迭代重建算法在肺動脈CTA低劑量掃描中的應(yīng)用研究

趙永霞，常津，左紫薇，張暢達(dá)， 張?zhí)鞓罚喜?，李丹，張琳琳，朱長月，李盛藍(lán)

（1.天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津 300000；2.河北大學(xué)附屬醫(yī)院，河北 保定 071000；3.天津大學(xué)，天津300000；4.河北大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院，河北 保定 071000）

·臨床研究·

迭代重建算法在肺動脈CTA低劑量掃描中的應(yīng)用研究

趙永霞1，2，常津3，左紫薇2，張暢達(dá)2， 張?zhí)鞓?，孟博4，李丹4，張琳琳4，朱長月4，李盛藍(lán)4

（1.天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津 300000；2.河北大學(xué)附屬醫(yī)院，河北 保定 071000；3.天津大學(xué)，天津300000；4.河北大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院，河北 保定 071000）

目的探討迭代重建算法在肺動脈CT血管成像（CTPA）低劑量掃描中的臨床應(yīng)用研究。方法將體質(zhì)量指數(shù)為20～25的150例患者隨機(jī)分成5組進(jìn)行CTPA掃描，圖像重建算法為ASIR（adaptive statistical iterative reconstruction），掃描范圍為260～310 mm，第一組掃描條件為機(jī)器默認(rèn)的120 kV、400 mAs，對圖像進(jìn)行重建并計算信噪比（SNR）及對比度噪聲比（CNR），請2位影像學(xué)家對圖像進(jìn)行5分值主觀評價。固定120 kV，用350 mAs 、300 mAs、 250 mAs 及200 mAs對其他組患者進(jìn)行掃描，記錄不同mAs的CTDIvol及DLP，并轉(zhuǎn)換為有效劑量ED。對上述掃描條件下圖像進(jìn)行重建，計算圖像的SNR及CNR，并進(jìn)行主觀評價。結(jié)果對120 kV，不同電流（400 mAs ，350 mAs ，300 mAs，250 mAs ，200 mAs）掃描產(chǎn)生的圖像進(jìn)行SNR及CNR評價，其值分別為：22.95、22.90、21.82、20.80、20.83和23.61、22.88、22.86、21.93、21.97。2位影像學(xué)家對120 kV下400～200 mAs主觀評價分值分別為：4.59±0.32，4.48±0.30，4.82±0.28，4.28±0.36,4.15±0.38；其CTDIvol、DLP平均值分別為： 13.84 mGy、11.18 mGy、9.31 mGy、8.25 mGy、7.38 mGy和351.21 mGy 、312.32 mGy 、286.26 mGy 、233.52 mGy 、206.08 mGy，并將DLP轉(zhuǎn)換為ED為5.27 mSv 、4.68 mSv、4.29 mSv、3.50 mSv、3.09 mSv。對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，200 mAs、250 mAs、300 mAs、350 mAs與400 mAs產(chǎn)生的影像質(zhì)量沒有明顯差異（F＝5.285，P＞0.05），但200 mAs的CTDIvol、DLP及ED較400 mAs分別低46.7%、41.3%及41.3%。結(jié)論體質(zhì)量指數(shù)為20～25的被檢者進(jìn)行CTPA檢查時最佳掃描條件為120 kV，200 mAs。對于體型較?。∪廨^少）或有肺氣腫等疾病可以選用180～200 mAs進(jìn)行掃描。

迭代重建；肺動脈CTA；輻射劑量；影像質(zhì)量

本文引用：趙永霞,常津,左紫薇,等.迭代重建算法在肺動脈CTA低劑量掃描中的應(yīng)用研究[J].醫(yī)學(xué)研究與教育,2015,32(3): 16-21.

近幾年迭代重建算法（Iterative Reconstruction，IR）在臨床應(yīng)用越來越廣泛，較之以往的濾波反投影，IR能降低圖像的噪聲，提高圖像的對比度，因此受到廣泛關(guān)注[1-3]。CT肺動脈成像（CT pulmonary angiography,CTPA）是診斷肺動脈栓塞的主要影像學(xué)檢查方法，但進(jìn)行CTPA檢查時輻射劑量較大，因此降低CTPA檢查時的輻射劑量非常重要。本研究旨在探討迭代重建算法在CTPA低劑量掃描中的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

選取2013年1至10月在河北大學(xué)附屬醫(yī)院用能譜CT進(jìn)行CTPA檢查患者150例，主要癥狀為呼吸困難、發(fā)紺，臨床懷疑為肺動脈栓塞。其中男79例，女71例，年齡為18～83歲，平均年齡（56±6）歲。將上述患者采用隨機(jī)數(shù)字表法分為5組，每組30人。

入選條件：患者神志清楚，無碘過敏史，無心、肝、腎等重要臟器衰竭，150例患者的體質(zhì)量指數(shù)為20～25。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理道德委員會批準(zhǔn)并在其監(jiān)督下進(jìn)行。所有患者均被告知并簽署知情同意書。

1.2 檢查方法

1.2.1 檢查設(shè)備

美國HD 750 CT掃描儀及工作站。美國EZEM雙筒高壓注射器。

1.2.2 檢查方法及掃描條件

對150例患者進(jìn)行肺動脈血管造影掃描，掃描范圍自主動脈弓頂部至橫隔部，掃描范圍為260～310 mm。第1組患者掃描管電壓為120 kV，管電流機(jī)器默認(rèn)的400 mAs；螺距為0.85，機(jī)架旋轉(zhuǎn)時間為0.33秒/周，層厚和層間距均為0.625 mm， FOV （50 ±50）cm，使用60%ASIR對圖像進(jìn)行重建并計算信噪比（SNR）及對比度噪聲比（CNR），請2位影像學(xué)家對圖像進(jìn)行5分值主觀評價。第2-5組患者掃描管電壓為120 kV，管電流依次為350 mAs 、300 mAs、 250 mAs 及200 mAs。強(qiáng)使用對比劑為碘佛醇（320 mgI/mL），注射總量為0.5 mL/kg，注射總量隨別人不同體重而不同，注射速率4.5 mL/s，注射完畢后追加注射50 mL生理鹽水。掃描采用觸發(fā)方式，將30 mm2感興趣區(qū)（ROI）設(shè)置在肺動脈主干處，當(dāng)ROI內(nèi)的CT值達(dá)到50HU時進(jìn)行觸發(fā)掃描。

1.3 圖像重建與影像質(zhì)量分析

掃描結(jié)束將上述掃描條件下的0.625 mm肺動脈期原始圖像傳至工作站，用此薄層圖像進(jìn)行肺動脈的容積再現(xiàn)（VR）重建，最大密度投影（MIP）及多平面重組（MPR）重組。

1.3.1 SNR及CNR計算

將0.625 mm的肺動脈圖像傳送到工作站VIEWER界面中，將圖像位置放置在顯示肺動脈最佳層面上，用（20±2） mm2的ROI測量肺動脈和相同層面豎脊肌及胸壁脂肪的平均CT值及標(biāo)準(zhǔn)差（圖1），計算其SNR及CNR，SNR=CT肺動脈/SD肺動脈，CNR= （CT肺動脈-CT豎脊?。?SD胸壁脂肪，其中CT肺動脈是肺動脈的CT值，SD肺動脈為肺動脈CT值的標(biāo)準(zhǔn)差，CT豎脊肌為豎脊肌的CT值，SD胸壁脂肪為胸壁脂肪CT值的標(biāo)準(zhǔn)差。

圖1 將（20±2）mm2的ROI放置在肺動脈和相同層面豎脊肌及胸壁脂肪處

1.3.2 主觀評價

請2位高年資醫(yī)師對不同掃描條件所得肺動脈的VR、MIP及MPR圖像進(jìn)行評價，評價采用雙盲5分值評價法[4]：5分，肺動脈清晰銳利，與周圍組織界限清晰可辨，可顯示肺動脈第4級屬支；4分，肺動脈邊緣較銳利，顯示清晰，與周圍組織對比明顯，能顯示肺動脈第3級屬支；3分，肺動脈較清晰，與周圍組織分辨較銳利，能顯示肺動脈第2級屬支；2分，肺動脈顯示較差，與周圍組織對比較差，僅顯示肺動脈第1級屬支；1分，肺動脈顯示模糊，與周圍組織分界不清，僅能顯示肺動脈主干。

1.4 輻射劑量測量及計算

記錄不同掃描條件下的CT劑量指數(shù)（CTDIvol）和劑量長度乘積（dose length product,DLP）。根據(jù)DLP計算有效劑量（effective dose,ED），ED=k±DLP，k值采用歐盟委員會（Commission of the European Communities,CEC）給的軀干值0.015。

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析

使用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件，對5組患者年齡、性別、體質(zhì)量指數(shù)以及SNR、CNR數(shù)值和2位專家評分值進(jìn)行單因素方差分析（one-way ANOVA），P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。2名醫(yī)師對不同掃描條件所得圖像評價的一致性程度評估采用Kappa檢驗。Kappa值＞0.75為一致性較好；Kappa值在0.40～0.75為一致性一般；Kappa值＜0.40為一致性較差。

2 結(jié)果

2.1 患者一般資料

5組患者年齡、性別、體質(zhì)量指數(shù)、掃描范圍的差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（F=4.631，P＞0.05）。

2.2 圖像質(zhì)量

2.2.1 圖像客觀評價指標(biāo)

管電流為200 mAs、250 mAs、300 mAs、350 mAs與400 mAs產(chǎn)生的影像質(zhì)量沒有明顯差異(F=5.156，P＞0.05)，說明管電流為200 mAs產(chǎn)生的圖像質(zhì)量同樣能達(dá)到診斷要求（表1）。

2.2.2 圖像質(zhì)量主觀評分值

5組不同掃描條件所得肺動脈圖像的清晰度、銳利度及分支顯示清晰、診斷明確。2位影像學(xué)家對不同掃描條件下所得圖像的評分值之間統(tǒng)計學(xué)無差異（F=3.321，P＞0.05）（表1，圖2—6）。

表1 不同掃描條件所得圖像的SNR、CNR、輻射劑量及2位專家對圖像評分值

圖2 120kV 400mAs掃描所得肺動脈VR圖像

圖3 120kV 350mAs掃描所得肺動脈VR圖像

圖4 120kV 300mAs掃描所得肺動脈VR圖像

圖5 120kV 250mAs掃描所得肺動脈VR圖像

圖6 120kV 200mAs掃描所得肺動脈VR圖像

2.2.3 2名影像學(xué)家對不同掃描條件所得圖像評價的一致性程度評估

2名影像學(xué)家對在120 kV下，200 mAs、250 mAs、300 mAs、350 mAs與400 mAs產(chǎn)生肺動脈圖像質(zhì)量評價的一致性好(Kappa=0.86)。

2.3 輻射劑量

不同掃描條件下的輻射劑量見表1。

3 討論

隨著螺旋CT在臨床的廣泛應(yīng)用，其引起的電離輻射越來越受到人們的關(guān)注[5-6]。因此，降低被檢者的輻射劑量是人們追求的目標(biāo)[7-8]，但是降低輻射劑量必然會加大圖像噪聲。在CT圖像重建算法中濾波反投影（Filtering Back-Projection，F(xiàn)BP）被視為CT圖像重建的基礎(chǔ)和“金標(biāo)準(zhǔn)”[9-10]，但FBP算法要求進(jìn)行圖像重建的投影數(shù)據(jù)完整且必須定量精確，而且該算法易受由X線量子統(tǒng)計漲落造成噪聲的影響，并將此噪聲數(shù)據(jù)在重建圖像時進(jìn)行計算造成圖像質(zhì)量下降，所以該算法要求進(jìn)行CT掃描時，為減少噪聲的影響，掃描條件較大，電離輻射較高。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，迭代重建算法得到廣泛應(yīng)用，其克服了FBP的缺點(diǎn)，通過模擬X線光子穿過被檢體到達(dá)探測器，并對X線光子與被檢體的相互作用及對探測器單元大小和形狀建立模型，來降低圖像噪聲優(yōu)化圖像質(zhì)量，并可減少輻射劑量。

本研究顯示，使用迭代重建算法可以有效的降低由于減少X線光子數(shù)而引起的圖像噪聲，提高圖像質(zhì)量。在120 kV不變的情況下，200 mAs和400 mAs的肺動脈圖像質(zhì)量差別沒有區(qū)別，使用200 mAs掃描時由于X線光子數(shù)目減少而容易產(chǎn)生噪聲，但是使用迭代重建算法，將產(chǎn)生的噪聲在圖像重建時排出，所以重建圖像噪聲不大，沒有影響肺動脈的圖像質(zhì)量。但是200 mAs的輻射劑量卻較400 mAs降低很多，其CTDIvol、DLP及ED較400 mAs分別低46.7%、41.3%及41.3%。

綜上，在進(jìn)行CTPA檢查時使用迭代重建算法可以降低輻射劑量，且不影響圖像質(zhì)量。

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（責(zé)任編輯：裘永強(qiáng)）

Application with adaptive statistical iterative reconstruction and low radiation in the pulmonary angiography

ZHAO Yongxia1,2,CHANG Jin3,ZUO Ziwei2,ZHANG Changda2,ZHANG Tianle2,MENG Bo4,LI Dan4,ZHANG Linlin4,ZHU Changyue4,LI Shenglan4
（1.School of Precision Instrument and Opto-Electronics Engineering,Tianjin University,Tianjin 300000,China；2.Department of Radiology,Affliated Hospital of Hebei University，Baoding 071000,China; 3.Tianjin University,Tianjin 300000,China; 4.College of Clinical Medicine,Hebei University,Baoding 071000,China）

Abstract: ObjectiveTo investigate the effect of adaptive statistical iterative reconstruction and low radiation on the image quality of CT pulmonary angiography.Methods150 patients whose body mass index was from 20 to 25 were divided into 5 groups underwent pulmonary angiography on a GE HD 750 CT scanners.The scanning range was from 260mm to 310mm,the frst group of scan parameters were 120kV,400mAs,it was the acquiescent parameters of the CT scanner.Reconstruction was performed with ASIR,then the signal to noise ratio (SNR) and contrast to noise ratio(CNR) were calculated.The images of different strength of ASIR were read by 2 independent radiologists with 5-point-scale,then based 120kV,the other group patients were scaned with 350 mAs,300 mAs,250 mAs,200 mAs,recorded the CTDIvol and DLP in different mAs.The effective dose (ED) was calculated based on the DLP,The SNR and CNR were calculated and the image quality were assessed by the two experienced readers.ResultsThe images were assessed under different mAs (400 mAs,350 mAs,300 mAs,250 mAs,200 mAs) and the 120kV at the strength of 3,the values of the SNR and CNR were 22.95,22.90,21.82,20.80,20.83 and 23.61,22.88,22.86,21.93,21.97.The values of from 400 mAs to 200 mAs by two independent radiologists were 4.59±0.32,4.48±0.30,4.82±0.28,4.28±0.36,4.15±0.38.The CTDIvol and DLP of different mAs (400 mAs,350 mAs,300 mAs,250 mAs,200 mAs) were 13.84 mGy,11.18 mGy,9.31 mGy,8.25 mGy,7.38 mGy and 351.21 mGy,312.32 mGy,286.26 mGy,233.52 mGy,206.08 mGy.the ED were 5.27 mSv,4.68 mSv,4.29 mSv,3.50 mSv,3.09 mSv.Statistical analysis was performed using analysis of variance,and the date was not statistically signifcant(F=5.285,P＞0.05) at the exposure factors of 200 mAs,250 mAs,300mAs,350mAs than 400 mAs,but the CTDIvol and DLP of 200mAs were reduced 46.7% and 41.3%,the ED was reduced 41.3%.respectively than the 400 mAs.ConclusionThe best mAs is from 200 mAs for the average person whose BMI is from 20 to 25 in CTPA.For smaller (less muscle) or emphysema and other diseases it can be choosen from 180 mAs to 200 mAs.

iterative reconstruction; CT pulmonary angiography; radiation dose; image quality

10.3969/j.issn.1674-490X.2015.03.004

R81

A

1674-490X(2015)03-0016-06

2014-08-03

大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（201510075026）

趙永霞（1974—），男，河北石家莊人，副主任技師，碩士，碩士生導(dǎo)師，主要從事醫(yī)學(xué)影像成像參數(shù)的優(yōu)化研究。

常津（1963—），男，河北石家莊人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事生物醫(yī)學(xué)工程研究。

E-mail: jinchang@tju.edu.cn