全模型迭代重建技术在冠状动脉钙化模体扫描中的应用价值研究

谭 晶，侯 阳，郭文力，高思喆

（中国医科大学附属盛京医院放射科，辽宁 沈阳 110004）

全模型迭代重建技术在冠状动脉钙化模体扫描中的应用价值研究

谭 晶，侯 阳，郭文力，高思喆

（中国医科大学附属盛京医院放射科，辽宁 沈阳 110004）

目的：通过对心脏钙化模体常规剂量扫描滤过反投影重建（Filtered back projection，FBP）与不同级别低剂量扫描全模型迭代重建（Iterative model reconstruction，IMR）钙化积分及图像质量的比较，探讨IMR技术降低冠状动脉钙化积分（Coronary artery calcium score，CACS）扫描剂量的能力。材料与方法：以心脏钙化模体作为研究对象，以120 kV、80 mAs结合FBP作为常规剂量组（A组）；低剂量组管电压为120 kV，管电流逐级降为50 mAs、40 mAs、30 mAs、20 mAs，均采用IMR算法，记为B～E组。采用单因素方差分析比较各组总Agatston积分、总体积分数、总质量分数、不同密度组Agatston积分、不同直径组Agatston积分及噪声的差异，两两比较采用Bonferroni法，P＜0.05为差异有显著的统计学意义。结果：各组间总Agatston积分、体积分数、质量分数、不同密度亚组及不同直径亚组Agatston积分均未见显著的统计学差异。E组噪声显著大于A组（16.5±2.6 vs 8.77± 1.55，P=0.005），A组与B～D组噪声未见显著差异。D组辐射剂量较A组降低了62.41%（（2.53±0.06）mGy vs（6.73±0.23）mGy）。结论：IMR可在低剂量下获得与常规剂量FBP重建相当的CACS值及图像质量，最适低剂量组为D组，120 kV、30 mAs配合IMR算法，其辐射剂量比常规剂量组降低了62.41%。

冠状动脉疾病；体层摄影术，X线计算机

冠状动脉的钙化是冠状动脉粥样硬化发展到一定阶段的结果，是冠状动脉粥样硬化的标志[1]。冠状动脉钙化积分 （Coronary artery calcium score，CACS）作为一种经济、无创、操作简便的检查方法，用于定量检测冠状动脉钙化的严重程度，广泛应用于中、高风险无症状人群筛查以及高危人群随诊复查中。常规CACS图像均通过多层螺旋CT前置门控扫描结合滤过反投影重建 （Filtered back projection，FBP）技术来获取，其缺点是辐射剂量大。近年来，迭代重建（Iterative reconstruction，IR）技术逐渐应用于临床。IR可以通过显著削减噪声、改善图像质量，来达到降低辐射剂量的目的。尤其是近期，推出的全模型迭代重建 （Iterative model reconstruc tion，IMR）技术，是一种新型的完全性迭代重建技术[2]，其在冠状动脉CT血管造影成像（Coronary CT angiography，CCTA）中的研究显示剂量降低可达80%[3-4]，然而其在CACS方面的应用尚罕有报道。本文拟通过对心脏钙化模体常规剂量FBP重建与不同级别低剂量IMR重建钙化积分及图像质量的比较，旨在探讨IMR技术降低CACS扫描辐射剂量的能力。

1 材料与方法

1.1 扫描对象

采用冠状动脉钙化模体 （Thorax Phantom VD0403510& HerkalkungsinsertVD0403515）进行，该模拟心脏内置9个钙化柱，用以模拟冠状动脉钙化，这9个钙化柱分属于3种密度：200 mg/cm3、400 mg/cm3和800 mg/cm3，每种密度有3种直径，分别为1 mm、3 mm、5 mm，如图1所示。

图1 冠状动脉钙化积分扫描模体。Figure 1.An cardiac coronary calcium anthropomorphic phantom.

1.2 CT数据的获得及图像重建

将该模体连接于心电信号发生器上，模拟心电信号，心率为60次/min。采用飞利浦公司的256层Philips Brilliance iCT，前置门控扫描，扫描触发时相为R-R间期75%，准直器宽度为128×0.625 mm，管球转速0.27 s/周，重建图像层厚2.5 mm，层间距2.5 mm，视野240 mm。扫描管电压均使用120 kV，管电流分别为80mAs、50mAs、40mAs、30mAs、20mAs，分别记作A～E组，每组扫描3次。A组采用FBP重建，B～E组采用厂家推荐的IMRsoft等级函数进行IMR重建。

1.3 钙化积分测量方法

采用钙化积分软件（v3.5.0.2254）分别计算钙化模体的Agatston积分、体积分数和质量分数，Agatston积分法：对于密度≥130 HU，面积≥1 mm2的区域认定为钙化，在每一个钙化区域，以其最高CT值计算其积分值，CT值130～＜200 HU、200～＜300 HU、300～＜400 HU、≥400 HU分别对应1～4分。然后将所有钙化区域的密度积分乘以面积，并求和即为总Agatston积分[5]（图2）。根据钙化柱的密度及直径不同，对A～E组中不同密度亚组及不同直径亚组分别计算Agatston积分。

图2 Agatston积分的测量。Figure 2.Agatston score measurement.

体积分数与质量分数的测量：操作者点击钙化柱区域，软件自动给出体积分数及质量分数数值，求和即为总体积分数及总质量分数。

体积分数和质量分数的计算公式[6]：体积分数=∑（面积×层间距）；质量分数=∑（面积×层间距×平均CT密度）×矫正因子。

1.4 图像噪声的测量

在心脏模体的中心设置感兴趣区，范围300mm2，不触及钙化柱，定义感兴趣区CT值的标准差为图像噪声，测量时使用复制粘贴拷贝感兴趣区功能，以保证每次感兴趣区测量的大小及位置一致[7]（图3）。

图3 噪声的测量。Figure 3.Noise measurement.

1.5 辐射剂量的测量

记录各剂量组扫描后设备自动生成的CTDIvol（mGy）作为辐射剂量的剂量单位。

1.6 数据分析及统计学方法

采用统计软件包SPSS 17.0进行统计分析，计量资料采用均值±标准差（±s）表示。采用单因素方差分析分别对各剂量组总Agatston积分、总体积分数、总质量分数、噪声、不同钙质含量下各剂量组（200 mg/cm3、400 mg/cm3和800 mg/cm3）的Agatston积分、不同直径下各剂量组（1 mm、3 mm、5 mm）Agatston积分进行比较，两两比较使用Bonferroni法。P＜0.05为差异有显著的统计学意义。

2 结果

对于直径为1 mm的各钙化柱在A～E组均无法检出。

不同剂量组钙化模体总Agatston积分、各密度钙化柱亚组、各直径钙化柱亚组的Agatston积分、总体积分数、总质量分数，均未见显著统计学差异，见表1及表2。

表1 不同剂量组总Agatston积分、各钙质含量亚组及各直径亚组Agatston积分比较表

表2 不同剂量组体积分数、质量分数及图像噪声比较表

不同辐射剂量组间噪声值有显著统计学差异（P=0.003）。两两比较显示，A组与E组间有统计学差异，E组图像噪声显著大于 A组 （16.5±2.6 vs 8.77±1.55），见表2。

因此，根据本研究目的可以得出与A组图像质量及定量积分值、体积分数及质量分数相当的最适低剂量组为D组，即120 kV、30 mAs配合IMR重建组。D组辐射剂量比A组降低了62.41%（D组扫描辐射剂量为（2.53±0.06）mGy，A组扫描辐射剂量为（6.73±0.23）mGy）。

3 讨论

本研究显示，冠状动脉钙化评分在50 mAs、40 mAs、30 mAs、20 mAs结合IMR重建与常规剂量结合FBP重建在总Agatston积分、总体积分数及总质量分数上均无差异。随着剂量下降至E组（20 mAs），图像客观噪声增大至16.5±2.6，与常规剂量A组（80mAs）噪声比较有差异。

本次研究中，在应用IMR重建时，剂量降低至20mAs，钙化积分仍与常规剂量FBP重建组相当。此结果与既往其他迭代重建在CACS定量上的研究结果有所不同。Fuchs等[8]及Kurata等[9]分别使用ASIR技术（GE）及SAFIRE技术（西门子）对疑似冠心病患者进行研究，显示迭代重建组与常规剂量组的A-gatston积分和体积分数有统计学差异，SAFIRE技术潜在改变冠心病的危险分层。van Osch等[10]对112名患者使用100%ASIR（GE）就Agatston积分、体积分数及质量分数和FBP对比，也有统计学差异，并使三分之一的患者移入了较低的风险等级。产生差异的原因考虑与应用的迭代算法不同有关。既往研究均采用混合型迭代重建算法，其图像都是在FBP的基础上进行反复投射代替产生的，其准确性受到迭代次数影响较大，当迭代函数过高时，图像失真，导致CACS的低估。本次研究采用的IMR重建为完全型迭代重建。它是一种以信息为基础的迭代重建技术，它将数据统计、图像统计及系统模型都考虑在内，可以提供给使用者对于图像类型控制的最优化程序，用噪声图像模型来解决估计数据与真实数据之间的差别，使得图像变得平滑，生成无噪声的图像，IMR的级别就是噪声减小的级别。另外，还加入了一些已知的性能用以达到理想的分辨率并且无伪影，例如探测器采样、角度采样以及系统几何信息[11]。综上，使IMR在具备强大的降噪功能的同时，维持了较高的空间分辨率和密度分辨率，使得在较小的电流下，也可以产生与传统FBP算法相当的图像，维持了定量CACS测量的准确性。

CACS经常被用来作为随访的工具，在降低辐射剂量的情况下保持CACS测量的准确性及稳定性是必要的。噪声增大可能导致假阳性出现，增加钙化评分。Willemink等[12]对模体及患者的钙化积分研究显示，剂量等级显著降低时，由于噪声和伪影的增大，使得真实的钙化积分测量点无法分辨，引起钙化积分值增大，从而导致钙化水平分类的上调，为避免此类错误的出现，本研究纳入客观噪声作为图像评定的标准之一，结果显示当管电流降低至20 mAs（E组）时，即使应用IMR重建技术，图像噪声与常规剂量FBP重建噪声仍有显著差异 （16.5±2.6 vs 8.77± 1.55，P=0.005），如应用于患者，则具有导致钙化积分增加，改变患者钙化水平再分类的潜在风险，因而认为D组为可以维持与A组图像质量及定量积分测量相当的最适低剂量组。

本研究中低剂量D组较常规剂量组辐射剂量降低了62.41%（（2.53±0.06）mGy vs（6.73±0.23）mGy）。此结果与den Harder等[13]的研究结果相似，其对15例离体心脏标本钙化评分的研究显示，剂量降低55%时，应用IMR重建所得Agatston积分、体积分数及质量分数与常规剂量FBP重建无统计学差异。此外，剂量降低程度略逊于以往IMR在冠状动脉CTA方面的研究。Oda等[3]及 Halpern等[4]使用 Philips 256层CT对模体和人群的冠状动脉血管造影显示，应用IMR算法可在将扫描剂量降低80%的条件下维持与标准剂量FBP重建相当的图像质量。考虑与冠脉CTA扫描中对比剂的引入可以进一步改善信噪比和对比噪声比，从而使对图像的宽容度进一步提高有关。

本实验的局限性：本实验仅为模体实验，得到的扫描条件尚需在临床病例中验证。实验所用模体仅适合于模拟正常体型者，超重及肥胖患者的扫描条件尚待进一步研究。

综上，对心脏钙化模体的研究显示，IMR技术可以显著改善图像质量，在辐射剂量降低62.41%的情况下仍可得到与常规剂量FBP重建相当的CACS积分。

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A study of iterative model reconstruction technology in a cardiac coronary calcium anthropomorphic phantom

TAN Jing,HOU Yang,GUO Wen-li,GAO Si-zhe
(Department of Radiology,Shengjing Hospital of China Medical University,Shenyang 110004,China)

Objective:To determine whether or not IMR with lower tube current could replace FBP with routine tube current,and to find the lowest possible tube current for coronary calcium scanning while maintaining accurate Agatston score, volumn score and mass score using a cadiac phantom.Meterials and Methods:An anthropomorphic thoracic and heart phantom containing 9 calcium-insert columns was used to measure the sum of the Agatston score,volumn score,mass score of the 9 columns,Agatston score of different diameter columns and different density columns.And then these measurements among different current and algorithm groups were compared.Using the measurements of 120 kV,80 mAs with traditional FBP as gold standard(Group A),the measurements with tube voltage 120 kV,and lower tube current of 50 mAs,40 mAs,30 mAs and 20 mAs with IMR algorithm were kept as group B,C,D and E,respectively.Then each measurement was compared with gold standard,with P＜0.05 as statistical significance.Result:There was no significant difference between each lower current group and group A.For noise,Group E was significantly higher than Group A(16.5±2.6 vs 8.77±1.55,P=0.005).There was no significant difference between group A and group B～D.The radiation dose of group D was 62.41%lower than that of group A ((2.53±0.06)mGy vs(6.73±0.23)mGy).Conclusion:Technology IMR with lower tube current could replace FBP with 80 mAs.The optimal low dose group is group D(IMR with 120 kV,30 mAs).The scanning dose of group D is 62.41%lower than group A.

Coronary diseases;Tomography,X-ray computed

R543.3；R814.42

A

1008－1062（2016）12－0867－04

2016-06-07

谭晶（1982-），女，辽宁鞍山人，在读硕士研究生。E-mail：tjdk0052＠163.com

侯阳，中国医科大学附属盛京医院放射科，110004。E-mail：houyang1973＠163.com

辽宁省自然科学基金（2013021076）；2014年辽宁省高等学校创新团队（LT2014017）。