能谱CT最佳单能量技术、多模型迭代重建算法及虚拟平扫联合应用在头颈CTA应用研究⋆

李文超 李 强 李晨光 户彦龙 梁长华

新乡医学院第一附属医院放射科(河南 卫辉 453100)

脑血管疾病(CVD)的发病率及患病率逐年不断攀升，影响患者的工作及日常，严重威胁着人类的生存质量，是人类死亡和致残的主要原因[1]。早期快速准确地诊断CVD、及时治疗是降低CVD发病率、致残率及死亡率的关键[2]。计算机断层扫描(CT)血管造影(CTA)是一种非创伤性介入检查方式，头颈部CTA不但能清楚显示头颈部血管图像还可测定动脉血流量，对CVD做出准确的定性诊断，在CVD疾病中具有较高的应用价值，但传统CTA检查辐射大，需要注射的对比剂剂量高，对受检者伤害较大[3]。如何在满足诊断、确保影像质量的前提下，降低对比剂剂量及辐射是当前CT影像研究的热点。宝石能谱CT是一种新的CT成像技术，该技术通过瞬时变能高压发生器和快速切换高低电压，实现了在更低辐射剂量下产生40keV～140keV共101个连续清晰的单能量图像，但是能谱CT最佳单能量技术在提高靶血管内的CT值的同时，图像噪声也相应增加[4]。研究显示多模型迭代重建算法(ASIR-V)重建技术可减少单能量图像噪声以及辐射剂量，提高图像质量[5]，虚拟平扫技术采用碘物质分离技术在CT增强扫描图像中去除碘对比剂，获得无碘对比剂的虚拟图像，从而降低扫描次数，降低辐射剂量[6]。目前能谱CT最佳单能量图像、虚拟平扫技术联合ASIR-V重建技术在降低对比剂用量的报道十分少见，本研究旨在探讨利用能谱CT最佳单能量技术、虚拟平扫成像技术联合ASIR-V重建技术在头颈CTA成像中最大程度降低对比剂用量和辐射剂量的可行性，以期为临床头颈部CTA操作提供参考。

1 资料与方法

1.1 临床资料前瞻性选择2022年6月15日2022年至8月20日于新乡医学院第一附属医院接受头颈部CTA检查的113例CVD患者。

纳入标准：经头颅影像学检查证实为CVD，包括缺血性脑卒中(经CT检查确诊)、动脉血管痉挛(经数字减影血管造影检查确诊)、头颈部血管动脉粥样硬化(经CT检查确诊)等；行能谱CTA检查；符合CTA检查适应证；书面知情同意本研究。排除标准：碘对比剂过敏史；心肌梗死，心功能不全等心血管疾病者；肝、肾功能不全；孕期或哺乳期的妇女；意识障碍无法配合检查的患者。按扫描方式及对比剂用量分为常规剂量组(49例)、能谱低剂量组(49例)、能谱超低剂量组(15例)，常规剂量组患者资料：男26例，女23例，年龄48～89岁，平均(60.12±11.79)岁，体质量指数(BMI)24～28kg/m2，平均(24.82±3.73)kg/m2；疾病分类：缺血性脑卒中20例，动脉血管痉挛10例，颅内动脉瘤6例，头颈部血管动脉粥样硬化10例，其它3例。能谱低剂量组患者资料：男34例，女15例，年龄47～67岁，平均(60.12±9.52)岁，BMI23～28 kg/m2，平均(24.35±3.52)kg/m2；疾病分类：缺血性脑卒中23例，动脉血管痉挛7例，颅内动脉瘤5例，头颈部血管动脉粥样硬化11例，其它3例。能谱超低剂量组患者资料：男11例，女4例，年龄48～80岁，平均(59.81±9.42)岁，BMI 23～27 kg/m2，平均(24.25±3.69)kg/m2；疾病分类：缺血性脑卒中7例，动脉血管痉挛2例，颅内动脉瘤2例，头颈部血管动脉粥样硬化3例，其它1例。三组性别、年龄、BMI、疾病分类比较无统计学差异(P>0.05)，本研究已获得我院伦理委员会批准。

1.2 CTA检查CT扫描：仪器为美国GE Revolution CT扫描仪，三组患者均取仰卧位，自主动脉弓下缘2～3cm扫描至颅顶。扫描参数：自动管电流模式，固定噪声指数为10，探测器宽度0.625mm，螺距1.375：1，球管旋转速度0.5s/r，视野25cm×25cm，层厚5.0mm。经肘静脉高压注射碘普罗胺(规格370mgI/mL)，达到峰值后启动扫描，触发阈值100HU，嘱患者在扫描时勿做吞咽动作。常规剂量组：采用常规CTA扫描，管电压100kVp，对比剂剂量0.9mL/kg，注射速率5mL/s。能谱低剂量组：采用GSI模式，管电压80～140kVp，瞬时(0.5ms)切换能谱增强扫描，50%ASIR-V重建。对比剂剂量0.6mL/kg，注射速率5mL/s。能谱超低剂量组：GSI模式，管电压80～140kVp，瞬时(0.5ms)切换技术，50%ASIR-V重建联合虚拟平扫减影，对比剂剂量0.55mL/kg，注射速率5mL/s。虚拟平扫减影方法：先重建出增强期的虚拟平扫图像，利用Add/Sub软件对增强期及虚拟平扫期图像数据逐层相减，获得减影后数据。

图像后处理：将扫描图像和数据传输到GE AW4.7工作站，常规剂量组在混杂能量的基础上进行最大密度投影(MIP)、多平面重建(MPR)、容积再现(VR)等数据测量及图像后处理。能谱低剂量组及能谱超低剂量组在最佳单能量基础上进行MIP、MPR、VR等数据测量及图像后处理。由同一名10年以上CT审核技术医师在不知情情况下独立审片，选取颈总动脉上段、颈内动脉下段，在大脑中动脉M1段选择感兴趣区(ROI)，注意避免部分容积效应，圆形工具测量ROI面积为5mm²。测量同一平面颈内动脉、颈总动脉、主动脉弓、大脑中动脉M1段以及动脉周围肌肉组织CT值，以动脉周围肌肉组织CT值的标准差为背景噪声(BN)，计算最佳对比噪声比(CNR)=(血管CT值-肌肉CT值)／BN，信噪比(SNR)=血管CT值/BN。如果一侧无法测量，则取另一侧进行测量。

1.3 辐射剂量、对比剂剂量记录容积CT剂量指数(CTDIvol)、剂量长度乘积(DLP)，计算有效剂量(ED)=k×DLP，k为换算因子，等于0.0023mSv·mGy-1·cm-1，ED单位为mSv，DLP单位为mGy/cm。碘摄入量(g)=对比剂用量(mL)×体重(kg)×0.329g/mL，对比剂用量为注射对比剂的总量。

1.4 图像成像质量评价由两名10年以上CT医师应用盲法对图像质量进行评价：1分，仅显示目标血管主干及1级分支，对比剂充盈差，有严重伪影，管壁模糊，无法诊断；2分，仅显示目标血管主干及1级分支或少数2级分支，对比剂充盈断断续续，密度欠均匀，管壁欠光整，伪影较重，影响诊断；3分，目标血管主干及其1～2级分支显示清晰，对比剂充盈尚可，密度尚均匀，管壁尚光整，不影响诊断；4分，目标血管主干及其1～3级分支显示清晰，对比剂充盈，管壁光整，密度较为均匀；5分，目标血管主干及其1～4级分支显示清晰，强化良好，管壁光滑，密度均匀，无伪影[7]。

1.5 统计学分析SPSS 25.00录入和分析数据，CT值、BN、SNR、CNR等连续性变量符合正态分布以()表示，采用单因素方差分析+LSD-t检验(两两比较)。一致性检验采用Kappa检验。疾病分类等计数资料以例(%)表示采用χ2检验，图像质量比较采用kruskall wallis H检验+Mann Whitney U检验(两两比较)。检验水准α=0.05。

2 结果

2.1 图像客观指标比较三组B N 比较差异无统计学意义(P>0.05)，能谱超低剂量组主动脉弓CT值、颈总动脉CT值、颈内动脉CT值低于能谱低剂量组和常规剂量组(P<0.05)，能谱低剂量组主动脉弓CT值、颈总动脉CT值、颈内动脉CT值低于常规剂量组(P<0.05)。能谱超低剂量组和能谱低剂量组大脑中动脉M1段CT值、颈部血管SNR、颈部血管CNR、脑部血管SNR、脑部血管CNR均低于常规剂量组(P<0.05)，见表1。

表1 三组CT值、BN、SNR、CNR差异

2.2 图像主观评价比较三组图像质量评分均在3分以上，均可满足临床诊断。两名医师对图像主观评分一致性较好(Kappa值=0.904，P<0.05)。三组图像评分分布差异显著(P<0.05)，能谱超低剂量组和能谱低剂量组优于常规剂量组(P<0.05)，见表2。各组头颈部血管增强VR图像及CT值见图1A-图1D～图3A-图3D。

图1A-图1D 常规剂量组头颈部血管增强VR图像及CT值图2A-图2D 能谱低剂量组头颈部血管增强VR图像及CT值图3A-图3D 能谱超低剂量组头颈部血管增强VR图像及CT值

表2 三组图像质量评分差异[例(%)]

2.3 辐射剂量、对比剂剂量比较能谱超低剂量组和能谱低剂量组CTDIvol、DLP、ED、对比剂用量、碘摄入量均低于常规剂量组(P<0.05)，能谱超低剂量组对比剂用量、碘摄入量低于能谱低剂量组(P<0.05)，但是CTDIvol、DLP、ED和能谱低剂量组之间比较无统计学差异(P>0.05)，见表3。

表3 三组辐射剂量、对比剂剂量差异

3 讨论

头颈部CTA是一种无创快速的血管成像技术，具有空间和时间分辨率较高等优点，对CVD诊断率高且实用性强[8]，但是头颈部CTA检查往往需要静脉内注入高浓度、大剂量的碘对比剂以增强血管成像质量，提高诊断效果，由于头颈部CTA检查辐射剂量大，若对比剂使用量过多、注射速率过大，可能增加肾毒性，促使肾管形细胞凋亡和坏死，增加对比剂肾病的风险，将急性肾炎和慢性肾炎、肾功能不全患者排除在外[9]。有学者提出降低管电压或减少对比剂用量[10]，但随之即会产生图像噪声增加、浓度分布不均、影响图像质量等问题，在不降低成像质量的前提下，尽可能降低放射剂量，尽最大程度减少对比剂量成为放射影像医学界迫切需要解决的问题。

能谱CT具有采集时间长、辐射过高、图像空间分辨率低等缺点[11]，随着能谱CT成像技术的不断改进，宝石能谱CT应用而生，其以宝石为探测器材料，通过利用球管高、低电压瞬间切换的曝光技术，减少外界干扰，提高成像质量[12]。在能谱CT中，通过球管高、低电压瞬间切换的曝光技术可获得101个40 keV～140keV的单能量图像，有效地改善血管对比度[13]。本研究能谱低剂量组主动脉弓CT值、颈总动脉CT值、颈内动脉CT值、颈部血管SNR、颈部血管CNR、脑部血管SNR、脑部血管CNR、CTDIvol、DLP、ED、对比剂用量、碘摄入量低于常规剂量组，成像质量高于常规剂量组，表明能谱CT最佳单能量技术联合ASIR-V技术可降低图像信噪比和噪声比，提高成像质量，并显著降低放射剂量和对比剂剂量。

分析能谱CT最佳单能量技术联合ASIR-V技术提高图像质量的原因为：首先，最佳单能量技术可改善血管对比度，提高显示度[14]，而常规CT使用低管电压时会增加图像噪声从而降低图像质量。其次，能谱CT最佳单能量技术可利用金属伪影减少软件(美国GE公司MARs)克服金属、线圈和支架等致密金属物质造成的严重伪影，进而提高图像质量[15]。第三，ASIR-V是一种CTA图像噪声的新技术，可降低低剂量扫描导致的图像噪声，提高空间分辨力及图像密度，保证重建图像可信性[16]。能谱CT最佳单能量技术联合ASIR-V技术降低放射剂量的原因为：能谱CT最佳单能量技术具有快速千伏峰值切换技术，且在低能量(80kVp)下高能量(140kVp)曝光时间长，因此能降低辐射剂量[17]。ASIR-V较常规CT图像重建算法-传统滤波反投影法所需的投影数据少，ASIR-V运算时间短，因此能在较低的辐射剂量下重建出质量较高的图像[18]。

本研究能谱超低剂量组对比剂用量、碘摄入量低于能谱低剂量组和常规剂量组，成像质量与能谱低剂量组相当，表明能谱CT最佳单能量技术联合ASIR-V、虚拟平扫技术可进一步降低对比剂剂量，并保障成像质量。田兆荣等人[19]采用能谱CT虚拟平扫联合ASIR-V，较非能谱平扫降低47.9%辐射剂量，明显降低图像噪声，改善甲状腺图像质量，分析原因为：能谱CT抑碘技术可将碘剂分离，通过增强扫描获得密度图，该图仅显示水成分，因此可用其代表平扫影像，避免平面扫描与增强功能相结合的双期扫描，优化扫描程序，降低扫描次数，缩短扫描时间，减少辐射剂量和不必要的潜在损伤，并获得与常规CT平扫相当的图像质量[20]。虚拟平扫技术保证成像质量的原因在于动脉期影像上对比剂主要集中在动脉血管中，因此虚拟平扫影像上所得到CT值接近于常规扫描影像[21]。本研究能谱超低剂量组CTDIvol、DLP、ED和能谱低剂量组之间比较无差异，可能与能谱超低剂量组样本例数过少有关。

综上，与常规CTA、能谱CT最佳单能量技术联合ASIR-V比较，能谱CT最佳单能量技术联合ASIR-V、虚拟平扫技术能改善图像质量，降低放射剂量和对比剂剂量，在颈部CTA中具有更高的应用价值。本研究局限性在于能谱超低剂量组样本量偏少，且为前瞻性研究，ASIR-V仅选择50%迭代，需要增加不同迭代水平进一步研究。