全模型迭代算法在低剂量头颈CT血管成像中的优势

王国选，李玲,2，曹若瑶，逯瑶,2，张雷，王宏，于克祯，尤子珑，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）具有无创、检查时间短、可重复性强、空间分辨率高等优点，是目前诊断头颈部血管病变、探查血管解剖结构及探究病变血供来源等的首选影像学检查方法[1-3]。然而，CT引起的暴露于电离辐射和辐射剂量问题日益受到关注。研究显示，来自26个国家的患者中，至少320万患者1～5年累计有效剂量超过100 mSv，全球以每年90万人的速度增加[4-5]。头颈部的解剖结构（颅骨、肩部）和上腔静脉造影剂残留等因素使X射线硬化[6]，单纯降低辐射剂量会引起图像噪声大、伪影严重，图像质量下降，影响诊断，但头颈部包括甲状腺、眼晶状体等辐射敏感器官，降低辐射剂量结合迭代重建技术保证图像质量尤为重要。

320 排CT混合迭代重建算法（adaptive iterative dose reduction using three-dimensional processing，AIDR 3D）已常规应用于临床[6]。全模型迭代重建算法（forward projected model-based iterative reconstruction solution，FIRST）是一种全新的、基于4种模型的迭代重建算法[7-8]，在胸部平扫、冠状动脉CTA低剂量扫描时的图像质量比AIDR 3D更好[9-10]。对于头颈部CTA检查，全新的FIRST重建算法改善图像质量的研究尚处于初步阶段。本研究拟探讨FIRST算法较AIDR 3D在头颈部CTA中辐射剂量和图像质量方面的优势。

1.1 研究对象 收集2021年8—11月于北京医院放射科接受头颈动脉CTA检查患者70例，纳入标准：患者拟诊为头颈动脉疾病，包括动脉瘤、颈动脉粥样硬化、颈动脉夹层、头颈动脉狭窄、急性或慢性闭塞等。排除标准：①有严重金属伪影者，如颈动脉支架植入术或经导管动脉栓塞术；
②因显著运动伪影而影响图像质量；
③碘过敏史；
④肾衰竭史。70例患者采用随机数字表法平均分为A、B组，每组35例。A组采用常规辐射剂量扫描方案，B组采用低辐射剂量扫描方案。本研究通过医院伦理委员会批准（2021BJYYEC-037-02）并在其监督下进行，所有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，患者取仰卧位，头先进，双肩尽可能下垂，扫描过程中保持头不动，避免吞咽。扫描正、侧位定位像，扫描范围自主动脉弓至颅顶，沿足-头方向扫描。扫描方案：螺旋扫描模式，准直160×0.5 mm，螺距0.806，管电压100 kV，转速0.5 s/r，视野280 mm，采集矩阵512×512，滤波函数：FC43，A组智能毫安[噪声（SD）=12.5，60～230 mAs]；
B组智能毫安（噪声SD=15，30～150 mAs）。经右侧肘正中静脉团注对比剂碘帕醇（370 mgI/ml），剂量0.8 ml/kg，注射时间12 s，然后以相同流速注射生理盐水30 ml。扫描采用对比剂团注追踪技术，监测层感兴趣区（ROI）放置于主动脉弓层面降主动脉，监测达到150 Hu触发扫描。

1.2.2 图像重建 A组数据以AIDR 3D进行重建，B组以FIRST算法（HEAD CTA模式）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，将两组数据传到Vitrea（Vital Images）工作站。

1.3 图像质量评价

1.3.1 图像客观分析 所有图像分析在工作站进行。在0.5 mm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值和噪声值，颅内血管包括颈内动脉C4段，大脑中动脉M1、M3段，大脑前动脉A1、A3段；
颈段血管包括主动脉弓、颈总动脉起始段、同层面椎动脉、颈内动脉C1段。椭圆形ROI放置于动脉血管中心，大小为血管腔的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）或邻近肌肉组织（胸锁乳突肌）作为背景，测量CT值和噪声值，ROI测量面积为45 mm2[11]，每个参数测量3次，取平均值。根据公式（1）～（3）计算信噪比（SNR）和对比噪声比（CNR）[6]。

1.3.2 图像主观评价 在AI人工智能分析平台[CerabralGo头颈CTA智能辅助诊断系统2.4，数坤（北京）网络科技股份有限公司]上，由1名具有5年以上后处理经验的技师采用盲法进行容积再现、最大密度投影、曲面重组后处理。由2名具有5年工作经验的放射科医师对两组头颈CTA的轴位图像和三维后处理图像采用5分法[12]进行评分。图像质量3分及以上视为满足诊断要求。如果2名医师意见存在分歧，由第3位具有10年以上放射科诊断经验的医师进行评分。

1.4 辐射剂量 记录两组容积CT剂量指数和剂量长度乘积，根据公式（4）计算有效剂量（effective dose，ED）。

其中K为转换因子，参考欧盟委员会CT质量标准指南，头颈部CTA中K取0.003 1 mSv/（mGy·cm）。

1.5 统计学方法 采用SPSS 26.0软件。计量资料以±s表示，两组比较采用独立样本t检验；
计数资料以例数或百分比表示，两组比较采用χ2检验；
采用Kappa检验对2位医师的主观评分进行一致性评价。采用Mann-WhitneyU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。

2.1 两组患者一般资料比较 两组患者年龄、性别、身高、体重、体重指数（body mass index，BMI）比较，差异均无统计学意义（P>0.05），见表1。

2.2 两组辐射剂量比较 两组患者容积CT剂量指数、剂量长度乘积比较，差异均有统计学意义（P<0.001）。B组ED较A组明显减低，达28%，见表1。

表1 两组患者一般资料及辐射剂量比较

2.3 两组图像质量评分比较 两组头颈部血管主动脉、颈总动脉、椎动脉、颈内动脉C1段、颈内动脉C4段、大脑中动脉M1段、大脑中动脉M3段、大脑前动脉A1段、大脑前动脉A3段的CT值、噪声值、SNR、CNR差异均有统计学意义。B组各血管CT值、SNR和CNR均显著高于A组（P<0.001），噪声值显著低于A组（P<0.001）。B组背景（胸锁乳突肌、脑组织）CT值、噪声值显著低于A组（P<0.001），SNR高于A组（P<0.001），见表2、3。

表2 两组患者各部位CT值、噪声值、SNR比较（±s）

表2 两组患者各部位CT值、噪声值、SNR比较（±s）

部位 CT值（Hu） 噪声值 SNR A组（n=35） B组（n=35）A组（n=35）B组（n=35）A组（n=35） B组（n=35）胸锁乳突肌 82.48±1.73 67.80±2.59 16.16±0.51 8.17±0.32 5.30±0.22 8.79±0.52 3.25±0.11 AO 461.30±8.68 623.82±15.61 25.09±0.49 17.05±0.45 18.64±0.52 37.16±1.11 脑组织（半卵圆） 49.77±1.28 35.78±0.67 20.15±0.45 11.25±0.28 2.56±0.16 46.80±2.89 VA 541.70±12.62 637.31±19.06 21.05±0.62 15.04±0.90 26.47±1.03 47.08±2.93 CCA 551.73±11.08 670.55±16.71 20.64±0.63 15.88±0.87 27.60±1.01 70.26±3.57 C4 535.30±11.67 652.21±16.50 21.92±0.74 16.27±0.63 25.49±1.13 41.96±1.82 C1 568.35±12.81 674.56±16.64 21.13±0.59 10.69±0.73 27.56±0.89 41.06±1.84 M3 405.48±11.09 459.63±13.74 22.88±0.69 15.85±0.57 18.16±0.65 30.17±1.37 M1 508.82±10.89 581.14±14.87 22.11±0.54 14.95±0.69 23.42±0.71 38.24±1.68 A3 414.81±11.30 466.19±14.79 22.79±0.64 15.69±0.66 18.70±0.72 31.40±1.62 A1 464.48±11.29 531.49±13.98 24.01±0.76 14.76±0.70 19.98±0.78

2名医师对头颈动脉图像主观评分一致性较好（Kappa=0.86）。A、B组主观评分差异无统计学意义（P=0.10）。与A组相比，B组未因降低辐射剂量而降低头颈部CTA的图像质量，图像噪声低、细腻、射线硬化伪影小；
脑组织颗粒度小、均匀，颅内血管对比度高、图像质量更佳，医师诊断认可度高，见图1～5。

图1 男，39岁，AIDR 3D算法，BMI 21.05 kg/m2，ED 0.70 mSv。A、B分别为颈部轴位和颅内血管最大密度投影图像

表3 两组患者CNR值比较（±s）

表3 两组患者CNR值比较（±s）

部位 A组（n=35） B组（n=35） t值 P值 AO 24.37±1.05 71.87±3.48 0.98 <0.001 <0.001 VA 29.60±1.36 73.90±4.00 1.64 <0.001 CCA 30.15±1.27 78.17±4.04 1.25 <0.001 C4 29.26±1.40 56.09±2.25 −3.75 <0.001 C1 31.30±1.44 78.22±3.70 1.27 <0.001 M3 20.93±1.10 38.51±1.56 −3.10 <0.001 M1 27.56±1.29 49.78±2.15 −3.56 <0.001 A3 21.47±1.08 39.39±1.89 −2.51 <0.001 A1 24.68±1.18 45.12±1.84 −3.25

图2 男，64岁，FIRST算法，BMI 23.18 kg/m2，ED 0.50 mSv，颈部轴位图像

图3 男，63岁，FIRST算法，BMI 22.31 kg/m2，ED 0.48 mSv，颅内血管最大密度投影图像

图4 男，72岁，AIDR 3D算法，BMI 28.55 kg/m2，ED 0.99 mSv。CT曲面重组示右侧颈内动脉起始段局限钙化斑块，轻度狭窄（A）；
左侧锁骨下动脉起始段轻度狭窄（B）

图5 男，64岁，FIRST算法，BMI 23.18 kg/m2，ED 0.50 mSv。A、B分别为右侧颈总-颈内动脉支架术后、左侧颈内动脉近段重度狭窄

FIRST算法是一种全新的、真实的基于4种模型（统计噪声、扫描、光学、锥形射线束）的迭代重建方法，对每次迭代[13]进行前向投影步骤，可以显著降低噪声，提高血管对比度和空间分辨率[9,14-15]。

本研究中两组辐射剂量远低于常规头颈部CTA诊断参考水平[16]，达到亚mSv水平，同时也远低于美国的年本底辐射剂量3.0 mSv[17]。即使辐射剂量减少了28%，FIRST算法重建的图像仍可比AIDR 3D获得更好的图像质量；
两组主观评分无显著差异，但诊断医师对FIRST算法图像接受度更高，表明FIRST算法提高了头颈部CTA的可靠性，同时可以显著降低辐射剂量。

本研究发现：①FIRST算法重建的图像噪声更低。FIRST算法通过驱动噪声模型将噪声的统计学特性建模到算法中，适当减少了噪声引起的图像像素值的变化，大幅度降低了图像噪声，较AIDR 3D不仅可以降低血管噪声，同时也可以降低血管外其他组织的噪声，使血管显示更加细腻、均匀。②FIRST算法重建的图像空间分辨率更高。FIRST算法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，并且联合扫描模型能进一步消除射线硬化伪影，在颈部得到很好的体现，并且提高了小血管的空间分辨率[10]，进而更好地显示小血管的解剖细节，空间分辨率的提高使颈动脉支架显示更清晰，便于观察支架完整度。③FIRST算法可以降低肌肉组织、脑组织（灰、白质）的CT值。Sekino等[15]研究显示，由于FIRST与AIDR 3D光束硬化矫正方法不同，FIRST算法较FBP、AIDR 3D算法可以减小脑灰、白质的CT值，与本研究结果一致，并且在肌肉组织也有体现。

因此，FIRST重建算法结合低剂量技术可以降低头颈部CTA图像噪声，低噪声下血管显示更加细腻、柔和，并且提高了血管SNR和CNR，同时在背景（脑组织、肌肉）暗化（CT值降低）效应的衬托下，提高了图像空间分辨率和对比度，使血管显示更加突出明显，轮廓清晰，头颈血管的显示效果非常明显，同时使斑块与正常血管间的界限更加分明，医师可以更加准确地测量病变血管的狭窄程度。

本研究的局限性：①本研究为单中心小样本研究，需要进一步扩大样本量；
②本研究发现头颈部CTA扫描时，FIRST算法会降低背景组织（脑组织、肌肉）CT值，临床诊断时应注意；
③本研究对于辐射剂量未进一步探讨，后续研究需继续优化扫描参数。

总之，在亚mSv辐射水平下，FIRST重建算法较AIDR 3D算法减少28%的辐射剂量后，仍可提高头颈部CTA的图像质量，诊断医师对FIRST算法重建的头颈部CTA图像认可度更高。

利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突

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