基于能譜CT單能量成像及自適應統(tǒng)計迭代重建技術的門靜脈圖像質(zhì)量分析

趙晶，李曉璐，徐飛，朱正，王慧慧，趙心明，周純武

多排螺旋CT門靜脈成像在臨床上應用廣泛，具 有掃描速度快以及更薄的重建厚度，對于較小的側枝血管亦能顯示的優(yōu)點。但為了提高圖像質(zhì)量，需增加對比劑用量，可能會對腎功能產(chǎn)生影響，并且存在對比劑外漏的風險[1]。因此，在盡量減少放射劑量以及在不增加對比劑用量的情況下提高圖像質(zhì)量已成為亟待解決的難點。

以瞬時雙kVp為核心技術的能譜CT單能量技術可在40～140keV范圍內(nèi)實現(xiàn)任意單能量圖像重建，獲得101個單能量圖像。低能量水平圖像組織對比增強，但噪聲增高；高能量水平圖像硬化偽影少，但組織對比減弱。而利用最佳對比噪聲比曲線可以獲得最佳對比的單能量圖像[2]。對于門靜脈成像而言，其能夠以門靜脈為目標、血管周圍組織為背景獲得最佳的單能量血管圖像，使得門靜脈的對比信噪比（CNR）達到最佳，可獲得更加滿意的血管重建圖像[3，4]。目前能譜CT最佳單能量患者門靜脈-肝實質(zhì)的CNR曲線顯示能量水平集中在40～75keV的低能量區(qū)域，如能降低其噪聲，則可進一步提升圖像質(zhì)量[5，6]。而自適應迭代重建（ASiR）技術理論上可降低低能量水平圖像的噪聲，提升圖像質(zhì)量[7，8]。本文旨在評估分析基于能譜CT單能量成像及自適應迭代重建（ASiR）技術的門靜脈成像圖像質(zhì)量，并與常規(guī)螺旋CT血管成像進行比較。

材料與方法

1.研究對象

搜集2014年4-9月中國醫(yī)學科學院腫瘤醫(yī)院完成上腹部增強掃描，臨床有惡性腫瘤病史、治療后隨診的患者90例。入選標準：①身高160～175cm，體質(zhì)量50～75kg；②無肝臟、脾臟及消化道手術史；③無心功能障礙影響血液循環(huán)；④無碘對比劑使用禁忌癥。將90例患者按照數(shù)字表發(fā)隨機分為A組（最佳CNR單能量組）、B組（60keV＋40%ASiR組）及C組（常規(guī)螺旋CT組），每組30例。

A組男13例，女17例，年齡32～68歲，中位年齡55歲。其中肺癌6例，結腸癌9例，乳腺癌5例，胃癌4例，肝癌1例，淋巴瘤2例，宮頸癌3例。B組男10例，女20例，年齡19～71歲，中位年齡46歲。其中肺癌8例，結腸癌6例，肝癌3例，胰腺癌1例，乳腺癌4例，食管癌2例，胃癌3例，鼻咽癌1例，淋巴瘤1例，甲狀腺癌1例。C組男12例，女18例，年齡36～64歲，中位年齡51歲。其中肺癌8例，結腸癌4例，乳腺癌6例，肝癌2例，胃癌5例，食管癌3例，膀胱癌1例，宮頸癌1例。

2.檢查設備與方法

A組：采用GE Discovery CT750HD（HDCT）掃描儀，在注射對比劑后65s行肝臟門靜脈期掃描。掃描范圍自膈頂至髂前上棘水平。管電壓0.5ms內(nèi)80與140kV快速切換，自動管電流；層厚5mm，螺距0.984。對 比 劑 用 碘 海 醇（350mg I／mL），注 射 流 率2.5mL／s，注射量90mL。由能譜掃描數(shù)據(jù)采用FBP重建出層厚1.25mm、層間距0.8cm的能量范圍為40～140keV的101組門靜脈期圖像。

B組：掃描設備與方法同上。由能譜掃描數(shù)據(jù)采用40%ASiR重建出層厚1.25mm、層間距0.8cm的60keV＋40%ASiR的門靜脈期圖像。

C組：采用GE Light speed VCT機，在注射對比劑后65s行肝臟門靜脈期掃描，掃描范圍自膈頂至髂前上棘水平。管電壓為120kVp，管電流350mA，層厚5mm，螺距0.984。對比劑用碘海醇注射液（350mg I／mL），注射流率2.5mL／s，注射量90mL。掃描數(shù)據(jù)采用FBP重建出層厚1.25mm、層間距0.8cm的門靜脈期圖像。

3.圖像后處理與分析

A組：將門靜脈期能譜圖像數(shù)據(jù)傳入GE ADW 4.6工作站，使用Gemstone Spectral Imaging（GSI）軟件包進行分析。選用70keV能量點的能譜圖像測量門靜脈主干和肝實質(zhì)的CT值以及肝實質(zhì)CT值的標準差。使用20～40mm2大小的ROI在肝門水平測量門靜脈主干的CT值，用150～200mm2大小的ROI測量門靜脈周圍遠離血管的正常肝臟組織的CT值以及標準差。用正常肝組織的標準差表示圖像噪聲。用公式計算出門靜脈主干的CNR，CNR＝（CT門靜脈-CT肝）／SD肝，其中CT門靜脈表示門靜脈主干的CT值，CT肝表示正常肝組織的CT值，SD肝表示正常肝組織的標準差。當在70keV能量點時，門靜脈主干和肝實質(zhì)上的ROI選定后，工作站會自動計算出門靜脈主干在其他100個能量點的CNR值，建立CNR隨能量的變化曲線，得出能譜CT成像中門靜脈主干的最高CNR值以及相對應的最佳能量點，進而得出最佳能量點所對應的最佳單能量圖像（圖1，2）。

B組：將重組出的60keV＋40%ASiR的門靜脈期圖像測量門靜脈主干和肝實質(zhì)的CT值以及肝實質(zhì)CT值的標準差。使用20～40mm2大小的ROI在肝門水平測量門靜脈主干的CT值，用150～200mm2大小的ROI測量遠離血管的正常肝臟組織的CT值以及標準差。

C組：在工作站中用瀏覽器觀看增強常規(guī)掃描模式門靜脈期圖像，在肝門水平選擇與能譜CT組盡量相似位置測量和計算門靜脈主干CNR，并記錄同層正常肝實質(zhì)的標準差圖像噪聲。以上3組圖像盡量選擇相同位置的ROI。

圖1 男，54歲，最佳CNR單能量組。a）在70keV圖像上選擇ROI測量門靜脈主干及肝實質(zhì)的CT值和肝實質(zhì)CT值的標準差；b）工作站自動計算出門靜脈主干在其他100個能量點的CNR值，建立CNR隨能量變化的曲線，最佳keV值為59。

主觀評價：將A、B、C組圖像，隱藏圖像參數(shù)信息。分別由2名具有10年以上工作經(jīng)驗的腹部影像診斷醫(yī)師在PACS系統(tǒng)報告工作站、盲法下進行獨立閱片，對總體圖像質(zhì)量進行主觀評分。評估內(nèi)容包括門靜脈邊緣銳利度、門靜脈與周圍肝實質(zhì)的對比度、顯示門靜脈分支的級別。根據(jù)上述各項指標對門靜脈成像質(zhì)量作一綜合主觀評分，采用5分制的圖像質(zhì)量的評價方法。5分，門靜脈邊緣銳利，與肝實質(zhì)對比佳，可顯示門靜脈主干第4級或以上分支；4分，門靜脈邊緣較銳利，與肝實質(zhì)對比良好，顯示門靜脈主干第3級分支；3分，門靜脈邊緣較清楚，與肝實質(zhì)對比中等，顯示門靜脈主干第2級分支；2分，門靜脈邊緣不清楚，與肝實質(zhì)對比較差，僅顯示門靜脈主干第1級分支；1分，肝靜脈邊緣模糊，與肝實質(zhì)對比差，僅顯示門靜脈主干。評分者根據(jù)習慣自行調(diào)整窗寬窗位，取2位醫(yī)師評分的平均作為圖像質(zhì)量的最終評分，3～5分的圖像被認為可以接受。

4.統(tǒng)計學分析

應用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件，采用單因素方差分析比較3組圖像中門靜脈、肝實質(zhì)的CT值及其差值、圖像噪聲、門靜脈-肝實質(zhì)的CNR以及圖像質(zhì)量評分。數(shù)據(jù)結果均采用均數(shù)±標準差表示。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

結 果

三組患者的身高、體質(zhì)量、體質(zhì)量指數(shù)差異均無統(tǒng)計學差異（表1）。

A組30例患者門靜脈-肝實質(zhì)的CNR曲線顯示門靜脈最佳CNR單能圖像能量水平集中在53～61keV，平均為（55.87±1.41）keV。A組在門靜脈主干、肝實質(zhì)的CT值及其差值均高于其它兩組圖像。B組圖像噪聲最低，CNR及圖像質(zhì)量評分最高（表2）。除A與B組的組內(nèi)比較中肝實質(zhì)CT值、CNR及圖像質(zhì)量評分差異無統(tǒng)計學差異外，其余均有統(tǒng)計學意義。

圖2 女，71歲，最佳CNR單能量組。a）門靜脈血管重建的MIP圖；b）門靜脈血管重建的VR圖，門靜脈邊緣銳利，與肝實質(zhì)對比佳，可顯示門靜脈主干第4級分支。

圖3 男，67歲，60keV＋40%ASiR組。a）門靜脈血管重建的MIP圖；b）門靜脈血管重建的VR圖，門靜脈邊緣銳利，與肝實質(zhì)對比佳，可顯示門靜脈主干第4級分支。

圖4 男，52歲，常規(guī)螺旋CT組。a）門靜脈血管重建的MIP圖；b）門靜脈血管重建的VR圖，門靜脈邊緣較清楚，與肝實質(zhì)對比度一般，可顯示門靜脈主干第3級分支。

表1 三組圖像的身高、體質(zhì)量、體質(zhì)量指數(shù)

表2 三組圖像的門靜脈主干、肝實質(zhì)的平均CT值及其差值、圖像噪聲、CNR及主觀評分

討 論

多排螺旋CT門靜脈成像是現(xiàn)階段較為常見的門靜脈檢查方法。目前，在臨床已得到廣泛的應用。其成像質(zhì)量取決于門靜脈的增強程度。而門靜脈的增強程度受對比劑濃度、劑量、掃描方式、心功能、體循環(huán)、脾灌注、胃腸血液的稀釋等諸多因素的制約。由于對比劑到達門靜脈的時間較長，門靜脈血管內(nèi)對比劑濃度經(jīng)體循環(huán)和門靜脈藥循環(huán)血液的稀釋而減低，會影響門靜脈增強的效果，低于動脈成像，因此，在避免對比劑，患者自身影響因素外，如何提高門脈成像質(zhì)量是值得研究的問題。

能譜CT單能量技術針對特定組織或病變，可以選取相對于某一背景的最佳觀察圖像。同時可以去除硬化、金屬偽影，充分發(fā)揮其薄層、重建等優(yōu)勢[11]。低能量水平圖像組織對比增強，但噪聲增高；高能量水平圖像硬化偽影少，但組織對比減弱[12，13]。在某一能量水平，對比與噪聲二者之間達到一個最好的平衡，目標組織與背景之間的衰減差異可以達到較大和噪聲值較低，這一能量水平就是該目標組織的最佳keV值。最佳單能量技術能夠以成像血管為目標、血管周圍組織為背景獲得目標血管最佳的單能量圖像，使得目標血管的對比信噪比（CNR）達到最佳，可獲得更加滿意的血管重建圖像。研究顯示目前能譜CT最佳單能量門靜脈-肝實質(zhì)的CNR曲線顯示能量水平集中在40～75keV的低能量區(qū)域[7，8]。本研究中A組通過門靜脈期能譜掃描數(shù)據(jù)，經(jīng)后處理得到的最佳CNR曲線而得出的最佳keV值，范圍在53～61keV之間，平均為55.87keV左右，與文獻報道一致。

濾波反投影重建技術（FBP）將每個投影數(shù)據(jù)經(jīng)計算、濾過、反投影、加權，重建出圖像。由于運算數(shù)據(jù)量小，重建速度較快的優(yōu)勢，目前應用較廣泛。但其忽略了球管焦點、體素、探測器單元、X線束的大小和形狀，不能反應數(shù)據(jù)采集過程中的真實情況，圖像噪聲大，質(zhì)量欠佳。能譜CT的自適應統(tǒng)計迭代重建（ASiR）技術是基于噪聲模型的數(shù)據(jù)空間的迭代重建。該技術通過分析每個獨立測量中的光子的統(tǒng)計特征，并利用迭代的方法對噪聲加以校正和抑制，得到更清晰的圖像，并可以減少對比劑的用量[14-16]。根據(jù)不同圖像質(zhì)量及掃描劑量的要求，ASiR算法和FBP算法可以進行組合重建，組合重建中ASiR值即表示用于重建的原始數(shù)據(jù)中由ASiR算法重建的數(shù)據(jù)比例。ASiR可以在10%～100%之間選擇。隨著百分比的增高，圖像噪聲降低的幅度增高，但同時會引起空間分辨率的減低，導致圖像的“模糊”效應。常規(guī)檢查通常設置在30%～50%之間，射線劑量下降30%～50%[17]。國外學者研究認為將ASiR設置為40%時，既可以降低圖像噪聲，又不會對空間分辨率有顯著的影響[18，19]。目前由于技術原因，60keV為能譜CT上可以實現(xiàn)的使用ASiR技術的最低能量值。因此，本研究中采用了一組60keV＋40%ASiR的圖像與FBP重建的最佳CNR單能量及常規(guī)螺旋CT圖像來進行比較。

研究中A組在門靜脈主干、肝實質(zhì)的CT值及其差值均高于其它兩組圖像，說明不論是門靜脈的增強效果還是門靜脈-肝實質(zhì)的對比度，最佳CNR單能量圖像均為最優(yōu)。自適應統(tǒng)計迭代重建（ASiR）技術的應用可以有效的降低圖像噪聲，從而提高圖像質(zhì)量。從研究結果看在圖像噪聲方面B組圖像在3組中最低，且差異有統(tǒng)計學意義，說明ASiR技術通過降低噪聲，提高圖像質(zhì)量的強大功能。對比信噪比（CNR）是指門靜脈-肝實質(zhì)CT值差值與肝背景噪聲之比，反映了相對于肝實質(zhì)背景下，門靜脈-肝實質(zhì)的對比度。從CNR的 公式來看，CNR＝（CT門靜脈-CT肝）／SD肝，55.87keV左右的最佳CNR單能量圖像之所以能提高門靜脈的顯示質(zhì)量主要是由于門靜脈-肝實質(zhì)的對比與圖像噪聲之間達到最好的平衡，兩者的衰減差異可以達到較大和噪聲值較低。而60keV＋40%ASiR的圖像則主要是在60keV單能量圖像的基礎之上，利用ASiR技術降低圖像的噪聲而導致了圖像質(zhì)量的提升。從比較得出的結果來看，在門靜脈成像中，B組的CNR在8.09左右，A組的CNR在6.81左右，分別是C組的2.45倍及2.06倍。因此，不論是最佳CNR單能量圖像，還是60keV＋40%ASiR圖像，其門靜脈成像的質(zhì)量較常規(guī)螺旋CT圖像均有大幅度的提升。由于B組圖像降低噪聲的功能顯著，導致了其CNR高于最佳CNR單能量組，雖然兩兩比較差異并無統(tǒng)計學意義，但也高出最佳CNR單能量組1.28。筆者分析B組圖像的CNR之所以會高于A組圖像，是因為40%ASiR降低圖像噪聲的優(yōu)勢略強于在55.87keV與60keV時門靜脈-肝實質(zhì)CT值的對比差異。圖像質(zhì)量評分是影像診斷醫(yī)師對于總體圖像質(zhì)量的主觀評分，是圖像質(zhì)量評判的不可或缺的組成部分。研究結果顯示3組圖像的主觀評分均＞3分，說明均在可接受的范圍之內(nèi)。在門靜脈邊緣的銳利程度，門靜脈與肝實質(zhì)對比及門靜脈分支的顯示方面，A、B組圖像明顯優(yōu)于C組，A、B組圖像評分均高于常規(guī)CT組。盡管B組的圖像評分略高于A組，但在兩兩比較中，差異并無統(tǒng)計學意義。

綜上所述，門靜脈成像中最佳CNR單能量與60keV＋40%ASiR圖像較之常規(guī)螺旋CT圖像，其成像質(zhì)量大大提高。最佳CNR單能量圖像與60keV＋40%ASiR圖像相比，在門靜脈成像中各有千秋，前者的優(yōu)勢在于建立門靜脈-肝實質(zhì)對比差異與圖像噪聲之間的動態(tài)平衡，而后者則著力于圖像噪聲的降低，均可在臨床血管成像方面廣泛推廣。

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