基于全模型迭代重建算法的低剂量胸痛三联CTA的应用

陈 岩，王建华，高希法，王荣洲

胸痛三联征在影像学上是指以胸痛为临床表现的3种疾病的合称，包括冠状动脉综合征、肺动脉栓塞和主动脉夹层。由于3种疾病的临床症状均以胸痛为首发症状且危及生命，因而早期明确病因和及时有效的诊治十分重要[1~3]。应用胸痛三联计算机体层血管造影（computed tomography angiography，CTA）检查可以对3种病变的存在与否、严重程度和累及的范围等进行明确诊断。胸痛三联CTA检查使用小螺距心电门控扫描，患者接受辐射剂量较高从而增加了患者随机性效应的发生率[4~6]。全模型迭代重建（iterative model reconstruction，IMR）是一种新的重建滤过算法，依靠CT系统软硬件的提升，通过重复的迭代接近理想模型来获取最优的图像质量，在降低辐射剂量的同时可维持对比度且不增加图像噪声。笔者在256层CT使用低辐射剂量联合IMR技术行胸痛三联CTA检查，对胸痛原因进行诊断和排除，并通过评价其主客观图像质量证实其临床诊断意义和可行性。

1 资料与方法

1.1 临床资料

选择2019年3月至2020年3月在江苏省中医院（南京中医药大学附属医院）门诊及住院的胸痛患者100例，其中男性54例，女性46例；年龄31～86岁，平均年龄61.87岁（标准差13.90岁）；心率50～120次/分，平均心率75.11次/分（标准差10.56次/分）；体质量47～90 kg，平均体质量66.50 kg（标准差10.40 kg）；身高1.48～1.82 m，平均身高1.66 m（标准差0.10 m）；体质量指数（body mass index，BMI）18.87～32.46 kg/m2，平均BMI 24.17 kg/m2（标准差2.29 kg/m2）。所有患者或家属均签署知情同意书，笔者研究通过医院伦理委员会审查。

选择标准：①临床因急慢性胸痛就诊并疑为胸主动脉、肺动脉、冠状动脉病变者；②患者无意识丧失或躁动，可配合检查（取仰卧位，屏气10 s）；③患者本人知情同意。

排除标准：①临床不稳定性、严重心律失常或心率>90次/分；②高度怀疑急性心肌梗死需尽早行急诊经皮冠状动脉介入（percutaneous coronary intervention，PCI）或搭桥术患者；③甲状腺功能亢进；④有碘对比剂过敏史或过敏体质；⑤高心肌梗死溶栓评分（≥5分）的患者；⑥严重心功能不全（失代偿期心力衰竭）、肾功能不全[美国肾脏病学会（Commission of Kidney Disease，CKD）分期4期及以上，肾小球滤过率（glomerular filtration rate，GFR）<30 mL/min]。

采用随机数字表法将100例患者分为常规剂量组（管电压120 kV，平均管电流510 mAs）和低剂量组（管电压100 kV，平均管电流150 mAs），各50例。常规剂量组男性26例，女性24例；年龄35～86岁，平均年龄64.48岁（标准差13.31岁）；心率50～120次/分，平均心率74.96次/分（标准差13.51次/分）；体质量47～90 kg，平均体质量66.50 kg（标准差10.40 kg）；身高1.48～1.82 m，平均身高1.65 m（标准差0.10 m）；BMI 18.87～32.46 kg/m2，平均BMI 24.19 kg/m2（标准差2.30 kg/m2）。低剂量组男性28例，女性22例；年龄31～83岁，平均年龄59.26岁（标准差14.34岁）；心率61～95次/分，平均心率75.26次/分（标准差7.61次/分）；体质量48～92 kg，平均体质量67.68 kg（标准差11.83 kg）；身高1.52～1.82 m，平均身高1.67 m（标准差0.10 m）；BMI 19.38～29.04 kg/m2，平均BMI 24.16 kg/m2（标准差2.29 kg/m2）。

两组性别、年龄、心率、体质量、身高、BMI比较，差异均无统计学意义（P>0.05）。

1.2 方法

1.2.1 扫描方法

患者准备：①去除颈部及胸部各种高密度异物，如项链、挂件、有金属配饰的衣物等；②对患者进行呼吸训练，要求每次能屏气10 s左右，并保证屏气时膈肌保持固定。扫描前进行呼吸训练，连接心电图监控，必要时给予降心率药物。

使用美国Philips 256层iCT系统；扫描范围从胸骨上凹至左肾上极，扫描长度200～350 mm；扫描时间7～10s，深吸气后屏气扫描。采用回顾性心电门控技术，自动螺距0.2～0.3；探测器128 mm×0.625 mm，对比剂跟踪触发扫描，监测点置于主动脉气管分叉处，阈值100 Hu。

两组皆采用CT系统配置的预设噪声控制技术，噪声指数（noise index）设置为19。常规剂量组：管电压120 kV，采用Dose Right技术，平均管电流约510 mAs；重建算法为滤波反投影法（filteredbackprojection，FBP），重建层厚0.9 mm，层间距0.45 mm。低剂量组：管电压100 kV，采用Dose Right技术，平均管电流150 mAs；重建算法为IMR，重建层厚0.9 mm，层间距0.45 mm。

1.2.2 对比剂注射方案

使用双筒高压注射器，于右肘静脉注射非离子型碘对比剂（碘普罗胺，370 mgI/mL）。对比剂注射方案：第1期以4.5～5.5 mL/s流率注射40～60 mL对比剂，第2期以3.0 mL/s流率注射对比剂30 mL，第3期则以3.0 mL/s流率注射30 mL 0.9%氯化钠溶液。造影剂总剂量设置约为体质量的1.2倍，最少不少于70 mL，最多不超过90 mL，注射速率根据患者静脉情况酌情设置。

1.2.3 观察指标

（1）图像质量主观评分：采用4分法对图像噪声、对比度、清晰度、有无运动异物等伪影做出评价，由2名心血管影像医师使用飞利浦Extended Brilliance Workspace（EBW）后处理工作站对原始图像进行二维及三维重建，打印胶片，做出诊断报告。2名医师对肺动脉、胸主动脉及冠状动脉3组血管及其重建图像质量进行主观评分，3组血管中以图像质量最差的一组作为评价标准。

（2）图像质量客观评价：用软件测定图像每个兴趣区的CT值、噪声，计算出其信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）、对比度噪声比（contrast noise ratio，CNR）。感兴趣区（region of interest，ROI）分别选择为每组图像的升主动脉根部、肺动脉主干、左冠状动脉主干、右冠状动脉主干及脂肪组织共5处。选择ROI的升主动脉根部、肺动脉主干及脂肪组织面积为（100±10）mm2，左冠状动脉主干、右冠状动脉主干面积为（10±2）mm2。对于主动脉及冠状动脉支架植入术后的患者，ROI注意避开受金属伪影干扰的区域。SNR=SI/SD；CNR=（SI-SI肌肉）/SD，其中：SI（信号强度，signal intensity）代表所测ROI增强CT值；SD（信号强度标准差，standard deviation of signal strength）代表所测ROI噪声（即标准差）；SI肌肉代表脊柱旁肌肉平均CT值。

（3）辐射剂量相关指标：记录每次扫描的管电压、管电流、扫描长度、CT剂量指数（computed tomography dose index，CTDI）、剂量长度乘积（dose length product，DLP）=CTDI×扫描长度、有效剂量（effectivedose，ED）=k×DLP（k为转换系数，胸部为0.014 mSv/mGy）。

1.2.4 评价标准

借鉴欧洲CT质量标准指南[7]，设置图像质量主观评价标准如下：优（4分），血管显示非常清晰，对比剂浓度很适当，无异物、运动伪影干扰；良（3分），血管显示较清晰，对比剂浓度适当，无异物伪影或伪影未对诊断产生影响；中（2分），血管显示欠清晰，对比剂浓度过高或过低，有异物或运动伪影，勉强做出大部分诊断；差（1分），血管显示模糊或中断，对比剂浓度太低无法识别，有异物或运动伪影，无法做出诊断。

1.3 统计学方法

使用SPSS 19.0软件包进行统计学分析，对两组患者的临床资料、主客观评价指标先进行正态分布检验。对患者常规剂量组与极低剂量加IMR重建组数据的患者体长、BMI、5处ROI的CT平均值、噪声、CNR、SNR、CTDI、DLP及ED采用两独立样本t检验。对医师主观评价进行一致性Kappa检验，对两组数据的主观评分进行独立样本t检验。P<0.05为差异有统计学意义，P<0.01为差异有显著统计学意义。

2 结果

2.1 胸痛三联CTA影像诊断结果

100例胸痛三联CTA患者中，3组血管病变分别为冠状动脉82%、肺动脉5%、主动脉80%；诊断所见血管病变包括主动脉粥样硬化、主动脉增粗、主动脉壁间血肿、主动脉内膜增厚、胸主动脉穿透性溃疡形成、冠状动脉粥样硬化伴或不伴管腔狭窄、心肌桥、肺动脉栓塞、肺动脉主干瘤样扩张等。其他发现包括心影增大、心包积液、肺陈旧性结核、肺气肿、肺水肿、肺间质性炎病变、肺部感染、肺小结节等。见图1、2。

图1 常规剂量组1例63岁女性胸痛患者三联CTA图像Fig.1 Triple CTA images of 63-year-old female patient with chest pain in conventional dose group

图2 低剂量组1例78岁女性急性胸痛患者三联CTA图像Fig.2 Triple CTA images of 78-year-old female patient with acute chest pain in low dose group

2.2 两组接受辐射剂量及影响因素分析

常规剂量组与低剂量组扫描长度比较，差异无统计学意义（P>0.05）；常规剂量组与低剂量组平均管电流、CTDI、DLP、ED比较，差异有显著统计学意义（P<0.001）。低剂量组扫描的ED[（7.68±1.70）mSv]降低，为常规剂量组[（17.10±3.58）mSv]的44.91%。见表1。

表1 常规剂量组与低剂量组辐射剂量相关指标比较Tab.1 Comparison of radiation dose related indexes between 2 groups

2.3 两组图像质量的主客观评价比较

2.3.1 两组图像质量的主观评分比较

2名医师对100例胸痛三联CTA图像质量主观评价有高度一致性（Kappa=0.746），100例2名医师评分皆为4分（共有90例），常规剂量组图像质量评分优秀率达86%，低剂量组达94%。医师1对胸痛三联CTA图像质量的主观评分常规剂量组为（3.84±0.42）分，与低剂量组[（3.98±0.14）分]相比，差异有统计学意义（t=-2.225，P<0.05）；医师2对胸痛三联CTA图像质量的主观评分常规剂量组为（3.84±0.47）分，与低剂量组[（3.94±0.24）分]相比，差异无统计学意义（t=-1.345，P>0.05）。见表2、3。

表2 两名医师主观评分一致性评价比较Tab.2 Comparison of consistency evaluation of subjective scores by 2 physicians

2.3.2 两组图像质量的客观评价比较

常规剂量组与低剂量组图像5处ROI的CT值、噪声、CNR和SNR比较，差异均无统计学意义（P>0.05）。见表4。

表3 两名医师对两组图像质量主观评分比较Tab.3 Comparison of image quality subjective scores between 2 groups by 2 physicians

表4 常规剂量组和低剂量组图像质量的客观评价比较Tab.4 Comparison of objective evaluation of image quality between 2 groups

3 讨论

胸痛三联CTA适用于表现为急性胸痛的3种疾病的中低风险的患者，在急性冠状动脉综合征高风险情况下，患者直接进行导管冠状动脉造影，以便评估冠状动脉并在需要时及时进行溶栓或介入治疗[1，8]。但胸痛三联CTA造成的辐射暴露同样令人担忧。其扫描范围比冠状动脉CTA长30%～40%；另外，胸痛患者的心率常较快，但是由于β受体阻滞剂可能带来副作用而不推荐使用，所以常常强制性使用回顾性心电图门控来防止采集失败，从而带来更多的曝光时间和辐射剂量[9]。近年来文献中报道的胸痛三联低剂量扫描多为双源CT系统或256排以上高端多层螺旋CT（multi-slice spiral CT，MSCT），可以通过前瞻性扫描、大螺距或者可变螺距技术等缩短曝光时间，或采用低管电压合并迭代重建技术来降低辐射剂量，但是其冠状动脉图像质量受心率波动影响且对设备性能有较高要求[10~12]。IMR技术是以微平板探测器系统为硬件基础，结合先进的软件算法，通过重复的迭代接近理想模型来获取最优的图像质量，对于装机率更高的单源CT系统特别是128排CT系统有重要的参考价值。

近年来，多项研究[13~19]将IMR应用于头颈部血管、肺动脉、肺结节筛查和泌尿系结石等，证实其可明显降低噪声，显著提升图像密度分辨率，但是针对低剂量胸痛三联CTA的研究尚少。笔者研究证明了基于IMR的低剂量胸痛三联CTA在保证较高图像质量的前提下，扫描管电压及管电流均有降低，有效辐射剂量降低为常规扫描剂量的44.91%，这对辐射剂量本来较高的三联CTA意义更加凸显。

笔者研究使用的是高浓度造影剂，采用单次注射三期不同流速的方案，总造影剂剂量根据患者体质量为70～90 mL，得到各组血管的CT值皆符合诊断要求。有研究试图降低造影剂的总量及浓度，多联合应用低浓度对比剂和低管电压方法，利用的是高原子序数的碘剂在低管电压下X射线衰减更多的光电效应原理，在保证图像诊断质量的前提下有效降低对比剂碘剂量和辐射剂量[20]。但是造影剂的总量不可太低，因为笔者采用单次三期注射，要保证采集时间窗内体循环和肺循环中同时有对比剂充盈，总的注射时间应达到20 s左右，否则会导致部分血管充盈不佳。而注射第2期降低注射速度的原因是防止上腔静脉、右心和肺动脉对比剂的浓度过高，而对邻近冠状动脉产生线束硬化伪影[21，22]。

笔者研究中两种协议对3种主要危及生命的疾病的诊断有很好的一致性（Kappa=0.746）。但是诊断质量中的良和优秀的分级与观察者的经验有关系，经验丰富的医生对图像的容忍度更高。研究中2名放射科医生对使用IMR图像有较高的识别度，与IMR图像主观观察表现出来的“平滑效应”有关系，这在其他采用迭代重建技术的研究中也被提到，其对细微解剖结构显示的影响尚待进一步研究，但是这种效应对疾病诊断没有太多影响[23~25]。

综上，基于IMR算法的低剂量胸痛三联CTA检查有重要的临床诊断价值，可对胸痛的病因做一站式的影像学诊断；低剂量胸痛三联CTA的主观和客观图像质量能满足临床诊断需求，同时可以显著降低有效辐射剂量，减少胸痛患者的放射致癌风险。