兔腦CTP低劑量掃描聯(lián)合迭代重建的可行性研究

望云， 蕭毅， 劉士遠(yuǎn)， 李清楚， 孫維虎， 姜彥， 曹鵬

?

·研究生展版·

兔腦CTP低劑量掃描聯(lián)合迭代重建的可行性研究

望云， 蕭毅， 劉士遠(yuǎn)， 李清楚， 孫維虎， 姜彥， 曹鵬

目的：評價(jià)聯(lián)合迭代重建技術(shù)(iDose4)的低劑量兔腦CT灌注成像參數(shù)的準(zhǔn)確性及圖像質(zhì)量。方法：將60只成年雄性新西蘭白兔隨機(jī)均分為3組進(jìn)行CT灌注成像，掃描參數(shù)：常規(guī)劑量組(RD)為80 kV、100 mAs、FBP，低劑量組(LD)為80 kV、50 mAs、iDose4和層級3)，超低劑量組(ULD)為80kV、25mAs、iDose4和層級5。測量各組兔腦的灌注參數(shù)值(包括腦血流量CBF、腦血容量CBV、平均通過時(shí)間MTT、達(dá)峰時(shí)間TTP)并計(jì)算有效輻射劑量。對3組灌注圖像質(zhì)量進(jìn)行評估和比較，包括圖像噪聲、腦實(shí)質(zhì)信噪比(SNR)和圖像質(zhì)量評分。結(jié)果：共有54只兔腦CT灌注掃描成功，其中RD組16只，LD組20只，ULD組18只。三組的有效劑量分別為：RD組3.47 mSv，LD組1.53 mSv，ULD組0.75 mSv；與RD組比較，LD組和ULD組的有效輻射劑量分別下降55.9%和78.3%。各項(xiàng)灌注參數(shù)值(CBF、CBV、MTT和TTP)在三組間差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。圖像噪聲和腦實(shí)質(zhì)SNR在三組間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。圖像質(zhì)量主觀評分：ULD組低于RD組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.006)；LD組與RD組，ULD組與LD組間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P>0.05)。兩位觀察者對圖像質(zhì)量主觀評價(jià)結(jié)果的一致性中等(Kappa=0.471，P<0.01)。結(jié)論：通過聯(lián)合不同層級的迭代重建技術(shù)，低劑量和超低劑量兔腦CT灌注成像可獲得準(zhǔn)確的灌注參數(shù)值以及可接受的圖像質(zhì)量。

低輻射量； 迭代重建； 體層攝影術(shù)，X線計(jì)算機(jī)； 腦灌注成像； 實(shí)驗(yàn)研究

腦CT灌注成像作為一種功能影像學(xué)技術(shù)，可提供血流動力學(xué)信息，用于評價(jià)區(qū)域腦組織灌注的變化情況，在急性腦缺血性疾病以及腦腫瘤的診斷中均有較廣泛應(yīng)用[1-2]。然而，CT灌注掃描所致的輻射劑量較高，一直以來成為限制其臨床推廣的主要缺點(diǎn)[3-4]。近年來，隨著CT技術(shù)進(jìn)展，降低管電流聯(lián)合迭代重建算法的低劑量掃描方法已經(jīng)在具有高對比特性的器官(如肺臟、骨骼)中得到廣泛應(yīng)用[5]，但降低管電流對低對比特性的腦組織的圖像噪聲影響較大，應(yīng)用迭代重建技術(shù)能否有效降低噪聲從而獲得準(zhǔn)確的灌注參數(shù)和可接受的圖像質(zhì)量成為研究熱點(diǎn)。因此本研究應(yīng)用混合迭代重建技術(shù)(iDose4)進(jìn)行低劑量以及超低劑量兔腦CT灌注成像，通過評估灌注參數(shù)的準(zhǔn)確性以及圖像質(zhì)量，旨在探討低劑量聯(lián)合迭代重建技術(shù)腦CT灌注成像的可行性。

材料與方法

1.動物準(zhǔn)備

健康成年雄性新西蘭白兔60只，由第二軍醫(yī)大學(xué)實(shí)驗(yàn)動物中心提供，體重2.0～2.9 kg。術(shù)前禁食，自由飲水。麻醉方法：3%戊巴比妥鈉腹腔注射，劑量1 mL/kg，角膜反射消失提示麻醉成功。自制泡沫頭架固定兔子的頭部，留置針置于實(shí)驗(yàn)動物右大腿外側(cè)靜脈并固定備用。實(shí)驗(yàn)程序遵照動物實(shí)驗(yàn)研究倫理道德規(guī)范。

2.CT檢查

60只實(shí)驗(yàn)動物按數(shù)字表法隨機(jī)分為3組，常規(guī)劑量(routine dose，RD)組，低劑量(low dose，LD)組和超低劑量(ultra-low dose，ULD)組，每組20只。使用Philips Brilliance iCT 256層螺旋CT機(jī)。實(shí)驗(yàn)動物仰臥，先行常規(guī)橫軸面平掃，掃描參數(shù)：80 kV，120 mAs，矩陣512×512，視野25 cm×25 cm，層厚5 mm。平掃完成后行CT灌注掃描，采用高壓注射器經(jīng)實(shí)驗(yàn)動物右大腿外側(cè)靜脈團(tuán)注碘克沙醇(270 mg I/mL)5 mL，注射流率1.5 mL/s。注藥開始時(shí)立即進(jìn)行灌注掃描，并持續(xù)動態(tài)掃描60 s，每1.5 s進(jìn)行一次灌注圖像采集，最終獲得40個(gè)圖像序列，每個(gè)序列包含15幀圖像。掃描參數(shù)：管電流RD組100 mAs，LD組50 mAs，ULD組25 mAs；其余掃描參數(shù)三組一致，80 kV，64i×1.25 mm、0.4 s/r，矩陣512×512，視野22 cm×22 cm，層厚5 mm，掃描范圍8 cm(覆蓋顱頂至顱底)。三組的平掃圖像均采用濾波反投影算法(filtered back projection，F(xiàn)BP)重建；灌注圖像RD組采用FBP重建，LD組采用混合迭代重建算法(iDose4，層級3)重建，ULD組采用混合迭代重建算法(iDose4，層級5)重建。

3.圖像后處理

將灌注圖像導(dǎo)入Philips IntelliSpace Portal工作站，采用Brain perfusion軟件進(jìn)行圖像處理。首先對圖像進(jìn)行自動閾值定義，去除骨及空氣的影響。選取基底動脈作為輸入動脈，上矢狀竇為流出靜脈，獲得參照血管的時(shí)間-密度曲線(time-density curve，TDC)，再經(jīng)過運(yùn)算獲取反映腦組織血流灌注狀態(tài)的偽彩灌注參數(shù)圖，包括腦血流量(cerebral blood flow，CBF)圖、腦血容量(cerebral blood volume，CBV)圖、平均通過時(shí)間(mean transit time，MTT)圖、達(dá)峰時(shí)間(time to peak，TTP)圖。選取腦組織最大層面，在一側(cè)但那大腦半球內(nèi)勾畫感興趣區(qū)(ROI)，面積為20～30mm2，ROI盡量置于腦組織中央，避開顱骨和大血管區(qū)域，以腦中線為鏡面在對側(cè)大腦半球等距離處自動生成對側(cè)的鏡像ROI，測量ROI的灌注參數(shù)值；然后，在腦組織最大層面的上下相鄰層面，以相同的方法選取ROI，測量各ROI的灌注參數(shù)值。為避免參數(shù)值波動過大，取兩側(cè)大腦半球3個(gè)層面共計(jì)6個(gè)ROI的腦灌注參數(shù)值的均值作為最終測量結(jié)果。

4.圖像質(zhì)量評價(jià)

在Philips IntelliSpace Portal工作站采用雙盲法對圖像質(zhì)量進(jìn)行客觀評價(jià)和主觀評價(jià)?？陀^評價(jià)指標(biāo)：由1位神經(jīng)放射科醫(yī)師在時(shí)間-最大密度投影 (time-maximum intensity projection,tMIP)圖像上，于腦實(shí)質(zhì)內(nèi)及大腦中動脈區(qū)放置ROI，記錄選定ROI的CT值以及標(biāo)準(zhǔn)差(SD)值。以腦實(shí)質(zhì)CT 值的標(biāo)準(zhǔn)差(SD)作為圖像噪聲，計(jì)算圖像的信號噪聲比(signal to noise ratio，SNR)：

(1)

由2位具有3 年以上閱片經(jīng)驗(yàn)的神經(jīng)放射科醫(yī)師采用盲法閱片，分別對各組灌注成像的原始圖像進(jìn)行主觀評價(jià)，有分歧時(shí)通過協(xié)商達(dá)成一致意見。圖像質(zhì)量評分采用4分法：1分為圖像噪聲偽影嚴(yán)重，腦灰白質(zhì)對比差，圖像均勻性差；2分為圖像噪聲偽影存在但不影響診斷，腦灰白質(zhì)對比度及圖像均勻性可接受；3分為圖像存在輕度噪聲或偽影，腦灰白質(zhì)對比度和圖像均勻性高于平均；4分為圖像噪聲偽影不存在或輕微，腦灰白質(zhì)對比度和圖像均勻性良好。

5.有效輻射劑量

記錄CT自動計(jì)算的容積劑量指數(shù)(CTDIvol)和劑量長度乘積(DLP)，由DLP乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)k估算有效輻射劑量(effective dose，ED)。參考?xì)W盟關(guān)于CT質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)指南[6]，k=0.0023mSv/(mGy·cm)。

6.統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。三組間灌注參數(shù)值、圖像質(zhì)量客觀評價(jià)指標(biāo)及輻射劑量的比較采用單因素方差分析，若有差異則進(jìn)一步采用Dunnet檢驗(yàn)進(jìn)行兩兩比較；圖像質(zhì)量主觀評價(jià)指標(biāo)的比較采用K-W秩和檢驗(yàn)，若有差異采則進(jìn)一步采用Nemenyi檢驗(yàn)進(jìn)行兩兩比較。以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。兩位閱片者主觀評價(jià)結(jié)果之間的一致性采用Kappa檢驗(yàn)。

注：*CBF的單位為mL/(100g·min)，CBV的單位為mL/100g。

表2　三組圖像質(zhì)量的客觀評價(jià)結(jié)果

結(jié)　果

共有54只兔的腦CT灌注掃描成功，其中RD組16只，LD組20只，ULD組18只。三組有效輻射劑量分別為RD組3.47 mSv，LD組1.53 mSv，ULD組0.75 mSv；與RD組相比，LD組和ULD組ED分別下降55.9%和78.4%。

三組間灌注參數(shù)值CBF、CBV、MTT和TTP的差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(表1，圖1～3)。三組間圖像質(zhì)量客觀評價(jià)指標(biāo)中圖像噪聲、腦實(shí)質(zhì)SNR的差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(表2)。

兩位觀察者對圖像質(zhì)量的主觀評分的一致性中等(Kappa=0.471，P<0.01)。三組圖像質(zhì)量的評分結(jié)果見圖4。其中，ULD組的評分低于RD組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.006)；LD組與RD組，ULD組與LD組間評分的差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

討　論

本研究結(jié)果顯示，兔腦CT灌注成像中，低劑量和超低劑量掃描聯(lián)合不同層級的混合迭代重建技術(shù)，與常規(guī)劑量聯(lián)合FBP重建技術(shù)相比，灌注參數(shù)和圖像質(zhì)量客觀評價(jià)結(jié)果均無明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。筆者分析原因如下。

CT灌注成像的理論基礎(chǔ)來自核醫(yī)學(xué)的放射性示蹤劑稀釋原理和中心容積定律，使用的數(shù)學(xué)模型包括兩大類：非去卷積模型和去卷積模型[7]。本研究所用的腦CT灌注分析軟件使用的是去卷積模型，該模型將每個(gè)像素位置的時(shí)程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的脈沖剩余函數(shù)(impulse residue function,IRF)，以此反映靜脈團(tuán)注對比劑后隨時(shí)間的推移對比劑在組織內(nèi)的數(shù)量從而計(jì)算出灌注參數(shù)值。然而，IRF對噪聲敏感，研究表明噪聲增加會導(dǎo)致IRF波動，進(jìn)而導(dǎo)致去卷積模型過高估計(jì)腦血流量[8]。而低劑量CT灌注掃描通常會增加圖像噪聲，降低圖像質(zhì)量，因此可能會影響灌注參數(shù)值測量的準(zhǔn)確性。本研究結(jié)果顯示，低劑量和超低劑量掃描聯(lián)合不同層級的混合迭代重建技術(shù)，與常規(guī)劑量聯(lián)合FBP重建技術(shù)相比，所測量的灌注參數(shù)值無明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，充分說明迭代重建技術(shù)降低了低劑量甚至是超低劑量掃描圖像噪聲，保持了IRF的穩(wěn)定性，從而使得三組掃描圖像間所測量的灌注參數(shù)值并無明顯差異。

目前，低劑量腦灌注CT一般通過降低管電壓、管電流，限制掃描層數(shù)、延長采樣間隔時(shí)間和使用迭代重建算法等實(shí)現(xiàn)[9-11]。灌注參數(shù)值都是通過每一體素的時(shí)間-密度曲線(time density curve，TDC)，再利用不同的數(shù)據(jù)模型計(jì)算出來的。也就是說，每個(gè)體素的CT值與灌注參數(shù)密切相關(guān)，而CT值除了與物質(zhì)本身密度有關(guān)之外，也與X射線的能量即管電壓和管電流有關(guān)。Wintermark等[9]將人腦CT灌注成像的管電壓降低至80 kV，研究結(jié)果表明與120 kV相比，80 kV可獲得更好的圖像對比信噪比，且灌注參數(shù)值也無明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，且輻射劑量明顯降低。聞芳等[12]將兔腦CT灌注成像的管電壓降低至70 kV，其研究結(jié)果表明與80 kV相比，改變管電壓不會對灌注參數(shù)值產(chǎn)生明顯影響，充分說明在一定范圍內(nèi)改變管電壓不會影響灌注參數(shù)的測量準(zhǔn)確性。

本研究將管電壓設(shè)定為固定值80 kV，采用降低管電流的方法進(jìn)一步降低輻射劑量，研究結(jié)果顯示圖像噪聲和SNR在LD、ULD和RD組之間差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。理論上講降低管電流，會增加圖像噪聲，而本研究所使用的混合迭代重建技術(shù)(iDose4)是一種高級迭代重建技術(shù)，該技術(shù)首先識別并校正 CT 測量值的最大噪聲，再通過迭代過程去除噪聲數(shù)據(jù)，獲取圖像的真實(shí)形態(tài)[13]。同時(shí)，iDose4可根據(jù)降噪能力的強(qiáng)弱分為1～7級，本研究中LD組選用層級3，ULD組選用層級5，即管電流越低，迭代重建技術(shù)的降噪層級越高，從而使三組間可獲得相似的圖像噪聲水平、信噪比和對比噪聲比。Lin等[14]通過降低管電流來降低CT腦灌注成像的輻射劑量，其研究結(jié)果顯示在固定管電壓下，聯(lián)合iDose4重建的低管電流(80 mAs)組與FBP重建的常規(guī)管電流(100 mAs)組相比，灌注參數(shù)值和圖像信噪比均無明顯差異。本研究結(jié)果與之相符，亦證實(shí)降低管電流聯(lián)合迭代重建技術(shù)可獲得與常規(guī)劑量掃描相似的圖像質(zhì)量。

研究報(bào)道在應(yīng)用較高層級的混合迭代技術(shù)時(shí)，往往由于圖像噪聲的大幅下降，會造成圖像邊緣過于平滑而兔腦灰白質(zhì)對比度降低，圖像失真，從而影響圖像主觀質(zhì)量[13]。本研究中ULD組主觀評分顯著低于RD組，可能因?yàn)閁LD組圖像噪聲較高，實(shí)驗(yàn)中為達(dá)到較強(qiáng)的噪聲抑制效果而采用iDose4較高層級(層級5)進(jìn)行重建，從而導(dǎo)致圖像失真。噪聲抑制過多僅僅會導(dǎo)致圖像邊緣不夠銳利，而對CT值的測量準(zhǔn)確性影響不大，從而使灌注參數(shù)值的穩(wěn)定性得以保持。

本研究存在一定的局限性：①兔腦與人腦的組織生理學(xué)特點(diǎn)存在差異，本研究為動物模型研究，未涉及臨床研究；②本研究未涉及病理狀態(tài)下低劑量CT灌注成像的評估；③樣本量較小。

綜上所述，通過聯(lián)合不同層級的混合迭代重建技術(shù)，低劑量和超低劑量兔腦灌注成像可獲得準(zhǔn)確的灌注參數(shù)測量結(jié)果及可接受的圖像質(zhì)量，提示應(yīng)用混合迭代重建技術(shù)，CT人腦灌注同樣可能會有更進(jìn)一步降低輻射劑量的潛力。

[1]Mair G,Wardlaw JM.Imaging of acute stroke prior to treatment:current practice and evolving techniques[J].Br J Radiol,2014,87(1040):20140216.DOI:10.1259/bjr.20140216.

[2]Jain R.Perfusion CT imaging of brain tumors:an overview[J].AJNR,2011,32(9):1570-1577.

[3]Brix G,Lechel U,Nekolla E,et al.Radiation protection issues in dynamic contrast-enhanced (perfusion) computed tomography[J].Eur J Radiol,2015,84(12):2347-2358.

[4]Wintermark M,Lev MH.FDA investigates the safety of brain perfusion CT[J].AJNR,2010,31(1):2-3.

[5]曾苗雨,梁長虹,趙振軍,等.迭代重建算法(iDose4)胸部低劑量掃描的初步應(yīng)用[J].放射學(xué)實(shí)踐,2013,28(12):1262-1266.

[6]Valentin J.Managing patient dose in multi-detector computed tomography (MDCT)[J].Annals Icrp,2007,37(1):1-79.

[7]劉紅軍,梁長虹,王廣誼,等.不同濃度對比劑在正常兔腦CT灌注成像中的對照實(shí)驗(yàn)研究[J].中國醫(yī)學(xué)影像技術(shù),2009,25(1):1-4.

[8]Tao Y,Chen GH,Hacker TA,et al.Low dose dynamic CT myocardial perfusion imaging using a statistical iterative reconstruction method[J].Med Phys,2014，41(7):914-917.

[9]Wintermark M,Maeder P,Verdun FR,et al.Using 80kVp versus 120kVp in perfusion CT measurement of regional cerebral blood flow[J].AJNR,2000,21(10):1881-1884.

[10]Abels B,Klotz E,Tomandl BF,et al.CT perfusion in acute ischemic stroke:a comparison of 2-second and 1-second temporal resolution[J].AJNR,2011,32(9):1632-1639.

[11]Hirata M,Murase K,Sugawara Y,et al.A method for reducing radiation dose in cerebral CT perfusion study with variable scan schedule[J].Radiat Med,2005,23(3):162-169.

[12]聞芳,胡春洪,胡粟,等.70kV管電壓低劑量掃描在兔腦CT灌注成像中的可行性研究[J].中華放射醫(yī)學(xué)與防護(hù)雜志,2014,34(2):91-94.

[13]Itatani R,Oda S,Utsunomiya D,et al.Reduction in radiation and contrast medium dose via optimization of low-kilovoltage CT protocols using a hybrid iterative reconstruction algorithm at 256-slice body CT:phantom study and clinical correlation[J].Clin Radiol,2013,68(3):128-135.

[14]Lin CJ,Wu TH,Lin CH,et al.Can iterative reconstruction improve imaging quality for lower radiation CT perfusion:initial experience[J].AJNR,2013,34(8):1516-1521.

Feasibility study of low radiation dose brain perfusion with a hybrid iterative reconstruction technique in a rabbit model

WANG Yun,XIAO Yi,LIU Shi-yuan,et al.Department of Radiology and Nuclear Medicine,Changzheng Hospital,the Second Military Medical University,Shanghai 200003,China

Objective:To investigate the image quality and quantitative accuracy of low dose CT brain perfusion imaging in rabbits using hybrid iterative reconstruction technique (iDose4).Methods:60 male New Zealand white rabbits were divided into three groups to undergo brain perfusion imaging at a 256-slice MDCT scanner,scan parameters:80kV,100mAs and filtered back projection technique in routine dose (RD) group;80kV,50mAs,iDose4and level 3 in low dose (LD) group;80kV,25mAs,iDose4and level 5 in ultra-low dose (ULD) group.Effective dose (ED) of three groups were calcula-ted and compared.Perfusion parameters of rabbit brain including cerebral blood flow (CBF),cerebral blood volume (CBV),mean transit time (MTT),and time to peak (TTP) were obtained on image post-processing workstation.Image quality of three groups were evaluated and compared,including image noise,signal-noise ratio (SNR) of parenchyma and image quality score analyzed by two radiologists.Results:Brain CT perfusion scanning was successful in 54 rabbits (64/60),including 16 in RD group,20 in LD group and 18 in ULD group.The ED in RD group was 3.47mSv,in LD group was 1.53mSv and in ULD group was 0.75mSv.Compared to RD group,the value of ED decreased 55.9% in LD group and 78.3% in ULD group.There were no significant differences in brain perfusion parameters and objective index of image quality (image noise and SNR) among all groups (P>0.05).The image quality score was significantly lower in ULD group compared to RD group (P=0.006).There was no significant difference in image quality score between LD group and RD group,also between ULD group and LD group (P>0.05).Interobserver agreement between the two radiologists was medium,Kappa value was 0.471 (P<0.01).Conclusion:Low dose,even ultra-low dose brain perfusion imaging could reach quantitative accuracy and acceptable image quality by using different levels of iDose4in a rabbit model.

Low radiation dose； Iterative reconstruction； Tomography,X-ray computed； Brain perfusion imaging； Experimental study

200003上海，第二軍醫(yī)大學(xué)附屬長征醫(yī)院影像醫(yī)學(xué)與核醫(yī)學(xué)科(望云、蕭毅、劉士遠(yuǎn)、李清楚、孫維虎)；200233上海，飛利浦中國影像研究學(xué)院(姜彥)；201203上海，GE醫(yī)療集團(tuán)生命科學(xué)事業(yè)部(曹鵬)

望云(1990-)，女，湖北宜城人，碩士研究生，主要從事神經(jīng)系統(tǒng)影像診斷工作。

蕭毅，E-mail：xiaoyi@188.com

R814.42； R743.3

A

1000-0313(2016)08-0712-05

10.13609/j.cnki.1000-0313.2018.08.009

2016-01-25

2016-04-30)