自適應統(tǒng)計迭代重建技術算法在頭顱CT掃描降低噪聲中的對比分析

姚洪祥，王新江，孫 紅，惠 萍，崔志鵬，安寧豫

0 引言

目前，CT已經成為一種主要的醫(yī)學放射暴露源。最新的流行病學證據表明，高劑量頭顱CT的輻射會增加患白血病和顱腦腫瘤的風險[1-3]，所以尋找一種降低CT劑量的新方法是目前迫切需要解決的問題。CT最常用的重建算法是濾過反投影（filetered back projection，FBP）重建算法，該算法的特點是：當降低放射劑量時，圖像信噪比會隨之下降。而自適應統(tǒng)計迭代重建（adaptive statistical iterative reconstruction，ASIR）算法是最新的一種技術，與FBP算法相比，ASIR最大的優(yōu)勢是能在常規(guī)FBP算法表現為低信噪比時明顯提高圖像質量，也就是說ASIR能在低劑量掃描時提高圖像信噪比，因此ASIR為臨床低劑量掃描開辟了一種新途徑。

對于 ASIR 算法，前人在胸部[4-6]、腹部[7-9]、心臟[10-11]及大血管[12]方面低劑量掃描進行了大量的研究并報道，而在顱腦方面的應用報道較少。本研究旨在發(fā)現ASIR在顱腦掃描中降低輻射劑量的證據。

1 資料與方法

1.1 研究對象

受試者來自于2011年3月至2013年5月解放軍總醫(yī)院門診就診患者，實驗經解放軍總醫(yī)院醫(yī)學倫理委員會批準。受試者均簽署知情同意書。

納入標準：CT檢查示腦內無明確病變，能順利并配合完成檢查，簽署知情同意書。

排除標準：CT檢查結果證實有以下疾?。海?）腦血管病，如腦梗塞或腦出血病史等；（2）腦腫瘤，如腦原發(fā)腫瘤、轉移瘤；（3）腦外腫瘤，如腦膜瘤等；（4）腦外傷；（5）異物；（6）其他顱內疾病。

1.2 研究方法

1.2.1 數據采集

采用型號為Discovery CT 750HD寶石能譜CT，對32例受檢者進行頭部掃描，年齡（74±16.48）歲。掃描條件120 kV、220mA，球管旋轉1 s。軸掃，間隔：5mm，層厚：5mm，共 24張圖像。

1.2.2 數據測量與處理

掃描結束后在雙側側腦室最大層面重建圖像，FOV 25 cm、層厚5mm、間隔20mm，共5層，分別將ASIR 值設定為 0%、20%、40%、60%、80%、100%重建圖像，窗寬為100HU、窗位35HU。在一側側腦室內選取圓形感興趣區(qū)（region of interest，ROI）（面積為9.9mm2，周長為7.8mm，像素點為30），測量不同的ASIR值時側腦室腦脊液的CT值與標準差（如圖1所示）。由2名高年資放射診斷科醫(yī)生對數據進行測量，每一個數據測量2次后取平均值，采用雙盲的方法記錄數據。

1.2.3 統(tǒng)計學分析

應用統(tǒng)計學軟件SPSS 13對數據進行統(tǒng)計學分析，首先檢驗病灶的CT值和標準差等數據是否符合正態(tài)分布，之后對數據進行t檢驗。

2 結果

當ASIR值為0%、20%、40%、60%、80%、100%時，側腦室腦脊液的CT值SD分別為（4.706±1.192）、（3.466±0.872）、（2.8±0.761）、（2.284±0.618）、（1.784±0.547）、（1.425±0.507），各組間具有明顯的統(tǒng)計學差異，P＜0.01，隨ASIR百分比的增加，圖像噪聲水平明顯降低。

圖1 不同ASIR值顱腦CT圖像質量對比

3 討論

醫(yī)用輻射已成為人類接受X線照射最大的來源。特別是近年來CT技術的發(fā)展，病灶的檢出率大大增加，CT應用的范圍也越來越廣泛，導致CT檢查次數在不斷增加，從而引起輻射劑量的增加。CT產生的電離輻射具有潛在致癌的風險，會增加患白血病和顱腦腫瘤等惡性腫瘤發(fā)生的幾率[1-2]，同時因CT掃描速度比較快，所以頭部CT掃描臨床應用也越來越多，進而帶來的是放射劑量的危害也越來越嚴重。因此，當前降低CT輻射劑量、提高有效劑量是目前迫切需要解決的問題。

隨著社會發(fā)展進步和人們生活水平的提高，人們越來越意識到放射防護的重要性。人們之前用了很多方法嘗試降低頭部掃描劑量[13-16]，如降低曝光量、遮擋腺體和眼睛等重要部位、自動球管電流調節(jié)、傾斜掃描架避免掃描眼眶等，這些方法能在一定程度上降低CT掃描劑量。此外，學者們還嘗試在重建技術上降低輻射劑量，其中，臨床上采用FBP重建算法時是通過降低曝光量而達到降低劑量的目的。但這種方法的局限性在于：該方法會導致圖像噪聲的增加和圖像對比噪聲比的下降。這是因為：FBP重建方法雖然速度較快，但是該方法要求每次投影測量數據都是精確定量和完全的，而FBP重建方法對噪聲和偽影都很敏感，當輻射劑量降低或投影數據采集不足時，重建出的圖像質量就會很差。因此，為了保證圖像質量，采用FBP重建方法就不能大幅度地降低CT掃描的輻射劑量。

ASIR重建方法是一種較新的重建方法。該方法使用從FBP算法獲取的圖像信息作為圖像重建的原始結構單元，通過建立系統(tǒng)噪聲模型并且利用迭代方法加以抑制，從而得到更加清晰的圖像。該方法是通過將FBP數據和ASIR數據按不同比例加權融合而達到不同程度的降噪效果。與FBP重建算法相比，AISR算法重建圖像時圖像噪聲更低[17]。本研究就是依據這個原理進行研究的，研究結果證實了AISR重建算法能有效地降低圖像噪聲。結果顯示，隨著ASIR數據按不同比例加權的增加，圖像對比越來越平滑，噪聲越來越小。也就是說ASIR百分比的增加，圖像噪聲水平明顯降低。提高ASIR權重值能夠降低顱腦CT圖像噪聲，因此掃描時采用較高ASIR值重建圖像具有降低射線劑量的作用。本研究結果為臨床采用ASIR方法降低顱腦掃描劑量提供了理論依據。

本研究中，隨著ASIR算法比例加權的增加，FBP算法比例加權降低，圖像噪聲降低。從這個角度上也說明，ASIR算法比FBP算法在降低圖像噪聲上更優(yōu)越，是一種更好的降噪手段，對于降低輻射劑量更有效。在臨床使用過程中，ASIR算法重建需要的時間很短（據文獻報道不會超過5 min[18]），不會影響臨床的效率，說明該算法有很好的臨床可行性。

本研究采用圖像中腦脊液作為測量對象，這是因為有研究對ASIR算法和FBP算法2組腦組織噪聲差異進行對比發(fā)現，ASIR算法組腦脊液圖像噪聲明顯下降，而腦白質、顱骨和空氣的噪聲對比2組沒有差異[19]，原因是腦脊液密度接近于水的密度，且CT值相對比較恒定，不容易受其他因素的干擾。這里唯一需要考慮的是腦脊液流動偽影造成的影響，而雙側側腦室內腦脊液相對流速較慢，就有效地避免了這個問題。顱骨和空氣CT值變化較大，同時與其他組織相鄰會有界面征，會給CT值測量帶來麻煩。腦白質雖然沒有顱骨和空氣對于CT值影響那么大，但腦白質本身在不同部位和纖維束走行都會影響測量結果。綜上所述，選擇側腦室腦脊液來測量CT值結果更科學。

本研究是ASIR技術在腦部CT掃描的初步研究，下一步我們將在測量劑量-長度積值、CT劑量指數、CT有效劑量等數據方面，對ASIR重建方法在腦部CT掃描中應用進行深入研究。另外，本研究樣本量相對較小，積累數據采用大樣本量研究是我們下一步研究的內容。再有，圖像噪聲的下降及劑量的降低是我們想要的，但是也不能一味地降低噪聲和劑量，圖像太過光滑會影響病變的檢出率，也不能達到影像診斷的要求。所以，如何在降低噪聲的同時又不影像圖像診斷和如何達到最優(yōu)化，是我們下一步要解決的問題。

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