100 kVp条件下全模型迭代技术对头颈CTA图像质量的影响

陆晓平，王沄，徐敏，马壮飞，王彦玲，付海鸿，陈钰，金征宇

1.中国医学科学院北京协和医院 放射科，北京 100730；2.佳能医疗系统（中国）有限公司，北京 100015

引言

头颈CT血管造影（CT Angiography，CTA）是头和颈部的非创伤性血管造影检查，该检查可以多角度反映动脉及其分支走形、狭窄程度和管腔内部结构，在血管畸形、动脉粥样硬化、动脉瘤、脑卒中等方面均具有较大的临床价值[1-2]。而不同重建方式的选择对头颈CTA中的血管显示情况也会产生影响，全模型迭代技术（Forward Projected Model-Based Iterative Reconstruction Solution，FIRST）是佳能医疗开发的基于模型的前向投影迭代重建，能够对整个成像过程进行精确建模以实现最佳的图像质量[3]。本研究在常规100 kVp条件下对比滤波反投影（Filtered Back Projection，FBP）、混合迭代重建算法（Adaptive Iterative Dose Reduction 3D，AIDR-3D Standard）、FIRST BRAIN CTA Standand三种不同重建方式，从客观和主观两方面探讨头颈CTA检查中可获得最佳图像质量的重建方法，评价FIRST在头颈部血管检查的应用价值。

1 材料与方法

1.1 临床资料

收集2021年3月内在我院进行头颈CTA检查的患者33例，其中男性20例，女性13例，年龄22～83岁，平均年龄（56.79±15.36）岁，BMI（24.44±3.25） kg/m2。纳入标准：① 年龄18岁以上；② 能配合检查，无运动伪影。排除标准：肾功能障碍、既往对含碘对比剂产生过敏反应者。所有患者均签署知情同意书，并通过本院伦理委员会批准（伦理批号：HS-2175）。

1.2 仪器与方法

所有患者均使用佳能Aquilion ONE GENESIS 320排宽体CT进行扫描，检查时取仰卧位，双臂放松置于身体两侧，并嘱患者平静呼吸且无吞咽动作。扫描范围由主动脉弓至颅顶，设定监测位置为胸主动脉，阈值设置为180 HU，使用双筒高压注射器经患者右侧肘正中静脉以4.0 mL/s的速率注射非离子型对比剂碘帕醇（370 mgI/mL）和生理盐水各40 mL，触发bolus tracking启动增强血管扫描，CT扫描参数：管电压为100 kVp，管电流智能自动调制，转速 0.5 s/r，噪声指数SD为1.5，滤波函数FC43，D-FOV300（M），准直器0.5×160，矩阵512×512，螺距0.8，扫描完成后重建出层厚与层间距均为1mm的FBP、AIDR 3D Standard、FIRST BRAIN CTA Standand共三组图像，并对图像进行最大密度投影（Maximum Intensity Projection，MIP）处理。

1.3 图像质量评价

客观评价：在三组重建图像相同层面的横断位上分别选取主动脉弓、颈内动脉、大脑中动脉、椎动脉、基底动脉、胸锁乳突肌进行感兴趣区域（Region of Interest，ROI）的勾画，勾画部位应密度均匀且避开钙化,记录各感兴趣区的CT值与标准差，选用胸锁乳突肌的标准差代表背景噪声（SD）。计算信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）和对比噪声比（Contrast to Noise Ratio，CNR），SNRROI=CT 值ROI/SD值ROI，CNR血管=（血管CT值-胸锁乳突肌CT值）/胸锁乳突肌SD值。

主观评价：由1名具有十年工作经验的放射科诊断医师对三组MIP图像的颅内血管显示情况进行评分，标准如下：5分：三级以上血管分支显示清晰，噪声小；4分：三级血管分支显示清晰，噪声小；3分：三级分支显示欠清，噪声较大；2分：二级分支显示好，噪声较大；1分：二级分支显示差，噪声大。认为图像评分≥3分为符合临床诊断需求，2分及以下为不符合临床诊断要求。

1.4 辐射剂量

记录设备自动生成的各患者CT剂量指数(CT Dose Volume Index，CTDIvol)、剂量长度乘积（Dose Length Product，DLP)的数值，有效辐射剂量 (Effective Dose，ED)用公式计算：ED＝DLP×k，k为权重因子[4]，见表1。

表1 不同身体部位有效剂量权重因子k

因为头颈部CTA检查范围较大，因此选择单部位的权重因子是不恰当的。本研究采用头、颈、胸各占1/3的方式进行计算，即k=1/3（0.0023+0.0054+0.017）=0.00823[5]。

1.5 统计学分析

数据采用R software (version 3.6.1, http://www.R-project.org)进行统计分析。采用Shapiro-Wilk检验数据是否满足正态分布，若数据满足正态分布，采用One-Way Repeated Measures ANOVA来分析多组间差异，P<0.05表示具有统计学差异。如果P<0.05，采用Paired Samples t-Test with Bonferroni correction进行组间两两比较，P<0.05表示有统计学差异；若数据不满足正态分布，采用Friedman test来分析多组之间的差异，P<0.05表示具有统计学差异。如果P<0.05，采用Wilcoxon signed rank test with Bonferroni correction进行组间两两比较，P<0.05表示有统计学差异。

2 结果

2.1 图像质量评价

客观评价：三组不同重建方式图像间的CT值仅在主动脉弓处具有统计学差异（P<0.001），在其余部位三组图像间的CT值没有统计学差异。两两比较：FITST组与另外两组相比在主动脉弓处的CT值均具有统计学差异（P<0.001），FBP组和AIDR-3D组的CT值比较在各部位均没有统计学差异。三组不同重建方式图像间的SD值、SNR、CNR在各部位均具有统计学差异（P<0.05），见表2。选取其中一位BMI指数为18.73 kg/m2、因头晕就诊的70岁女性患者FBP图像进行感兴趣区部位的勾画，见图1。

图1 选取的其中一位患者FBP图像进行感兴趣区勾画部位示意图

表2 FBP、AIDR-3D与FIRST图像的CT值、SD值、SNR和CNR结果

主观评价：FBP组图像评分为（3.67±0.48）分，AIDR-3D组图像评分为（3.39±0.66）分，FIRST组图像评分为（4.73±0.45）分，FBP组图像与AIDR-3D组图像间的评分值比较，无统计学差异（P>0.05），FIRST组图像与FBP组、AIDR-3D组间的评分值比较，均具有统计学差异（P<0.001）。选取同一位患者大脑前动脉层面的矢状位、层厚为30 mm的MIP图像进行主观评分，FBP组、AIDR-3D组和FIRST组评分分别为3分、4分和5分，FBP组和AIDR-3D组血管显示情况无明显差别，但FBP组噪声较大，FIRST组相比于另外两组血管显示更加清晰且噪声少，见图2。

图2 同一患者的MIP图像

2.2 辐射剂量

33例行头颈CTA检查的患者平均CTDIvol为（17.65±2.42）mGy，平均DLP为（573.93±74.49）mGy·cm，平均ED为（4.72±0.61）mSV。

3 讨论

头颈CTA检查速度快，操作简单，可以观察血管腔内外和管壁的病变，是临床上检查脑血管病的重要影像学方法。如何在实现头颈部大范围血管成像的同时保证颅内小血管的精细显像是放射科医师关注的重点问题。FIRST是一种快速的、先进的、集合正投影算法和全模型数据迭代的重建技术，包含噪声统计模型、扫描模型、光学模型和锥形束模型四种主要模型，可结合不同模式进行器官感知去噪，在提高空间分辨率的同时能够大幅度降低图像噪声[6]。

既往FIRST技术与其他重建方式相比，在肺部、心脏、腹部等方面的辐射剂量、图像质量均具有优异表现[7-10]，如Cameron等[7]对胸部低剂量CT的研究表明，与AIDR-3D相比，FIRST在肺窗的SD值下降44%，在软组织窗的SD值下降约32%。Maeda等[8]在对冠脉的研究中发现FIRST与AIDR-3D相比能够降低约28%辐射剂量，在对比度、信噪比和主观图像评价等方面也优于AIDR-3D。Wu等[10]在对腹部CTA的研究中发现FIRST与AIDR-3D和FBP相比能够在降低噪声的同时显著提高信噪比，在肝右动脉的CNR最高，且主观评价FIRST在三种重建中评分最高。但FIRST算法在头颈CTA检查方面的研究较少，本研究是在100 kVp扫描条件下对比FBP、AIDR-3D和FIRST三种重建方式对头颈CTA图像质量的影响，尤其评价不同重建方式对颅内细小血管的显示能力。有研究认为，100 kVp条件下的低电压扫描不但可以降低辐射剂量，还可以增强光电效应，增加含碘造影剂的血管和周围组织的对比程度，但图像的噪声会增加[11-12]。噪声是影响图像质量的重要因素，尤其影响颅内细小血管及后循环的对比显示清晰程度[13]。虽然可能管电压的降低会引起图像噪声的升高，但结合FIRST算法优秀的降噪能力，图像的信噪比依然可以保持较好的状态，因此本研究采用100 kVp的条件对比FBP、AIDR-3D和FIRST三种重建方式对头颈CTA图像质量的影响。

客观结果显示三组不同重建方式图像间的CT值仅在主动脉弓处具有统计学差异（P<0.001），FIRST组图像CT值高于另外两组30%左右，而在其余部位三组图像间的CT值没有统计学差异；三组图像间的SD值在各部位均有统计学差异（P<0.001），FBP组SD值最高，FIRST组SD值最低，在主动脉弓处FIFST组相比于FBP组SD值降幅约77%，在大脑中动脉处降幅最低约32%。三组重建图像间各部位的SNR值和CNR值均具有统计学差异，FBP组图像的CNR值最低，FIRST组图像的CNR值最高，在主动脉弓处FIRST组与FBP组相比CNR升高约260%，FIRST组与AIDR-3D组相比CNR升高约89%。在主动脉弓处因肩胛骨和体厚的影响导致图像在上胸部的噪声较高，图像质量较差，AIDR-3D组和FIRST组在此部位相比于FBP组均能明显提高信噪比，优化图像质量。Yu等[14]对比分析了不同重建方式对头颈部检查的影响，认为AIDR-3D比FBP能够在降低辐射剂量的同时保证血管和实质组织的图像质量，且在颈内动脉处的图像质量最好，本研究结果中颈内动脉的SNR值和CNR值基本高于其他部位，这一点与Yu等[14]的结论是一致的，但Yu等[14]的研究中并未涉及FIRST重建方式。Higaki等[15]在对冠状动脉的体模研究中发现血管的管径大小也会对图像的信噪比产生影响，比如管径在3 mm以下时FIRST组图像的信噪比会高于AIDR-3D。Olguin等[16]在对AIDR-3D和FIRST的CT图像质量对比研究中倾向于认为FIRST在脑部的成像细节中更具优势。而头颈部CTA的图像质量主要取决于CNR值[17-18]，因此在本研究的客观评价上FIRST重建算法相比与FBP和AIDR-3D更有优势。主观评价结果显示在对颅内小血管的显示能力上FIRST组MIP图像评分最高，与另外两组相比具有统计学差异，AIDR-3D组与FBP组两者之间的评分没有统计学意义。

本研究的局限性在于：① 样本量较少，未涉及头颈部病变的分析，为保证研究结果的可靠性应纳入更多的病例进行评价；② FIRST有多种重建模式和分级，本研究仅选用了FIRST BRAIN CTA Standand来进行对比分析，可能对研究结果产生偏差。

4 结论

综上所述，FIRST技术较FBP和AIDR-3D算法可以进一步降低噪声，增加图像信噪比，优化图像质量，在保证头颈CTA检查图像质量的同时对颅内小血管的显示能力更佳，可以在临床上加以应用。