随着CT和计算机技术的发展,全模型迭代重建(iterative model reconstruction,IMR)算法已经应用于临床,它可以降低图像的噪声,能够在不降低图像质量的前提下降低辐射剂量。头颈部CT血管成像(CTA)在头颈部血管疾病的诊断方面有着较高的敏感性和特异性^[1-2],已成为颈部及脑血管疾病的重要检查方法。但由于头颈部CTA扫描范围较大,扫描范围内有甲状腺、 眼晶状体等对射线敏感的器官,且对比剂使用也存在外渗、 过敏等多种不良反应^[3-5],因此,低辐射剂量和低对比剂注射速率和用量显得尤为重要。本研究尝试使用"三低"检查技术(80 kV低管电压扫描、 低对比剂注射速率和低对比剂用量),同时联合IMR技术进行图像重建,探讨其在头颈部CTA检查中可行性。

1. 一般资料:前瞻性连续收集2015年7月至11月间在南京鼓楼医院行头颈部CTA 检查的患者60例,采用随机数字表法将其分为A、 B两组,每组各30例。A组为常规剂量组,B组为80 kV低管电压组,分别使用滤过反投影(FBP)和IMR进行图像重建得到B1和B2两组图像。A组男18例,女12例,平均年龄(62.8±13.5)岁,身高(1.66±0.07)m,体质量(68.5±9.1)kg,体质量指数(BMI)为(22.8±2.6)kg/m²,扫描长度(375.7±16.1)mm;B组为低剂量组,其中男17例,女13例,平均年龄(60.3±12.1)岁,身高(1.65±0.06)m,体质量(69.8±8.9)kg,体质量指数BMI(22.5±2.8)kg/m²,扫描长度(369.5±16.3)mm。两组患者的身高,体重、 BMI和扫描长度差异无统计学意义(P>0.05),具有可比性。

病例纳入及排除标准:临床诊断为可疑头颈部血管疾病,需行头颈部CTA检查的患者。右侧上肢静脉穿刺条件能达到对比剂注射要求,无碘对比剂使用禁忌证。考虑到低管电压射线的穿透力较低,对于体重大于85 kg或BMI≥28.0 kg/m²的患者未纳入本研究。所有患者均签署知情同意书。

2. 仪器设备与扫描方法:使用荷兰Philips Brilliance iCT,德国Ulrich高压注射器,对比剂为碘海醇350 mgI/ml。患者仰卧位,头先进,双手自然放于身体两侧,取下头颈部金属物品,放松身体。扫描范围从气管分叉水平至颅顶。A组管电压120 kV,自动管电流调制扫描,管电流下限值设为50 mAs,上限为200 mAs,螺距0.938∶1,重建算法为FBP重建,重建滤过为Standard,层厚0.9 mm,层间距0.45 mm,矩阵512×512。对比剂注射速率4.5~5.5 ml/s,注射时间10 s,总量45~55 ml。对比剂注射结束后,立即以同样速率注射生理盐水30 ml。B组管电压80 kV,管电流下限和上限分别设置为50和150 mAs。分别使用FBP算法和IMR(1级)算法重建,重建滤过为Standard,得到两组图像为B1和B2,其余扫描及重建参数同A组。对比剂注射速率3.5~4.0 ml/s,注射时间10 s,用量35~40 ml。对比剂注射结束后,立即以同样速率注射生理盐水30 ml。两组均使用对比剂团注跟踪触发扫描技术,对比剂均经右侧上肢静脉注射,监测层面选择气管分叉层面,感兴趣区(ROI)放在降主动脉内,触发阈值为120 HU,触发后延迟4.5 s由足至头方向扫描。

3. 图像质量客观评价:每组图像选取主动脉弓、 颈总动脉远端、 颈内动脉颈C1段和大脑中动脉M1段4个层面,避开伪影及血管斑块。ROI放在所测量动脉中心,大小为所测量动脉横断面积的1/2~2/3。分别测量降主动脉、 右颈总动脉、 颈内动脉颈C1段和大脑中动脉M1段的CT值,以CT值的标准差作为血管噪声(SD₁),血管周围背景分别选择降主动脉后方竖脊肌、 颈总动脉旁胸锁乳突肌、 大脑中动脉脉旁脑实质,测量其背景CT值。并测量身体同侧,体外空气的CT值的标准差作为图像的噪声(SD₂)。所有测量均测量3次取平均值,计算动脉血管信噪比(SNR)、 对比噪声比(CNR)。SNR=血管CT值/血管噪声SD₁,CNR=(血管CT值－血管周围背景CT值)/图像噪声SD₂。

取4个层面动脉血管CT值、 SD₂、 SNR和CNR的平均值,作为该组图像的客观评价结果。

4. 图像质量主观评价:在ISP6.0工作站上,分别对3组图像用曲面重组、 最大密度投影、 容积再现等完成头颈部动脉的三维成像。由2名从事放射诊断工作5年以上的医师共同对A、 B1和B2共3组图像进行主观评价,内容包括:动脉血管和周围结构的对比度、 管壁锐利程度、 血管分支显示情况、 主观噪声等。上述评价指标均按照5分法评定。评分标准:5分,颈部及头部动脉血管内对比剂充盈良好,血管连续,轮廓光滑,血管壁边缘锐利,无伪影,图像噪声较小;4分,颈部及头部动脉血管对比剂充盈良好,血管连续,轮廓清楚,管壁轻微模糊,或有轻微伪影,可用于诊断;3分,颈部及头部动脉血管充盈尚可,血管连续性尚可,管壁稍毛糙,或有轻度伪影,图像噪声稍大,基本满足诊断要求;2分,颈部及头部动脉血管充盈差或连续性欠佳,管壁毛糙,有较多伪影,图像噪声较大,诊断受限;1分,颈部及头部动脉血管不能识别,连续性中断,伪影重,图像噪声较大,无法诊断。2人评分不一致时取平均值。评分≥3分为满足临床诊断要求,评分≤2分为无法满足诊断要求

5. 辐射剂量:记录A、 B两组患者CTA扫描辐射剂量,包括容积CT剂量指数(CT dose index volume,CTDI_vol)和剂量长度乘积(dose length product,DLP)。

6. 统计学处理:采用SPSS 18.0统计软件进行数据分析。对两组患者的身高、 体质量、 BMI和扫描长度采用独立样本t检验。A组、 B1组和B2组,3组图像间血管CT值、 图像噪声、 SNR和CNR采用单因素方差分析,若有差异则采用Least Significant Different法进行组内两两比较。3组间图像质量主观评价指标对比采用Kruskal-Wallis检验,若有差异采用Nemenyi检验进行两两比较。两组CTDI_vol、 DLP比较采用独立样本t检验。对两位阅片者的一致性分析采用κ检验,κ值<0.4为一致性差,0.4≤κ值<0.75为一致性良好,κ值≥0.75为一致性非常好。P<0.05为差异有统计学意义。

1.图像质量客观评价结果: B2组和A组图像比较,血管CT值增加11.3%,差异有统计学意义(t=-2.40,P<0.05)。图像噪声、 SNR、 CNR比较差异均无统计学意义(P>0.05)。B2组和B1组图像比较,血管CT值差异无统计学意义(P>0.05)。图像噪声降低,SNR、 CNR增大,差异有统计学意义(t=19.57、 -12.14、 -9.96,P<0.05)。B1组和A组图像相比,血管CT值增加,图像噪声增大,SNR、 CNR降低,差异均有统计学意义(t=-2.32、 -20.69、 13.39、 9.45,P<0.05,表 1)。

2. 图像质量主观评价结果:A组所有患者图像评分均>3分,满足诊断要求。B1组有12例患者图像评分≤2 分,尤其主动脉弓及双侧颈动脉近段显示不清,图像无法诊断(图 1A)。B2组所有患者图像评分>3分,血管显示清晰,均能满足诊断要求(图 1B)。A组和B2组、A组和B1组、B1和B2组间图像评分差异均有统计学意义(t=-6.58、 4.55、 -2.03,P<0.05)。

图 1 低剂量组70岁短暂性脑缺血女性患者CT颈内动脉的曲面重建影像图 A.使用FBP重建,主动脉弓及颈动脉近段管壁毛糙, 显示不清,图像评分2分,图像无法诊断; B.使用IMR重建,主动脉弓及颈动脉近段管壁锐利,显示清晰,图像评分4分, 图像满足诊断要求 Figure 1 A 70-year-old female patient with transient ischemic attack of low dose group,images of the left internal carotid artery by curved planar reformation A. Image was obtained with filter back projected reconstruction,aorta arch and proximal carotid artery wall were coarse and displayed not so clear,image score was 2 points,and this image cannot be used for diagnosis; B. Image was obtained with iterative model reconstruction,aorta arch and proximal carotid artery wall were smooth and demonstrated very clear,image score was 4 points,and the image quality can meet the demand for diagnosis

3. 两组患者对比剂注射速率、 用量和辐射剂量比较: B组对比剂注射速率、 对比剂用量、 CTDI_vol和DLP较A组分别减少了22.0%、 22.1%、 80.9%和81.3%,差异有统计学意义(t=20.8、 20.8、 39.1、 32.2,P<0.05),见表 2。

表 1(Table 1)

表 1 60例患者CT检查的图像质量主客观评价结果(x±s) Table 1 Subjective and objective evaluation of image quality of 60 patients (x±s) 组别 例数 客观评价 主观评价 血管CT值 图像噪声 SNR CNR 中位数 范围 A组 30 384.8±63.4 9.6±1.1 23.2±4.2 38.2±9.2 4 3～5 B1组 30 426.2±74.4a 20.9±2.8a 10.7±2.9a 19.6±5.3a 3 2～4a B2组 30 428.2±74.3a 10.3±1.0b 23.8±5.1b 38.9±9.2b 5 3～5ab F/t值 3.55 360.73 93.50 53.87 45.45c P值 <0.05 <0.05 <0.05 <0.05 <0.05 注：A组.常规剂量组，采用滤过反投影法重建；B1组. 低剂量组，采用滤过反投影法重建；B2组.低剂量组，采用全模型迭代法重建；SNR.信噪比； CNR.对比噪声比。a与A组同指标比较，t=-2.32、 -20.69、 13.39、 9.45、 4.55、 -2.40、 -6.58，P<0.05；b与B1组同指标比较，t=19.57、 -12.14、 -9.96、 -2.03，P<0.05；ct值

表 1 60例患者CT检查的图像质量主客观评价结果(x±s) Table 1 Subjective and objective evaluation of image quality of 60 patients (x±s)

头颈部CTA是诊断头颈部血管疾病的重要检查方法,临床应用广泛,但扫描范围大,扫描野内有甲状腺、 眼晶状体等对射线敏感的器官,如何在保证图像质量的前提下,尽可能降低辐射剂量和对比剂用量显得尤为重要。有学者降低管电压和对比剂浓度,结合混合迭代进行图像重建,在图像质量不变的情况下降低患者辐射剂量和对比剂用量,取得了比较理想的效果^[6]。本研究尝试使用低管电压、 低对比剂注射速率和用量，并使用IMR进行图像重建，来降低患者的辐射剂量和对比剂用量。

表 2(Table 2)

表 2 60例患者CT检查对比剂注射速率、 用量和 辐射剂量比较(x±s) Table 2 Comparison of the contrast medium injection rate, contrast medium dose and radiation dose of 60 patients(x±s) 组别 例数 对比剂注射 速率(ml/s) 对比剂用量 (ml) CTDIvol (mGy) DLP (mGy·cm) A组 30 5.0±0.2 50.3±2.2 8.9±1.0 415.5±56.7 B组 30 3.9±0.1 39.2±1.9 1.7±0.2 77.9±9.0 t值 20.8 20.8 39.1 32.2 P值 <0.05 <0.05 <0.05 <0.05 注：A组. 常规剂量组；B组. 低剂量组；CTDIvol.容积CT剂量指数；DLP.剂量长度乘积

表 2 60例患者CT检查对比剂注射速率、 用量和 辐射剂量比较(x±s) Table 2 Comparison of the contrast medium injection rate, contrast medium dose and radiation dose of 60 patients(x±s)

由于X射线辐射剂量与管电压的大小呈指数关系,在诊断用管电压范围内,CT辐射剂量与管电压的平方成正相关,因此,降低管电压可以显著降低患者辐射剂量^[7]。Oda等^[8]在64层螺旋CT机上对BMI<25.0 kg/m²患者采用80和120 kV管电压行CT冠状动脉成像对比研究,认为80 kV扫描可使辐射剂量减少54%。本研究中B组患者平均DLP比A组减少了81.3%,极大降低的辐射损伤的风险,保护了眼晶状体、 甲状腺等辐射敏感器官。

IMR作为CT图像重建算法,将采集到的数据作为综合投影和实际测量投影相比较,将二者差值进行反投影,建立系统噪声模型并进行校正更新和迭代运算,最终获得图像。这种重建图像方法可以降低图像噪声,从而能够在较低辐射剂量条件下,重建出高质量的图像。Ryu等^[9]关于IMR的模体研究证实,IMR与FBP相比,辐射剂量可减少60%~80%,同时图像噪声减少70%~83%,并提升低对比度分辨率43%~80%。本研究中,低剂量组(B组)使用80 kV扫描,分别使用FBP算法和IMR算法进行图像重建。80 kV管电压的光子平均能量较低,特别是在体厚较大的肩颈部层面,X射线穿透力不足,导致在FBP重建图像上,图像噪声过大,颗粒感强,主动脉及双侧颈总动脉起始部血管管壁毛糙,显示不清。而使用IMR重建后,图像噪声下降,血管显示清晰,图像质量明显改善,能够满足诊断要求。80 kV管电压条件下,IMR重建和FBP重建图像相比,血管CT值没有差异,动脉血管内的噪声减少了50.7%,SNR和CNR分别提高了122.4%和98.5%,可见IMR重建对物质的CT值没有影响,但降低了图像的噪声水平。

本研究低剂量组(B1和B2)组对比剂注射速率和用量与A组相比,分别减少了22.0%和22.1%,但B2组图像的动脉血管平均CT值相对于A组动脉血管CT值(384.8)增加了11.1%。B2组图像噪声、 SNR、 CNR与A组相比差异均无统计学意义。说明虽然B组扫描对比剂注射速率和总量均降低,但图像质量客观指标并未受影响。因为与120 kV管电压相比,80 kV管电压产生X射线的平均光子能量更容易被对比剂中碘原子的K缘吸收,能够提高强化后血管的CT值,提高了血管和周围组织间的对比度^[10]。Huda等^[11]研究认为,同120 kV相比,100 kV管电压可使增强后血管的CT值增加约27%。另外对比剂注射速率和总量的降低,可减轻患者肾脏的碘负荷,并降低对比剂外渗和对比剂肾病的发生率,有利于保护患者的肾功能,提高检查的安全性^[12-14]。

当然,本研究也存一定的局限性,对于体重大于85 kg或BMI≥28.0 kg/m²的患者,80 kV管电压的射线穿透力不足,因此,未能纳入研究;颅内血管较为纤细,血管直径小,客观指标测量误差较大; IMR重建有3个等级,等级越高,降噪能力越大。本研究只使用第一等级进行图像重建,对于更高等级IMR重建的使用有待进一步研究;本研究重点研究"三低"技术对图像质量和辐射剂量的影响,并未对低对比剂用法中对比剂的不良反应发生情况进行后续随访研究。

总之,使用80 kV管电压结合低对比剂注射速率和用量进行头颈部CTA扫描,并使用IMR算法进行图像重建,可以在保证图像质量的基础上,显著降低患者辐射剂量,也可以降低对比剂注射速率和用量。