1、新型迭代重建算法(IMR)对低剂量冠状动脉CTA成像质量影响的研究The CT coronary angiography：impact of IterativeModel Reconstruction(IMR)on Imaging Quality Using2 5 6slice MDCT研究生：导 师：王飞侯阳论文课题起止时间： 2 Q!圣生!至旦二2 Q!垒生垒旦论文完成时间： 2 Q!垒生垒旦中国医科大学(辽宁)2 0 1 4年4月中国医科大学研究生学位论文独创性声明YUll2l U5l 9IIl8I 19I 14IIl9II本人申明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得
2、的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得我校或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。论文作者签名： 羔丝 日期：邕叟!=竺：!；勺中国医科大学研究生学位论文版权使用授权书本人完全了解中国医科大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在攻读学位期间论文工作的知识产权单位属中国医科大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位为中国医科大学，且导师为通讯作者，通讯作者单位亦署名
3、为中国医科大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布学位论文的全部或部分内容(保密内容除外)，以采用影印、缩印或其他手段保存论文。论文作者签名：丞釜垒指导教师签名：12盏；芝日 期：垃肇箪主旦目录一、摘要中文论著摘要一一一一一一一一一一一1英文论著摘要一一一一一一一3二、英文缩略语一一一6三、论文前言-7 日U吾 。-。 ，材料与方法一一一一一一一一一8结果一一一一一1 0讨仑”一一一一一1 2结论一一一一一一一一1 4四、本研究创新型的自我评价一一一1 5五、参考文献一一一1 6六、附录综述1 9致谢一26个人简介一一”一27中文论著摘
4、要新型迭代重建算法(1 MR)对低剂量冠状动脉CTA成像质量影响的研究研究目的探讨比较新型迭代重建(IMR)与传统FBP及iDOSE4在低剂量冠状动脉CTA中图像质量的差异，评估其进一步降低剂量及改善图像质量的能力，并探讨对于冠状动脉CTA而言的，恰当的迭代参数设置。材料和方法前瞻性选取72例临床疑诊冠心病受检者(男48例，女24例，平均年龄5412岁)，接受低剂量冠状动脉CTA检查。采用256层多排螺旋CT(BrillianceiCT，飞利浦公司)。扫描参数：管电压100 kV，管电流根据患者体指数选择为500-1000mAs。准直器宽度：根据扫描范围自动调整为128、112或960625，
5、FOV250 mm250 mm，扫描长度93188 mm，平均(12920)mm。重组层厚O9 nlm，重组间隔045 mm。原始数据分别经FBP，iDOSE4(IL4)，IMR(L1CardiacRoutine)，IMR(L2 Cardiac-Routine)重组，记作A-D组。各序列均采用常规心脏卷积函数XCB。重建矩阵512x512。比较各组的主客观图像质量。包括：CT值，噪声，信噪比，对比噪声比及主观噪声，血管边缘锐利度，伪影和图像总体可接受性。应用SPSS 170软件(SPSS，Chicago，IL，USA)进行统计学分析。2名观察者对各组图像质量主观评分的一致性采用Kappa检验。
6、各组间客观评价指标及主观评价指标均采用Friendmen检验。组内多重比较采用Wilcoxon检验。P5 years) cardiac radiologists who were blinded toscan conditions and patientsclinical dataIf necessary,the opinion of a thirdradiologist was used to adjudicate differences in order to obtain a consensus scoreObjective index of image quality(CT value
7、，Noise，SNR，CNR)were comparedFriendmen test were used for comparisons of demographic data in subjective andobjective evaluation of image quality among groupsThen，Multiple comparison wereperformed by the Wilcoxon testA level of P30 kgm2；严重的肾功能不全(肌苷清除率120 PanolL)、怀孕、已知碘对比剂过敏、冠状动脉支架植入术后、CABG术后复查、严重的心率不齐
8、、心功能III级以下等。其中，男48例，女24例，年龄2979岁，平均(5412)岁，BMI 187293 kgm2，平均(24425)kgm2，冠状动脉钙化积分为0“8175分，平均(28952165)分。该实验经伦理委员会批准，所有患者均签署知情同意书。二、扫描方法冠状动脉CTA检查采用256层CT(荷兰Philips Brilliance 256iCT)。扫描范围从气管分叉下方l cm至膈肌。采用对比剂跟踪触发技术，感兴趣区设于主肺动脉窗层面的升主动脉内，触发阈值为180 HU。达阈值后嘱患者屏气，6 S后开始扫描。采用Ulrich REF XD 2051双筒高压注射器，18 g套管针，
9、置于前臂静脉，注射对比剂碘海醇(350 mg Im1)45-65 ml，流率40-50 mls，随后相同流率注入30 ml生理盐水。扫描参数：管电压100 kV，管电流根据患者体指数选择为150250mAs。准直器宽度：根据扫描范围自动调整为128、112或960625，FOV 250 mm250 mm，扫描长度93188 mm，平均(12920)唧。重组层厚09 mm，重组间隔045 mm。心率970次min者，CT检查前口服J3阻滞剂25-一50 mg(美托洛尔片)以降低心率。受检者扫描实时心率3969次min，平均为(607)次min，心率变异均值为035次，平均(1510)次。三、图像
10、处理及分析8原始数据分别采用FBP，iDOSE4(IL4)，IMR(L1 CardiacRoutine)，IMR(L2CardiacRoutine)重组，记作A-D组。各序列均采用常规心脏卷积函数XCB。重建矩阵512x512。(一)图像质量主观评价：将图像质量最佳时相的各组横断面数据传至(EBW401工作站)进行分析。采用横断面及MPR图像对受检者的前降支、旋支及右冠状动脉进行图像质量的综合评估，内容包括：血管和周围结构的对比度、管腔边缘的锐利度、主观噪声、总体图像质量。上述主观指标均按照5分法评定睛1，5分：噪声极小，血管边缘锐利，无伪影，整体质量优秀；4分：噪声较小，血管边缘较锐利，无明
11、显伪影，整体质量良好；3分：噪声尚可，血管边缘基本锐利，略有伪影，整体质量合格；2分：噪声较大，血管边缘模糊，伪影较大，整体质量不佳；1分：噪声极大，血管边缘模糊，严重伪影，管腔不能评价或血管显示中断，移位。由2名不知扫描条件及患者临床资料的有经验的放射科医师(从事冠状动脉CT诊断5年以上)对图像质量进行评价，二者意见不一致时，由第3名放射科医师评定，取相同评分作为最终结论。(二)图像质量客观评价：左冠状动脉起始部水平的主动脉根部内设定2cln2感兴趣区，测定其CT值，并以其标准差作为图像噪声。测定同层面左主干周围的心包内脂肪CT值作为背景，其感兴趣区大小取不包含血管的最大面积值。按照公式：对
12、比噪声比(CNR)=(CT主动脉一CT心包脂肪)图像噪声主动脉，计算CNR。(三)。辐射剂量测量：采用CT剂量指数(computed tomography dose index，CTDI)，CT剂量长度乘积(doselength products，DLP)及有效辐射剂量(effective dose，ED)评价患者的辐射剂量。记录扫描过程中CTDI及DLP值。采用公式：ED=DLPX k计算患者有效辐射剂量(k=O014 mSvmGy一1cln一1)n。四、统计学分析所有计量资料采用iS表示。应用SPSS 170软件(SPSS，Chicago，IL，USA)进行统计学分析。2名观察者对各组图像
13、质量主观评分的一致性采用Kappa9检验。各组间客观评价指标及主观评价指标均采用Friendmen检验。组内多重比较采用Wilcoxon检验。PO05为两组间差异存在统计学意义。一、患者一般情况挂田当日禾所有患者均顺利完成冠状动脉CTA检查，无副反应发生。 患者的一般资料及辐射剂量见(表1)表1患者一般资料及辐射剂量表患者|翻量年龄(岁) 5412(3972)性别(男女)4824体指数(BMI) 24425(187293)心率(次分) 606(47-68)心率变异(次分) 12o9(051)扫描长度(毫米) 123197(9361404)CTDI(mGy) 8621(23105)DLP(mGy
14、cm) 10681278(2621446)印(mSv) 1504(04-20)客观图像质量的比较AD组冠状动脉起始部水平的血管内CT值为34575985HU，各组间无显著的统计学差异(P005)。各组的客观噪声存在显著差异。A组(FBP组)噪声最大，显著高于各迭代重建组，而D组IMR(L2一CardiacRoutine)最小。迭代重建组(BD组)的信噪比及对比噪声比亦显著高于A组(FBP组)。D组的噪声，信噪比及对比噪声比均显著高于AC组。表2各组间客观图像质量比较10主观图像质量的比较二位观察者的各项主观评分均显示了较好的一致性，图像对比度，血管边缘锐利度，主观噪声，及图像的可接受性的Kap
15、pa值分别为074，084，082，082。两者评分不一致者经第三位放射医师评定后取一致评分为最终评分进行组间比较，各组最终主观评分见表3表3各组间主观图像质量比较主观噪0110，430，0，10 0，O，0 0，0，0 202 78 000 0000 000 O000 1 0声 19，o 52，10 ，0厅2 0厅2锐利度 0，O，2， 0，0，O，0，0，0 0，0，O， 5793 000 000 000 000 0001 0046 0 04627M3 12，Q，72 4鹄伪髟00，O，8m4 00，0，蝴0，0，0，00m， 11574 000 0 157 0046 O(30 0 157
16、 000 000懈 撇4可接受 0，10，38，0，0，8， O，0，0，00，0， 161 394 000 000 000 000 O0 037 Ooo性 22，2 42，22 2，70 44屋8注：(112131415)代表主观评分分值在主观噪声评分方面，IMR迭代重建组(C、D组)显著优于FBP(A组)及iDOSE4组(B组)。C、D组间主观噪声评分未见显著差异。在血管边缘锐利度方面，以C组最佳，显著优于A，B，D组(PO05)。图像伪影评分上，D组最差，表现为血管边缘模糊见蜡像样伪影存在，并且使原有的轻度运动伪影加重。B、C组对于伪影评分均有较好表现，并显著优于A，D组。图像总体可接受
17、性上，各组间均有显著统计学差异。其中A组最差，在低剂量条件下，其图像总体的合格率为878，B-D组的合格率均为100，其中以C组最佳，其优秀率可达972。图1图1，男56岁，BMl256，前降支cMPR图像。AD分别代表AD组。C，D组图像的噪声，对比度，管腔边缘锐利度及整体图像质量均优于A、B组其中C组最佳，其重建函数为IMR(L1一CardiacRoutine)讨论CT原始数据的重组算法主要有滤波反投影及迭代重组两大类。迭代重组算法诞生于上世纪七十年代，其对噪声的抑制和消除明显优于FBP，这是其能够实现低剂量成像的基础，然而由于数据量大，处理复杂，受制于当时的计算机发展水平，不能用于医用C
18、T的临床处理。近两年来，随着计算机设备的迅猛发展及12新型迭代算法的产生，迭代算法的临床应用价值逐渐受到肯定，并成为降低CT辐射剂量的有力武器。以往的研究显示迭代重组可以显著地降低噪声，改善对比噪声比及信噪比13-17。应用不同类型的迭代重组算法可使冠脉CTA的剂量降低1750瞳。引。然而，早期的迭代重组的缺点是容易产生蜡像样伪影，且图像重组的速度偏慢。本研究采用的IMR是新型的迭代重组算法，其特点是它在重建过程中同时考虑数据统计，图像的统计及系统模型，使重建过程进一步优化并符合应用者的临床需求。本研究结果显示，在低电压低剂量冠状动脉CTA中，IMR重建较FBP及iDOSE4进一步显著降低噪声
19、，提高信噪比及对比噪声比，应用IMR的Ll-Cardiac-Routine迭代参数可以获得最佳图像质量。图像客观指标评价显示：各组的CT值未见显著统计学差异，说明FBP及各种迭代重建不改变组织对X线的吸收系数，迭代重建在降噪的同时可以维持组织的X线吸收特性，从而有效的区分不同组织。IMR的两种迭代参数重组较FBP及iDOSE4(IL4)重建显著降低了噪声，改善对比噪声比，从而提高图像质量。FBP重建的噪声均值为480107，iDOSE4组噪声为34984，IMR重建的C、D组的噪声为139205显著低于A、B组。噪声的降低，使得对比噪声比有所提高。各组间有显著统计学差异。上述结果与Hara心加
20、应用模体测量及ASIR腹部成像的研究结果相同。MSBittencourt乜门应用迭代重建进行相同剂量条件下冠状动脉CTA检查，与FBP重建方法的图像质量的对照研究显示，两种方法所得图像的主观评分没有差异，而迭代重建图像噪声更小，信噪比更高。并且本结果与Scheffel H243等对于同类型迭代重建算法的研究结果一致，该研究采用基于模型的迭代重组(model based iterative reconstruction，MBIR)技术，其结果显示MBIR较ASIR有更为明显的降噪及提升对比噪声比的作用， MBIR，ASIR及FBP组的对比噪声比分别为(4419，2915，269，pO001)本研
21、究显示，观察者在主观评价上具有较好的一致性。C，D组各项图像质量评分显著优于A，B组。在主观噪声方面，C，D组优于A，B组有显著差异，然而，C，D组间无显著差异。在图像边缘锐利度方面，各组间均有显著统计学差异。其中C组最佳，B，D组次之，A组最差。A，B组管腔边缘锐利度下降的主要原因是图像噪声偏大。而D组边缘锐利度下降的主因则是过度的迭代处理导致“蜡像样伪影”的增加。蜡像样伪影是迭代重建算法中普遍存在问题，从图像的主观感受上看，图像边缘过于平滑，界限模糊，考虑与空间分辨率下降有关。Hara心的研究也证实了迭代重建可能造成空间分辨率的降低，在模体实验中半剂量扫描迭代重建与全剂量扫描FBP重建比较
22、空间分辨率略有下降，在对肝囊肿病变的显示上，囊肿边缘模糊。这种伪影的产生往往由于迭代等级函数选择不当所致。适当降低迭代等级有利于减轻或避免此类伪影。图像总体质量的可接受性评分上，C组的优秀率最佳为972，显著优于A，B，D组(28，306及389)，说明IMR较iDOSE4可以更好的改善图像质量，从而具备进一步降低辐射剂量的潜力。此结果与Scheffel H24的研究一致，其研究了375个冠脉横断面，应用MBIR的图像优秀率为26显著优于ASIR and FBP(13and 4，pO001)。另外，D组的图像质量不及C组，主要原因是迭代函数L2-CardiacRoutine重建后，蜡像样伪影增
23、加，并且加剧了部分血管节段的运动伪影所致，再次说明选择适当迭代函数等级函数的重要意义。本研究的局限性：1、每组病例数仍偏少，有待进一步扩大样本量。2、我们未按照体重指数对患者进行分组给予个体化的剂量，而是采用前期研究的经验值，今后可以结合IMR的降噪水平，精确的研究其降低剂量的潜力。3、由于我们采用的是IMR样机，与主机的运算性能有所差异，因而没有对IMR与iDOSEl与FBP重建时间进行比较，重建时间的长短可能对临床的广泛应用造成影响，有待进一步评估。4、没有进行低剂量IMR组图像与常规CAG或IVUS的对照研究，IMR图像能否客观真实的反映斑块的形态特征，及其诊断血管狭窄的准确性尚待进一步
24、研究。结论新型IMR可显著改善低剂量冠状动脉CTA的图像质量，L1一CardiacRoutil3e是最适迭代参数，应用IMR有望较iDOSE4进一步降低剂量。14本研究创新性的自我评价1、本研究首次应用IMR对冠状动脉CTA的图像质量进行评估，此前尚未见相关文献报道。2、本研究首次分析了不同IMR迭代函数对图像重建的影响，对临床应用有一定的指导意义，为新型迭代重建IMR在低剂量冠脉CTA扫描方案的应用奠定了基础。 参考文献 1Kerl JM，Schoepf UJ，Zwerner PL，et a1Accuracy of coronary artery stenosisdetection with
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40、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。有报道出，全球医疗所致的年人均辐射剂量在过去1015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拉川。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H。1。然而，在目前常用的CT图像重建技术一滤波反投影算法(Fiitered 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
41、年来，随着计算机技术的迅猛发展，使最早应用于CT图像熏建的迭代熏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、 I R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
42、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
43、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F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19现各种迭代重建算法，例女H2009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
44、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、 I R技术在冠状动脉GTA中的应用(一)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u2。1引。在应用迭代重建技术的冠脉CTA的早期研究中，LipeiS等E盯1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1730，因而预测应用迭代重建技术可能使剂量降低3040。Moscariello等u剐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
45、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n叫运用双源CT评价IRIS迭代算法的实验显示，在冠脉CTA中噪声可下降2813。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。(二)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、改善图像质量瞳。叫。3。不同的迭代算法可以降低的剂量比例有所差异。Leipsic J等乜41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
46、号、噪声及可诊断的冠脉节段比例没有明显差异。Park EA等心5通过对BMI25的患者降低管电流(320mas减少到200mas)或BMI25的患者降低管电压(120kvp减少到lOOkvp)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(3S 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等心刚将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等心刀应用256层CT对中等体型(BMl25428kgm2)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1201mSv。(三)对于冠状动脉斑块及支架的显示Gebhard等心83使用64排CT研究冠状动脉钙化积分，与传统的FBP相比，采20用IR技术可
