迭代重建技术在冠状动脉CT成像中的应用进展

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  随着多层螺旋CT技术的发展,冠状动脉CT检查以其较高的灵敏度、特异度及准确性成为诊断冠状动脉疾病的重要筛查手段,临床应用日益普及。然而辐射剂量对被照射人群存在潜在的危害性也逐渐被人们所关注[1]。有报道出,全球医疗所致的年人均辐射剂量在过去10-15年里大约增加了1倍,尤其在高度发达的国家这种情况更为突出[2,3]。心血管CTA的低剂量扫描备受瞩目,此方面常用的低剂量技术主要包括降低管电压、根据体层厚度或体重的自动管电流调节技术、采用心电调制的管电流调节,采用降低噪声的滤过函数,前置门控扫描及双源CT大螺距扫描等[4-11]。然而,在目前常用的CT图像重建技术-滤波反投影算法(Filtered back projection,FBP)条件下,剂量的进一步降低将会会导致所采集的投影数据噪声水平变高,进而使重建后的图像质量相应下降,影响诊断的准确性。
  近年来,随着计算机技术的迅猛发展,使最早应用于CT图像重建的迭代重建算法重新受到青睐。各种新的基于迭代重建(iterative reconstruction,IR)的算法应运而生,例如:iDOSE4、ASIR、IRIS、SAFIRE、AIDR技术等,其核心都是对原始数据进行迭代重建,以求在更低的剂量下获取可以接受的图像。近年该技术发展迅速,并成功应用于降低CCTA 辐射剂量、减轻钙化斑块和冠状动脉支架伪影、提高粥样斑块显示等方面。本文就IR 技术的基本原理、相关进展及其在CCTA 中的应用予以综述。
  一、IR 技术基本原理及其进展
  迭代重建算法的整个处理过程分为若干次迭代。每一次迭代都会将采集的数据与计算机仿真的投影数据进行比较。通过比较两组图像的不同,并结合已知的信息,逐次对待处理的图像进行改善”。最终得到高质量和低噪声重建图像。
  迭代算法的基本原理是:首先在每个X 线投影角度均合成前向投影模拟一个综合投影,尽可能地模拟真实CT 系统中X 射线光子穿过物体并到达探测器的过程,经探测器计数得到X 线光子分布的估计值;然后将前向投影的估计值和探测器实测值之间的差值进行反投影,两者之间的差异代表了当前估计需要校正的误差,并对当前估计得到的图像进行校正,校正后的图像带入下一次综合投影模拟。经过多次反馈性迭代,不断更新前向投影的估计值,同时结合系统光学因素和系统噪声因素,最大程度地接近真实的X 线光子分布。通过如此的反复迭代计算和校正更新,对图像信息进行不断地检验和修正,直到误差降到最低,当重建图像和原始投影数据一致时,迭代即中止,将修正的图像确定为最终重建图像。
  2008 年,GE 公司将自适应统计迭代重建技术(ASIR)应用于临床CT影像重建,在影像空间(域)和原始数据空间(域)降低影像噪声。随后各公司相继出现各种迭代重建算法,例如2009年,GE的VEO(MBIR)算法;2009年,飞利浦的iDose算法;2010年,东芝的自适应迭代剂量降低算法(AIDR);2009年西门子的影像空间迭代重建算法(IRIS);2010年,西门子的原始数据域迭代重建算法(SAFIRE);飞利浦的iDOSE4及东芝的AIDR 3D等。不同的迭代重建算法对于辐射剂量和影像质量的影响是不一样的。
  二、IR技术在冠状动脉CTA中的应用
  2.1 IR技术对图像质量的改善
  新型的迭代重建算法可以有效地降低了图像噪声,提高了图像质量,并广泛用于临床[12-15]。在应用迭代重建技术的冠脉CTA的早期研究中,Lipeis 等[16,17]比较了常规剂量下FBP重建及IR重建的冠脉CTA图像质量,结果显示后者的图像噪声较前者降低17–30%,因而预测应用迭代重建技术可能使剂量降低30-40%。Moscariello 等[18]比较了常规全剂量扫描结合FBP重建与虚拟半剂量(只采用单个球管对应的探测器数据)扫描结合迭代重建的图像质量,结果显示后者有更低的噪声,并且图像质量略优于前者,而且两种重建方式下诊断冠脉显著狭窄的准确性无统计学差异。Bittencourt等[19]运用双源CT评价IRIS迭代算法的实验显示,在冠脉CTA中噪声可下降 28 ± 13%。上述研究,显示了迭代重建技术在降低CT辐射剂量及改善图像质量方面具有很大潜力。
  2.2 IR技术降低辐射剂量的能力
  大量研究认为,迭代重建算法可以有效的降低辐射剂量、改善图像质量[20-23]。不同的迭代算法可以降低的剂量比例有所差异。Leipsic J等[24]在574名患者多中心的研究实验中证实,通过降低平均管电流(650MA到450MA)结合ASIR重建,平均降低44%的辐射剂量,并且与常规剂量组相比,其信号、噪声及可诊断的冠脉节段比例没有明显差异。Park EA等[25]通过对BMI<25的患者降低管电流(320mas减少到200mas)或BMI≥25的患者降低管电压(120kvp减少到100kvp)方法,结合IRIS重建,证实不论降低管电流还是管电压均能明显降低辐射剂量同时保持图像质量不变,其中降低管电流能降低40%辐射剂量,降低管电压能降低51%辐射剂量。
  根据辐射暴露的合理及最低化原则(as low as reasonably achievable,ALARA),IR算法所致的冠状动脉CTA降低剂量的最大程度应被确定。Hou 等[26]将109名患者进行回顾门控256层CT冠脉成像,分为4组:A组(120kvp,1000mas)为常规剂量组,用FBP重建;其它各组均用相同管电压(120kvp)扫描,各组分别降低管电流(B组:600mas;C组:500mas,D组:400mas),分别结合相应迭代等级函数重建,利用ROC曲线分析显示C组(降低50%管电流组)为最佳界点,此组实际剂量较常规剂量降低55%。另外 Hou等[27]应用256层CT对中等体型(BMI25.4±2.8kg/m2)患者进行前置门控冠脉CTA的迭代重建算法研究显示,可降低63%有效剂量,其辐射剂量可降至1.2±0.1mSv。   2.3 对于冠状动脉斑块及支架的显示
  Gebhard 等[28]使用64 排CT 研究冠状动脉钙化积分,与传统的FBP 相比,采用IR 技术可显著提高图像SNR,但这种扫描方式也降低了冠脉钙化积分,因此,IR 技术与冠脉钙化积分之间是否有相关性,还有待于进一步探讨。初步研究显示,在常规剂量下迭代重建可改善钙化病例的诊断准确性。Renker等[29]将55名冠状动脉严重钙化的患者(Agatston评分≥400)分别进行冠脉CTA及导管法冠脉造影检查并比较迭代重建与FBP重建的诊断效能,迭代重建图像在特异度,阳性预测值及准确性上表现更好。(accuracy:95.9% vs 91.8%,P =.0001;specifi city:95.8% vs 91.2%,P =.0001;positive predictive value:76.9% vs 61.1%,P =.0001)。
  Ebersberger等[30]对37名有外来支架的患者进行全剂量FBP重建及半剂量SAFIRE重建,结果表明即使使用半剂量,迭代重建技术明显提高冠状动脉支架图像质量。
  2.4 IR技术对冠状动脉CTA准确性的影响
  迭代重建在冠脉狭窄诊断准确性的研究方兴未艾。周智美等[31]运用320排动态容积CT诊断冠心病的敏感性为78.57%、特异度为95.13%、准确率为92..72%;孙永亮等[32]应用256层CT的研究得出基于血管节段分析,其敏感性为93.O%,特异性为96.6%,PPV为83.7%,NPV为98.6%。Hou等[33]研究了iDOSE4 对256层CCTA诊断价值的影响,其结果显示在96例患者中 98.1 %(1,232/1,256)的冠脉节段满足图像质量要求。以冠脉造影为“金标准”评估,迭代重建的低剂量CCTA显示了很好的诊断价值,基于冠脉节段计算的敏感度、特异度、阳性预测值、阴性预测值及准确度分别为90.8 %,95.3 %,81.8 %,97.8 % and 94.3 %,在无和钙化积分较低组(Agatston<400)其准确度更优,而严重钙化仍然是造成诊断假阳性的主要原因。由此可见,迭代重建在提供优良的冠脉图像质量的同时,能够真实反映病变的特征及狭窄程度,有助于对冠脉病变实现极低剂量筛查。
  2.5 对肥胖人群CCTA的影响
  肥胖是冠心病的高危因素之一,超重及肥胖患者在冠心病中占有相当比重。Wang R等[34]对39名肥胖患者(BMI>30kg/㎡)进行低剂量扫描(100KV,286-370mAs)结合SAFIRE重建,可获得可以诊断的图像质量,而辐射剂量较常规扫描降低50%。(4.41±0.83mSv vs 8.83 ± 1.74mSv)。
  三、展望
  迭代重建技术是CT 低剂量成像发展的一个重要的方向,但目前它应用与临床实践时间还不是很长,有待进一步的临床验证,另外,迭代重建的图像的性质还需要临床医生习惯和进一步探索。随着迭代重建低剂量扫描广泛应用于临床,我们相信,迭代重建技术的广泛临床应用将会造福整个社会。
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