全模型迭代重建算法在头颈CT 血管成像中改善图像质量的应用

王国选，张雷，李玲,2，陈涓*

1.北京医院放射科 国家老年医学中心 中国医学科学院老年医学研究院，北京 100730；2.北京医院 国家老年医学中心国家卫生健康委北京老年医学研究所 国家卫生健康委老年医学重点实验室 中国医学科学院老年医学研究所，北京 100730；*通信作者 陈涓 13521566485@163.com

头颈部CT血管成像（CTA）与数字减影血管造影（DSA）[1]检查相比，无创、检查时间短、可重复性强，已广泛应用于临床[2-4]。随着CT设备的更新换代，通过高级别重建算法提高图像质量一直是研究热点。其中使用混合迭代重建（adaptive iterative dose reduction 3D，AIDR 3D）算法提高图像质量已常规应用于临床诊断。全模型迭代重建（forward projected model-based iterative reconstruction solution，FIRST）是一种全新的CT数据重建算法，其综合4种数学模型，进行多次迭代后得到最终图像，与AIDR 3D算法相比可以有效提高胰腺、胸部、冠状动脉CTA、腹部CTA、头颈部CTA的图像质量[5-8]。然而，CT应用频率的迅速增加，暴露于电离辐射以及辐射剂量问题日益受到关注，头颈部包括辐射敏感器官（甲状腺、眼晶状体），因此，低辐射剂量对于头颈部CTA检查尤为重要。本研究拟通过与成熟的AIDR 3D算法和传统的滤波反投影（filtered back projection，FBP）算法对比，探讨FIRST算法在提高较低剂量下头颈CTA图像质量的应用价值。

1 资料与方法

1.1 研究对象 回顾性分析2021年9—10月在北京医院行头颈CTA检查的患者32例。男23例，女9例，年龄39～82岁，平均（64.19±11.46）岁。纳入标准：因头颈部血管疾病行CTA检查；排除标准：图像存在金属伪影或运动伪影。本研究经本院医学伦理委员会批准（2021BJYYEC-037-02），患者或家属均签署知情同意书。

1.2 检查方法

1.2.1 扫描方案 采用佳能Aquilion one Genesis 320排宽体探测器CT。患者头先进，仰卧位，肩膀下垂，扫描中保持不动，避免吞咽。沿足-头方向从主动脉弓扫至颅顶。

选用头颈部CTA低剂量规范化扫描方案：螺旋Helical扫描模式，准直160×0.5 mm，螺距0.806，管电压100 kV，智能mA 12.5，转速0.5，扫描视野（M=280 mm），采集矩阵512×512，滤波函数FC43。

对比剂使用碘帕醇（370 mgI/ml），根据患者体重×0.8 ml/kg确定注射容量，注射时长12 s，注射后立即以相同速度注射生理盐水30 ml。扫描采用对比剂团注追踪技术，监测层感兴趣区放置于主动脉弓层面降主动脉，到150 Hu阈值触发扫描。

1.2.2 图像重建 对入组患者的原始数据分别以FBP算法、AIDR 3D算法和FIRST算法进行重建，AIDR 3D、FIRST算法迭代等级选择Standard，重建视野220 mm，层厚0.5 mm，层间隔0.5 mm，窗宽900，窗位400。将3组图像传到Vitrea（Vital Images）工作站进行图像质量评估。

1.3 图像质量评价

1.3.1 客观图像分析 所有图像分析在工作站进行。在轴位图像上，测量颅内主要动脉近端、远端血管以及颈部动脉血管的平均CT值，以CT值的标准差（standard deviation，SD）作为噪声值，颅内部分包括颈内动脉C1、C4段，大脑中动脉M1、M3段，大脑前动脉A1、A3段；颈段包括第六颈椎水平颈总动脉和同层面椎动脉。感兴趣区放置于动脉血管中心，大小为血管管腔的2/3，避开血管壁、软斑块、钙化、支架。同时以脑组织（半卵圆中心）或邻近肌肉（胸锁乳突肌）作为背景，测量CT值、SD值，感兴趣区测量面积为45 mm2[9]，每个参数测量3次取平均值。根据公式（1）～（3）分别计算信噪比（SNR）和对比噪声比（CNR）[10]。

1.3.2 主观图像评价 在Vitrea工作站中，对图像重建参数及临床信息进行匿名化处理[11]，由1名有5年以上后处理经验的技师对其进行容积再现、最大密度投影、曲面重建。由2名有5年以上工作经验的放射科医师采用5分法[12]，对不同重建算法的轴位图像以及三维后处理图像评分（脑内动脉对3级分支以上节段进行评价），3分及以上的图像质量视为满足诊断要求。若2名医师存在分歧，由1名有10年以上放射科诊断经验的医师得出结论。

1.4 诊断效能 采用北美症状性动脉内膜剥脱试验法[13]对患者的头、颈动脉血管狭窄程度进行评估。本研究中15例患者（30支颈动脉）CTA检查后行DSA检查；颅内动脉评价包括大脑前、中、后动脉，狭窄程度取最重。

1.5 辐射剂量 记录受检者X线辐射剂量：容积CT剂量指数（CT dose index volume，CTDIvol）、剂量长度乘积（dose length product，DLP），并根据转换系数（k=0.003 1）计算有效辐射剂量（ED）。常规CTA诊断参考水平见Zensen等[14]的研究，美国的年本底辐射剂量参考冯其金等[15]的研究。

1.6 统计学分析 应用SPSS 26.0软件。计量资料以±s表示，采用单因素方差分析组间差异，若存在差异再采用LSD法进行比较。采用Kappa分析对2名医师的主观评分进行一致性检验。采用Mann-WhitneyU秩和检验比较图像主观评分的差异。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 辐射剂量统计 32例患者的CTDIvol、平均DLP与平均ED 均显著低于常规CTA 诊断参考水平[（5.08±1.03）mGy比13.70mGy，（248.82±57.01）mGy.cm比478.30 mGy.cm，（0.77±0.18）mSv比1.48 mSv；t=-47.43、-22.77、-22.64，P均＜0.001]，并且远低于美国的年本底辐射剂量3.0 mSv。

2.2 图像质量评分

2.2.1 图像客观指标分析 头、颈部各血管以及背景（肌肉、脑组织）SD值的趋势为FIRST组＜AIDR 3D组＜FBP组，SNR及CNR的趋势为FIRST组＞AIDR 3D组＞FBP组，3组间差异均有统计学意义（P＜0.001）。

进一步行两两比较发现，颈总动脉，颈内动脉C1、C4段，大脑中动脉M1段、大脑前动脉A1段CT值FIRST 组高于AIDR 3D 组，差异有统计学意义（P＜0.05）；而椎动脉、颅内M3、A3段CT值FIRST组高于AIDR 3D组，差异无统计学意义（P＞0.05），见表1。在头颈部血管SD值方面，AIDR 3D组、FIRST组均低于FBP组（P＜0.05），且FIRST组低于AIDR 3D组，差异有统计学意义（P＜0.05），见表2。对于SNR、CNR，FIRST组显著高于FBP组、AIDR 3D组（P＜0.05），见表3、4。

表1 FBP、AIDR 3D与FIRST算法下血管与背景CT值比较（Hu，±s）

表1 FBP、AIDR 3D与FIRST算法下血管与背景CT值比较（Hu，±s）

注：CCA：颈总动脉；VA：椎动脉；C1：颈内动脉颈段；C4：颈内动脉海绵窦段；M1：大脑中动脉水平段；M3：大脑中动脉侧裂段；A1：大脑前动脉水平段；A3：大脑前动脉膝段；FBP：滤波反投影；AIDR 3D：混合迭代重建；FIRST：全模型迭代重建；a与FBP比较，P＜0.05；b与AIDR 3D比较，P＜0.05

检查位置FBP AIDR 3D FIRST F值P值CCA 537.96±15.18 545.89±13.72 617.73±15.64ab 8.729 ＜0.001 0.220 C1 547.86±14.79 539.70±14.38 587.39±17.06b 2.722 0.070 VA 536.79±13.64 525.96±13.67 560.29±15.16 1.531＜0.001 M1 523.41±13.24 499.55±13.00 547.15±14.85b 3.009 0.040 C4 534.80±12.71 527.22±12.89 589.28±16.15ab 5.843 0.080 A1 479.29±11.41 439.99±10.55a 480.03±11.89b 4.111 0.020 M3 433.91±13.46 394.19±11.65a 423.65±13.61 2.541 0.080肌肉 80.84±2.20 81.85±1.97 68.60±2.50ab 10.876 ＜0.001 A3 434.62±12.46 395.21±10.98a 419.53±13.08 2.653脑组织46.58±1.38 46.58±1.32 33.26±0.95ab 38.799＜0.001

表2 FBP、AIDR 3D与FIRST算法下血管与背景SD值比较（Hu，±s）

表2 FBP、AIDR 3D与FIRST算法下血管与背景SD值比较（Hu，±s）

注：CCA：颈总动脉；VA：椎动脉；C1：颈内动脉颈段；C4：颈内动脉海绵窦段；M1：大脑中动脉水平段；M3：大脑中动脉侧裂段；A1：大脑前动脉水平段；A3：大脑前动脉膝段；FBP：滤波反投影；AIDR 3D：混合迭代重建；FIRST：全模型迭代重建；a与FBP比较，P＜0.05；b与AIDR 3D比较，P＜0.05

检查位置FBP AIDR 3D FIRST F值P值CCA 39.88±3.34 21.03±0.97a 15.46±0.91ab 37.832 ＜0.001＜0.001 C1 34.61±1.55 26..66±1.37a 19.57±1.22ab 29.452 ＜0.001 VA 37.81±2.94 25.76±1.51a 18.10±1.32ab 23.402＜0.001 M1 35.93±1.66 27.70±1.42a 20.34±1.33ab 27.788 ＜0.001 C4 34.67±1.49 23.18±1.21a 17.65±0.99ab 48.364＜0.001 A1 34.90±1.64 24.50±1.24a 18.62±1.07ab 37.930 ＜0.001 M3 40.68±1.95 29.22±1.45a 24.09±1.40ab 27.506＜0.001肌肉 24.81±1.85 15.12±0.79a 7.77±0.42ab 52.083 ＜0.001 A3 41.90±2.46 31.37±1.95a 24.31±1.69ab 18.556脑组织30.08±1.05 17.50±0.65a 9.77±0.41ab 186.114＜0.001

表3 FBP、AIDR 3D与FIRST算法下血管与背景SNR值比较（±s）

表3 FBP、AIDR 3D与FIRST算法下血管与背景SNR值比较（±s）

注：CCA：颈总动脉；VA：椎动脉；C1：颈内动脉颈段；C4：颈内动脉海绵窦段；M1：大脑中动脉水平段；M3：大脑中动脉侧裂段；A1：大脑前动脉水平段；A3：大脑前动脉膝段；FBP：滤波反投影；AIDR 3D：混合迭代重建；FIRST：全模型迭代重建；a与FBP比较，P＜0.05；b与AIDR 3D比较，P＜0.05

检查位置FBP AIDR 3D FIRST F值P值CCA 16.55±1.37 27.94±1.58a 45.73±4.16ab 29.946 ＜0.001＜0.001 C1 16.97±0.99 22.23±1.52a 34.14±2.54ab 23.878 ＜0.001 VA 16.69±1.33 22.39±1.60a 35.26±2.39ab 26.729＜0.001 M1 15.65±0.86 19.74±1.20 31.31±2.45ab 24.133 ＜0.001 C4 16.54±0.95 24.59±1.39a 37.39±2.69ab 32.984＜0.001 A1 14.64±0.70 19.28±0.97a 28.40±1.67ab 34.864 ＜0.001 M3 11.53±0.76 14.56±0.93a 19.56±1.41ab 14.339＜0.001肌肉 3.74±0.28 5.95±0.38a 9.88±0.82ab 32.328 ＜0.001 A3 11.63±0.83 14.82±1.42 20.52±1.89ab 9.659脑组织1.60±0.07 2.75±0.10a 3.55±0.15ab 78.345＜0.001

表4 FBP、AIDR 3D与FIRST算法下血管与背景CNR值比较（±s）

表4 FBP、AIDR 3D与FIRST算法下血管与背景CNR值比较（±s）

注：CCA：颈总动脉；VA：椎动脉；C1：颈内动脉颈段；C4：颈内动脉海绵窦段；M1：大脑中动脉水平段；M3：大脑中动脉侧裂段；A1：大脑前动脉水平段；A3：大脑前动脉膝段；FBP：滤波反投影；AIDR 3D：混合迭代重建；FIRST：全模型迭代重建；a与FBP比较，P＜0.05；b与AIDR 3D比较，P＜0.05

重建方法FBP AIDR 3D FIRST F值P值CCA 21.24±1.68 34.00±2.48a 77.90±5.62ab 65.366 ＜0.001＜0.001 C1 18.72±1.40 28.87±1.91a 63.34±4.68ab 59.589 ＜0.001 VA 21.23±1.62 32.54±2.32a 70.07±5.27ab 54.799＜0.001 M1 17.72±1.28 26.35±1.75a 58.50±4.33ab 59.141 ＜0.001 C4 18.16±1.34 27.93±1.76a 63.48±4.63ab 64.914＜0.001 A1 16.04±1.26 22.60±1.51 50.38±3.65ab 58.041 ＜0.001 M3 14.31±1.20 19.90±1.44 44.03±3.59ab 45.571 A3 14.28±1.14 19.80±1.37 43.22±3.42ab 47.600＜0.001

对于背景（肌肉、脑组织），FIRST组CT值显著低于FBP组、AIDR 3D组（P＜0.001），见表1。FIRST组、AIDR 3D组的SD值均低于FBP组（P＜0.05），且FIRST组噪声SD值低于AIDR 3D组（P＜0.05），见表2。对于SNR值，FIRST组、AIDR 3D组均高于FBP组（P＜0.05），且FIRST组高于AIDR 3D组，差异有统计学意义（P＜0.05），见表3。

2.2.2 主观评分统计结果 2名医师对FBP组、AIDR 3D组及FIRST图像组的主观评分见表5，3组图像主观评分一致性好。FIRST组与AIDR 3D组图像满足诊断要求，评分均高于FBP组图像，差异有统计学意义（P＜0.05）；此外，FIRST组图像评分高于AIDR 3D组，差异有统计学意义（P＜0.05）。典型图像见图1、2。

图1 男，64岁，左侧颈总动脉起始段矢状位。A、B、C分别为FBP、AIDR 3D、FIRST算法矢状位图像，窗宽1 000，窗位350；对于动脉狭窄以及斑块（箭）的显示，FIRST组图像血管显示更清晰、锐利、对比度高；造影剂充盈缺损分界清晰，轮廓分明，噪声低，可更准确地评估狭窄程度

图2 女，59岁，颅内血管最大密度投影图。A、B、C分别为FBP、AIDR 3D、FIRST算法最大密度投影图，窗宽900，窗位400，用于观察大脑中动脉、大脑后动脉远端。FIRST、AIDR 3D图像比FBP图像背景噪声降低，颅内血管更清晰、锐利、对比度提高，而FIRST比AIDR 3D效果更佳、图像质量更好

表5 2名医师对3组算法的主观评分比较（±s）

表5 2名医师对3组算法的主观评分比较（±s）

注：a为与FBP比较，P＜0.05；b与AIDR 3D比较，P＜0.05

算法医师1医师2 Kappa值FBP 2.84±0.07 2.97±0.03 0.861 0.914 FIRST 4.90±0.05ab 4.97±0.03ab 0.953 AIDR 3D 4.39±0.09a 4.52±0.09a Z值75.441 76.423-P值 ＜0.001 ＜0.001 -

2.3 诊断效能 颈动脉（30支）：FBP算法共诊断轻度狭窄血管8支、中度3支、重度1支、闭塞1支、正常17支；AIDR 3D、FIRST算法诊断结果与DSA一致：轻度12支、中度3支、重度2支、闭塞1支、正常12支。

颅内动脉（45支）：FBP算法共诊断轻度6支、中度12支、重度10支、闭塞3支、正常14支；AIDR 3D、FIRST算法诊断结果与DSA一致：轻度8支、中度10支、重度6支、闭塞3支，正常18支。

3 讨论

3.1 不同重建算法的应用情况 传统FBP算法重建速度快、稳定，但在低剂量扫描下重建后图像噪声显著增加，图像质量严重下降，影响诊断。针对这一问题应用AIDR 3D算法后，图像质量有所改善，目前在临床上发挥了很大的作用[16-17]。

FIRST是一种全新的基于4种模型（统计噪声、扫描、光学、锥形射线束）的迭代算法，对每次迭代执行一个前向投影步骤，并且经过不断迭代得到新的图像，在降低噪声的同时仍保持高空间分辨率[18]。Maeda等[7]使用FIRST算法重建，应用在冠状动脉CTA中相比AIDR 3D算法可减少28%的辐射剂量，并且能够获得更好的图像质量。

3.2 FIRST算法显著降低SD，提高SNR、CNR 本研究发现，对于头颈部各段血管以及背景（肌肉、脑组织），FIRST组SD明显低于AIDR 3D组（降低约28%），且SNR、CNR明显高于AIDR 3D及FBP组（SNR提高约50%、CNR提高约1倍）。FIRST算法能进一步降低头颈部血管以及背景的噪声和伪影，提高图像质量，与相关研究结果一致[8,19-20]。FIRST算法对于轻、重度狭窄血管、斑块的显示效果突出。在颈部CTA扫描中，使用低辐射剂量（100 kV管电压结合智能mA 12.5）时肩部伪影对于颈部血管的影响非常明显，常规使用AIDR 3D算法重建可以降低伪影的影响，而FIRST算法通过驱动噪声模型进一步降低噪声，通过光学模型模拟光子从焦点穿过人体到达探测器的路径，进一步消除射线硬化伪影，尤其对于双侧锁骨下动脉，FIRST算法更佳。

3.3 FIRST算法提高CT值 本研究还发现，与AIDR 3D算法相比，FIRST算法还可增加颈部及颅内近端血管CT值（提高约9%），并且降低背景（肌肉、脑组织）CT值。Sekino等[19]研究指出，由于FIRST与AIDR 3D算法光束硬化矫正方法不同，FIRST算法较FBP、AIDR 3D算法可以降低脑灰、白质的CT值，与本研究结果一致。Wu等[8]研究表明，FIRST算法通过光学模型联合扫描模型优化投影和图像空间的图像质量，并且在降低辐射剂量后仍可提高小血管的空间分辨率、增加锐利度。因此，FIRST算法通过降低血管噪声，增加血管CT值，并且降低背景（脑组织、肌肉）CT值，降低背景（脑组织、肌肉）的噪声综合提高血管SNR、CNR，使主观评价中头颈部近端、远端血管对比度更高、轮廓更加清晰、锐利，血管整体图像质量更高。

3.4 各重建算法与DSA结果对比 在低辐射剂量下，FBP算法噪声过大，对于轻、重度狭窄诊断效能不佳，而AIDR 3D、FIRST算法下的CTA诊断结果与DSA结果一致，且FIRST算法重建的颅内血管图像，医师接受度更高。

3.5 本研究的局限性 ①为单中心小样本研究，存在一定的选择偏倚。②本研究中FIRST算法重建速度较慢，重建时间较AIDR 3D算法更长，这是由于FIRST算法需要交换迭代数据，以减少噪声和伪影，提高图像质量。本研究重建中FIRST约需10 min，而AIDR 3D仅需50～60 s，但2种算法使用2个独立的重建柜同时进行重建，互不影响。随着技术进步，有望进一步缩短FIRST重建时间。③本研究发现FIRST会提高血管CT值的原理尚无报道，可能与多种模型多次迭代有关，后续会持续关注。

总之，在低辐射剂量下（亚mSv），FIRST算法较传统FBP算法以及常规AIDR 3D算法对头颈部血管的显示更清晰、锐利，图像质量更好，尤其对于远端小血管显示法更具优势，对于头颈部血管疾病的诊断更有帮助。

利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突