基于體模的ASiR-V聯(lián)合不同管電流對(duì)頭顱CTA圖像質(zhì)量的影響研究

原媛，張婷婷，卓磊，張景東，鐘朝輝

首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京友誼醫(yī)院放射科，北京 100050

基于體模的ASiR-V聯(lián)合不同管電流對(duì)頭顱CTA圖像質(zhì)量的影響研究

原媛，張婷婷，卓磊，張景東，鐘朝輝

首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京友誼醫(yī)院放射科，北京 100050

目的探討自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)迭代重建（Adaptive Statistical iterative Reconstruction Veo，ASiR-V）ASiR-V對(duì)不同管電流下頭顱血管造影（Computed Tomography Angiography，CTA）掃描的圖像質(zhì)量的影響。方法對(duì)頭顱血管體模PH-3在120 kV管電壓、0.5 s機(jī)架轉(zhuǎn)速下分別用50、100、150、200、250、400、500 mA進(jìn)行掃描，每組掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行ASiR-V權(quán)重為0%、30%、50%、70%和90%的迭代重建，分別測(cè)量和記錄CT容積劑量指數(shù)（CT Dose Index volume，CTDIvol）、標(biāo)準(zhǔn)差（Standard Deviation，SD）、信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）、對(duì)比噪聲比（Contrast to Noise Ratio，CNR），繪制CT值特征曲線，對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）和最大密度投影重建（Maximum Intensity Projection，MIP），由兩名不同年資的診斷醫(yī)師進(jìn)行5分法主觀評(píng)價(jià)。結(jié)果隨著ASiR-V權(quán)重的增加，SD明顯降低，SNR明顯升高，CNR明顯改善。噪聲降低率與ASiR-V顯著相關(guān)，CT值特征曲線表明ASiR-V有一定的區(qū)分血管信號(hào)和背景噪聲的能力，主觀評(píng)價(jià)結(jié)果表明對(duì)顱內(nèi)血管的CTA，150 mA配合50%的ASiR-V權(quán)重即可達(dá)到較好的診斷效果（評(píng)分≥4）。結(jié)論ASiR-V能夠有效改善頭顱CTA檢查的圖像質(zhì)量。

頭顱CTA；ASiR-V；圖像重建；圖像質(zhì)量；客觀評(píng)價(jià)；主觀評(píng)價(jià)

引言

頭顱血管造影（Computed Tomography Angiography，CTA）檢查是診斷顱內(nèi)腦血管病的重要手段，具備相對(duì)易行和侵入性小的特點(diǎn)，正逐步成為一種常規(guī)的腦血管病診斷技術(shù)，其輻射劑量也日益受到關(guān)注[1-4]。

重建算法的改進(jìn)是實(shí)現(xiàn)低劑量CT掃描的一個(gè)重要手段。2008年推出的自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)迭代算法（Adaptive Statistical iterative Reconstruction，ASiR），通過(guò)建立統(tǒng)計(jì)噪聲模型采用迭代的方法抑制圖像噪聲，與傳統(tǒng)的濾波反投影算法（Filtered Back Projection，F(xiàn)BP）相比，在滿足診斷要求的同時(shí)可以減少輻射劑量25%～40%[5-6]。2011年推出的基于模型的迭代算法（Model Based Iterative Reconstruction，MBIR），該方法引入系統(tǒng)光學(xué)模型，還原X線從投射到采集的過(guò)程，與FBP相比降低輻射劑量67%～82%的輻射劑量，其缺點(diǎn)是重建時(shí)間過(guò)長(zhǎng)[7-8]。2014年推出的ASiR-Veo（ASiR-V）去除了光學(xué)模型，采用了更為先進(jìn)的系統(tǒng)噪聲模型、被掃描物體模型和物理模型，在與ASiR相近的重建速度下獲得與MBIR相似的圖像質(zhì)量。Lim等通過(guò)體模研究認(rèn)為ASiR-V可以減少圖像的噪聲和改進(jìn)CNR以及在一定程度上提高空間分辨力，同時(shí)效果優(yōu)于ASiR[9]。Kwon等[10]在腹部CT檢查中使用30%和50%的ASiR-V權(quán)重在降噪的同時(shí)保證了圖像細(xì)節(jié)，獲得良好效果。本研究針對(duì)頭顱CTA，采用仿真體模不同劑量掃描，探討ASiR-V量化分析降低頭顱CTA在不同掃描劑量下對(duì)顱內(nèi)血管的圖像質(zhì)量影響。

1 材料與方法

1.1 掃描方案

本研究采用256排螺旋CT（GE Revolution CT）進(jìn)行掃描，掃描方式為螺旋掃描，管電壓120 kV，固定管電流，分別為50、100、150、250、400和500 mA共計(jì)6組，準(zhǔn)直寬度為64 mm×0.625 mm，螺距為0.516，旋轉(zhuǎn)時(shí)間為0.5 s，DFOV為250 mm，層厚為0.625 mm，層間距為0.625 mm，濾波為標(biāo)準(zhǔn)濾波。

1.2 體模

我們采用日本島津公司的頭顱血管體模PH-3[11]。該體模由人體等效材料制成，模擬成年人頭顱，具有腦實(shí)質(zhì)、充盈造影劑的左側(cè)顱內(nèi)動(dòng)脈（包括左側(cè)大腦前動(dòng)脈、左側(cè)大腦中動(dòng)脈和頸內(nèi)動(dòng)脈）等結(jié)構(gòu)。其中大腦動(dòng)脈血管的管徑根據(jù)不同的分支級(jí)別有3～4，2，1.5，1和0.5 mm。掃描時(shí)頭模為仰臥位，聽(tīng)眥線垂直于床面，掃描范圍是模體顱頂?shù)筋i根部。

1.3 圖像重建

將每組掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行不同權(quán)重的迭代算法進(jìn)行重建，包括ASiR-V 0、30%、50%、70%和90%，得到共計(jì)30組圖像數(shù)據(jù)。不同百分?jǐn)?shù)代表ASiR-V所占權(quán)重，ASiR-V 0代表無(wú)迭代重建的FBP圖像。

1.4 掃描劑量

記錄各組輻射劑量：容積CT劑量指數(shù)（CT Dose Index volume，CTDIvol）、劑量長(zhǎng)度乘積（Dose Length Product，DLP）。數(shù)據(jù)來(lái)自CT劑量報(bào)表，劑量測(cè)量體模為body32。

1.5 客觀評(píng)價(jià)

本研究的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)包括噪聲即標(biāo)準(zhǔn)差（Standard Deviation，SD）、信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）、對(duì)比噪聲比（Contrast to Noise Ratio，CNR）。為更直觀的描述ASiR-V的降噪特性，我們描繪了CT值特征曲線。

在頭顱CTA掃描數(shù)據(jù)中大腦前、中動(dòng)脈分叉處層面進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)該層面解剖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在腦實(shí)質(zhì)處選擇6個(gè)ROI，PH-3體模的CT圖像及ROI的選取，見(jiàn)圖1。ROI的選取包括外周5個(gè)和中心處1個(gè)，每個(gè)ROI面積大約3.0 cm2，見(jiàn)圖1a；在腦血管處選擇3個(gè)ROI，每個(gè)ROI面積大約0.1 cm2，見(jiàn)圖1b。選取時(shí)盡量保證ROI的大小和空間位置一致，記錄每個(gè)ROI的均值和SD，在該層面橫跨大腦中動(dòng)脈起始部畫一長(zhǎng)約2.76 cm的線段，見(jiàn)圖1c，繪制該線段上像素CT值的特征曲線。

圖1 圖像ROI的選取

不同ASiR-V權(quán)重的SD的降低率：

不同ASiR-V權(quán)重的SNR變化率為：

不同ASiR-V權(quán)重的CNR變化率為：

其中SD是特定ASiR-V權(quán)重下ROI的標(biāo)準(zhǔn)差，SDFBP是FBP重建算法下的標(biāo)準(zhǔn)差，CT動(dòng)脈是動(dòng)脈處ROI的均值，SD腦實(shí)質(zhì)是腦實(shí)質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)差，SNR指不同ASiR-V權(quán)重下的信噪比，SNRFBP是未經(jīng)過(guò)迭代重建的FBP圖像的信噪比，CT動(dòng)脈是動(dòng)脈處ROI的均值，CT腦實(shí)質(zhì)是腦實(shí)質(zhì)的均值，SD腦實(shí)質(zhì)是腦實(shí)質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)差，CNR指不同ASiR-V權(quán)重下的對(duì)比噪聲比，CNRFBP是未經(jīng)過(guò)迭代重建的FBP圖像的對(duì)比噪聲比。

1.6 主觀評(píng)價(jià)

在GE AW 4.4重建工作站上對(duì)各組頭顱CTA圖像進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）和最大密度投影重建（Maxinum Intensity Projection，MIP）后重建，隱藏圖像的掃描條件和重建條件，由兩名不同年資的影像診斷醫(yī)師（5年和10年）用5分法評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量，當(dāng)兩醫(yī)師評(píng)分不同時(shí)由兩名醫(yī)師經(jīng)過(guò)探討得到一致結(jié)論。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如下：5分，頭顱大血管邊緣平滑銳利，分支顯示好，遠(yuǎn)端顯示好；4分，大血管顯示好，分支及遠(yuǎn)端顯示好；3分，大血管及遠(yuǎn)端和分支顯示較好，遠(yuǎn)端及末端欠佳；2分，血管邊緣毛糙，大血管及分支欠佳；1分，血管粗糙有斷裂，分支及遠(yuǎn)端欠清。

1.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

用SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，圖像的客觀噪聲SD、SNR、CNR均以（±s）表示。對(duì)ASiR-V權(quán)重和噪聲降低率SD%進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)并擬合線性回歸方程。

2 結(jié)果

2.1 劑量分析

本研究?jī)H對(duì)管電流進(jìn)行調(diào)整，圖像的CDTIvol隨著管電流的提升而提高，單側(cè)相關(guān)分析顯示兩者顯著相關(guān)（P＜0.01），見(jiàn)圖2a。

圖2 圖像客觀評(píng)價(jià)結(jié)果

2.2 客觀評(píng)價(jià)結(jié)果

在120 kV下，對(duì)于50～500 mA的管電流范圍，腦實(shí)質(zhì)的噪聲SD隨著管電流的升高而減小。對(duì)于各組管電流，噪聲SD隨著ASiR-V權(quán)重的升高而減小，見(jiàn)圖2b。噪聲降低率在ASiR-V 50%時(shí)為（30.60±1.32）%，而ASiR-V90%時(shí)為（52.61±2.31）%。SNR隨著ASiR-V權(quán)重的升高而增加，見(jiàn)圖2c。SNR升高率在ASiR-V 50%為（44.10±2.65）%，ASiR-V 90%為（111.52±10.01）%。CNR隨著ASiR-V權(quán)重的升高而增加，見(jiàn)圖2d。CNR的升高率在ASiR-V 50%為（43.25±3.98）%，ASiR-V90%為（109.03±13.24）%。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明ASiR-V的不同百分比對(duì)圖像SD的影響呈現(xiàn)一定規(guī)律，見(jiàn)表1。在本研究中，120 kV下，不同管電流的噪聲改變率在ASiR-V 30%下為（19±0.79）%，ASiR-V 50%下為（31±1.32）%，ASiR-V 70%下為（421.85）%，ASiR-V 90%下為（53±2.31）%，隨著ASiR-V權(quán)重的增加，降噪百分比SD%逐漸增大，二者顯著相關(guān)（P＜0.01），擬合線性回歸方程y=0.6053x+0.3443，其中y代表降噪百分?jǐn)?shù)，x代表ASIR-V權(quán)重，見(jiàn)圖3。

圖3 本研究中SD%與ASiR-V權(quán)重呈線性相關(guān)

大腦中動(dòng)脈起始部血管的CT值特征曲線，見(jiàn)圖4。以120 kV，100 mA的掃描條件為例，4a是濾波反投影（Filterd Back Projection，F(xiàn)BP）圖像，在圖4d～f中用藍(lán)色曲線表示，圖例中標(biāo)示為FBP，4b是ASiR-V 50%的圖像，在圖表中用綠色曲線表示，圖例中標(biāo)示為AR50，紅色曲線代表ASiR-V 90%的圖像，圖例中標(biāo)示為AR90。4a為FBP圖像，4b為ASiR-V 50%的圖像，4c為ASiR-V 90%的圖像，用紅色曲線表示。4d為大腦中動(dòng)脈起始部血管的CT值特征曲線，4e是曲線中以血管信號(hào)為主部分，4f是曲線中腦實(shí)質(zhì)部分，主要表現(xiàn)了噪聲信號(hào)，各部分CT值均值、噪聲SD和噪聲降低率SD%，見(jiàn)表2。對(duì)于血管信號(hào)部分在使用ASiR-V 50%和90%時(shí)SD的降低率僅為2%和3%，而對(duì)于噪聲為主部分SD的降低率分別為32%和56%，與圖2所示結(jié)果一致。對(duì)于信號(hào)為主部分的降噪率弱于噪聲為主部分，可見(jiàn)基于模型的迭代重建算法ASiR-V對(duì)動(dòng)脈信號(hào)和背景噪聲有較強(qiáng)的辨別能力。

表1 在不同ASiR-V權(quán)重和管電流下圖像的噪聲SD和噪聲降低率SD%

表2 CT值特征曲線血管信號(hào)為主部分和噪聲為主部分的均值、噪聲SD和SD降低率SD%

2.3 主觀評(píng)價(jià)結(jié)果

主觀評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3。所有體模圖像均可用于診斷。對(duì)于顱內(nèi)血管，100 mA以上可達(dá)到一般的診斷要求（評(píng)分≥3），而150 mA配合50%的ASiR-V權(quán)重即可達(dá)到較好的診斷效果（評(píng)分≥4）。由于頭顱受體形影響相對(duì)較小，因而我們認(rèn)為對(duì)于顱內(nèi)血管CTA，采用150～250 mA配合ASiR-V 50%即可滿足臨床需求。

表3 不同管電流下各ASiR-V權(quán)重圖像的主觀評(píng)分（分）

3 討論

近年來(lái)，迭代重建算法成為研究熱點(diǎn)[12-13]。迭代重建技術(shù)通過(guò)對(duì)原始圖像做出估計(jì)，在采集數(shù)據(jù)過(guò)程中和原有仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)合已知信息對(duì)圖像進(jìn)行校正。經(jīng)過(guò)多次采集、比較、校正后，達(dá)到與理想的仿真圖像接近的效果[14-15]。ASiR-V在原有迭代重建算法的基礎(chǔ)上，通過(guò)改進(jìn)噪聲模型，加入物理模型和物體模型，能夠有效改善圖像質(zhì)量。本研究結(jié)果表明對(duì)不同管電流下的CT掃描圖像，隨著ASiR-V的增加，噪聲SD降低，SNR升高，CNR升高。噪聲降低率與ASiR-V呈線性相關(guān)，擬合線性回歸方程y=0.6053x+0.3443。對(duì)于經(jīng)過(guò)三維重建的圖像，ASiR-V能夠提升重建效果，但過(guò)量ASiR-V仍然會(huì)造成“蠟狀”偽影，主觀評(píng)價(jià)結(jié)果表明，在低管電流（管電流≤150 mA）下采用50%的ASiR-V權(quán)重可以明顯改善圖像的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)和主觀評(píng)分；而當(dāng)管電流≥250時(shí)，雖然圖像的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)會(huì)隨著ASiR-V的引入而得到改善，但主觀評(píng)分在FBP重建時(shí)也已經(jīng)達(dá)到4分，在此基礎(chǔ)上無(wú)論是增加管電流還是提高ASiR-V權(quán)重對(duì)于診斷的影響都已不明顯，同時(shí)當(dāng)ASiR-V＞70%時(shí)會(huì)造成圖像失真，反而降低了主觀評(píng)分。另外，ASiR-V相比較于上一個(gè)版本的基于模型的迭代重建算法Veo，由于棄用了運(yùn)算量過(guò)于龐大的光學(xué)模型，其重建速度大大提高。本研究中所有頭顱CTA的掃描數(shù)據(jù)均均為444層，圖像重建可在30 s以內(nèi)完成，重建速度可以滿足臨床工作需求。本研究局限性在于采用固定管電壓120 kV。在臨床工作中，我們考慮到過(guò)低的管電壓可能會(huì)造成線束硬化偽影而經(jīng)常采用此管電壓[16-17]。但降低管電壓可以進(jìn)一步降低輻射劑量并提高對(duì)比度，如何通過(guò)合理改變管電壓進(jìn)一步降低輻射劑量并保證圖像質(zhì)量是我們未來(lái)的研究方向。

圖4 120 kV、100 mA下大腦中動(dòng)脈起始部血管的CT值特征曲線

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A Phantom Study on the Effects of ASiR-V Combining with Varying Tube Currents on Image Quality of Head Computed Tomography Angiography

YUAN Yuan, ZHANG Ting-ting, ZHUO Lei, ZHANG Jing-dong, ZHONG Zhao-Hui
Department of Radiology, Beijing Friend-ship Hospital, Capital Medical University, Beijing 100050, China

ObjectiveTo study the effects of Adaptive Statistical iterative Reconstruction Veo (ASiR-V) on the image quality of head Computed Tomography Angiography (CTA) scanning with different tube currents.MethodsA PH-3 angiography phantom of head was scanned at 120 kV tube voltage with 0.5 s rotation time as well as different tube currents, including the intensities of 50, 100, 150, 250, 400 and 500 mA. The received images were reconstructed by 0% ASiR-V, 30%, 50%, 70% and 90% ASiR-V. Then the Computed Tomography Dose Index volume (CTDIvol), Standard Deviation (SD), Signal to Noise Ratio (SNR) and Contrast to Noise Ratio (CNR) was measured and recorded. Thus characteristic curve of CT value was plotted. Finally, the CT image data were reconstructed with Volume Rendering (VR) and Maximum Intensity Projection (MIP) methods, then evaluated subjectively in five-point scale by two radiologists with 5 and 10 years' experience respectively.ResultsWith the increase of ASiR-V weight, SD was significantly decreased whilst SNR and CNR were both increased. The noise reduction rate was significantly correlated with the ASiR-V level. The characteristic curve of CT value indicated ASiR-V had some ability on distinguishing the vascular signal and the background noise. The subjective evaluation showed that tube current of 150 mA in accordance with 50% ASiR-V for intracranial vascular CTA could result in a good diagnosis effect (rating score≥4).ConclusionASiR-V could improve the image quality of head CTA availably.

head computed tomography angiography; adaptive statistical iterative reconstruction Veo; image reconstruction; image quality; objective evaluation; subjective evaluation

R743.3；R816.2

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.03.013

1674-1633(2017)03-0047-05

2016-12-03

2016-12-28

作者郵箱：yuanyuan_youyi@163.com