自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)迭代重建技術(shù)對(duì)泌尿系結(jié)石低劑量CT圖像質(zhì)量的影響

束宏敏SHU Hongmin李小虎LI Xiaohu宋　建SONG Jian杜俊華DU Junhua劉　斌LIU Bin余長(zhǎng)亮YU Changliang錢銀鋒QIAN Yinfeng李曉舒LI Xiaoshu張　輝ZHANG Hui余永強(qiáng)YU Yongqiang

作者單位1.安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院放射科安徽合肥 2300222.安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院泌尿外科安徽合肥 230022

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自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)迭代重建技術(shù)對(duì)泌尿系結(jié)石低劑量CT圖像質(zhì)量的影響

束宏敏1SHU Hongmin
李小虎1LI Xiaohu
宋建1SONG Jian
杜俊華2DU Junhua
劉斌1LIU Bin
余長(zhǎng)亮1YU Changliang
錢銀鋒1QIAN Yinfeng
李曉舒1LI Xiaoshu
張輝1ZHANG Hui
余永強(qiáng)1YU Yongqiang

作者單位
1.安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院放射科安徽合肥 230022
2.安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院泌尿外科安徽合肥 230022

【摘要】目的 CT檢查是診斷泌尿系結(jié)石的重要方法，但是低劑量CT在降低輻射劑量的同時(shí)也降低了圖像質(zhì)量，影響診斷效能。本研究比較自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)迭代重建（ASIR）技術(shù)在低劑量條件下對(duì)泌尿系結(jié)石圖像質(zhì)量的影響，探討低劑量CT在泌尿系結(jié)石診斷中的價(jià)值。資料與方法 采用自動(dòng)管電流調(diào)節(jié)技術(shù)將臨床懷疑泌尿系結(jié)石的56例患者隨機(jī)分為常規(guī)組和低劑量組，每組各28例。常規(guī)組行常規(guī)劑量掃描，噪聲指數(shù)為13；低劑量組行低劑量掃描，噪聲指數(shù)為25。運(yùn)用濾過(guò)反投影技術(shù)（FBP）及不同權(quán)重ASIR（20%、40%、60%、80%）對(duì)圖像進(jìn)行重建，分析病灶數(shù)目、部位和大小，比較兩組圖像質(zhì)量評(píng)分、診斷可信度評(píng)分、圖像噪聲、CT容積劑量指數(shù)（CTDIvol）、劑量長(zhǎng)度乘積（DLP）及有效劑量（ED）。結(jié)果 低劑量組與常規(guī)組的敏感度和特異度分別為100.0%與97.0%、100.0%與100.0%。常規(guī)組FBP圖像質(zhì)量評(píng)分、診斷可信度評(píng)分高于低劑量組（P<0.05）。低劑量組20%ASIR、40%ASIR圖像質(zhì)量評(píng)分、診斷可信度評(píng)分低于常規(guī)組FBP圖像（P<0.05），低劑量組60%ASIR、80%ASIR圖像質(zhì)量評(píng)分、診斷可信度評(píng)分與常規(guī)組FBP圖像比較，差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。低劑量組FBP圖像脂肪、肝右葉及腰大肌噪聲明顯高于常規(guī)組（P<0.05），常規(guī)組FBP圖像脂肪、肝右葉及腰大肌噪聲與低劑量組80%ASIR比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。兩組CTDIvol、DLP、ED比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）。兩組患者體重指數(shù) <24 kg/m2患者CTDIvol、DLP、ED明顯低于本組體重指數(shù)≥24 kg/m2患者（P<0.05）。結(jié)論 在泌尿系結(jié)石患者中行低劑量CT掃描可明顯降低輻射劑量，使用ASIR技術(shù)可明顯改善圖像質(zhì)量，滿足臨床診斷，具有較好的臨床可行性。

【關(guān)鍵詞】尿路結(jié)石；體層攝影術(shù)，X線計(jì)算機(jī)；圖像處理，計(jì)算機(jī)輔助；迭代重建技術(shù)；輻射劑量；質(zhì)量控制

Department of Radiology, the First Affiliated Hospital of Anhui Medical University, Hefei 230022, China

Address Correspondence to: YU Yongqiang

E-mail: yuyongqiang@hotmail.com

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（81301224）；安徽省高校省級(jí)自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目

（KJ2013A144）；安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院青年科學(xué)基金培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（2012KJ02）。

R814.42；R445.3

修回日期：2015-11-26

中國(guó)醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志

2016年 第24卷 第2期：148-152

尿石癥是泌尿外科常見(jiàn)的疾病。CT掃描對(duì)泌尿系結(jié)石的診斷具有較高的敏感度及準(zhǔn)確度，且在診斷的同時(shí)可區(qū)分結(jié)石的化學(xué)成分[1-2]，是臨床診斷結(jié)石的重要方法。但由于CT掃描的輻射劑量較大，對(duì)患者具有一定的危害，如何降低患者的輻射劑量成為CT臨床應(yīng)用的熱點(diǎn)問(wèn)題。目前在一些泌尿系低劑量CT研究[3-5]中，降低管電流是最常見(jiàn)的降低輻射劑量的方法，而既往研究多采用設(shè)定固定的管電流。本研究采用自動(dòng)管電流調(diào)節(jié)技術(shù)（automatic tube current modulation，ATCM）降低輻射劑量，通過(guò)預(yù)設(shè)噪聲指數(shù)調(diào)節(jié)輻射劑量，噪聲指數(shù)升高，圖像噪聲水平升高，輻射劑量降低。在掃描過(guò)程中，管電流會(huì)根據(jù)受檢者的體型在Z軸上自動(dòng)調(diào)節(jié)，使得圖像噪聲保持在預(yù)設(shè)水平，同時(shí)降低輻射劑量[6]。低劑量CT掃描降低輻射劑量的同時(shí)，增加了圖像的噪聲，影響了圖像質(zhì)量，為臨床診斷部分疾病（如腎囊腫、腎盂積水等）帶來(lái)一定的困惑。自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)迭代重建（adaptive statistical iterative reconstruction，ASIR）技術(shù)是利用迭代的方法在原始數(shù)據(jù)空間對(duì)噪聲加以抑制，在不損害空間分辨率的前提下降低圖像噪聲，獲得清晰的圖像[7]。本文結(jié)合使用ASIR技術(shù)及ATCM探討ASIR技術(shù)對(duì)泌尿系結(jié)石低劑量CT圖像質(zhì)量的影響。

1　資料與方法

1.1研究對(duì)象選取2014年9月－2015年1月安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院因臨床懷疑泌尿系結(jié)石行CT檢查的56例患者，將其隨機(jī)分為常規(guī)組和低劑量組，每組各28例。常規(guī)組男16例，女12例；年齡25～76歲，平均（53.6±12.1）歲；體重指數(shù)（BMI）19.1～33.2 kg/m2，平均（24.54±3.52）kg/m2。低劑量組男16例，女12例；年齡21～71歲，平均（49.5±13.4）歲；BMI 20.0～34.0 kg/m2，平均（24.22±3.47）kg/m2。根據(jù)2001年中國(guó)肥胖問(wèn)題工作組推薦的中國(guó)成年人肥胖診斷標(biāo)準(zhǔn)[3]，BMI <18.5 kg/m2為瘦體型，18.5 kg/m2≤BMI <24 kg/m2為中等體型，BMI≥24 kg/m2為肥胖體型，兩組各有14例中等體型，14例肥胖體型。本研究經(jīng)本院醫(yī)學(xué)倫理委員會(huì)同意，所有患者均簽署知情同意書(shū)。

1.2儀器與方法采用Discovery CT750 HD（GE Healthcare，Milwaukee，WI，USA）能譜CT機(jī)，患者掃描前0.5 h飲用300 ml飲用水?；颊呷⊙雠P位，掃描范圍自T12水平至恥骨聯(lián)合下緣，掃描過(guò)程中囑患者屏住呼吸。掃描參數(shù)：常規(guī)組管電壓120 kV，管電流范圍10～400 mA，旋轉(zhuǎn)時(shí)間0.5 s/r，螺距1.375∶1，噪聲指數(shù)為13；低劑量組管電壓120 kV，管電流范圍10～400 mA，旋轉(zhuǎn)時(shí)間0.5 s/r，螺距1.375∶1，噪聲指數(shù)為25。

1.3圖像后處理采用濾過(guò)反投影技術(shù)（filtered back projection，F(xiàn)BP）及ASIR技術(shù)對(duì)兩組圖像進(jìn)行1.25 mm層厚重建，其中ASIR的權(quán)重依次設(shè)定為20%、40%、60% 及80%，獲得10組圖像，并在GE ADW4.3工作站完成圖像的測(cè)量工作。由2名具有5年以上腹部影像診斷經(jīng)驗(yàn)的主治醫(yī)師分別對(duì)各組圖像進(jìn)行觀察，觀察內(nèi)容包括結(jié)石的數(shù)目、大小、部位及相關(guān)伴隨病變、主觀評(píng)分（圖像質(zhì)量、診斷可信度）及客觀評(píng)價(jià)（噪聲）等。

1.4圖像主觀評(píng)價(jià)①圖像質(zhì)量：采用5分制評(píng)分，1分：圖像噪聲大，偽影重，結(jié)構(gòu)顯示不清，完全不能滿足臨床診斷；2分：圖像噪聲較大，大部分結(jié)構(gòu)顯示不清，不能滿足臨床診斷；3分：圖像噪聲一般，部分結(jié)構(gòu)顯示欠佳，基本滿足診斷；4分：圖像噪聲尚可，組織結(jié)構(gòu)顯示清晰，可以滿足診斷要求；5分：圖像噪聲小，結(jié)構(gòu)顯示清晰，完全滿足臨床診斷要求[8]。②診斷可信度：采用3分制評(píng)分，1分：無(wú)可信度；2分：基本可信；3分：完全可信[8]。

1.5噪聲水平測(cè)定選擇肝右葉、體表脂肪層及腰大?。↙5水平）作為感興趣區(qū)（ROI），大小約70～110 mm2，記錄ROI CT值的標(biāo)準(zhǔn)差，作為圖像的噪聲水平。

1.6輻射劑量分別記錄兩組患者的CT容積劑量指數(shù)（CT dose index of volume，CTDIvol）、劑量長(zhǎng)度乘積（dose length product，DLP），根據(jù)公式（1）計(jì)算有效劑量（effective dose，ED）。

其中W表示轉(zhuǎn)換因子，根據(jù)歐洲CT質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)指南規(guī)定，腹部的轉(zhuǎn)換因子為0.015[9]。

1.7手術(shù)與臨床治療臨床根據(jù)結(jié)石的大小、數(shù)目、位置及成分選擇合適的治療方案，其中對(duì)于直徑<5 mm的結(jié)石選擇藥物保守治療，對(duì)于5 mm≤直徑<20 mm的結(jié)石選擇體外沖擊波碎石，對(duì)于直徑≥20 mm的結(jié)石根據(jù)結(jié)石位置可選擇經(jīng)皮腎鏡碎石取石術(shù)、輸尿管鏡取石術(shù)、腹腔鏡輸尿管取石術(shù)及開(kāi)放性手術(shù)治療等。以外科手術(shù)取石或臨床治療后經(jīng)尿道排石作為參考標(biāo)準(zhǔn)。

1.8統(tǒng)計(jì)學(xué)方法采用SPSS 16.0軟件，兩組輻射劑量及噪聲水平的比較采用t檢驗(yàn)，兩組主觀評(píng)分（圖像質(zhì)量、診斷可信度）比較采用Mann-Whitney U秩和檢驗(yàn)，對(duì)觀察者間的一致性采用Kappa檢驗(yàn)，Kappa≤0.19為差，0.20≤Kappa≤0.39為較差，0.40≤Kappa≤0.59為中等，0.60≤Kappa≤0.79為較好，0.80≤Kappa≤1.00為好，P<0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2　結(jié)果

2.1手術(shù)與臨床結(jié)果常規(guī)組中，18例行經(jīng)皮腎鏡碎石取石術(shù)，6例行輸尿管鏡取石術(shù)，1例行腹腔鏡輸尿管取石術(shù)，3例行保守藥物治療。低劑量組中，21例行經(jīng)皮腎鏡碎石取石術(shù)，5例行輸尿管鏡取石術(shù)，1例行單側(cè)腎切除術(shù)（腎結(jié)石合并患腎無(wú)功能），1例行保守藥物治療。

2.2CT診斷結(jié)果常規(guī)組28例患者共檢出結(jié)石127枚，大小約1.0～44.8 mm，平均（7.4±6.8）mm；其中20例繼發(fā)腎盂及輸尿管擴(kuò)張積水，3例伴腎囊腫，1例伴腎周膿腫，2例合并腎萎縮。低劑量組28例患者共檢出結(jié)石103枚，大小約1.0～32.0 mm，平均（8.5±6.5）mm；其中22例繼發(fā)腎盂及輸尿管擴(kuò)張積水，3例伴腎囊腫，1例合并腎萎縮。兩組結(jié)石的數(shù)目、大小及位置見(jiàn)表1。低劑量組中1例微小靜脈石誤診為小結(jié)石，后經(jīng)手術(shù)證實(shí)，低劑量組診斷的敏感度為100.0%，特異度為97.0%；常規(guī)組診斷的敏感度與特異度均為100.0%。2名醫(yī)師在結(jié)石數(shù)目及位置的檢出率一致性較好（Kappa=0.68 ～ 0.73）。

表1　兩組結(jié)石的數(shù)目、大小及位置情況（個(gè)）

2.3兩組圖像質(zhì)量主觀評(píng)分與噪聲比較2名醫(yī)師對(duì)兩組圖像質(zhì)量評(píng)分的一致性較好（Kappa=0.622、0.741）。常規(guī)組FBP圖像質(zhì)量評(píng)分、診斷可信度評(píng)分高于低劑量組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（Z=-6.124、-5.631，P<0.05）。低劑量組20%ASIR、40%ASIR圖像質(zhì)量評(píng)分、診斷可信度評(píng)分與常規(guī)組FBP圖像比較，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（Z20%=-5.622、-3.371，P<0.05；Z40%=-4.879、-2.322，P<0.05）；低劑量組60%ASIR、80%ASIR圖像質(zhì)量評(píng)分、診斷可信度評(píng)分與常規(guī)組FBP圖像比較，差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（Z60%=-0.912、-1.427，P>0.05；Z80%=-0.575、-1.000，P>0.05）。見(jiàn)表2及圖1～3。

低劑量組FBP圖像脂肪、肝右葉及腰大肌噪聲明顯高于常規(guī)組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t脂肪=-11.462，P<0.05；t肝右葉=-14.310，P<0.05；t腰大肌=-12.548，P<0.05）。低劑量組80%ASIR圖像脂肪、肝右葉及腰大肌噪聲與常規(guī)組FBP圖像比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t脂肪=0.069，P>0.05；t肝右葉=1.291，P>0.05；t腰大肌=1.568，P>0.05）。見(jiàn)表2。

表2　兩組圖像質(zhì)量主觀評(píng)分及圖像噪聲評(píng)分比較

圖1 女，62歲，右腎囊腫（箭），低劑量掃描（噪聲指數(shù)=25）圖像。FBP重建圖像顆粒感較粗，結(jié)構(gòu)顯示欠佳，病灶邊界不清（箭，A）；當(dāng)使用60%ASIR（B）及80%ASIR（C）處理時(shí)，病灶結(jié)構(gòu)清晰，能較好地滿足臨床診斷（箭）

圖2 男，24歲，左腎結(jié)石（箭），低劑量掃描圖像（噪聲指數(shù)=25）。FBP重建圖像示結(jié)石邊緣稍毛糙，周圍軟組織結(jié)構(gòu)顯示欠佳，邊界不清（箭，A）；60%ASIR重建（B）及80%ASIR重建（C）圖像示結(jié)石邊界清晰，周圍軟組織結(jié)構(gòu)顯示分明（箭）

圖3　女，65歲，左腎及左輸尿管上段結(jié)石，常規(guī)劑量掃描（噪聲指數(shù)=13）。FBP重建圖像示結(jié)構(gòu)顯示清晰，邊緣光整（A）；40%ASIR重建（B）、60%ASIR重建（C）及80% ASIR重建（D）圖像示結(jié)構(gòu)更加清晰，能很好地滿足臨床診斷

2.4輻射劑量低劑量組CTDIvol、DLP、ED較常規(guī)組分別降低了69.29%、69.00%、68.96%，兩組比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=13.83、12.81、12.81，P<0.05）。常規(guī)組BMI <24 kg/m2患者的CTDIvol、DLP、ED與本組BMI ≥24 kg/m2患者比較，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=3.24、3.27、3.26，P<0.05）；低劑量組BMI <24 kg/m2患者的CTDIvol、DLP、ED與本組BMI ≥24 kg/m2患者比較，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=3.02、2.94、2.94，P<0.05）。見(jiàn)表3。

表3　兩組輻射劑量比較

3　討論

3.1自動(dòng)管電流調(diào)節(jié)技術(shù)降低輻射劑量隨著CT技術(shù)的發(fā)展，低劑量CT掃描成為可能。常用降低輻射劑量的方法有增大螺距或降低管電流，增大螺距可降低輻射劑量，但造成圖像在Z軸上的空間分辨力下降，遺漏小病灶的幾率增大[10]，減低管電流成為降低ED的最常用手段[11]。本研究采用ATCM技術(shù)進(jìn)行劑量調(diào)控，低劑量組患者接受的輻射劑量為（2.03±1.26）mSv，較常規(guī)組的（6.54±1.37）mSv下降約68.96%。既往研究[4-5]表明使用低劑量掃描輻射劑量下降76%～77%，與以往研究相比，本研究的輻射劑量下降程度稍低。研究中，對(duì)于BMI <24 kg/m2的患者，ED下降約75.8%，與以往研究結(jié)果相似；而對(duì)于BMI≥24 kg/m2的患者，ED下降約63.5%，這是因?yàn)锽MI較大的患者，掃描過(guò)程中管電流往往達(dá)到預(yù)設(shè)最大值，患者接受輻射劑量較多，提示輻射劑量的降低程度可能與管電壓、噪聲指數(shù)值及BMI有一定的關(guān)系。

3.2ASIR技術(shù)改善圖像質(zhì)量降低輻射劑量的同時(shí)，會(huì)增加圖像噪聲，導(dǎo)致圖像質(zhì)量明顯下降。常用的降低圖像噪聲的重建方法有FBP及ASIR技術(shù)。FBP法由于其重建速度快，成為CT圖像重建的“金標(biāo)準(zhǔn)”[12]，但易產(chǎn)生各種噪聲及偽影，不能較大幅度地降低輻射劑量。本研究采用ASIR技術(shù)降低圖像噪聲，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)ASIR技術(shù)對(duì)降低圖像噪聲、改善圖像質(zhì)量有顯著效果。賈楠等[13]在ASIR的初步臨床研究中發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)重建方法相比，ASIR算法可以使劑量減低50%以上，而圖像噪聲無(wú)明顯提高。低劑量圖像對(duì)大多數(shù)結(jié)石均能清晰顯示，但對(duì)軟組織結(jié)構(gòu)的顯示有不同程度的影響。本研究低劑量組中有22例繼發(fā)腎盂及輸尿管擴(kuò)張積水，3例合并腎囊腫，在低劑量掃描FBP處理時(shí)結(jié)構(gòu)顯示欠佳，病變邊界模糊不清，隨著ASIR權(quán)重的增加，圖像質(zhì)量提高，當(dāng)ASIR權(quán)重設(shè)定為80%時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)差值降至最低，圖像質(zhì)量評(píng)分最高，可較好地滿足臨床診斷需求。Mclaughlin等[14]在使用不同權(quán)重ASIR（40%、70%、90%）對(duì)腹部圖像進(jìn)行處理時(shí)，認(rèn)為ASIR可明顯改善圖像質(zhì)量，70%ASIR時(shí)圖像質(zhì)量最好，本研究結(jié)果與之相似。

3.3本研究的局限性本研究的局限性在于研究樣本量較小，在今后的研究中將進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量；研究中設(shè)定的噪聲指數(shù)及管電壓較為單一，能否在滿足臨床診斷的前提下設(shè)定更佳的掃描參數(shù)，進(jìn)一步降低輻射劑量，有待進(jìn)一步研究及探索。

總之，結(jié)合使用ATCM技術(shù)，在泌尿系結(jié)石患者中行低劑量CT掃描，可使輻射劑量下降約70%，使用ASIR技術(shù)，可明顯改善圖像質(zhì)量，具有較好的臨床可行性。

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（本文編輯馮婕）

Chinese Journal of Medical Imaging 2016 Volume 24(2): 148-152

Effect of Adaptive Statistical Iterative Reconstruction on Image Quality of Urinary Calculi with Low-dose CT

【Abstract】Purpose CT is an important method to diagnose urinary calculi. Low-dose CT reduces radiation dose, but also reduces image quality and diagnostic efficiency as well. The aim of this study is to evaluate the feasibility of low-dose CT with adaptive statistical iterative reconstruction (ASIR) in diagnosis of urinary calculi. Materials and Methods Fiftysix patients suspected with urolithiasis clinically were randomly divided into conventionaldose group and low-dose group, with 28 patients in each group. Automatic tube current modulation scanning was used, with noise index of 13 in conventional-dose group and 25 in low-dose group. Image were reconstructed with filtered back projection (FBP) and different settings of ASIR (20%, 40%, 60%, 80%). The number, location and size of the calculi were analyzed; image quality, confidence levels for diagnose, image noise, CT dose index of volume (CTDIvol), dose length product (DLP) and effective dose (ED) were compared between the two groups. Results The sensitivity and specificity of the low-dose group and the conventional-dose group were 100.0% and 97.0%, 100.0% and 100.0%, respectively. Image quality and confidence levels of the conventional-dose group were higher than those of lowdose group (P<0.05). Image quality and confidence levels of low-dose group reconstructed with 20% and 40% ASIR were lower than those of conventional-dose group (P<0.05). Image quality and confidence levels of low-dose group reconstructed with 60% and 80% ASIR showed similar to those of conventional-dose group (P>0.05). Image noise of fat, right segment of the liver and psoas muscle on FBP maps in low-dose group were higher than those of conventional-dose group. While image noise of fat, right segment of the liver and psoas muscle in conventional-dose group were similar to those of low-dose group reconstructed with 80% ASIR. CTDIvol, DLP and ED of the two groups revealed statistic differences (P<0.05). Conclusion Low-dose CT scan in evaluating urinary stone would reduce radiation dose. ASIR technology may improve image quality significantly, which is feasible in clinical use.

【Key words】Urinary calculi; Tomography, X-ray computed; Image processing, computer-assisted; Iterative reconstruction technique; Radiation dosage; Quality control

收稿日期：2015-08-08

中圖分類號(hào)

基金項(xiàng)目

通訊作者余永強(qiáng)

Doi：10.3969/j.issn.1005-5185.2016.02.017