低管電壓聯(lián)合迭代重建技術(shù)在腦血管CT成像中的應(yīng)用

曹國全，唐坤，潘克華，邰云鵬，陳曉，吳恩福，王鎮(zhèn)章

（溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院　放射科，浙江　溫州　325015）

低管電壓聯(lián)合迭代重建技術(shù)在腦血管CT成像中的應(yīng)用

曹國全，唐坤，潘克華，邰云鵬，陳曉，吳恩福，王鎮(zhèn)章

（溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院放射科，浙江溫州325015）

目的：探討腦血管CT成像中管電壓聯(lián)合迭代重建與圖像質(zhì)量及劑量間的關(guān)系，以確定最優(yōu)管電壓和迭代重建的參數(shù)。方法：利用ATOM 701-D型成年男性仿真人頭顱模型，配置碘水混合造影劑自制腦血管。采用320排容積CT以80、100、120 kV管電壓分別聯(lián)合自適應(yīng)迭代降劑量技術(shù)（AIDR 3D）迭代重建4個等級（off、mild、standard、strong）共12種方案，按管電流等其他參數(shù)不變進(jìn)行顱腦單圈掃描，記錄輻射劑量。獲得橫斷面血管CT值及噪聲、血管周邊腦組織CT值及噪聲、信噪比（SNR）和對比噪聲比（CNR）。采用單因素方差分析比較不同管電壓掃描及不同迭代算法水平重建對圖像質(zhì)量的影響。結(jié)果：管電壓100 kV時較120 kV時容積CT劑量指數(shù)（CTDIvol）、劑量長度乘積（DLP）及有效劑量E分別降低39.29%、39.52%和39.42%；管電壓80 kV時較120 kV時CTDIvol、DLP及E分別降低66.88%、67.02%和67.31%。管電壓一定，不同迭代水平重建時：血管噪聲、血管周邊腦組織噪聲、SNR、CNR差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（均P＜0.05）；血管CT值及血管周邊腦組織CT值差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（均P＞0.05）。迭代重建水平一定，不同管電壓掃描時：血管CT值、血管噪聲差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（均P＜0.05）；血管周邊腦組織CT值、SNR、CNR差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（均P＞0.05）；血管周邊腦組織噪聲在AIDR 3D off和mild水平時差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），在standard和strong水平時差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。結(jié)論：100 kV管電壓掃描聯(lián)合standard或strong水平的迭代重建算法會獲得較高質(zhì)量的腦血管成像。

體層攝影術(shù)，X線計算機(jī)；管電壓；迭代重建；輻射劑量；腦血管

隨著多層螺旋CT技術(shù)發(fā)展，CT血管成像（CT angiography，CTA）對腦的中小血管的顯示由于已接近或達(dá)到數(shù)字減影血管造影（digital subtration angiography，DSA）水平，已經(jīng)在臨床上廣泛應(yīng)用[1]，但由此產(chǎn)生的輻射劑量、對比劑腎病及一些重要的并發(fā)癥也越來越受到關(guān)注[2-3]。通過低管電壓技術(shù)來降低CTA的輻射劑量是研究熱點(diǎn)之一[4-5]，但降低管電壓其圖像噪聲將顯著增加。應(yīng)用自適應(yīng)迭代降劑量技術(shù)（adaptive iterative dose reduction 3D，AIDR 3D）能夠降低圖像噪聲。鑒于此，筆者采用低管電壓聯(lián)合不同迭代水平對仿真人模體進(jìn)行掃描，探討低管電壓聯(lián)合迭代重建技術(shù)在腦CTA掃描中對橫斷面圖像質(zhì)量及輻射劑量的影響。

1　材料和方法

1.1材料實(shí)驗(yàn)?zāi)ｓw選用美國CIRS公司的ATOM701-D型成年男性仿真人（見圖1）。該仿真人身高173 cm，體質(zhì)量73 kg，其中腦組織材料物理密度1.07 g/cm3，電子密度3.470×1023g/cm3，內(nèi)有11個直徑5 mm的孔洞，可取出等效填塞物并灌入等同常規(guī)腦血管成像時其CT值的碘水混合對比劑而模擬腦血管。該模體內(nèi)組織齊全、吸收系數(shù)等效于真人。

圖1　701-D型仿真人

1.2實(shí)驗(yàn)方法用對比劑碘海醇（350 mg I/mL）與0.9%氯化鈉溶液按照一定比例配置碘水混合液，灌入直徑約5 mm的醫(yī)用輸液管，輸液管兩端開口封??；取出仿真人腦組織中孔洞的等效填塞物，將內(nèi)含碘水混合對比劑的輸液管植入腦組織，使得大致在兩側(cè)大腦中動脈水平段的位置的輸液管在120 kV條件掃描時的CT值在400左右，可模擬腦CTA中具有同樣高對比的腦血管顯示狀況。兩側(cè)大腦中動脈水平段位置的模擬腦血管橫斷面如圖2所示。

圖2　仿真人模擬腦血管橫斷面圖像

1.3掃描方法使用320排容積CT機(jī)（Aquilion one，日本Toshiba公司），采用容積掃描方式。掃描參數(shù)：準(zhǔn)直320×0.5 mm，單圈旋轉(zhuǎn)時間0.5 s，重建層厚0.5 mm，重建間隔0.5 mm，視野24 cm，管電流300 mA，掃描范圍包括全腦。以管電壓80、100、120 kV分別聯(lián)合AIDR 3D迭代重建4個等級（off、mild、standard、strong）共12種方案，按管電流等其他參數(shù)不變進(jìn)行仿真人顱腦數(shù)據(jù)采集。

1.4CT掃描劑量CT機(jī)依所設(shè)置的掃描參數(shù)，自動計算出掃描劑量估算值（CTDIvol，單位：mGy）和劑量長度乘積（DLP，單位：mGy·cm），記錄每種掃描方案的CTDIvol和DLP。根據(jù)DLP計算有效劑量（E，單位：mSv），E=k×DLP，k值為組織權(quán)重因子（單位：mSv· mGy-1·cm-1），采用美國醫(yī)學(xué)物理家協(xié)會（American Association of Physicists in Medicine，AAPM）推薦的成人頭顱權(quán)重因子0.0021[6]。

1.5數(shù)據(jù)分析感興趣區(qū)（region of intrest，ROI）面積取2.4 mm2，測量：①血管CT值。②血管噪聲，用血管CT值標(biāo)準(zhǔn)差（standard deviation，SD）表示。③血管周邊腦組織CT值。④血管周邊腦組織噪聲，用腦組織SD值表示。⑤信噪比（signal noise ratio，SNR）：SNR=ROI血管/SD腦。⑥對比噪聲比（contrast noise ratio，CNR）：CNR=（ROI血管-ROI腦）/SD腦。其中ROI血管為血管CT值；ROI腦為血管周邊腦組織CT值；SD腦為血管周邊腦組織噪聲。其中①②③④項均固定ROI并測量3次。

1.6統(tǒng)計學(xué)處理方法采用SPSS20.0統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。血管CT值、血管SD值、腦組織CT值、腦組織SD值、SNR、CNR用±s表示。管電壓一定，不同迭代水平重建時對圖像質(zhì)量指標(biāo)影響的差異以及迭代重建水平一定，降低管電壓時對圖像質(zhì)量指標(biāo)影響的差異均采用單因素方差分析。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

圖3　100 kV管電壓時不同迭代水平重建圖像質(zhì)量指標(biāo)比較

2　結(jié)果

2.1掃描劑量結(jié)果管電壓80 kV時CTDIvol、DLP、E分別為10.20 mGy、162.70 mGy·cm、0.34 mSv；管電壓100 kV時CTDIvol、DLP、E分別為18.70 mGy、298.40 mGy·cm、0.63 mSv；管電壓120 kV時CTDIvol、DLP、E分別為30.80 mGy、493.40 mGy·cm、1.04 mSv。12種掃描方案中，當(dāng)管電壓不變，迭代重建算法變化時，掃描劑量相同。管電壓100 kV時較120 kV時CTDIvol、DLP及E分別降低39.29%、39.52%和39.42%；管電壓80 kV時較100 kV時CTDIvol、DLP及E分別降低45.45%、45.48%和46.03%；管電壓80 kV時較120 kV時CTDIvol、DLP及E分別降低66.88%、67.02%和67.31%。

2.2管電壓一定、不同迭代水平重建時，腦血管橫斷面圖像質(zhì)量比較以管電壓100 kV為例，不同迭代水平重建時血管CT值為：off：545.10±6.43；mild：539.90±4.99；standard：539.47±3.56；strong：539.23±3.96。其他血管SD值、腦組織CT值、腦組織SD值、SNR、CNR等圖像質(zhì)量指標(biāo)比較見圖3。血管噪聲、血管周邊腦組織噪聲、SNR、CNR間經(jīng)方差分析差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（均P＜0.05）；血管CT值及血管周邊腦組織CT值差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（均P＞0.05），具體見表1。且血管噪聲及周邊腦組織噪聲隨著迭代水平的升高而下降，SNR及CNR隨著迭代水平的升高而升高。

表1　管電壓一定時不同迭代水平重建對圖像質(zhì)量的影響比較

2.3迭代重建水平一定、不同管電壓時，腦血管橫斷面圖像質(zhì)量比較以standard迭代水平為例，不同管電壓掃描時血管CT值為：120 kV：426.57± 5.70；100 kV：539.47±3.56；80 kV：669.53±5.05。其他血管SD值、腦組織CT值、腦組織SD值、SNR、CNR等圖像質(zhì)量指標(biāo)比較的柱狀圖如圖4所示。血管CT值、血管噪聲經(jīng)方差分析差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（均P＜0.05）；血管周邊腦組織CT值、SNR、CNR差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（均P＞0.05）；血管周邊腦組織噪聲在AIDR 3D off和mild水平時差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），在standard和strong水平時差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。具體見表2。且血管CT值及噪聲均隨著隨著管電壓的降低而升高。

圖4　standard迭代水平重建時不同管電壓掃描圖像質(zhì)量指標(biāo)比較

表2　迭代重建水平一定時不同管電壓對圖像質(zhì)量的影響比較

3　討論

腦血管CTA輻射劑量較大，據(jù)文獻(xiàn)報道，一次頭顱常規(guī)CT檢查的有效劑量為0.9～4.0 mSv，而腦CTA檢查輻射劑量為單次掃描的2～3倍[7]。因此，在不影響圖像質(zhì)量的前提下，如何降低CTA輻射劑量，成為業(yè)界普遍關(guān)注的熱點(diǎn)。

3.1低管電壓腦血管CT成像的理論依據(jù)CT的輻射劑量與管電壓的平方呈線性相關(guān)，與管電流呈線性相關(guān)。相比降低管電流的方法，同等比例降低管電壓更能有效地降低CT輻射劑量。降低管電壓，X線光子能量降低，高原子序數(shù)元素的組織或結(jié)構(gòu)（如含碘劑的血管）光電效應(yīng)顯著增強(qiáng)，該組織對X線的衰減增加導(dǎo)致其CT值顯著升高。本研究中使用管電壓100 kV掃描成像輻射劑量明顯降低，其CTDIvol、DLP及E與120 kV時相比分別降低39.29%、39.52%和39.42%。使用管電壓80 kV掃描輻射劑量降低幅度更大，其CTDIvol、DLP及E與120 kV時相比更是降低了66.88%、67.02%和67.31%。這與Sun等[8]使用320排螺旋CT的研究結(jié)果一致，采用80 kV低管電壓腦CTA檢查，其輻射劑量較120 kV常規(guī)管電壓更能顯著降低，達(dá)到69.73%。因此低管電壓CT成像是一種行之有效的方法。

3.2迭代重建技術(shù)降低圖像噪聲的理論依據(jù)既往文獻(xiàn)報道表明，當(dāng)管電壓降低時，圖像噪聲不可避免會顯著增加。由本研究中圖4可知，隨著管電壓的降低，血管噪聲SD值大幅上升，且3種管電壓血管噪聲差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。而圖像噪聲是影響圖像質(zhì)量的重要因素，尤其對腦動脈這種小血管成像影響比較大，Ertl-Wagner等[9]認(rèn)為噪聲增加會對顱內(nèi)細(xì)小血管及后循環(huán)的圖像質(zhì)量產(chǎn)生較嚴(yán)重影響。因此，在降低管電壓的同時如何減少圖像噪聲的增加顯得尤為關(guān)鍵。

AIDR 3D是320排容積CT上最新研發(fā)的迭代降噪算法，其原理是首先通過分析CT采集信號的物理特性，得到統(tǒng)計學(xué)模型，利用該模型來識別電子和量子噪聲，并進(jìn)行去除。得到的原始數(shù)據(jù)在圖像重建空間再根據(jù)解剖模型進(jìn)行反復(fù)的對照，通過迭代計算去除噪聲并加強(qiáng)組織結(jié)構(gòu)的顯示，Gervaise等[10]報道使用后能降低40%的圖像噪聲和52%的掃描劑量。AIDR 3D具有off、mild、standard和strong 4個水平，而off實(shí)際上就是不用迭代算法而用濾波反投影法（filtered back projection，F(xiàn)BP）。

3.3低管電壓聯(lián)合迭代重建技術(shù)對腦血管CT成像圖像質(zhì)量的影響根據(jù)本研究結(jié)果可知，3種管電壓掃描，不同迭代算法水平重建對血管本身和周邊腦組織的圖像噪聲影響是最明顯的，隨著迭代水平的提高，噪聲逐步減小，也因此提高了SNR和CNR，使得橫斷面圖像質(zhì)量提高，必定會提高腦血管的三維圖像質(zhì)量。這也驗(yàn)證了AIDR 3D去除噪聲的功能，使得低劑量掃描有了理論支撐。而不同迭代算法水平對血管CT值和腦組織CT值的影響是很小的，4種水平間差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），略微的數(shù)值波動是由于測量誤差造成的。隨著管電壓的降低，對圖像質(zhì)量的影響主要是大幅度提高了血管本身的CT值（從管電壓120 kV時的426.57±5.70升至80 kV時的669.53±5.05），而對血管周邊腦組織的CT值影響不大，這是因?yàn)閄線能量對血管中對比劑碘原子的K緣效應(yīng)所引起的，管電壓越低，光電效應(yīng)對血管的影響遠(yuǎn)大于周邊腦組織。另外，降低管電壓對血管的SNR和CNR影響并不大，這主要是因?yàn)榻档凸茈妷簳r，其他掃描條件不變，血管CT值和噪聲水平同比例上升所致。管電壓變化時，血管周邊腦組織噪聲在AIDR 3D off和mild水平時差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），在standard和strong水平時差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），說明低水平迭代算法重建時，降低管電壓所致低輻射劑量對圖像噪聲影響很大。而在高水平迭代算法時，由于迭代算法強(qiáng)大的降噪能力對低管電壓掃描噪聲水平升高的彌補(bǔ)，使得由于降低管電壓而引起的噪聲變化相對不明顯了。因此standard和strong兩種水平的迭代算法更適合于低管電壓掃描腦血管成像。由圖4的柱狀圖比較可知，不論在何種迭代水平重建，管電壓100 kV掃描得到的SNR和CNR均好于120 kV和80 kV，這與李瑞等[11]的研究結(jié)論相符：管電壓100 kV相比120 kV腦CTA掃描在降低輻射劑量的同時，圖像質(zhì)量不受影響。Ertl-Wagner等[9]亦認(rèn)為80 kV的低管電壓由于顱骨對射線的衰減增加將導(dǎo)致血管邊緣形態(tài)及診斷信心下降。

綜上所述，100 kV管電壓掃描聯(lián)合standard或strong水平的迭代重建算法會獲得較高質(zhì)量的腦血管成像，理論上100 kV管電壓聯(lián)合strong迭代水平重建效果更好。而100 kV管電壓掃描時的輻射劑量相比于120 kV掃描減少了約40%。本研究的不足之處在于評價的是血管橫斷面，研究結(jié)論還需在臨床患者腦血管三維圖像上進(jìn)行驗(yàn)證，這也是我們接下來的研究內(nèi)容。

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（本文編輯：胡苗苗）

An application of low tube voltage in combination with simultaneous iterative reconstruction technique in cerebrovascular CT imaging

CAO Guoquan, TANG Kun, PAN Kehua, TAI Yunpeng, CHEN Xiao, WU Enfu, WANG Zhenzhang.
Department of Radiology, the First Affiliated Hospital of Wenzhou Medical University, Wenzhou, 325015

Objective:To study the impacts of tube voltage and simultaneous iterative reconstruction technique on the image quality and radiation dose in cerebrovascular imaging and determine the optimum tube voltage and iterative reconstruction parameters.Methods:A home-made blood vessel of brain was constructed using an ATOM 701-D adult male phantom head and iodine-water mixture contrast agent. A 320-row volume CT was used to scan the home-made brain at tube voltages of 80, 100 and 120 kV in combination with off, mild, standard and strong iterative reconstruction levels (12 protocols in total), respectively. Tube current and other parameters were not changed during scanning. CT value of the transverse blood vessels and its corresponding noise, CT value of brain tissue around blood vessels and its corresponding noise, signal-to-noise ratio (SNR) and contrast-to-noise ratio (CNR) were obtained. One-Way ANOVA analysis was applied to investigate the impacts of different tube voltages and simultaneous iterative reconstruction levels to image quality.Results:Compared with group 120 kV, the CTDIvol, dose length product (DLP), effective dose (ED) of group 100 kV and 80 kV reduced 39.29%, 39.52%, 39.42% and 66.88%, 67.02%, 67.31% respectively. When the tube voltage was kept constant, blood vessel noise, noise of brain surrounding blood vessels, SNR and CNR showed statistical difference (P＜0.05), while CT values of blood vessel and brain tissue around blood vessels had no statistical difference (P＞0.05) at different iterative reconstruction levels. When iterative reconstruction level was not changed and tube voltage was varied,both CT values of blood vessel and blood vessel noise exhibited statistical difference (P＜0.05), CT values of brain tissue around blood vessels, SNR and CNR had no statistical difference (P＞0.05), and noise of brain tissue around blood vessels showed statistical difference (P＜0.05) at AIDR 3D off and mild levels and no statistical difference (P＞0.05) at standard or strong levels.Conclusion:High-quality cerebrovascular imaging can be acquired at a tube voltage of 100 kV in combination with a standard or strong level of iterative reconstruction algorithm.

tomography, X-ray computed; tube voltage; iterative reconstruction; radiation dose; cerebrovascular

R814.2

A

1000-2138（2014）10-0718-05

2014-05-05

溫州市科技局科技計劃項目（Y20130146）；溫州科技對外合作項目（H20090012）。

曹國全（1977-），男，山東臨朐人，副主任技師，碩士。

吳恩福，主任醫(yī)師，教授，碩士生導(dǎo)師，Email：wzwef@163.com。