进行图像重建研究的文献相对较多。Yuki等[34]分别使用IMR、iDose4和FBP对冠脉CTA的图像进行重建，结果显示使用IMR和iDose4两种算法获得的图像噪声小于FBP重建，其中IMR重建的图像最优。Laqmani等[35]将IMR应用于肺动脉CTA时，IMR获得的图像明显优于FBP重建的图像，IMR显示肺栓塞的栓子的能力更佳。Niesten等[36]使用IMR重建头颈部CTA图像时，头颈部CTA噪声降低，CNR提高，获得更佳的图像质量。Rompel等[37]使用第三代双源CT行3岁以内小儿胸部CTA时，使用70 kVp超低管电压联合ADMIRE重建算法与80 kVp管电压相比，图像质量保持不变，而患儿接受的辐射剂量从0.63 mSv降低0.36 mSv。汤振华[38]使用SAFIRE联合“三低”方案（低管电压、低对比剂量和低对比剂注射流速）在冠状动脉CTA应用的研究表明，使用80 kVp、对比剂总量按0.7 mL/kg计算、注射流速3.5 mL/s联合SAFIRE重建的冠脉CTA图像，与120 kVp、对比剂总量按0.9 mL/kg计算、注射流速5 mL/s联合FBP重建的冠脉CTA比较，客观图像质量与主观图像质量差异均无统计学意义。Benz等[39]应用ASIR-V重建超低剂量扫描的冠脉CTA图像，ASIR-V算法明显降低冠脉CTA图像噪声，提高图像质量。Chen等[40]在BMI≤23 kg/m2的患者冠脉CTA扫描时，使用70 kVp、碘对比剂注射速度以16 mgI/kg/s注射时间9 s、80%ASIR-V的方案与100 kVp、碘对比剂注射速度以25 mgI/kg/s注射时间10 s、60%ASIR-V的方案相比，图像质量可以满足诊断要求，辐射剂量和对比剂用量分别降低了75.3%和42.4%。因此，有效的图像重建算法，为“三低”技术改善CTA的图像质量提供了重要的辅助作用。

3 AI深度学习算法在低剂量CTA中的应用

IR算法能够很好改善图像噪声，无论是第几代IR算法，均建议低剂量扫描，且通常应用于正常BMI以下的患者或儿童[37,41]。Chen等[40]在冠脉CTA“三低”剂量研究中纳入的患者BMI小于23 kg/m2，应用范围相对受限。以往的学者研究认为，当BMI≤25 kg/m2时，可选择超低管电压≤80 kVp；当25 kg/m2＜BMI≤30 kg/m2时，选择低管电压90 kVp或100kVp；而当BMI＞25 kg/m2时，选择管电压120 kVp[20]。这些研究表明较大BMI或肥胖者接受低剂量CT扫描较难获得满意结果。虽然迭代重建技术较传统滤波反投影可以在低剂量扫描时，改善图像噪声，但是由于迭代重建技术使图像空间分辨率下降，使病变的影像特征和病变的检测能力很难获得满意的诊断结果[42-43]。

近年来，AI DLR应用于低剂量CT扫描并进行图像重建，大大提高图像质量的能力而备受关注[44]。目前，基于卷积神经网络（Convolutional Neural Network，CNN）的DLR算法是通过处理CT噪声过高和细节丢失的问题，提高图像质量。CNN还可以通过深度学习算法减少CT图像伪影[45]。刘珮君等[46]应用AI优化算法在平均BMI为（29.31±3.19）kg/m2的高BMI患者行冠脉CTA扫描时，管电压使用100 kVp，主动脉根部噪声从平均30.04降到9.50，SNR值从18.47升高到55.82，CNR值从24.10升高到71.62，客观图像质量改善明显，主观图像评分也明显增高，患者接受的平均辐射剂量约为2.3 mSv。王明等[47]应用AI成像优化联合迭代算法在“双低”主动脉CTA中的研究认为，“双低”剂量组使用80 kVp联合AI ClearView+90%算法与传统120 kVp使用FBP重建的图像相比，主观图像质量评分没有差异，但“双低”剂量组客观图像质量的SD值、CNR和SNR均明显优于120 kVp组。Tatsugami等[48]使用DLR算法应用于30例冠脉CTA成像，与混合迭代重建算法（Hybrid Iterative Reconstruction，HIR）相比，图像SD值从23.0 HU降低到18.5 HU，图像CNR明显提高，冠脉CTA血管边界的锐利度明显提高。Higaki等[49]使用DLR算法在一项体模研究表明，对体模行CT扫描后分别使用FBP、HIR、MBIR和DLR算法进行重建，结果显示DLR算法获得图像的SD最低，DLR的空间分辨率更高。因此，DLR算法获得的CT图像质量优于FBP和IR算法。当然，由于AI深度学习算法在临床应用和研究病例较少，且体模研究较多，其可靠性和稳定性还需再临床实践中大数据测试后才能确定，但是，采用DLR算法或其他方法的AI在图像采集和重建中的应用会越来越多，也是大势所趋。

4 总结与展望

综上所述，“三低”剂量在CTA中应用时，可以降低X线辐射剂量、减低对比剂用量和流速，减少CTA对患者的潜在风险，又能保证图像质量而不影响诊断。图像重建算法可用于改善低剂量扫描的CT图像质量，尤其是权重较高的IR。目前，“三低”剂量联合IR的技术常在儿童和正常BMI的患者使用，且图像的空间分辨率和图像特征尚需进一步提高。随着AI深度学习算法等新技术的应用，“三低”剂量CTA图像质量可进一步得以改善，包括图像空间分辨率和图像特征的提高，有望在高BMI的患者和血管疾病较严重的患者应用。由于AI深度学习算法处于刚起步阶段，很多研究尚不成熟，需要更多的临床研究证明其改善低剂量图像质量的能力。