全模型迭代重建算法（FIRST）在低剂量冠状动脉CTA中的应用研究

王明，马壮飞，朱亚新，王沄，付海鸿，王怡宁，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

随着科技的不断进步，多层螺旋CT的发展更是日新月异，冠状动脉CT血管造影（Coronary CT Angiography，CCTA）逐渐成为诊断冠心病最重要的检查方式[1]，现已广泛运用于临床。然而，CCTA检查的X射线对人体有害，高剂量电离辐射所带来的潜在风险逐渐被人们所关注[2-3]。作为放射医务工作者，我们应该秉承获得足够诊断信息及合适图像质量的同时，尽可能降低辐射剂量的原则。临床工作中，降低CCTA检查辐射剂量的方法有降低管电压、降低管电流、大螺距扫描、减少扫描范围、前瞻性心电门控触发扫描以及新型的重建算法等[4-6]。因为辐射剂量与管电压的平方成正比，所以降低管电压是降低辐射剂量最有效的方法[7-12]。但是，降低扫描管电压，图像的背景噪声变大，图像质量会大幅降低。

全模型迭代重建算法（Forward Projected Model-Based Iterative Reconstruction Solution，FIRST）为佳能公司特有的重建算法，可以应用于全身各个部位，由于本文的研究方向为低剂量CCTA，因此选择了应用于CCTA的算法FIRST_Cardiac。本文就80 kV低剂量CCTA扫描条件下，将FIRST_Cardiac与混合迭代重建算法（Adaptive Iterative Dose Reduction 3D，AIDR-3D）及滤波反投影法（Filtered Back Projection，FBP）所重建冠状动脉图像进行比较，探讨其在图像优化中的可行性及临床价值。

1 材料与方法

1.1 一般材料

选取我院2020年5至8月45例临床怀疑冠心病患者，男23例，女22例；年龄37～82（59.3±11.1）岁；体质量指数为18.34～29.35（24.7±2.7）kg/m2。采用佳能Aquilion ONE GENESIS 640层CT进行CCTA检查，检查前全部签署危险告知书。入组标准：非碘对比剂过敏者，非心律不齐，并且心率小于70次/min。排除标准：冠脉钙化斑块、冠脉支架或搭桥术后等。

1.2 检查方法

患者取仰卧位，足先进，出床扫描，范围始于气管分叉下方约1 cm，终于心脏膈面水平，检查前为患者做屏气训练，无硝酸甘油禁忌症者常规舌下含服硝酸甘油0.5 mg，连接心电导线，显示动态心电图，肘前静脉穿刺，使用双筒高压注射器注入碘帕醇注射液（370 mgI/mL）和生理盐水，对比剂注射按照165 mgI/kg个性化设定，见表1。盐水为30 mL，运用对比剂自动跟踪触发技术，检测降主动脉层面CT值，患者注射14 s后提前屏气，当降主动脉CT值达到280 HU时直接触发扫描，采用前瞻性心电门控模式，依据患者的心率自动选择曝光范围。扫描参数设置为：管电压80 kV，准直器320×0.5 mm，开启自动调节管电流技术，图像噪声标准差（Standard Deviation，SD）为33，旋转时间0.275 s，层厚0.5 mm，层间隔0.25 mm。原始数据分别采用FIRST_Cardiac、AIDR-3D和FBP进行重建，四组算法重建图像传至workstation VITAL工作站。

表1 对比剂注射方案（80 kVp，165 mgI/kg）

1.3 图像质量评价

1.3.1 客观图像质量评价

选取4组同期相、同层面和同位置的横轴位图像进行测定和记录，分别测量主动脉根部，左主干，前降支近、中、远段，回旋支近、远段及右冠状动脉近、中、远段的管腔及邻近脂肪成分CT值和SD值，并计算前降支、回旋支和右冠状动脉的平均CT值和SD值，以及图像的信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）和对比噪声比（Contrast to Noise Ratio，CNR）：CT血管/SD血管，CNR=(CT血管-CT脂肪)/SD脂肪。图像噪声定义为感兴趣区（Region of Interest，ROI）内CT值的标准差（Standard Deviation，SD）。图1为三种重建算法图像的主动脉根部ROI测量示意图。

图1三种重建算法图像的主动脉根部ROI测量示意图

1.3.2 主观图像质量评价

根据美国心脏协会推荐的标准，将冠状动脉树分为18个节段[13]，闭塞血管以远段不计入分析。由两名高年资影像科医师采用双盲法对图像质量进行评分。采用Likert4级评分法[14]：1级：血管显示良好，边界清晰，无阶梯状伪影和血管中断；2级：血管有轻度伪影，节段轻微模糊；3级：血管有中度伪影，无节段不连续；4级：血管显示不清，节段走行不连续，有严重阶梯状伪影。图像主观评级1～3级认定图像可被临床接受。

1.4 辐射剂量

查阅扫描CT设备上显示的数据，记录患者的总剂量长度乘积（Dose Length Product，DLP）和CT容积剂量指数（CT Volumetric Dose Index，CTDIvol），通过公式计算有效辐射剂量（Effective Dose，ED），ED=DLP×0.014（单位为 mSv）。

1.5 统计学分析

采用SPSS 20.0软件进行统计学分析，计量资料采用均值±标准差（±s）的形式表示。首先采用单样本Kolmogorov-Smirnov检验数据是否符合正态分布，若数据符合正态分布则采用单因素方差分析三组数据是否具有统计学差异，如有统计学差异则进行两两比较，若不符合正态分布则采用非参数检验进行统计分析，P＜0.05为差异有统计学意义。两位医师对于图像质量的主观评分一致性分析采用 Cohen’s Kappa 检验。

2 结果

本次试验共连续纳入45例患者，均成功完成CCTA检查。结果显示：三组重建方式所得图像的冠脉各节段CT值差异均无统计学意义（P＞0.05）（表2）。FIRST_Cardiac组冠脉各节段图像SD值均明显低于AIDR-3D组和FBP组，差异有统计学意义（P＜0.001）（表3），两两比较均有统计学差异（P＜0.001）。FIRST_Cardiac组冠脉各节段SNR和CNR均明显高于AIDR-3D组和FBP组，差异有统计学意义（P＜0.001）(表4～5)，两两比较均有统计学差异（P＜0.001）。所有患者有效辐射剂量平均值为（0.82±0.17）mSv。

表2 三组冠脉各节段CT值比较

表3 三组冠脉各节段SD值比较

表4 三组冠脉各节段SNR值比较

表5 三组冠脉各节段CNR值比较

一共入组45例患者，每个患者的冠状动脉树分为18个节段，因此总共有810节段，但是有些患者的冠状动脉树节段闭塞，因此可评分的冠状动脉树节段为768节段。医生一结果：FIRST_Cardiac组：1分占92.9%（714/768），2 分占 7.1%（54/768），3 分为 0（0/768），4 分为 0（0/768）；AIDR-3D组：1分 占 19.9%（153/768），2分 占 65.2%（501/768），3分占 14.9%（114/768），4分为 0（0/768）；FBP组：1分 为 0（0/768），2分 为 0（0/768），3分 占59.8%（459/768），4分占40.2%（309/768）。医生二结果：FIRST_Cardiac组：1分占93.2%（716/768），2分占6.8%（52/768），3 分为 0（0/768），4 分为 0（0/768）；AIDR-3D 组：1分占20.3%（156/768），2分占65.6%（504/768），3分占13.8%（106/768），4分占0.3%（2/768）；FBP组：1分为0（0/768），2 分 为 0（0/768），3 分 占 60.4%（464/768），4分占39.6%（304/768）。两位医师对于图像质量的主观评分一致性较好（Kappa=0.915）。图2为三种重建算法的容积再现（Volume Rendering，VR）图，由图可知，FIRST_Cardiac重建算法的VR图噪声最小，冠脉血管的显示最清晰，具有最高的主观图像质量。

图2 三种重建算法图像的VR示意图

3 讨论

FIRST是一种全新的迭代算法，通过在投影空间和图像空间优化图像质量，大幅度地提高图像的空间分辨率和密度分辨率[15]。本文通过客观指标和主观评分两方面对传统的FBP、AIDR-3D和最新的FIRST算法在低剂量条件下对冠脉图像质量进行比较，初步探讨FIRST算法在低剂量CCTA中的应用价值。本研究的创新点为80 kV低辐射剂量配合低对比剂流率和低对比剂用量以及使用全新的FIRST_Cardiac重建算法应用于CCTA图像重建。

本试验结果显示：入组患者所受平均有效剂量为（0.82±0.17）mSv，较常规CCTA检查辐射剂量明显降低。个性化的对比剂注射方案，真正实现了低对比剂流率和低对比剂用量，大大降低了对比剂外渗、机体过敏等风险，让受检患者得到了更好的保护。图像质量方面，80 kV CCTA联合FIRST_Cardiac重建算法所得冠脉图像各节段噪声明显低于AIDR-3D组和FBP组，分别降低了41.5%和73.7%，而其冠脉各节段SNR和CNR及定性图像质量评分则均显著高于其余两组。有些研究也使用了FIRST重建方法评价冠脉图像质量。Maeda等[16]对比了低剂量下FIRST重建方法和标准剂量下AIDR-3D重建方法评价CCTA的图像质量，结果发现即使在低剂量下FIRST重建图像的主观评分依然高于标准剂量下AIDR-3D重建图像，并且相比于标准剂量组，低剂量组的剂量降低了28%。然而，上述研究在低剂量组只是改变了管电流。在本研究中，由于降低管电压可以有效地降低辐射剂量[17-18]，因此我们选择了管电压为80 kV，在低剂量下对比了三种重建方法的图像质量。Hirata等[19]对比了FBP、AIDR-3D、FIRST_Body和FIRST_CardiacSharp四种重建方法下CCTA的图像质量，结果发现相比于FBP和AIDR-3D重建方法，FIRST重建方法在主观和客观上都提高了图像质量，同时FIRST_Body重建图像的噪声最低，CNR最高，FIRST_CardiacSharp重建图像的主观评分最高。但是上述研究没有提及FIRST_Cardiac重建方法，同时并没有在低剂量下进行图像质量的对比研究。本研究在80 kV低剂量的条件下对比了三种重建方法的图像质量，并且得出了FIRST_Cardiac重建方法无论是在主观还是客观方面都明显地提高了图像质量。另外，有些研究也探究了在低剂量条件下评估CCTA的图像质量。Pan等[20]和Cha等[21]对比了管电压为80 kV和100 kV下CCTA的图像质量，结果发现管电压为80 kV时的CCTA图像可以在保证图像质量的条件下有效地减少辐射剂量。因此，本研究选择了80 kV作为管电压探究低剂量下FIRST重建方法的图像质量。另外，有些研究也探究了其他种类的全模型迭代重建的CCTA图像质量。Ippolito等[22]将低剂量的全模型迭代重建和标准剂量的混合迭代重建的图像质量进行了比较，结果发现低剂量下全模型迭代重建的图像质量更高并且图像能够正确地用于评估冠状动脉疾病。本研究与上述研究得到的结论具有一致性，并且像FIRST这种全模型迭代算法有助于评价细小的血管结构。

本研究亦存在两点不足之处：① 没有使用FIRST重建方法对钙化斑块和支架患者的图像质量进行评价。Funama等[23]对比了FBP、AIDR-3D和FIRST重建方法评价冠脉钙化的图像质量，结果发现FIRST重建方法可以有效地提高斑块密度和管腔斑块对比度，增加冠脉斑块的可视性，这个也是我们未来的研究方向；② 入组人数相对较少，今后的研究还需要增加入组人数。

综上所述，相比于传统的重建算法，FIRST重建算法可以明显改善80 kV低剂量CCTA的图像质量，降低图像噪声，提高图像SNR和CNR。