圖像域迭代重建算法與濾波反投影法對(duì)肝臟CT圖像質(zhì)量和掃描劑量影響的比較研究

趙君祿，李敬玉，任慶云，鄭立冬，王 猛

圖像域迭代重建算法與濾波反投影法對(duì)肝臟CT圖像質(zhì)量和掃描劑量影響的比較研究

趙君祿，李敬玉，任慶云，鄭立冬，王 猛

目的：評(píng)價(jià)圖像域迭代重建算法（iterative reconstruction in image space，IRIS）與濾波反投影法（filtered backprojection，F(xiàn)BP）對(duì)肝臟CT圖像質(zhì)量和掃描劑量的影響。方法：采用西門(mén)子emotion 16層螺旋CT，在上腹部常用掃描管電壓130 kV條件下，曝光量分別采用250、230、210、190、170、150、130、110、90、70、50、30、20 mAs對(duì)尸體標(biāo)本進(jìn)行上腹部掃描，采用IRIS與FBP分別對(duì)掃描后的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行重建。以130 kV、250 mAs FBP重建圖像作為對(duì)照，比較不同掃描劑量條件對(duì)肝臟圖像質(zhì)量的影響，探討IRIS對(duì)降低肝臟CT掃描劑量、提高肝臟CT圖像質(zhì)量的作用。結(jié)果：在相同掃描條件下，IRIS重建圖像質(zhì)量?jī)?yōu)于FBP重建圖像質(zhì)量；在同等圖像質(zhì)量的前提下，IRIS可以降低40%的掃描劑量。結(jié)論：與FBP相比，IRIS可以顯著降低掃描劑量，提高肝臟CT圖像質(zhì)量。

圖像域迭代重建算法；濾波反投影法；迭代重建；圖像質(zhì)量；掃描劑量

0 引言

隨著多排CT的普及，CT的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但其所帶來(lái)的輻射問(wèn)題也越來(lái)越受到重視，如何解決輻射劑量和圖像質(zhì)量這一矛盾成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。迭代重建技術(shù)的出現(xiàn)成功地解決了這一矛盾，采用迭代重建可以在不影響圖像質(zhì)量的同時(shí)大大地降低受檢患者的輻射劑量，甚至在一定程度上可以提高CT的圖像質(zhì)量。本研究采用腹部掃描常用管電壓130 kV、不同曝光量對(duì)尸體標(biāo)本上腹部進(jìn)行掃描，對(duì)不同曝光量掃描采集的原始數(shù)據(jù)分別采用濾波反投影法（filterecl back-projection，F(xiàn)BP）和圖像域迭代重建算法（iterative reconstruction in image space，IRIS）進(jìn)行重建，對(duì)比2種重建算法重建的肝臟圖像噪聲及圖像質(zhì)量，分析IRIS對(duì)提高肝臟圖像質(zhì)量、降低肝臟掃描輻射劑量的作用。

1 材料與方法

1.1 儀器設(shè)備與檢查方法

CT掃描采用西門(mén)子emotion 16層螺旋CT。掃描標(biāo)本采用福爾馬林浸泡過(guò)的完整尸體標(biāo)本。采用螺旋方式進(jìn)行掃描，Pitch值為0.6，掃描層厚為5 mm，探測(cè)器采用16×1.2，F(xiàn)BP采用B31S medium smooth+卷積函數(shù)，IRIS采用I31S medium smooth+卷積函數(shù)。窗口技術(shù)采用窗寬：180 HU，窗位：40 HU。在腹部常用管電壓為130kV條件下，曝光量采用250、230、210、190、170、150、130、110、90、70、50、30、20 mAs（130 kV、20 mAs為CT允許掃描的最低條件）對(duì)尸體標(biāo)本的上腹部進(jìn)行掃描。

1.2 對(duì)應(yīng)用不同曝光量掃描的原始數(shù)據(jù)分別采用FBP與IRIS重建并測(cè)量

將應(yīng)用不同曝光量掃描的原始數(shù)據(jù)分別采用FBP與IRIS重建。重建層厚及重建間隔均為5 mm。選取有特殊標(biāo)志層面（肝臟鈣化斑上方層面）對(duì)肝臟右葉進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量點(diǎn)距邊緣10 mm且避開(kāi)上臂偽影影響部位，測(cè)量面積為1 592 mm2，測(cè)量肝臟的CT值及噪聲。

1.3 對(duì)FBP及IRIS重建后的圖像進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)

將重建后的圖像傳至MMWP40450工作站，隱藏掃描參數(shù)信息后，窗寬設(shè)置為180 HU，窗位設(shè)置為40 HU，由3名副高以上職稱(chēng)醫(yī)師進(jìn)行圖像評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)內(nèi)容包括肝臟實(shí)質(zhì)、肝內(nèi)組織結(jié)構(gòu)、肝臟內(nèi)鈣化灶等的對(duì)比度、清晰度及噪聲。綜合以上各結(jié)構(gòu)的顯示情況，以4分制對(duì)圖像進(jìn)行評(píng)價(jià)，1分：圖像噪聲大，結(jié)構(gòu)顯示不清，完全無(wú)法滿(mǎn)足診斷要求；2分：圖像噪聲較大，結(jié)構(gòu)顯示欠清，無(wú)法滿(mǎn)足診斷要求；3分：結(jié)構(gòu)顯示尚清楚，可以滿(mǎn)足診斷要求但圖像噪聲較大；4分：圖像噪聲小，結(jié)構(gòu)顯示清楚，完全可以滿(mǎn)足診斷要求。取3名醫(yī)生評(píng)分的平均分作為圖像質(zhì)量的最終評(píng)分?！?分的圖像被認(rèn)為可以接受。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS17.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件，不同掃描條件下，以預(yù)設(shè)掃描條件管電壓130 kV、曝光量250 mAs（此時(shí)CT劑量指數(shù)（CT dose incles，CTDI）約為25 mGy，為典型成年患者X線CT檢查腹部的診斷參考水平[1]）FBP重建圖像作為對(duì)照，比較不同管電流條件下2種重建算法圖像噪聲與圖像質(zhì)量，并分析其與掃描劑量的相關(guān)性。由診斷醫(yī)生對(duì)2種方法重建后的圖像進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)。將所得數(shù)據(jù)變量進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，以P=0.05作為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

2 結(jié)果

（1）在管電壓為130 kV、不同曝光量掃描條件下，所得的原始數(shù)據(jù)采用FBP和IRIS分別重建，運(yùn)用MMWP40450工作站進(jìn)行肝臟右葉特定部位CT值及噪聲測(cè)量。隨著掃描條件的降低，圖像的噪聲隨之提高，在同等條件下，IRIS重建所得的圖像噪聲明顯低于FBP重建所得的圖像。2種方法測(cè)得的圖像噪聲（SD）見(jiàn)表1。

表1 管電壓為130 kV時(shí)不同曝光量下的圖像噪聲值

（2）在腹部常用管電壓130 kV條件下，隨著曝光量的降低，掃描劑量不斷降低，不同曝光量對(duì)應(yīng)的掃描劑量見(jiàn)表2。

（3）不同曝光量對(duì)應(yīng)的FBP及IRIS重建算法重建的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)見(jiàn)表3。當(dāng)掃描劑量降至150 mAs時(shí)，即掃描劑量較正常劑量降低40%時(shí)，IRIS仍可以獲得滿(mǎn)意的圖像質(zhì)量，如果僅為獲得可診斷的圖像，掃描劑量可進(jìn)一步下降至36%（如圖1～4所示）。

表2 管電壓為130 kV時(shí)不同曝光量對(duì)應(yīng)的CTDI

表3 不同掃描條件下圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)

圖1 管電壓130 kV、曝光量250 mAs時(shí)FBP重建圖像

圖2 管電壓130 kV、曝光量250 mAs時(shí)IRIS重建圖像

圖3 管電壓130 kV、曝光量150 mAs時(shí)IRIS重建圖像

圖4 管電壓130 kV、曝光量90 mAs時(shí)IRIS重建圖像

（4）采用SPSS17.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對(duì)IRIS重建算法降低圖像噪聲、提高圖像質(zhì)量的效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，將所得數(shù)據(jù)變量進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)，以P=0.05作為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)分析可知，P〈0.05，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，即采用IRIS重建可以降低掃描的輻射劑量、提高圖像質(zhì)量。

3 討論

近些年，在我國(guó)，多排CT如雨后春筍般迅速普及，人們?cè)讷@得便利醫(yī)療的同時(shí)，所受的輻射劑量也在逐年遞增。CT檢查被認(rèn)為是造成醫(yī)源性輻射最重要的原因[2]。作為有創(chuàng)檢查，CT的輻射劑量對(duì)被照射人群存在的潛在危害性也逐漸被人們所關(guān)注[3]。如何在保證CT圖像質(zhì)量的同時(shí)降低CT的輻射劑量成為重中之重。在以往，人們采用各種方法降低CT檢查的輻射劑量，如低管電壓、低曝光量、大螺距以及根據(jù)人體受檢組織厚度和密度的不同來(lái)調(diào)節(jié)管電壓及曝光量等技術(shù)均取得了不同程度的效果[4]。但無(wú)論采取何種方法，在降低輻射劑量的同時(shí)均對(duì)CT的圖像質(zhì)量造成了一定的影響。FBP重建算法具有快速、可靠的優(yōu)點(diǎn)，自CT應(yīng)用于臨床以來(lái)，一直被商業(yè)CT設(shè)備廣泛采用[5]。但是應(yīng)用FBP重建，圖像噪聲對(duì)掃描條件的依賴(lài)性太大，掃描條件降低，圖像的噪聲就會(huì)增大，而噪聲越大，空間分辨率就會(huì)降低，圖像質(zhì)量也就變差。因此，應(yīng)用FBP重建時(shí)，降低掃描劑量必然在一定程度上導(dǎo)致圖像清晰度降低，這種相關(guān)趨勢(shì)限制了FBP重建低劑量CT掃描的應(yīng)用。

迭代重建克服了FBP重建法噪聲與空間分辨率密切相關(guān)的局限性，但是迭代重建需要較大的計(jì)算機(jī)容量，重建時(shí)間也比較長(zhǎng)，限制了其臨床應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)取得了重大發(fā)展，迭代重建技術(shù)也隨之取得進(jìn)步。本研究所用的IRIS重建技術(shù)是西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)的一種在圖像域進(jìn)行的迭代重建技術(shù)，其原理是將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一次重建后，在圖像空間內(nèi)進(jìn)行迭代，減少頻繁的重建和反重建的運(yùn)算量，可以在不失圖像銳利度的情況下降低噪聲，兼顧了處理時(shí)間和圖像質(zhì)量[6-7]。該算法屬于在降低噪聲層面上來(lái)提高圖像質(zhì)量，在低劑量掃描的情況下，圖像質(zhì)量會(huì)更好[8]，更加適合在保證肝臟圖像質(zhì)量前提下降低肝臟的掃描劑量。

腹部CT掃描，特別是肝臟CT掃描，由于缺乏像胸部一樣的天然對(duì)比，所以需要的掃描劑量更大，很難實(shí)現(xiàn)保證圖像質(zhì)量的低劑量掃描。本研究應(yīng)用腹部常用管電壓、不同曝光量掃描尸體標(biāo)本，得到不同劑量掃描的原始數(shù)據(jù)，再對(duì)這些數(shù)據(jù)分別進(jìn)行常規(guī)FBP及IRIS重建。對(duì)比FBP重建圖像，由表3可知，當(dāng)曝光量降至170 mAs時(shí)，還可以獲得可滿(mǎn)足診斷要求的圖像，但是圖像噪聲明顯增加，肝臟結(jié)構(gòu)顯示欠清楚。即當(dāng)劑量降低32%時(shí)可勉強(qiáng)獲得可診斷圖像，這也就是人們采用降低曝光量的方法來(lái)降低掃描劑量的依據(jù)。采用FBP重建在降低掃描劑量的同時(shí)，診斷醫(yī)生必須忍受高噪聲，這也是FBP重建算法降低噪聲的限制所在。IRIS重建算法與常規(guī)FBP重建算法圖像噪聲比較，測(cè)得結(jié)果顯示，應(yīng)用IRIS重建算法可以顯著降低圖像噪聲，且較低掃描劑量即可得到與FBP算法無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異的圖像質(zhì)量，IRIS重建算法可以降低約40%的輻射劑量而不影響圖像質(zhì)量。從圖像噪聲層面來(lái)看，降低40%掃描劑量的圖像和常規(guī)肝臟掃描的圖像質(zhì)量相同，主觀觀察圖像質(zhì)量也相近。如果是獲得FBP重建時(shí)可診斷的圖像，則掃描劑量還可降低至36%，此時(shí)劑量降低達(dá)到64%，由此可知IRIS重建算法可顯著降低掃描劑量，在一定程度上還可提高圖像質(zhì)量。

目前迭代重建的文章多為模體研究，與臨床實(shí)際應(yīng)用有很大區(qū)別。本研究應(yīng)用尸體標(biāo)本代替模體，更接近于臨床。其缺陷在于：測(cè)量患者CNR[9]（CNR=（ROI肝臟-ROI肌肉）/SD背景，其中ROI肝臟為肝實(shí)質(zhì)CT值均值；ROI肌肉為右側(cè)豎脊肌CT值均值；SD背景為前腹壁皮下脂肪SD的平均值）時(shí)受限。由于是福爾馬林浸泡過(guò)的尸體標(biāo)本，所以測(cè)量腹部皮下脂肪CT值時(shí)與正常人體有很大區(qū)別，無(wú)法獲得正常的脂肪CT值，所測(cè)得的SD值也不準(zhǔn)確，此時(shí)在客觀參數(shù)圖像質(zhì)量方面有限制；且尸體標(biāo)本的雙臂無(wú)法上抬，雙臂的偽影會(huì)對(duì)圖像產(chǎn)生一定的影響。在進(jìn)行圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)，由于尸體標(biāo)本經(jīng)福爾馬林浸泡后，其肝臟內(nèi)的結(jié)構(gòu)與正常人也有所不同，對(duì)圖像質(zhì)量的判斷有一定影響。但相對(duì)于模體研究，尸體標(biāo)本研究可以同時(shí)從客觀參數(shù)與主觀圖像質(zhì)量2個(gè)方面對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行比較。臨床影像診斷主要還是靠診斷醫(yī)生的主觀判斷來(lái)進(jìn)行的，所以本研究相對(duì)于模體研究單純的客觀參數(shù)更具有優(yōu)勢(shì)，對(duì)臨床診斷的幫助更大。

研究還發(fā)現(xiàn)，IRIS重建可以降低圖像噪聲，提高圖像質(zhì)量[10]，但在實(shí)際觀察中發(fā)現(xiàn)，與FBP重建的圖像比較，IRIS重建具有蠟像感，特別是在正常劑量條件下更加明顯，需要臨床醫(yī)生適應(yīng)。在低劑量條件下由于圖像噪聲的增加，蠟像感逐漸下降，所以IRIS算法在低劑量掃描方面更具優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

與FBP相比較，IRIS可以顯著降低掃描劑量、提高肝臟圖像質(zhì)量，值得臨床推廣使用。

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（收稿：2014-02-07 修回：2014-05-08）

Comparative study of influences on liver CT image quality and scanning dose by iterative reconstruction in image space and filtered back projection

ZHAO Jun-lu,LI Jing-yu,REN Qing-yun,ZHENG Li-dong,WANG Meng
(Department of Radiology,the First Hospital of Hebei Medical University,Shijiazhuang 050031,China)

ObjectiveTo evaluate image quality and radiation dose to liver CT scan with iterative reconstruction in image space(IRIS)compared to filtered back projection(FBP).MethodsWith Simens'emotion 16-slice spiral CT and the tube voltage of 130 kV,the upper abdomens of the corpses were scanned with the exposure currents of 250,230,210,190, 170,150,130,110,90,70,50,30 and 20 mAs.Then the raw scanning data were reconstructed with IRIS and FBP.The reconstructed images with 130 kV and 250 mAs by FBP were used to compare the influences on liver image quality by different scanning doses.The application of IRIS was explored to decreasing CT scanning dose and increasing liver CT image quality.ResultsUnder the same scanning conditions,IRIS behaved better than FBP for reconstructed image quality,while reduced 40%scanning dose with the same image quality.ConclusionIRIS can decrease scanning dose and increase liver CT image quality more significantly than FBP.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（10）：91-93]

iterative reconstruction in image space;filtered back projection;iterative reconstruction;image quality;scanning dose

R318.6；TH774

A

1003-8868（2014）10-0091-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.10.091

趙君祿（1978—），男，主管技師，主要從事放射技術(shù)臨床應(yīng)用方面的研究工作，E-mail：970323569@qq.com。

050031石家莊，河北醫(yī)科大學(xué)第一醫(yī)院放射科（趙君祿，李敬玉，任慶云，鄭立冬，王 猛）

任慶云，E-mail：ren_qingyun@163.com