能譜CT腦動脈造影單能量圖像質量優(yōu)化研究

王愛敏，唐坤，李瑞，曹國全，潘克華，王鎮(zhèn)章，林潔

（溫州醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院 放射科，浙江 溫州 325015）

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能譜CT腦動脈造影單能量圖像質量優(yōu)化研究

王愛敏，唐坤，李瑞，曹國全，潘克華，王鎮(zhèn)章，林潔

（溫州醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院 放射科，浙江 溫州 325015）

目的：探討能譜CT不同單能量水平對腦動脈造影圖像質量的影響，以確定最優(yōu)化的單能量圖像。方法：采用能譜CT對53例患者行腦CT動脈造影（CTA）檢查。應用能譜分析軟件，以10 keV間隔重建40～140 keV單能量腦CTA圖像。測量并計算基底動脈、頸內(nèi)動脈顱內(nèi)段、大腦前、中、后動脈圖像對比噪聲比（CNR）、信號噪聲比（SNR）；采用5分法對腦CTA圖像的主觀質量進行盲法獨立評分。分別采用單因素方差分析和非參數(shù)秩和檢驗對各單能量腦CTA圖像的客觀和主觀質量進行比較評價。結果：圖像客觀質量比較，60、70 keV 腦CTA圖像CNR、SNR值較其他各單能量圖像顯著增加（P＜0.05），但60、70 keV間差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。單能量腦CTA圖像噪聲以70 keV為界，70～140 keV圖像噪聲顯著低于40、50、60 keV單能量水平。而且70 keV圖像主觀質量評分結果較60 keV及其他各單能量圖像評分結果顯著增加。結論：能譜70 keV水平單能量腦CTA圖像兼顧圖像CNR、SNR及圖像噪聲，可作為最優(yōu)化單能量水平。

體層攝影術，X線計算機；腦動脈造影術；單能量；圖像質量

寶石能譜CT單能量成像技術可使相同物質的衰減系數(shù)恒定，能有效避免硬化效應的產(chǎn)生，顯著提高圖像質量，因此能譜CT成像（gemstone spectral imaging，GSI）已在臨床逐漸開展應用，尤其在高對比血管成像中的應用更為廣泛。為保證血管成像的圖像質量，選擇最優(yōu)化的單能量水平甚為重要，目前研究報道多集中在胸腹部血管［1］、肺血管［2］及冠狀動脈［3］等血管成像，有關腦動脈等細小血管成像的最優(yōu)化單能量技術的研究仍少見報道。本研究旨在分析探討能譜CT不同單能量水平對腦CT動脈造影（CTA）圖像質量的影響，以確定最優(yōu)化的單能量圖像。

1　對象和方法

1.1 研究對象 自2015年3月至2015年8月在我院需行能譜CT腦動脈造影檢查的連續(xù)患者，既往行顱腦手術者、診斷為煙霧病者、對碘對比劑過敏及嚴重心腎功能不全者不納入觀察。53例患者納入研究，其中男32例，女21例，年齡29～81歲，平均（52.78± 15.22）歲。臨床病史為頭暈、頭痛者18例，腦梗死者12例，腦出血者8例，腦外傷者3例，腦動脈瘤者5例，高血壓者20例，糖尿病者13例。檢查前均簽署知情同意書。本研究經(jīng)本院倫理委員會審查通過。

1.2儀器和方法 53例均采用美國GE Discovery能譜CT 750HD CT儀行增強能譜掃描模式。掃描范圍從顱底至顱頂。對比劑選用碘佛醇（含碘320 mgI/mL），采用Acist型雙筒高壓注射，以4.0 mL/s流率注射50～60 mL，隨后以相同速率注射0.9%氯化鈉溶液20～30 mL。采用閾值觸發(fā)掃描技術，閾值設為100 HU。掃描參數(shù)：管電壓為80、140 kVp瞬時高速切換，管電流為360 mAs，螺距0.531，層厚5.0 mm，層間距5.0 mm，F(xiàn)OV 25 cm，矩陣512× 512，重建層厚0.625 mm，重建間隔0.625 mm。以10 keV為間隔，將40～140 keV共11組單能量腦CTA原始數(shù)據(jù)傳輸至ADW 4.6工作站進行后處理。

1.3圖像分析 腦CTA橫斷位圖像分別測量基底動脈（basilar artery，BA）、左右兩側頸內(nèi)動脈（internal carotid artery，ICA）顱內(nèi)段、大腦前動脈（anterior cerebral artery，ACA）、大腦中動脈（middle cerebral artery，MCA）及大腦后動脈（posterior cerebral artery，PCA）的CT值，每支血管近、中、遠各段各測量1次，取其平均值代表該血管CT值。CT值測量感興趣區(qū)（ROI）盡可能大，并避開鈣化區(qū)。以枕葉腦實質（occipital lobe parenchyma，OLP）為血管周圍本底組織［4］，左右各測量3次，測量ROI面積相同（100 mm2），取其平均值代表本底CT值。所有測量均由放射科1位高年資醫(yī)師獨立完成。

以OLP CT值的標準差（SD）為圖像噪聲，取左右兩側測量結果的平均值。圖像對比噪聲比（contrast-to-noise ratio，CNR）及信號噪聲比（signal-to-noise ratio，SNR）計算公式如下：CNR=（血管CT值-腦實質CT值）/圖像噪聲；SNR=血管CT值/圖像噪聲。在不知掃描參數(shù)的情況下，由2名有經(jīng)驗的放射科醫(yī)師對圖像質量進行盲法獨立評價。采用5分評價法分別對腦動脈血管邊緣形態(tài)、小動脈細節(jié)顯示、靜脈干擾及整體圖像質量進行評價［5］。1.4 統(tǒng)計學處理方法 采用SPSS17.0統(tǒng)計軟件對所有數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。兩樣本間的均數(shù)比較采用獨立樣本t檢驗；多組間的均數(shù)比較采用單因素方差分析，其兩兩比較采用LSD法。圖像主觀評分差異用非參數(shù)秩和檢驗進行比較；2名觀察者間的觀察一致性采用Kappa檢驗進行評價，K值大于0.60認為一致性較好。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2　結果

2.140～140keV各組單能量腦CTA圖像噪聲結果

隨著單能量水平的增加，圖像噪聲逐漸降低，其中以70 keV為分界，70～140 keV各組圖像噪聲較40、50、60 keV組均明顯減低（均P＜0.05），但70～140 keV各組間圖像噪聲差異無統(tǒng)計學意義（均P＞0.05）。見表1。

表1　各單能水平腦CTA圖像噪聲結果（n=53，±s）

表1　各單能水平腦CTA圖像噪聲結果（n=53，±s）

注：圖像噪聲以70 keV為界，70～140 keV圖像噪聲顯著低于40～60 keV單能水平

單能水平（keV）　40　50　60　70　80　90　100　110　120　130　140 SD　18.49±5.76　13.98±3.58　10.42±1.32　8.11±1.32　8.03±1.14　7.82±1.39　7.53±1.10　7.26±1.28　6.96±1.38　6.95±1.35　6.70±1.46

2.240～140keV各組單能量腦CTA圖像CNR、SNR結果 60、70 keV單能量圖像BA、ICA、ACA、MCA、PCA 的CNR、SNR值分別為（41.27±11.37、43.72±10.48、33.01±8.07、33.88±7.46、31.06±7.46）、（44.90± 8.56、48.51±11.42、34.08±7.15、38.27±8.37、35.41±8.54）和（40.07±8.57、42.26±8.87、33.83±3.68、35.52±8.79、31.43±3.66），（43.10± 5.60、46.49±8.45、34.31±3.17、38.19±9.10、34.40±4.19），2組間差異均無統(tǒng)計學意義（P＞0.05），但與其他各單能量水平比較明顯增加，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。見表2。

2.3單能量圖像結果 70 keV單能量圖像對于腦動脈邊緣形態(tài)、小動脈細節(jié)顯示、靜脈干擾及整體圖像質量評分結果分別為4.47、4.15、4.25及4.31，與60 keV及其他各單能量水平比較明顯增加，差異有統(tǒng)計學意義（均P＜0.05），見圖1。2名醫(yī)師的觀察結果一致性K值為0.71，說明兩者一致性較好，可信度高。

3　討論

表2　各單能量水平腦血管CNR、SNR結果（n=53，±s）

表2　各單能量水平腦血管CNR、SNR結果（n=53，±s）

注：60、70 keV與其他各單能量組CNR、SNR比較明顯增高（P＜0.05）

SNR BA　ICA　ACA　MCA　PCA　BA　ICA　ACA　MCA　PCA 40　33.70±7.01　31.95± 5.82　24.32±5.39　28.08±5.68　25.89±6.11　35.81± 4.23　34.69± 5.44　27.50±6.41　31.27±6.80　28.92±6.95 50　35.42±8.06　33.62± 5.76　24.74±8.68　27.87±5.74　26.03±5.78　36.26± 3.80　38.07± 7.26　27.35±7.32　31.12±6.15　28.34±5.85 60　41.27±11.37　43.72±10.48　33.01±8.07　33.88±7.46　31.06±7.46　44.90± 8.56　48.51±11.42　34.08±7.15　38.27±8.37　35.41±8.54 70　40.07± 8.57　42.26± 8.87　33.83±3.68　35.52±8.79　31.43±3.66　43.10± 5.60　46.49± 8.45　34.31±3.17　38.19±9.10　34.40±4.19 80　25.02± 5.39　24.45± 3.95　17.34±5.90　21.69±5.61　18.21±4.49　29.68± 5.54　29.11±10.12　22.00±6.24　26.35±5.65　22.86±4.76 90　19.17± 4.71　19.10± 4.96　14.39±4.73　16.70±3.81　15.43±3.95　23.20± 5.01　29.40± 3.88　18.42±5.18　20.73±4.12　19.45±4.36 100　19.20± 2.37　17.93± 3.20　14.01±3.98　16.28±2.61　14.99±3.41　23.73± 2.71　22.46± 5.96　18.54±4.19　20.81±2.75　19.52±3.79 110　16.49± 4.05　14.78± 4.86　11.83±3.42　14.25±3.57　12.78±2.37　20.82± 4.28　19.11± 3.47　16.16±3.61　18.58±3.82　17.11±2.57 120　13.82± 3.25　12.81± 3.32　10.09±3.12　11.35±3.08　10.97±1.81　18.20± 3.92　17.20± 5.18　14.48±3.39　15.73±3.89　15.36±2.46 130　13.10± 2.83　12.26± 2.54　9.56±2.19　11.04±1.93　9.62±2.65　17.59± 3.11　16.75± 4.13　14.05±2.60　15.53±2.35　14.11±2.43 140　14.06± 4.17　9.79± 2.97　8.39±3.23　8.49±2.50　8.77±2.44　28.00±11.42　13.50± 2.99　12.09±4.23　12.19±3.46　12.47±3.47 F 22.34　17.07　16.85　17.18　19.33　24.68　32.18　22.41　24.60　26.50 P 0.000　0.000　0.000　0.000　0.000　0.000　0.000　0.000　0.000　0.000單能量水平（keV）CNR

a-k分別為40～140 keV單能量組腦CTA圖像；d（70 keV）示腦動脈邊緣形態(tài)、小動脈細節(jié)顯示、靜脈干擾及整體圖像質量均較其他各組佳圖1 各單能量水平腦CTA示意圖

隨著我國人口老年化程度的不斷提高，腦血管疾病的發(fā)生率逐年上升。目前數(shù)字減影血管造影（digital subtraction angiography，DSA）為診斷腦血管疾病的“金標準”。但DSA為有創(chuàng)性檢查，操作技術復雜且有約1%～2.3%的手術并發(fā)癥發(fā)生率［6］。腦CTA檢查腦血管疾病在臨床已得到了廣泛認可，但常規(guī)多層螺旋CT采用混合能量X線，物質的CT值會“漂移”，并產(chǎn)生硬化效應，圖像固有的CNR較低而影響圖像觀察，尤其對腦血管等細小血管的觀察影響較大。能譜CT探測器由寶石和稀有元素組成，其探測效能較傳統(tǒng)CT探測器顯著增加，通過X線80、140 kVp電壓間0.5 ms瞬時切換技術從而獲得40～140 keV多組單能量圖像，能夠避免線束硬化帶來的CT值“漂移”。

理論上，X線能量越低，其穿透組織的能力越弱，組織衰減吸收增加，即CT值增加，組織對比度增加，但是圖像噪聲亦隨之增加；反之，X線能量越高，其穿透組織的能力越強，組織衰減減少，即CT值減低，組織對比度減低，但圖像噪聲減低［7］。因此在選擇腦CTA最佳單能量水平時，需對圖像噪聲、圖像CNR及SNR進行綜合權衡。

本研究結果顯示，60 keV與70 keV單能量水平圖像CNR、SNR值2組間無明顯差異，且較其他各組單能量水平顯著增加，說明選擇60 keV或70 keV作為顯示腦CTA圖像的單能量水平比較合適。但是由于低單能量X線能量過低，其X線穿透力下降，相應達到靶極的X線有效光量子則減少，從而導致圖像噪聲增加。有研究［8］認為單能量圖像的噪聲與40～140 keV單能量水平間并非呈單一線性關系，而是呈開口向上的類似拋物線關系，并表明在70 keV單能量水平時圖像噪聲最低。本組實驗結果同樣證實腦CTA圖像噪聲以70 keV單能量水平為界，40、50、60 keV單能量圖像噪聲均顯著高于70～140 keV單能量水平圖像。故權衡CNR、SNR及圖像噪聲，70 keV 與60 keV比較雖然圖像CNR、SNR 2組間無顯著差異，但70 keV同時兼顧了圖像噪聲，因此較60 keV更適合作為腦CTA成像的最佳單能量水平。

研究［9］認為圖像噪聲是影響圖像質量的重要因素，尤其對腦動脈這種小血管成像影響比較大。同時，也有研究［10］認為圖像噪聲增加會對腦動脈后循環(huán)血管的影響較大，這與本研究主觀質量評價結果相符。本研究顯示60 keV單能量水平圖像由于受噪聲影響，其腦動脈邊緣形態(tài)、小動脈細節(jié)顯示、靜脈干擾及整體圖像質量評分均低于70 keV單能量水平圖像。故此，無論是客觀圖像質量評價還是主觀圖像質量評價，70 keV單能量水平均為腦CTA成像的最佳單能量水平選擇。

此外，本研究存在一定局限性：①本研究樣本量偏小，所得結論尚需加大樣量本進一步論證；②對比劑的注射劑量未根據(jù)患者的體質量指數(shù)進行相應調(diào)整，可能會對腦血管的強化程度造成一定影響；③腦血管尤其是遠段血管管徑過小，CT值測量過程中不可避免存在一定測量誤差。

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（本文編輯：趙翠翠）

Imaging quality optimization of CT cerebral angiography by using single source spectral CT

WANG Aimin，TANG Kun，LI Rui，CAO Guoquan，PAN Kehua，WANG Zhenzhang，LIN Jie. Department of Radiology，the First Affiliated Hospital of Wenzhou Medical University，Wenzhou，325015

Objective： To determinate the optimal keV levels of single source spectral CT by evaluating imaging qualities of CT cerebral angiography. Methods： A total of 53 cases underwent spectral CT were enrolled in this study. All images of cerebral angiography were reconstructed by software of spectral CT from 40 to 140 keV in 10 keV increments. The mean vessel attenuation and the contrast-to-noise ratio （CNR），signal-to-noise ratio （SNR） of the following arteries： basilar artery，internal carotid artery，anterior cerebral artery，middle cerebral artery and posterior cerebral artery were measured and calculated respectively. Subjective assessment on imaging quality was performed by using a 5-point scoring system. The results of objective image quality among different keV levels were compared using one-way analysis of variance. For subjective assessment，the Nonparametric Wilcoxon test was used to analyze the differences in subjective scores. Results： The image noise at 70-140 keV levels was statistically lower than that at 40，50 and 60 keV levels. The image CNR and SNR between 60 keV and 70 keV levels showed on statistically differences，but markedly higher than other keV levels （P＜0.05）. The scores of subjective image quality at 70 keV level were all higher than other keV levels including 60 keV level （P＜0.05）. Conclusion： The 70 keV level can be commended as an optimal keV setting for spectral CT cerebral angiography by improving image CNR，SNR and reducing image noise.

tomography，X-ray computed； cerebral angiography； single-energy； image quality

R814.42

B DOI： 10.3969/j.issn.2095-9400.2016.08.013

2015-11-03

溫州市科技局科技計劃項目（Y20130146，Y20140029）。作者簡介：王愛敏（1982-），女，浙江平陽人，主管技師。

曹國全，副主任技師，Email：122257935@qq.com