能譜CT單能量成像聯(lián)合自適應(yīng)迭代重建技術(shù)優(yōu)化胸部增強(qiáng)掃描圖像質(zhì)量的研究

周　悅　ZHOU Yue　董軍強(qiáng)　DONG Junqiang　高劍波　GAO Jianbo　侯　平　HOU Ping　王明月　WANG Mingyue　許　瀚　XU Han

能譜CT單能量成像聯(lián)合自適應(yīng)迭代重建技術(shù)優(yōu)化胸部增強(qiáng)掃描圖像質(zhì)量的研究

周悅1ZHOU Yue董軍強(qiáng)1DONG Junqiang高劍波1GAO Jianbo侯平1HOU Ping王明月1WANG Mingyue許瀚2XU Han

作者單位
1. 鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院放射科河南鄭州450052
2. 鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院乳腺外科河南鄭州450052

Department of Radiology, the First Affiliated Hospital of Zhengzhou University, Zhengzhou 450052, China

Address Correspondence to: GAO Jianbo

E-mail: cjr_gaojianbo@163.com

R56；R445.3

中國(guó)醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志

2016年 第24卷 第10期：746-749，754

Chinese Journal of Medical Imaging 2016 Volume 24 (10): 746-749, 754

目的探討能譜CT最佳虛擬單能量成像（VMS）聯(lián)合自適應(yīng)迭代重建（ASIR）技術(shù)在雙期胸部增強(qiáng)CT掃描中的應(yīng)用價(jià)值。資料與方法采用前瞻性研究方法收集60例行能譜CT雙期胸部增強(qiáng)掃描的患者。其中研究組30例行80～140 kVp能譜CT掃描，對(duì)照組30例采用120 kVp常規(guī)CT掃描，分別使用濾波反投影（FBP）技術(shù)和ASIR對(duì)圖像進(jìn)行重建，得到VMS-FBP（A組）、VMS-ASIR（B組）、120 kVp-FBP（C組）、120 kVp-ASIR（D組）重建圖像。比較4組重建后圖像在雙期不同層面降主動(dòng)脈的信噪比（SNR）和對(duì)比噪聲比（CNR）；對(duì)4組圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)分；并比較研究組和對(duì)照組的輻射劑量。結(jié)果研究組較對(duì)照組有效輻射劑量下降了36.01%，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=172.00，P＜0.001）。A～D組圖像的CT值、CNR、SNR和圖像質(zhì)量主觀評(píng)分差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。結(jié)論與120 kVp常規(guī)CT掃描模式相比，VMS聯(lián)合ASIR可以獲得較好的圖像質(zhì)量，降低輻射劑量。

體層攝影術(shù)，X線計(jì)算機(jī)；迭代重建算法；胸部；肺疾?。粓D像增強(qiáng)；迭代重建；圖像處理，計(jì)算機(jī)輔助；質(zhì)量控制；輻射劑量

近年來(lái)，獲得優(yōu)質(zhì)圖像質(zhì)量的同時(shí)，降低更多的輻射劑量一直是CT技術(shù)研究的熱門課題。能譜CT最佳虛擬單能量（virtual monochromatic spectrum，VMS）圖像能夠優(yōu)化圖像質(zhì)量和對(duì)比噪聲比（CNR），提高疾病的檢出率[1]。自適應(yīng)迭代重建技術(shù)（adaptive statistical iterative reconstruction，ASIR）可有效降低噪聲，提高圖像信噪比（SNR）及CNR，增加圖像清晰度[2]。隨著能譜CT后處理軟件技術(shù)的不斷更新，VMS聯(lián)合ASIR逐漸被廣泛應(yīng)用，既可以滿足對(duì)圖像質(zhì)量的要求，也可以在一定程度上降低輻射劑量。本研究嘗試通過(guò)與120 kVp常規(guī)CT掃描模式對(duì)比，探討VMS聯(lián)合ASIR技術(shù)在胸部雙期增強(qiáng)掃描中的應(yīng)用價(jià)值。

1　資料與方法

1.1研究對(duì)象收集2015年2月—2016年2月鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院行能譜CT胸部雙期增強(qiáng)掃描的患者60例，其中男36例，女24例；年齡25～67歲，平均（55.4±5.8）歲，體重指數(shù)（BMI）為（23.6±1.2）kg/m2。12例發(fā)現(xiàn)肺部占位，病變直徑0.6～25.4 mm；14例顯示肺部炎癥；11例表現(xiàn)為慢性支氣管炎、肺氣腫；其余23例均未見(jiàn)腫塊或其他病變。排除標(biāo)準(zhǔn)：①年齡＜18歲；②妊娠期或哺乳期婦女；③全身狀況欠佳或合并嚴(yán)重心、肝、腎功能不全患者；④心血管系統(tǒng)病變。將60例患者分為研究組和對(duì)照組，每組30例。研究組男16例，女14例；平均年齡（54.19±3.37）歲；BMI（25.13± 1.38）kg/m2。對(duì)照組男20例，女10例；平均年齡（53.93± 3.79）歲；BMI（24.43±1.42）kg/m2。兩組患者的性別、年齡、BMI比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。所有患者檢查前均簽署知情同意書。

1.2儀器與方法研究組采用GE HD750 CT（寶石能譜CT）掃描。掃描前去除患者身上金屬質(zhì)地的物品，并進(jìn)行屏氣訓(xùn)練。掃描時(shí)患者雙上肢上舉過(guò)頭頂。掃描范圍自胸廓入口至雙肺底。掃描參數(shù)：管電壓為80～140 kVp（0.5 ms瞬時(shí)切換），管電流為自動(dòng)毫安秒，螺距0.984∶1。層間距5 mm、層厚5 mm。對(duì)比劑應(yīng)用非離子型造影劑碘海醇（350 mgI/ml），采用雙筒高壓注射器經(jīng)肘靜脈以3 ml/s注射，劑量1.5 ml/kg；監(jiān)測(cè)主動(dòng)脈弓CT值達(dá)到100 HU時(shí)觸發(fā)掃描，延遲30 s開(kāi)始動(dòng)脈期掃描，動(dòng)脈期結(jié)束后延遲60 s開(kāi)始靜脈期掃描。對(duì)照組采用常規(guī)胸部增強(qiáng)CT掃描模式，管電壓設(shè)定為120 kVp，其余參數(shù)均同研究組。

1.3圖像后處理及評(píng)估

1.3.1圖像后處理及分組由1名有5年放射診斷經(jīng)驗(yàn)的放射科主治醫(yī)師采用HealthCare AW 4.4工作站進(jìn)行圖像分析與測(cè)量。采用GSI Viewer軟件將研究組層厚和層間距為1.25 mm的兩期圖像進(jìn)行分析處理，重建出140 kVp常規(guī)混合能量圖像和40～140 keV單能量圖像，間隔1 keV。感興趣區(qū)（ROI）分別置于主肺動(dòng)脈窗層面、氣管分叉層面、右肺動(dòng)脈層面、左右房室層面的降主動(dòng)脈。采用濾波反投影（filtered back projection，F(xiàn)BP）技術(shù)和ASIR分別對(duì)研究組和對(duì)照組的圖像進(jìn)行重建，ASIR選取50%[3]。將重建后的圖像數(shù)據(jù)傳至GE AW4.6后處理工作站。研究組得到VMSFBP（A組）和VMS-ASIR（B組）圖像。對(duì)照組獲得120 kVp-FBP（C組）和120 kVp-ASIR（D組）圖像。分別選取70～80 mm2的圓形或橢圓形區(qū)域?yàn)镽OI的測(cè)量范圍。ROI的大小、形狀和位置在不同組別圖像的測(cè)定中保持一致。

1.3.2圖像客觀評(píng)分由1名有5年放射診斷經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)師在后處理軟件上測(cè)量每個(gè)ROI的CT值，計(jì)算其均數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)差（SD），測(cè)量3次取平均值。計(jì)算4組圖像的SNR和CNR。SNR=CT值/噪聲。CNR=（CT值－CT值背景肌肉）/SD值背景肌肉，其中同層面背部肌肉的SD值代表圖像噪聲值。

1.3.3圖像主觀評(píng)分由2位具有影像學(xué)診斷經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師進(jìn)行圖像主觀評(píng)分，意見(jiàn)不一致時(shí)經(jīng)協(xié)商解決。主要觀察縱隔、大血管、胸膜、胸壁、肺段及亞段支氣管，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如下[4]：圖像主觀評(píng)分：肺紋理及支氣管等解剖細(xì)節(jié)顯示清晰，無(wú)明顯噪聲和偽影為5分（優(yōu)異）；肺紋理及支氣管等解剖細(xì)節(jié)顯示較清晰，噪聲和偽影增多為4分（良好）；肺紋理及支氣管等解剖細(xì)節(jié)欠清晰，噪聲和偽影較明顯但可接受為3分（中等）；肺紋理及支氣管等解剖細(xì)節(jié)辨識(shí)困難，噪聲和偽影很明顯為2分（較差）；肺紋理及支氣管等解剖細(xì)節(jié)無(wú)法辨識(shí)，噪聲和偽影極明顯為1分（極差）。3分以上者可滿足診斷要求。

圖像噪聲評(píng)分：圖像清晰細(xì)膩，無(wú)明顯噪聲為5分（優(yōu)異）；圖像尚清晰，噪聲稍有增加為4分（良好）；圖像顯示欠清晰，噪聲存在但尚可接受為3分（中等）；圖像模糊，噪聲明顯，識(shí)別困難為2分（較差）；圖像模糊，噪聲極其明顯，圖像無(wú)法辨別為1分（極差）。

解剖細(xì)節(jié)評(píng)分：病灶顯示清晰，邊緣銳利，細(xì)小解剖結(jié)構(gòu)可清晰辨認(rèn)為5分（優(yōu)異）；病灶顯示尚清晰，邊緣較銳利，細(xì)小解剖結(jié)構(gòu)尚能辨認(rèn)為4分（良好）；病灶顯示欠清晰，邊緣欠銳利，細(xì)小解剖結(jié)構(gòu)顯示欠佳但尚可接受為3分（中等）；病灶可見(jiàn)但顯示不清，邊緣模糊，細(xì)小解剖結(jié)構(gòu)識(shí)別困難為2分（較差）；病灶無(wú)法辨別，邊緣極其模糊，細(xì)小解剖結(jié)構(gòu)不能識(shí)別為1分（極差）。

圖像偽影評(píng)分：圖像無(wú)偽影或幾乎無(wú)偽影為5分（優(yōu)異）；圖像偽影較輕，對(duì)結(jié)構(gòu)的顯示影響較小為4分（良好）；圖像偽影一般，對(duì)結(jié)構(gòu)的顯示有一定的影響為3分（中等）；圖像偽影較重，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的顯示為2分（較差）；圖像偽影很重，無(wú)法用于診斷為1分（極差）。

1.4輻射劑量比較通過(guò)自動(dòng)計(jì)算得到4組圖像的容積CT劑量指數(shù)（computed tomography dose index，CTDIvol）及劑量長(zhǎng)度乘積（dose length product，DLP），有效射線劑量（effective dose，ED）=k×DLP，k值取0.014（歐盟委員會(huì)推薦）。

1.5統(tǒng)計(jì)學(xué)方法采用SPSS 19.0軟件。采用成組資料t檢驗(yàn)比較患者的年齡、身高、體重、BMI和輻射劑量；采用單因素方差分析比較4組重建后圖像的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，兩兩比較采用LSD法；采用秩和檢驗(yàn)比較4組重建后圖像的主觀評(píng)分。P＜0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2　結(jié)果

2.1輻射劑量比較研究組和對(duì)照組患者的CTDIvol、DLP及ED比較，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001），其中研究組患者的ED較對(duì)照組下降約36.01%，見(jiàn)表1。

表1　60例行能譜CT胸部雙期增強(qiáng)掃描患者的輻射劑量比較

2.2最佳單能量水平應(yīng)用GSI軟件獲得雙期最佳CNR的VMS圖像，同時(shí)得到不同患者最佳單能量keV值，位于56～66 keV，均數(shù)為（63.58±2.64）keV，中位數(shù)為63.50 keV。

2.3圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)在CT增強(qiáng)動(dòng)脈期及靜脈期，4組圖像噪聲評(píng)分、解剖細(xì)節(jié)評(píng)分、圖像偽影評(píng)分及總體圖像質(zhì)量評(píng)分比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01），其中B組高于其他3組（P＜0.05），A組高于C組及D組（P＜0.05），C組及D組間比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。在動(dòng)脈期和靜脈期，B組總體圖像質(zhì)量評(píng)分較A組、C組和D組分別增加了0.97%和1.95%、20.87%和11.46%、11.65%和6.83%。見(jiàn)表2。

表2　4組患者上腹部增強(qiáng)CT圖像噪聲與圖像質(zhì)量主觀評(píng)分（分）

2.4圖像客觀評(píng)分在動(dòng)脈期及靜脈期，4組圖像的CNR和SNR差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。B組的SNR和CNR均優(yōu)于A、C、D組（P＜0.05），A組優(yōu)于C、D組（P＜0.05），D組優(yōu)于C組（P＜0.05）。見(jiàn)圖1～3。

圖1　4組胸部增強(qiáng)CT圖像在動(dòng)脈期和靜脈期不同解剖部位的腹主動(dòng)脈SNR和CNR比較（P＜0.05）。A.動(dòng)脈期腹主動(dòng)脈SNR比較；B.動(dòng)脈期腹主動(dòng)脈CNR比較；C.靜脈期腹主動(dòng)脈SNR比較；D.靜脈期腹主動(dòng)脈CNR比較

圖2　男，46歲。胸部CT掃描采用120 kVp常規(guī)掃描模式。采用100% FBP重建靜脈期縱隔窗（A）及肺窗（B）圖像，此時(shí)圖像噪聲及偽影明顯，支氣管及肺紋理顯示欠清晰；采用50% ASIR重建靜脈期縱隔窗（C）及肺窗（D）圖像，此時(shí)圖像噪聲依然存在，但可接受，支氣管及肺紋理顯示較清晰

3　討論

在獲得優(yōu)質(zhì)圖像質(zhì)量的同時(shí)降低更多的輻射劑量成為廣大CT科研人員的關(guān)注熱點(diǎn)[4]。為了有效降低CT輻射劑量，醫(yī)學(xué)工作者嘗試通過(guò)優(yōu)化掃描程序、降低管電壓和管電流、擴(kuò)大螺距等多種方法。目前，高端CT重建算法的改進(jìn)能夠抑制或消除噪聲，提高圖像CNR，如GE公司的ASIR技術(shù)、Philips公司的iDOSE技術(shù)和Siemens公司的SAFIRE技術(shù)等。這些模型均可將原始數(shù)據(jù)中的噪聲投射到圖像中，通過(guò)迭代算法來(lái)增加圖像清晰度，這樣重建后的圖像能夠在適當(dāng)減低掃描劑量的前提下，滿足臨床診斷要求。

圖3　女，51歲。胸部CT掃描采用單能量70 keV能譜掃描模式。采用100% FBP重建靜脈期縱隔窗（A）及肺窗（B）圖像，此時(shí)圖像噪聲及偽影減少，支氣管及肺紋理顯示較好；采用70 keV聯(lián)合50% ASIR重建靜脈期縱隔窗（C）及肺窗（D）圖像，此時(shí)無(wú)明顯圖像噪聲及偽影，支氣管及肺紋理顯示清晰

能譜CT采用自適應(yīng)迭代重建技術(shù)，該技術(shù)具有選擇性去除噪聲的能力，使其能在較低劑量檢查的情況下獲得較好的圖像質(zhì)量。既往研究結(jié)果顯示，ASIR權(quán)重設(shè)置在40%～60%時(shí)圖像質(zhì)量最高，且在胸、腹部掃描中設(shè)定為50%時(shí)，圖像質(zhì)量無(wú)明顯降低，而輻射劑量減少超過(guò)50%[5-7]。合理地調(diào)整重建圖像的權(quán)重值和恰當(dāng)?shù)亟档蛼呙钘l件是應(yīng)用ASIR的2個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)[8]。本研究中，采用50%ASIR重建后的圖像對(duì)比FBP圖像，均具有較高的SNR和CNR，等于或高于FBP重建圖像質(zhì)量的同時(shí)可將輻射劑量降低約36.01%，這與前期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[9]吻合。

能譜CT通過(guò)雙能量成像獲得的基物質(zhì)密度數(shù)據(jù)來(lái)得出40～140 keV的單能量圖像，本研究發(fā)現(xiàn)，采用能譜CT掃描的研究組，整體圖像質(zhì)量和CNR均較常規(guī)120 kVp掃描的對(duì)照組高，提示能譜成像能有效校正圖像的硬化偽影，改善圖像CT值，從而得到高清圖像[10]。董江寧等[11]研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)組織器官、病變的性質(zhì)和類型、患者年齡以及病變?cè)谌梭w內(nèi)的位置不同，顯示病灶的最佳單能量水平會(huì)呈現(xiàn)差異。Lv等[12]提出，隨著能量水平的升高，噪聲值逐漸減低，70 keV單能量圖像的噪聲最低，且能夠維持較高的圖像質(zhì)量評(píng)分，圖像質(zhì)量?jī)?yōu)于常規(guī)能量圖像。柴亞如等[13]發(fā)現(xiàn)，能譜70 keV單能量成像聯(lián)合ASIR技術(shù)與常規(guī)掃描相比可降低輻射劑量，并為肝癌病灶顯示提供良好的圖像質(zhì)量。與柴亞如等[13]的研究不同，隨著能譜軟件系統(tǒng)的升級(jí)，本研究使用基于個(gè)體循環(huán)差異的最佳單能量圖像與50% ASIR進(jìn)行重建，由此得到的胸部CT圖像單能量范圍更廣。本研究發(fā)現(xiàn)，胸部雙期增強(qiáng)掃描以不同層面的降主動(dòng)脈為ROI，最佳CNR的VMS圖像對(duì)應(yīng)的keV值位于56～66 keV，平均（63.58±2.64）keV。B組的圖像CNR和主觀評(píng)分均較其他組高，由此獲得的圖像既發(fā)揮了最佳單能量圖像高對(duì)比度、分辨率的特點(diǎn)，又體現(xiàn)了ASIR高清、低劑量的優(yōu)勢(shì)。

本研究發(fā)現(xiàn)，B組在主肺動(dòng)脈窗層面、氣管分叉層面、右肺動(dòng)脈層面、左右房室層面降主動(dòng)脈的CT值、SNR和CNR均高于其他3組，且B組的圖像質(zhì)量評(píng)分優(yōu)于A、C、D組，這反映出單能量聯(lián)合ASIR成像在圖像質(zhì)量方面具有極大的優(yōu)勢(shì)，既體現(xiàn)出了最佳單能量成像增強(qiáng)碘匯聚能力而提高圖像對(duì)比度的優(yōu)勢(shì)，又展現(xiàn)出ASIR重建方式降低圖像噪聲并維持良好的圖像質(zhì)量的特點(diǎn)。

總之，采用能譜CT最佳單能量成像技術(shù)，聯(lián)合50% ASIR得到的圖像有良好的組織對(duì)比度，圖像噪聲小，完全可以滿足臨床診斷，同時(shí)能大幅降低輻射劑量，值得在臨床工作中推廣應(yīng)用。本研究也存在不足之處，如僅收集到1例患者2次復(fù)查的圖像分別作為研究組和對(duì)照組，因而樣本量還有待于擴(kuò)充；目前能譜新一代軟件可運(yùn)用不同百分比的ASIR重建最佳單能量圖像，如此是否可得到更優(yōu)質(zhì)的圖像質(zhì)量亟待研究；80 kVp和100 kVp也是兩個(gè)常規(guī)的掃描序列，有待于進(jìn)一步對(duì)比研究。

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（本文編輯周立波）

Improving Image Quality of Contrast-enhanced Chest CT with Combined Monochromatic Spectral CT and Adaptive Statistical Iterative Reconstruction

PurposeTo explore the diagnostic value of virtual monochromatic spectrum (VMS) combined with adaptive statistical iterative reconstruction (ASIR) technique in dual-phase contrast-enhanced chest CT. Material and MethodsSixty patients were prospectively scanned using spectral dual-phase contrast-enhanced chest CT, of which thirty patients were in study group with 80-140 kVp spectral CT, and thirty patients in control group with 120 kVp routine CT scanning. The images were reconstructed using filtered back projection (FBP) (group A) and ASIR (group B), respectively, with a total of 4 groups: VMS-FBP (group A), VMS-ASIR (group B), 120 kVp-FBP (group C), and 120 kVp-ASIR (group D).The contrast noise ratio (CNR) and signal noise ratio (SNR) relative to muscle for descending aorta at different levels during arterial and venous phases were evaluated for each group. The image quality was scored and radiation dose was compared between study and control groups. ResultsThe effective radiation dose in study group was 36.01% lower than that in control group and statistically significant (t=172.00, P＜0.001). The differences in CT attenuation, CNR, SNR and the subjective image quality score among four groups showed statistically different (P＜0.05). ConclusionCompared to conventional 120 kVp imaging, VMS-ASIR decreases radiation dose and improves image quality.

Tomography, X-ray computed; Iterative reconstruction; Thorax; Lung diseases; Image enhancement; Iterative reconstruction algorithm; Image processing, computer-assisted; Quality control; Radiation dosage

高劍波

10.3969/j.issn.1005-5185.2016.10.008

2016-01-06

2016-03-23