全模型迭代重建技术（FIRST）在改善冠状动脉支架成像中的价值

曹立坤，王怡宁，易妍，王沄，马壮飞，闫静，付海鸿，金征宇

1. 北京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

冠状动脉粥样硬化性心脏病近十年来发病率增长2～3倍，死亡率不断增长，极大地威胁了人类的生命健康[1]。经皮冠状动脉介入治疗（Percutaneous Coronary Intervention，PCI）在冠脉置放支架，能够改善心肌血运，已成为治疗冠心病的主要手段之一[2]。但术后支架内再狭窄、闭塞、支架断裂等并发症的发生率较高[3-4]，患者仍面临心肌缺血和心肌梗死的风险。因此，对置入支架进行密切、精确的随访监测是心血管影像工作中极其重要的部分。

冠状动脉CT血管成像（Coronary CT Angiography，CTA）以其具备的无创性、空间分辨力高、检查成功率高等优势，已成为冠心病PCI术后复查的首选方法[5]。然而，高密度支架产生的线束硬化伪影极大地干扰了管腔内结构的显示[6]，加之管腔细小，为诊断医师评价支架内腔和结构造成困难。

全模型迭代算法（Forward Projected Model-Based Iterative Reconstruction Solution，FIRST）是近年来提出的首个应用于宽体探测器CT的全模型迭代重建算法，其经五种数学模型（统计模型、扫描模型、光学模型、锥形束模型和解剖学模型）进行多次图像迭代，得到最终图像。有研究认为其与传统的混合迭代重建法（Adaptive Iterative Dose Reduction 3D，AIDR-3D）、滤波反投影法（Filtered Back Projection，FBP）相比，能够降低图像噪声[7-9]，对细小管腔的显示有明显优势[10]。本研究旨在通过比较FIRSTCardiac（FIRST-C），FIRST-Cardiac sharp（FIRST-CS），AIDR-3D和FBP重建技术在冠脉支架节段的图像质量，探讨FIRST技术在改善支架成像质量中的能力。

1 材料与方法

1.1 临床资料

本研究回顾性纳入2020年4至8月于我院行CCTA检查的冠脉支架置入术后患者。排除以下情况患者：① 严重肝肾功能不全；② 碘对比剂过敏；③ 孕妇或哺乳期妇女；④ 严重心律不齐或失代偿性心功能不全；⑤ 接受冠状动脉旁路移植术或心脏起搏器置入术后；⑥ 图像质量差，运动伪影重。本研究共纳入44例患者，其中男33例，女11例，平均年龄（61.2±12.5）岁，体质量指数为（25.53±3.99）kg/m2。共纳入支架59枚，其中左前降支26枚，右冠状动脉17枚，左回旋支12枚，对角支2枚，左主干2枚。

1.2 仪器与方法

1.2.1 检查方法

采用佳能320排容积CT对所有患者行CCTA检查。患者检查前行呼吸训练，无硝酸甘油禁忌症者于扫描前5 min使用硝酸甘油气雾剂约0.5 mg，以扩张冠状动脉提高成像质量。心率大于70次/min的患者，检查前服用倍他洛克25 mg以控制心率。患者呈头先进仰卧位，扫描范围为气管分叉下方1 cm至心脏膈面水平。扫描方式采用前瞻性心电门控扫描方式，单个心动周期内完成全心图像采集。扫描参数为：管电压100 kV，管电流基于定位像自动调制，调节范围为40～800 mA，球管转速0.275 s/r，准直器宽度0.5 mm×320排。

使用双筒高压注射器及20 G套管经患者右侧肘前静脉以5 mL/s的速率注射造影剂（碘帕醇，370 mgI/mL）50 mL，随后以相同速率注入40 mL生理盐水冲刷。应用对比剂示踪法监测降主动脉（膈肌平面）CT值，当CT值达到触发阈值（280 HU）时，系统延迟2 s自动开始扫描。当患者心率小于75次/min，采集窗选择在最佳舒张期（70%～80% R-R间期）；当患者心率大于75次/min，采集窗选择在最佳收缩期（40%～50% R-R间期）。

1.2.2 图像后处理

使用FIRST-C，FIRST-CS，AIDR-3D（kernel值FC09）和FBP四种算法对所有患者原始数据进行重建，重建层厚0.5 mm，层间距0.25 mm。重建图像传输至佳能VITAL工作站行后处理，常规行多平面重组（Multi-Planar Reformation，MPR）、曲面重组（Curved-Planar Reformation，CPR）、容积再现（Volume Rendering，VR）等处理。

1.3 图像评价

1.3.1 客观评价

所有图像均在窗宽2000 HU、窗位500 HU下显示。客观指标包括：① 管腔信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）、对比噪声比（Contrast to Noise Ratio，CNR）：于AIDR-3D重建图像上，选取支架内管腔显示最佳的层面，确保4组图像选择同一层面，避开支架管壁及钙化斑块绘制感兴趣区，大小约为2.5 mm×2.5 mm，记录支架管腔CT值、管腔噪声、周围脂肪CT值以及近端正常冠脉管腔CT值，测量主动脉根部噪声作为背景噪声。计算：管腔SNR=管腔CT值/管腔噪声，管腔CNR=（管腔CT值-周围脂肪CT值）/背景噪声；② 支架可见内径：对支架血管做拉直处理，于轴面图像上分别测量近、中、远三个位置可见内径，取平均值作为支架可见内径；③ 支架管腔衰减率（Stent lumen Attenuation Increase Ratio，SAIR）用于评估支架晕状伪影对管腔内显示的影响[11]，公式如下：SAIR=（管腔CT值-正常冠脉CT值）/正常冠脉CT值，SAIR越高，支架晕状伪影对管腔影响越大，图像质量越差。

1.3.2 主观评分

由两位分别具备5年和3年CCTA诊断经验的放射科医师对所有支架节段进行双盲评分，评价内容包括支架结构及管腔内部显示，采用Likert五分法[12]：1分：图像质量很差，管腔内受伪影影响大，无法观察，支架结构模糊不清；2分：图像质量差，管腔可见但清晰度低，支架模糊，无法诊断；3分：图像质量中等，管腔内部可观察，但受图像噪声及伪影影响边界显示不清；4分：图像质量好，管腔内密度略高于正常水平，但不影响管腔评价，支架细小结构显示较清；5分：图像质量优，管腔内密度在正常水平，支架边界清晰，细小结构锐利分辨清楚。将图像质量评分3～5分血管定义为可评估血管，满足诊断需要，评分1、2分为不可评估血管。

1.4 统计学分析

连续变量采用均值±标准差（±s）表示，计数资料采用频率或构成比（%）表示。服从正态分布的计量资料的比较采用单因素方差分析，不服从正态分布的计量资料的比较采用相关样本Friedman秩和检验，而后进一步行两两比较。对两位观察者的主观评分行Kappa一致性检验，Cohen’s Kappa ≤ 0.40 为 一 致 性 差，0.41＜Cohen’s Kappa＜0.60 为一致性中等，0.61＜Cohen’s Kappa ＜0.80 为一致性良好，0.81＜Cohen’s Kappa ＜1.00 为一致性优。P＜0.05 视为差异存在统计学意义。

2 结果

2.1 客观评价

客观指标SNR、CNR、内径和SAIR值在组间均不服从正态分布。秩和检验结果显示，SNR在四组间差异存在统计学意义（P＜0.001），FIRST-C组 SNR值最大，为33.11±28.08，依次大于AIDR-3D、FIRST-CS和FBP组，两两比较显示FIRST-CS与AIDR-3D组间差异无统计学意义（P=0.275），其余组间差异均存在统计学意义。CNR在四组间差异存在统计学意义（P＜0.001），FIRST-C组最大，为28.23±5.25，依次大于AIDR-3D、FIRST-CS和FBP组，两两比较显示CNR各组间差异均存在统计学意义（P均＜0.001）。支架可见内径在四组间差异存在统计学意义（P均＜0.001），FIRST-CS组最大，为（1.96±0.42） mm，依次大于FBP组、FIRST-CS组和AIDR-3D组，两两比较显示可见内径在FIRST-CS组和FBP组间差异无统计学意义（P=0.336），其余组间差异均存在统计学差异。SAIR在四组间差异存在统计学意义（P＜0.001），FIRST-CS组最小，为0.32±0.27，依次低于FIRST-CS、FBP和AIDR-3D组，两两比较结果显示SAIR在AIDR-3D和FBP组间差异无统计学意义（P=0.943），其余组间差异存在统计学意义（P＜0.001），见表1～2。

表1 4种重建算法冠脉支架节段客观指标的统计值和比较结果

表2 4种重建算法冠脉支架节段客观指标的两两比较结果

2.2 主观评分

观察者1对FIRST-C，FIRST-CS，AIDR-3D和FBP四组图像的评分分别为4.17±0.46、4.64±0.64、3.90±0.61和2.93±0.79，观察者2对四组图像的评分分别为4.19±0.47、4.61±0.64、3.81±0.82 和 2.86±0.82。两观察者对FIRST-C、FIRST-CS、AIDR-3D和FBP四组图像评分的 Cohen’s Kappa值分别为 0.868、0.829、0.759和 0.895，一致性均在良好及以上。两观察者中，FIRST-C、FIRST-CS组图像的冠脉支架节段均可评估，FBP图像中16个（27.1%）冠脉节段不可评估；观察者1认为AIDR-3D图像中1个（1.7%）冠脉节段不可评估，观察者2认为AIDR-3D图像中2个（3.4%）冠脉节段不可评估。总体评分FIRST-CS组依次优于FIRST-C组、AIDR-3D组、FBP组（表3～4）。

表3 观察者1对4种重建算法冠脉支架图像的主观评分

表4 观察者2对4种重建算法冠脉支架图像的主观评分

FIRST-CS和FIRST-C图像中，支架管腔内密度正常，噪声较小、结构显示较好，FIRST-CS对于管腔内低密度区及支架壁细小结构的显示较FIRST-C更为清晰，图像质量均优于AIDR-3D和FBP， 见图1。

图1 46岁男性患者前降支中段支架冠脉MPR图像

3 讨论

冠脉CTA以其高空间分辨力、高成功率和非侵入性等优势，已成为临床评估PCI术后支架通畅度的首选影像学方法，能较好地显示支架位置和形态特征、远端血供[13]。但由于多层螺旋CT空间分辨率有限，金属支架导致的线束硬化伪影和部分容积效应导致的“晕状伪影”，严重干扰了支架管腔的评估[14]。支架高密度影向管腔内散射，支架壁较实际增厚，使得医师无法评估管腔情况或高估支架内再狭窄程度。因此，改善支架及管腔内成像质量是当前CCTA的研究重点。FIRST全模型迭代重建算法直接在原始数据域进行正投影，通过五种数学模型（统计模型、扫描模型、光学模型、锥形束模型和解剖学模型）计算仿真的正投影和原始投影数据之间的差值，经数学校正方法修正差别得到新的种子图像，而后重复多次类似的迭代过程达到收敛，最终得到与原始数据之间差别最小的FIRST重建图像。该过程同时优化了投影空间和影像空间的图像质量，在AIDR-3D增强的基础上将空间分辨率提升了224%，密度分辨率提升了100%[9,15-16]，为小内径管腔的显示以及腔内结构准确评估提供了新的技术可能。模体研究[10]发现FIRST在显示管径小于4 mm的细小血管时优于AIDR-3D。在心血管成像中，FIRST使用不同的滤波函数，分别生成图像较为平滑的Cardiac和更为锐利的Cardiac sharp。本研究从图像客观指标和医师主观评分两方面，首次探讨和比较了FIRST-CS、FIRST-C、临床常用混合迭代模型AIDR-3D和传统的FBP在显示冠脉支架内腔中的能力，为未来临床应用提供参考。

本研究的客观评价结果显示，FIRST-C相比AIDR-3D和FBP显著提高了管腔SNR、CNR，降低了管腔内噪声。FIRST-CS的SNR、CNR与AIDR-3D未见明显差异，但显著优于FBP。FIRST-CS重建图像的支架可见内径最大，且管腔受晕状伪影影响更小，对于管腔显示更加清晰，优于FIRST-C及其他两种算法。Tatsugami等[17]在关于冠脉支架的小样本研究中，发现FIRST的支架内径显示率、管腔衰减率均优于AIDR 3D；Tatsugami等[18]的另一研究根据支架直径将其分为小于3 mm组和大于3 mm组，两组内FIRST图像可见支架内径均大于AIDR-3D ，受金属伪影影响均小于AIDR-3D。以上结果与本研究结果一致。Yokomachi等[19]关于颈部支架的研究发现FIRST图像测量得到的支架直径与AIDR-3D和FBP相比更接近真实值，且在显示小直径支架中更具优势。说明FIRST全模型迭代算法能够有效降低噪声，提高图像SNR，并且能够提高图像空间分辨力，增强对细小血管和支架细小内腔的显示。

本研究主观评分结果显示，FIRST-CS、FIRST-C重建图像能够满足临床对支架评估的要求，评分优于AIDR-3D和FBP，部分AIDR-3D和FBP重建图像无法满足诊断要求。FIRST-CS相较其他三者，在支架节段的诊断满意度最高，这与客观评价结果中FIRST-CS能够更大地可见内径、受金属支架晕状伪影影响小相对应。Hirata等[8]比较了FIRST-C和FIRST-CS在显示冠脉分支和斑块中的能力，认为尽管FIRST-C血管SNR更高，但其在对斑块边界、结构的主观评分中不及FIRST-CS，这与本研究结果一致。这可能由于FIRST-CS相比FIRST-C图像锐利度高、空间分辨力好，使得支架周边射线硬化伪影显著减少，金属伪影对内腔影响减小。虽然FIRST-CS的SNR不敌FIRST-C组，但在可接受范围内；而FIRST-C组虽然大大降低了图像噪声，但图像过于平滑，管腔边界模糊，不利于内部管腔评价。FIRST-CS和FIRST-C准确评价支架再狭窄程度的能力，仍需冠脉造影结果作为金标准进一步验证。

本研究亦存在一些不足之处：① 样本量相对较小，未来需扩大病例数进一步验证；② 未获取患者置入支架的实际管径数据，仅比较了支架可见内径；③ 本研究只分析了冠脉支架图像质量的客观与主观评价，未与有创冠脉造影“金标准”结果对照；④ 未将FIRST算法与其他厂家全模型迭代重建算法，例如Veo（GE Healthcare，Milwaukee，WI）、IMR（Philips Healthcare，Cleveland，OH）等进行对比。未来应行前瞻性研究，进一步研究和比较该技术对支架内再狭窄的诊断准确性。

4 结论

综上所述，本研究结果表明FIRST有助于改善冠脉支架图像质量，FIRST-C能有效提高图像SNR，但FIRST-CS在降低金属晕状伪影、提高对支架壁显示和支架内腔可视化中更具优势，能为临床提供高质量图像，值得推广。