李倩文，杜祥穎，李坤成

首都醫(yī)科大學宣武醫(yī)院 放射科，北京100053；北京磁共振成像腦信息學北京市重點實驗室，北京 100053

多排螺旋CT冠狀動脈成像檢查中消除運動偽影的相關方法與應用

李倩文，杜祥穎，李坤成

首都醫(yī)科大學宣武醫(yī)院 放射科，北京100053；北京磁共振成像腦信息學北京市重點實驗室，北京 100053

近年來，多排螺旋CT（Multi-Detector Spiral Computed Tomography，MDCT）冠狀動脈成像已成為無創(chuàng)性篩查冠狀動脈硬化性心臟病最重要的影像學手段。如何消除較快心率MDCT冠狀動脈成像中的運動偽影進而提升圖像質(zhì)量是促進MDCT冠狀動脈成像發(fā)展的基礎。本文結合MDCT冠狀動脈成像中運動偽影產(chǎn)生的原因，綜述目前消除運動偽影的相關方法及其應用。

多排螺旋CT；冠狀動脈成像；運動偽影

引言

多排螺旋計算機斷層成像（Multi-Detector Spiral Computed Tomography，MDCT）技術的臨床應用促進了冠狀動脈CT成像的發(fā)展[1-2]。近些年，MDCT冠狀動脈成像已成為無創(chuàng)篩查冠狀動脈硬化性心臟病最重要的影像學手段[1,3-4]。但由于MDCT時間分辨率的限制，成像過程中會產(chǎn)生運動偽影，這是影響圖像質(zhì)量甚至影響診斷準確性的最重要因素之一[3]。如何消除運動偽影尤其是較快心率下的MDCT冠狀動脈成像運動偽影，是促進MDCT冠狀動脈成像發(fā)展的基礎。本文結合MDCT冠狀動脈成像運動偽影產(chǎn)生的原因，綜述目前消除運動偽影的主要相關方法及應用。

1 冠狀動脈CT成像運動偽影產(chǎn)生的原因

冠狀動脈CT成像過程中運動偽影的形成是由于圖像矩陣中的點（體素或像素）在CT獲取不同角度投影數(shù)據(jù)的過程中發(fā)生了位移，運動偽影的程度取決于位移的速率和圖像重建算法的校正效果[5-6]。相對低速的位移可以有效校正，而高速的位移則難以校正，這時運動偽影的程度就取決于低速位移時相的長短和CT數(shù)據(jù)采集速率之間的關系。如果重建時間窗選擇不合適，會導致冠狀動脈當時處于高速位移期相，而心率過快則會導致低速運動時相過短，CT無法在低速時相內(nèi)完成采集，兩者都會導致運動偽影的產(chǎn)生[6]。相關研究表明，只有CT時間分辨率達到50 ms以下，才可能真正達到在任何時相都能凍結心臟，而不出現(xiàn)運動偽影，但是目前CT機的時間分辨率遠沒有達到這個標準。綜上所述，冠狀動脈CT成像質(zhì)量由CT成像所提供的時間分辨率和冠狀動脈運動所形成的時間需求決定，矛盾雙方的改變都會影響成像效果。

2 消除運動偽影的方法及其應用

2.1 控制心率

降低受檢者的心率、延長心動周期，減慢冠狀動脈運動和延長冠狀動脈低速運動的時間，可以降低成像對時間分辨率的需求，是消除運動偽影最簡便有效和經(jīng)濟的方法。目前常規(guī)64排冠狀動脈CT檢查前通常會要求受檢者口服β受體阻滯劑以控制心率在65 次/min以下，同時確保心律穩(wěn)定，從而可以提供更長的可用于重建的時間窗，保證冠狀動脈CT成像質(zhì)量[7-8]。但是，部分受檢者會存在藥物禁忌或無法有效降低心率的情況。

2.2 提高時間分辨率

基于MDCT冠狀動脈成像基本原理及運動偽影產(chǎn)生的原因，要成功實現(xiàn)冠狀動脈CT成像并完全避免運動偽影，最重要的就是將特定掃描模式下獲得的最高時間分辨率與冠狀動脈運動幅度最小的時相相匹配，因此提高CT的時間分辨率是技術上的關鍵[9-10]。提高時間分辨率的主要手段是縮短機架旋轉(zhuǎn)時間，目前有效的旋轉(zhuǎn)時間還沒達到獲取理想的時間分辨率的范圍，其它一些因素如數(shù)據(jù)采集模式、圖像重建方式、螺距等也可影響到時間分辨率[7-8,11]?？梢允褂貌煌膾呙璺绞交虿煌膱D像重建方式來從軟件角度提高時間分辨率。

2.2.1 硬件提升

（1）提高管球旋轉(zhuǎn)速度。對于單源MDCT來說，利用半掃描重建技術時的單扇區(qū)時間分辨率等于球管旋轉(zhuǎn)時間的l/2，時間分辨率主要由球管旋轉(zhuǎn)時間所決定，提高時間分辨率最直接有效的方法就是加快球管的旋轉(zhuǎn)速度。隨著CT機的不斷發(fā)展更新，球管的旋轉(zhuǎn)速度也從4排螺旋CT的0.5 s、16排螺旋CT的0.42 s、64排螺旋CT的0.33～0.35 s、發(fā)展到雙源CT的0.27 s甚至更快，新一代的CT設備甚至將旋轉(zhuǎn)速度提高到0.2 s。但是，旋轉(zhuǎn)速度的提高所帶來的是對硬件設備的極高要求，尤其是高速旋轉(zhuǎn)所形成的超高的離心力，已經(jīng)使旋轉(zhuǎn)速度的提高接近極限。

（2） 采用寬體探測器。東芝320排螺旋CT Aquilion One采用縱向?qū)挾葹?60 mm的寬體探測器，可以在不進床的情況下完整覆蓋整個心臟，避免了64排CT掃描中多心動周期采集所形成的錯位，也消除了多扇區(qū)重建中螺距設置的問題[12]。雖然其旋轉(zhuǎn)時間仍為0.35 s，但通過多心動周期采集，可以基本解決心律失常甚至房顫的掃描難題，同時可利用多扇區(qū)重建提高時間分辨率。然而，由于其固有時間分辨率仍較低，而通過多扇區(qū)重建提高時間分辨率，心動周期之間的不一致仍會影響圖像質(zhì)量，同時，多心動周期采集必然帶來劑量的增加。Philips 256排MDCT Brilliance iCT球管旋轉(zhuǎn)速度提高至0.27 s，并配備8 cm的寬體探測器，在提高時間分辨率的同時增加了單圈覆蓋范圍，顯著縮短了掃描時間(僅4～5 s)，比64層螺旋CT放寬了對心率的限制，能提供更優(yōu)的圖像質(zhì)量[13]。GE寬體探測器CT Revolution球管轉(zhuǎn)速可達0.29 s，并且探測器足夠?qū)?，只需一個心跳就可采集所需數(shù)據(jù)，并且保證圖像質(zhì)量，而且病人接受的輻射劑量很低[14]。

（3）西門子雙球管雙探測器技術（雙源CT）。雙源CT裝備兩套X線球管與探測器，兩套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成約90°夾角安裝于機架上，在成像過程中，每套X線球管/探測器組合只需要旋轉(zhuǎn)約90°，即可采集到圖像重建所需要的180°的投影數(shù)據(jù)，使單扇區(qū)重建的時間分辨率提高到約為旋轉(zhuǎn)時間的1/4（對二代雙源CT而言約為75 ms）這樣的時間分辨率可以滿足臨床所見絕大多數(shù)心率范圍的收縮末期成像，同時也使舒張中晚期成像的心率范圍達到80 bpm左右[15]。此外，雙源CT可以采用大螺距（3.4）螺旋采集技術，在單個心動周期完成冠狀動脈CT成像，其層面內(nèi)時間分辨率為75 ms，但總采集時間接近300 ms，仍需在較低心率情況下應用[16]。Force CT作為三代雙源CT，其掃描速度進一步提升，達到最快速度0.25 s/rot，單扇區(qū)時間分辨率可達到約66 ms，為目前所有機器中的最快單扇區(qū)時間分辨率，基本滿足日常臨床工作中常見心率患者的成像需求[17]。此外Force CT進床速度可達73.7 cm/s，F(xiàn)lash掃描螺距最大可提升到3.2。進床速度的提升配合大螺距掃描，F(xiàn)lash掃描患者無需憋氣，單次采集即可完成成像。但是和二代雙源CT類似，F(xiàn)lash掃描時仍需要患者心率保持在較低且平穩(wěn)的狀態(tài)。

硬件系統(tǒng)升級是提高時間分辨率進而滿足高質(zhì)量成像的最主要的途徑，但是也存在著一些明顯的缺陷，如：① 成本過高，設備價格昂貴；② 受物理特性的限制，目前的球管旋轉(zhuǎn)速度已經(jīng)接近極限，很難再進一步加快球管的旋轉(zhuǎn)速度；③ 由于空間條件的限制，不能設計出比雙球管雙探測器系統(tǒng)更多的球管與探測器系統(tǒng)的設備；④ 隨著心率的增快，心臟運動相對靜止時期迅速縮短甚至趨近于0，意味著單靠硬件系統(tǒng)提高時間分辨率不能完全避免快心率時的運動偽影。

2.2.2 軟件開發(fā)

（1）多扇區(qū)重建技術。除了硬件升級之外，多種軟件技術也可用于消除冠狀動脈成像中的運動偽影，其中多扇區(qū)重建技術是提高時間分辨率最常用的方法[18]。在半掃描重建技術的基礎上，多扇區(qū)重建利用心電同步信號，從多個相鄰的心動周期和不同排列的探測器，收集同一相位窗但不同角度的半掃描重建所需的原始數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)重組。由于每個扇區(qū)的寬度相對單一扇區(qū)有明顯減小，所以時間分辨率能夠明顯提高。理想狀態(tài)下，利用多扇區(qū)重建技術所能達到的時間分辨率約等于半掃描重建的時間分辨率再除以扇區(qū)數(shù)。但實際應用時會受患者心率、球管旋轉(zhuǎn)時間及掃描螺距的限制，所達到的時間分辨率總會低于理想狀態(tài)下的時間分辨率。目前，以僅采集兩個心動周期的數(shù)據(jù)加以重建的雙扇區(qū)重建最常用[19]。由于重建數(shù)據(jù)來自多個心動周期，多扇區(qū)重建容易受到時相一致性水平的影響，此外，來自不同心動周期相鄰角度數(shù)據(jù)在時相上的不連續(xù)也會對重建圖像產(chǎn)生影響。因此，應用多扇區(qū)重建時維持患者心率穩(wěn)定是首要條件，其在心率波動患者中的應用受到限制。其次，多扇區(qū)重建提高時間分辨率的效果受心動周期長度與旋轉(zhuǎn)時間匹配的影響，導致部分心率情況下圖像質(zhì)量改善效果有限[20-21]。此外，多扇區(qū)重建要求相對于單扇區(qū)重建更低的螺距，這會導致輻射劑量的明顯增加[22-23]。

（2）基于壓縮感知的圖像重建技術（Prior Image Constrained Compressed Sensing，PICCS）。除了扇區(qū)重建技術之外，還有另外一種提高時間分辨率的技術PICCS，亦稱之為TRI-PICCS（Temporal Resolution Improvement-Prior Image Constrained Compressed Sensing，TRI-PICCS）[21-22]。和雙源CT提高時間分辨率的目標相似，TRI-PICCS技術期望應用常規(guī)半掃描重建所需的一半數(shù)據(jù)和時間完成圖像重建。但是，盡管該技術可以使時間分辨率提高一倍，但減半的圖像數(shù)據(jù)不足以重建滿意的圖像，會因投影角不足而造成遮蓋偽影。TRI-PICCS技術應用了常規(guī)重建的圖像進行匹配和校正，從而消除投影角不足的偽影，在提高時間分辨率的同時確保足夠的圖像質(zhì)量。Chen等[21]通過動物實驗證實，TRI-PICCS技術在單源CT檢查時對心率快于70 次/min時的冠脈成像可以獲得較好圖像質(zhì)量，所得到的圖像明顯優(yōu)于不使用該技術時的圖像質(zhì)量。與多扇區(qū)重建比較而言，該技術不會受到機架旋轉(zhuǎn)時間和心臟運動時相不同步等問題的干擾，且不會額外增加輻射劑量。該技術除了可以應用于單源CT，亦可應用于雙源CT以進一步提高雙源CT時間分辨率。但目前該技術尚未在臨床應用中得到驗證。

（3）運動估算與補償算法。除直接提高時間分辨率之外，還有一些重建算法來消除圖像的運動偽影，如運動估算（Motion Estimation，ME）與補償重建（Motion Compensation Reconstruction，MCR）算法。Isola等[23]開發(fā)的ME法基于已采集的圖像數(shù)據(jù)來估算心臟四維運動，在心電門控掃描采集心臟CT圖像后，選取一個心動周期中一組相對靜止時相的圖像，并從中挑選一個時相作為靶時相；然后，對選定的相對靜止時相和靶時相分別進行三維非剛性圖像配準來獲取相應時相的三維運動矢量信息；接著進行三次B樣條插值進一步得到該時相的四維運動矢量信息；最后，心臟運動矢量信息被反轉(zhuǎn)和重新整合以計算獲得感興趣區(qū)的其他任意時相的四維運動矢量信息，進而對心臟任意時相的運動進行估算。

在Isola等人研究的基礎上，Tang等[24]做出了改革創(chuàng)新，提出了一個完全四維的圖像迭代重建算法，即ME和MCR交替的算法。與Isola等的研究方法相比，Tang的ME法是一種非剛性四維圖像配準方法，其充分利用心動周期中心臟所有時相圖像的容積數(shù)據(jù)直接估計四維運動矢量信息，并同時在時間與空間層面上對圖像信息加以校正以保證估算的四維運動矢量信息足夠可靠。此外，Tang等的MCR法采用運動跟蹤錐形束反投影運動模型來進行運動的補償重建，因而對心臟運動信息的數(shù)據(jù)利用更充分。這種運動估算與補償重建過程迭代交替進行，從而達到改善圖像質(zhì)量的效果。

體模實驗及初步的小樣本臨床研究證實，通過使用ME與MCR算法，可以減少圖像的運動偽影。使用重建算法來減少圖像運動偽影的方法也日益受到研究者們的關注。

（4）運動校正技術（Snap Shot Freeze，SSF）。Isolah和Tang等研發(fā)的運動估算與補償重建算法并沒有推廣到臨床實際應用中。GE公司在該理論基礎上，研發(fā)了一種特異性針對冠狀動脈運動偽影的校正技術SSF，該技術通過選取已采集圖像中相對運動偽影較少、圖像質(zhì)量較好的時相為靶時相，軟件自動分析該靶時相及其左右80 ms共3個時相的數(shù)據(jù)信息，通過3個時相的數(shù)據(jù)信息整合，精確記錄冠狀動脈的運動速率及幅度以追蹤冠狀動脈的實際運動軌跡，進而準確定位每段冠狀動脈的實際位置以及運動偽影，然后特異性地消除運動偽影[25]。SSF運動校正技術為較成熟的軟件技術，該算法操作過程簡便易行，在選定靶時相之后，軟件后臺運行，耗時僅為約5 min，即可自動后處理選定時相的數(shù)據(jù)，以達到消除運動偽影、改善圖像質(zhì)量的目的。Leipsic等[26]在臨床試驗業(yè)已證實SSF可以在不控制心率條件下提高患者冠狀動脈CTA檢查的成功率，提高較快心率患者的CTA圖像質(zhì)量。和臨床傳統(tǒng)常用的多扇區(qū)重建技術相比，SSF在不額外增加輻射劑量的情況下，利用的是一個心動周期內(nèi)的數(shù)據(jù)，只需增加有限的時相來采集數(shù)據(jù)即可滿足重建需要。SSF同時適用于回顧性及前瞻性心電門控掃描，可以在提高圖像質(zhì)量的同時控制輻射劑量。

3 小結

綜上所述，隨著設備和技術的不斷創(chuàng)新，MDCT冠狀動脈成像質(zhì)量不斷完善，使快心率所導致成像過程中的運動偽影得到有效抑制。各種方法和技術的綜合應用，必將進一步改善冠狀動脈CTA的成像質(zhì)量，使其在冠心病診斷和評價中發(fā)揮更大的作用。

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Related Methods and Applications to Eliminate Motion Artifact in MDCT Coronary Angiography Examination

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MSCT; coronary angiography; motion artifact

LI Qian-wen, DU Xiang-ying, LI Kun-cheng
Department of Radiology, Xuanwu Hospital, Capital Medical University, Beijing 100053, China; Beijing Key Laboratory of Magnetic Resonance Imaging and Brain Informatics, Beijing 100053, China

R817.4

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.12.018

1674-1633(2016)12-0073-04

2016-08-07

2016-09-09

北京市醫(yī)院管理局重點醫(yī)學專業(yè)發(fā)展計劃（ZYLX201609）。

杜祥穎，主任醫(yī)師。研究方向：心血管影像診斷。

通訊作者郵箱：duxying_xw@163.com