肝臟門靜脈期雙能CT：單能量圖像與融合圖像的比較

李 蓮王建杰楊克檉陳 偉

肝臟門靜脈期雙能CT：單能量圖像與融合圖像的比較

李 蓮1王建杰2楊克檉2陳 偉1

目的：探比較雙能CT（DECT）的單能量圖像和融合圖像在肝臟門靜脈期增強的應用效果。方法：配置不同濃度碘對比劑溶液制成體模原型，在Siemens SOMATOM Definition Flash掃描儀上，采用上腹部推薦協(xié)議先后執(zhí)行常規(guī)120kVp掃描和100/Sn 140kVp雙能掃描。其中，后者所采集圖像數(shù)據分別重建得到權重配比為0.5的線性融合圖像（M_0.5）、最優(yōu)非線性融合圖像（OCM）和根據對比度噪聲比（CNR）能譜曲線優(yōu)選的單能量圖像（Mono）。計算對比度、CNR和品質因數(shù)（FOM）以比較圖像質量?；仡櫡治?0例上腹部雙能CT增強檢查，比較門靜脈期不同重建圖像的肝實質和門靜脈主干的增強幅度，并采用6分量表法對最大密度投影（MIP）和容積再現(xiàn)（VR）圖像進行主觀評價。結果：體模實驗中，與120kVp圖像相比，M_0.5圖像的對比度無顯著差異（P=0.239）但CNR提高16.3%；DECT三種重建圖像中，OCM和Mono圖像的對比度、CNR分別比M_0.5圖像提高33.3%、32.3%和16.6%、6.1%；DECT三種重建圖像的FOM比120kVp圖像分別提高10.3%、94.2%和24.5%。臨床病例的門靜脈期OCM和Mono圖像的肝實質和門靜脈主干增強幅度比M_0.5圖像分別提高20.4%、19.2%和16.2%、15.9%；MIP和VR圖像的評分中，OCM組和Mono組無顯著差別（P=0.317），均顯著高于M_0.5組（P＜0.001）。結論：在上腹部DECT增強檢查中，為提高肝臟門靜脈期圖像增強效果應重建OCM圖像。

雙能CT；肝臟門靜脈期；單能量圖像；非線性融合；增強

雙供血特點導致肝臟CT增強檢查的門靜脈期圖像難以達到預期效果，從而直接影響診斷可靠性。研究表明，除了增加對比劑劑量和優(yōu)化掃描定時以外[1]，利用碘的k邊緣效應，適當降低球管電壓kVp值可提高增強效果[2-4]。與傳統(tǒng)單能CT（single-energy CT， SECT）不同，雙能CT（dual-energy CT，DECT）同時采集兩組高低不同kVp值的X射線投影數(shù)據，可回顧性重建融合或虛擬單能量（virtual mono-energy， Mono）圖像，達到相當于降低kVp值的效果。其中，融合圖像的重建按高低能量圖像權重分配方法的不同主要有線性和非線性之分，后者更能夠顯著提高增強效果并且抑制噪聲水平[5-8]；Mono圖像模擬單能量X射線掃描所得，有效抑制射束硬化效應、提高細節(jié)顯示，在肝臟檢查中選擇適當?shù)哪芗壙娠@著改善病灶顯示、提高診斷可靠性[9-12]。但是，這兩種重建圖像在肝臟增強應用中的比較，目前少有報道。我們的前期體模實驗已經證實，采用DECT結合回顧性圖像重建可大幅提高增強，在保持圖像質量不變的情況下對比劑劑量最高可減少約40%[13]。本研究的目的就是此基礎上，進一步通過臨床實驗探討DECT不同回顧性重建圖像在門靜脈期增強的質量差別，以作為優(yōu)化肝臟CT檢查方案的依據。

方 法

1. 體模實驗

1.1. 體模制作：碘比醇注射液（XENETIX@300，法國加柏GUERBET ）用蒸餾水稀釋，配制濃度分 別 為1、2、4、6、10、12、14和16mgI/ml的溶液，封裝于15ml離心管（Corning@，美國康寧Corning）中。封裝過程注意避免氣泡殘留。把9只試管按順序固定，浸浴在裝滿純水的橫截面周長為86cm、尼龍復合膜（PA+PE）塑料密封袋中，兩端適當加壓使其截面近似呈橢圓形，以模擬上腹部。

1.2 CT掃描協(xié)議：在Siemens SOMATOM Definition Flash掃描儀上，小心擺放體模使中心線與掃描野中心重合，采用廠家推薦的上腹部協(xié)議，先后執(zhí)行SECT掃描和DECT掃描。前者的參數(shù)設置如下：120kVp，勾選CARE Dose4D，管電流參考值210mA，準直器寬度128×0.6mm，掃描野直徑360mm，螺距0.6，機架旋轉周期0.5s。后者的參數(shù)設置如下：A、B球管電壓分別為100kVp和Sn 140kVp，勾選CARE Dose4D，mAs參考值分別為230和178，準直器寬度2×40×0.6mm，余與前同。

1.3 圖像重建和分析：采用西門子多模圖像工作站的Syngo雙能量后處理軟件進行，選擇相同層厚（5mm）和卷積核（B30f）。首先，選擇線性融合按鈕，調整滑塊至中間位置得到M_0.5圖像；也可在掃描協(xié)議的“Recon”選項里設置Series：A+B+M，DE Comp：0.5，掃描完成后自動生成。其次，選擇“Optimum Contrast”子菜單按推薦方案（窗位c=150，窗寬w=200）重建最優(yōu)非線性融合（optimum contrast mixed， OCM）圖像。最后，選擇“Monoenergetic”子菜單根據對比度噪聲比（contrast-noise ratio， CNR）能譜曲線選擇重建最優(yōu)的Mono圖像。

在上述三種重建圖像及120kVp圖像中選擇目標物質顯示良好的層面，手繪直徑0.8cm（約200個像素）圓形感興趣區(qū)（region of interest， ROI），采用“復制—黏貼”方法并盡量使之居于目標圖像的中心，測量各溶液的CT均值，記為ROIS。在體模中心背景物質（水）分別同樣大小的ROI，測量均值CT值和標準差，記為ROIB和SDB，后者作為圖像噪聲水平。那么，不同濃度溶液的對比度C=ROISROIB，CNR=（ROIS-ROIB）/SDB。

調節(jié)mAs將直接影響圖像質量，在其他掃描條件不變的情況下，CNR正比于X射線輻射劑量的平方根。所以，品質因數(shù)（figure of merit， FOM）可定義為CNR2/E，用于評價當輻射劑量相同時的圖像質量差異[4]。其中，E通常用CT劑量指數(shù)即CTDIvol表示，在掃描完成后的劑量報告中讀取。

2. 臨床實驗

2.1 一般資料：回顧性連續(xù)采集我院2015年1月份行上腹部DECT增強檢查患者的圖像資料共30例，篩選標準：病灶范圍較小，肝實質和門靜脈的顯示不影響圖像分析。其中，男18例，女12例；年齡31～79歲，平均（52.8±12.9）歲；平均體重（63.6±11.0）kg；肝臟占位病變6例，脂肪肝或肝硬化5例，治療后復查5例，肝癌4例，其他10例。

2.2 掃描協(xié)議：采用與體模實驗相同的CT掃描儀。在多期掃描中，除增強前平掃期采用SECT掃描方式外，動脈期、門靜脈期和平衡期均用DECT掃描方式，參數(shù)設置參照體模實驗。碘對比劑（碘比醇注射液，XENETIX@300；法國加柏GUERBET ）的劑量體重比按1.80ml/kg（相當于540mgI/kg）計算，采用高壓注射器（Missour XD2001，德國歐利奇Ulrich），注射時長控制在20～25s，沖刷生理鹽水均為30ml。由于系統(tǒng)默認采用Sn140kVp掃描圖像作為觸發(fā)圖像，對比劑自動跟蹤的動脈期觸發(fā)閾值設為120HU，大約相當于120kVp圖像的150HU。

3. 圖像重建和分析

DECT圖像重建采用與體模實驗相同的方法，并在Syngo雙能量后處理軟件的3D功能選項中載入三種層厚均為1.5mm的DECT薄層重建圖像序列，選擇門靜脈血管顯示優(yōu)良的斜軸位重建最大密度投影（MIP）和容積再現(xiàn)（VR）圖像。在120kVp平掃圖像序列和DECT三種門靜脈期重建圖像序列中，選擇位置相同的門靜脈主干水平層面，分別于肝左葉和右葉前、后段距離肝臟邊緣約2cm的適當位置（注意避開血管和膽管）分別取面積為0.4cm2（約100個像素）的小圓形ROI并記錄CT均值，取平均值，計算增強圖像與平掃圖像測量值之差為肝實質增強幅度；于門靜脈主干內取適當大小的小圓形ROI，面積為0.3cm2左右（約80個像素），同理測量和計算門靜脈增強；于背部皮下脂肪或肌肉組織顯示較均勻處取面積為0.4cm2（約100個像素）的小圓形ROI，記錄CT值標準差SD，作為圖像噪聲水平參考值。ROI的選擇采用“拷貝-黏貼”方法，以保證數(shù)據的可比性。

MIP和VR圖像的主觀評價按照雙盲原則，由2名經驗豐富的臨床診斷醫(yī)師采用等級量表法分析門靜脈分支顯示效果，當他們意見不同時，由第三名高年資診斷醫(yī)師的意見為準。把肝臟門靜脈樹按解剖結構分為：門靜脈主干為1級，左右分支為2級，前后分支為3級，以此類推，共6級。每增加顯示一級，圖像評分增加一分，最高為6分。

4. 統(tǒng)計學分析

采用SPSS 16.0統(tǒng)計軟件，對體模實驗中不同圖像CT值與溶液碘濃度之間做線性相關分析，其中120kVp和M_0.5圖像的CT均值做配對t檢驗；對臨床圖像的DECT三種重建圖像的CT值之間做線性相關分析，對門靜脈期三組后處理圖像的主觀評分做Wilcoxon符號秩檢驗。P＜0.05為有統(tǒng)計學差異。

結 果

圖1 體模的不同類型圖像CT值與溶液碘濃度的關系。OCM、73keV、M_0.5和120kVp等四種圖像的對比度與其碘濃度均呈強相關關系（r＞0.998，P＜0.001），單位濃度（mgI/ml）碘對比劑度產生的圖像對比度即斜率分別為33.12、28.97、24.85和25.34。

1. 體模實驗

根據CNR能譜曲線，CNR達到峰值的Mono圖像的能級為73keV。如圖1所示，不同溶液的OCM、73keV、M_0.5和120kVp等四種圖像的對比度與其碘濃度均呈強相關關系（r＞0.998，P＜0.001），單位濃度（mgI/ml）碘對比劑度產生的圖像對比度即斜率分別為33.12、28.97、24.85和25.34。其中，不同濃度溶液的M_0.5與120kVp圖像的CT均值無顯著差異（P=0.239）。在DECT三種重建圖像中，OCM和Mono圖像的對比度分別比M_0.5圖像提高33.3%和16.6%。

四種圖像噪聲水平依次為7.51、6.35、6.97和6.38HU，可計算得單位濃度（mgI/ml）碘對比劑度產生的CNR分別為3.37、3.92、5.19和4.16。DECT的三種重建圖像的CNR均顯著高于常規(guī)120kVp圖像，分別提高16.3%、54.0%和23.4%。而在三種重建圖像中，OCM和Mono的CNR分別比M_0.5提高32.3%和6.1%。

SECT和DECT掃描的CTDIvol分別為9.80和11.96mGy，四種圖像單位濃度（mgI/mL）碘對比劑度產生的FOM分別為1.16、1.28、2.26和1.45。對于碘濃度相同的溶液，DECT三種重建圖像的FOM比120kVp圖像分別提高10.3%、94.2%和24.5%。

2. 臨床實驗

30例上腹部增強檢查的Mono圖像的能級略有差異，平均為（74±1）keV。門靜脈期M_0.5、OCM和Mono三種重建圖像的肝實質增強幅度分別為（43.68±11.12）HU、（52.39±14.19）HU和（50.83±12.72）HU，OCM和Mono圖像的測量值與M_0.5圖像之間均呈強相關關系（r＞0.995，P＜0.001），增強幅度分別提高20.4%和16.2%；三種重建圖像的門靜脈主干增強幅度分別為（99.67±21.59）HU、（118.02±29.36）HU和（115.52±25.21）HU，OCM和Mono圖像的測量值與M_0.5圖像之間均呈強相關關系（r＞0.990，P＜0.001），增強幅度分別提高19.2%和15.9%，如圖2所示。

門靜脈期MIP和VR圖像的主觀評分結果如表1所示。OCM組和Mono組的評分無統(tǒng)計學差異（P=0.317），均顯著高于M_0.5組的評分（P＜0.001）；其中，OCM組和Mono組中5分及以上的比例為73.3%和76.7%，明顯高于M_0.5組的36.7%（圖3）。

圖2 30例上腹部DECT增強檢查的三種重建圖像之間門靜脈期肝實質（圖A）和門靜脈主干（圖B）的增強比較。

表1 30例樣本DECT三種MIP重建圖像的主觀評分

討 論

本文設計了模擬CT增強中含不同濃度對比劑的血管體模原型。實驗結果顯示，與常規(guī)120kVp圖像相比，DECT的三種重建圖像中M_0.5圖像的對比度、CNR和FOM無顯著差異，OCM圖像和根據CNR能譜曲線優(yōu)選的Mono圖像的質量明顯勝出，其中前者更優(yōu)。臨床實驗結果也表明，OCM和Mono圖像的門靜脈期增強效果比M_0.5圖像顯著提高，與Wang等基于大量病例回顧分析的結論基本一致[14]。

圖3 女，55歲，脂肪肝。相同條件下基于M_0.5（A）、Mono（B）和OCM（C）圖像重建的MIP圖像顯示門靜脈主干及其分支，對比度遞增；重建VR圖像中，OCM圖像（F）的肝內門靜脈血管分支顯示最清晰，其次為Mono圖像（E），二者均顯著優(yōu)于M_0.5圖像（D）。

由于圖像增強與溶液碘濃度成正比，臨床檢查中常規(guī)通過調節(jié)對比劑劑量控制圖像增強效果。但是在肝臟CT增強檢查中，由于對比劑團注速率有限（一般不超過5ml/s），隨血流過程不斷擴散、稀釋其濃度逐漸下降，而且門靜脈期對比劑濃度峰值的到達時間要比動脈期晚一倍以上，所以對比劑劑量與門靜脈期圖像增強之間并非簡單的線性關系；當劑量達到某個閾值，再增加已無益于圖像增強。這是門靜脈期增強幅度較低、難以有效提高的根本原因[15-16]。本實驗結果說明，在不改變其他條件的情況下，選擇成像新技術是提高增強效果的有效方法。在DECT的重建圖像中，M_0.5可以理解為100kVp和Sn140kVp兩種能譜X射線經權重比為0.5混合，所以質量大致相當于常規(guī)120kVp圖像；非線性最優(yōu)融合根據CT值大小非線性地分配兩種高低能量圖像的權重，大大增加了一定范圍內（即窗寬）CT值之間的對比，所以有效提高了增強效果；而Mono圖像重建過程中根據物質與X射線相互作用規(guī)律，把物質分解為分別以康普頓散射和光電吸收為主的基質對，最終得到虛擬的單能量圖像[9，17]。理論上，Mono圖像消除了復合能量X射線固有的射束硬化效應，可顯著降低偽增強效應（pseudo-enhancement）而有利于細節(jié)顯示、抑制失真[18]。這也解釋了實驗中盡管Mono圖像的客觀評價指標低于OCM圖像，但二者的主管評價并無顯著差別。所以，并不能僅憑對比度和CNR等性能參數(shù)簡單地判斷圖像質量優(yōu)劣。根據CNR能譜曲線優(yōu)選Mono圖像的后處理過程的額外時間成本是影響其推廣使用的重要原因，下一步隨著技術發(fā)展如果能夠通過預設置自動生成，那么在診斷中兩種圖像結合使用，相信有助于診斷質量的提高。

按照噪聲的定義，ROI應在圖像的均勻背景（水）中選擇[19]。但是在臨床圖片的分析中，體內組織很難找到類似的均勻背景，一般選擇腹壁的皮下脂肪。即便是相對均勻的皮下脂肪或肌肉，其成分之間微小的差別也會導致SD測量值顯著提高，并且隨著ROI尺寸和位置的不同而明顯不同，所以有些研究甚至取視野中空氣為背景[8]。在DECT融合圖像中，由于不同CT值的物質所對應的兩種能量圖像的權重配比不同，所以背景選擇肌肉（約70HU）和脂肪（約-70HU）所測量得的SD必然不同。而在以體外空氣為背景的情況下，對于非線性融合來說，測量結果理論上等于在Sn140kVp圖像上的測量值。因此，在臨床圖像的分析中，我們沒有進行CNR和FOM的計算。

研究工作還存在一些不足。首先，DECT掃描參數(shù)設置中A、B球管電壓組合的選擇。Siemens第二代雙源CT的B球管增加了以厚度為0.4mm的錫為材料的前置濾線器，增加了Sn 140kVp選項，有利于減少球管間X射線能譜的重疊而提高圖像質量，同時也增加了球管電壓組合而產生優(yōu)選問題。對于A球管的管電壓，從理論上說，肥胖體型患者較之一般體型患者更適合采用100kVp，以抑制圖像噪聲水平，而對于瘦小體型則應該選擇80kVp[20]。其次，體重65kg中等體型成人的腰圍約為75cm，自制體模原型從外形上大致相當于肥胖體型，且采用的溶劑（水）的密度略低于血液，射線衰減系數(shù)存在差異，所以在擬人性上還有待改進。第三，臨床圖像的主觀評價不夠全面，缺乏橫斷圖像和三維重建后處理部分。最后，臨床實驗的樣本少，對不同病種沒有分開討論。我們將針對上述問題開展進一步的研究工作。

總之，在肝臟DECT檢查中，OCM圖像優(yōu)于根據CNR能譜曲線優(yōu)選的Mono圖像，可顯著提高門靜脈期增強效果，降低對比劑劑量。

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Comparison of Monochromatic Images and Blended Images of Hepatic Dual-energy CT at Portal Venous Phase

LI Lian1, WANG Jian-jie2, YANG Ke-cheng2, CHEN Wei1

Purpose:To compare the effect of contrast enhancement of monochromatic images and blended images obtained with dual-energy CT (DECT) at hepatic portal venous phase.Methods:A liver phantom prototype, which containing 9 tubes of various concentrations of contrast material bathing in a plastic bag flled with pure water, was scanned using a Siemens SOMATOM Defnition Flash scanner under conventional (120kVp) and DECT (100/Sn 140) modes. Linear blended with mixture ratio 0.5 (M_0.5) images, vendor default optimal contrast mixed (OCM) images and virtual monochromatic (Mono) images with best contrast-to-noise ratio (CNR) were reconstructed using the DECT data. CNR and fgure-of-metric (FOM) of images were used to compare the image quality. Thirty patients who underwent contrast-enhanced hepatic scan under DECT modes at portal venous phase were retrospectively analyzed for comparison of enhancement in the hepatic parenchyma and the main portal vein. And the quality of maximum intensityprojection (MIP) and volume rendering (VR) images was graded by 6-point Likert scales subjectively.Results:In the phantom experiments, the contrast of M_0.5 images was with no statistical signifcant difference with that of 120kVp images (P=0.239), but the CNR of M_0.5 images was 16.3% higher than of 120kVp images. Contrast and CNR of OCM and Mono images were 33.3%, 32.3% and 16.6%, 6.1% higher than those of M_0.5 images. FOM of M_0.5, OCM and Mono images was 10.3%, 94.2% and 24.5% higher than that of 120kVp images. The quality scores of MIP and VR images of OCM group (5.00±0.83) were with no statistical signifcant difference with that of Mono images (4.93±0.74) (P=0.317), but were signifcantly higher than that of M_0.5 group (4.20±0.99) (P＜0.001).Conclusion:OCM images should be preferred to enhance the contrast of hepatic DECT at portal venous phase.

Dual-energy CT (DECT); Portal venous phase; Monochromatic image; Non-linear blending; Contrast enhancement

R445.3、R814.42

A

1006-5741（2017）-02-0140-06

2016.01.21;修回時間：2016.07.08)

中國醫(yī)學計算機成像雜志，2017，23：140-145

1第三軍醫(yī)大學西南醫(yī)院放射科

2第三軍醫(yī)大學生物醫(yī)學工程學院

通信地址：重慶市高灘巖正街30號，重慶400038

楊克檉（電子郵箱：yangkch@126.com）

全軍醫(yī)學科技“十二五”重點課題（BWS11J015）

Chin Comput Med Imag，2017，23：140-145

1 Department of Radiology, Southwest Hospital, Third Military Medical University

2 School of Biomedical Engineeing,Third Military Medical University

Adress:No.30 Gaotanyuan Rd.,Chonqing 400038

Address Correspondence to YANG Ke-cheng (E-mail: yangkch@126.cm)