CT高級(jí)建模迭代重建算法對(duì)圖像質(zhì)量的影響初步研究*

陸亞光 莊靜文 吳天棋 白 玫*

CT高級(jí)建模迭代重建算法對(duì)圖像質(zhì)量的影響初步研究*

陸亞光①莊靜文①吳天棋①白 玫①*

目的：研究西門(mén)子多排螺旋CT的高級(jí)建模迭代重建(ADMIRE)算法對(duì)重建圖像質(zhì)量的影響。方法：在同一掃描條件下，使用西門(mén)子SOMATOM Force CT對(duì)Catphan500體模的CTP515和CTP528模塊進(jìn)行螺旋掃描，未用或使用不同強(qiáng)度的ADMIRE算法對(duì)圖像進(jìn)行重建，對(duì)不同重建條件下的圖像進(jìn)行主觀和客觀評(píng)價(jià)。結(jié)果：當(dāng)圖像低對(duì)比度為0.3%、0.5%和1.0%時(shí)，未用ADMIRE對(duì)圖像進(jìn)行重建，其噪聲分別為4.90、4.50和5.23；使用ADMIRE2和ADMIRE5重建圖像時(shí)其噪聲分別減少18.35%和53.23%、18.82%和52.32%以及20.33%和53.79%。用ADMIRE0、ADMIRE2和ADMIRE5分別對(duì)CTP528模塊圖像進(jìn)行重建，對(duì)其圖像進(jìn)行主觀觀察，可觀察到的最小細(xì)節(jié)相同，均為7.0 LP/cm。結(jié)論：使用ADMIRE對(duì)圖像進(jìn)行重建可以在不影響圖像清晰度的同時(shí)有效降低噪聲，提高CT圖像的低對(duì)比度分辨率，以幫助臨床醫(yī)師更好的觀察組織密度相近的病灶，為臨床醫(yī)師診斷病情提供幫助。

多排螺旋CT；低對(duì)比度分辨率；高級(jí)建模迭代重建算法；主觀評(píng)價(jià)；圖像質(zhì)量

目前，多排螺旋CT被廣泛應(yīng)用于臨床診斷。據(jù)美國(guó)相關(guān)機(jī)構(gòu)2006年的科學(xué)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)每年CT檢查次數(shù)6200萬(wàn)次左右，而1980年美國(guó)的CT檢查次數(shù)僅為300萬(wàn)次左右，不到30年的時(shí)間，CT的使用頻率增加了近20倍。CT檢查可能使受照者受到相對(duì)高的輻射劑量，因而在充分利用CT造福于人類(lèi)的同時(shí)，必須合理控制其輻射劑量[1]。

CT的圖像質(zhì)量與輻射劑量密切相關(guān)，因此需結(jié)合臨床實(shí)際，在保證圖像質(zhì)量符合臨床診斷要求的前提下，優(yōu)化掃描及重建參數(shù)，降低受照者所受輻射劑量[2-3]。有研究已對(duì)CT輻射劑量與圖像質(zhì)量之間的關(guān)系進(jìn)行了論證，優(yōu)化掃描參數(shù)(如降低管電壓、管電流以及增大螺距等)可降低輻射劑量，然而過(guò)多地降低輻射劑量會(huì)導(dǎo)致CT圖像質(zhì)量下降，從而影響臨床診斷[4]。本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)使用西門(mén)子SOMATOM Force CT掃描Catphan500體模的CTP515模塊和CTP528模塊，未用或使用不同強(qiáng)度的高級(jí)建模迭代重建(advanced modeled iterative reconstruction，ADMIRE)[5]算法對(duì)圖像進(jìn)行重建，對(duì)圖像的低對(duì)比度分辨率和高對(duì)比度分辨率進(jìn)行主觀和客觀評(píng)價(jià)，以評(píng)估ADMIRE算法對(duì)螺旋CT低對(duì)比度分辨率和高對(duì)比度分辨率的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究采用Catphan500體模中的CTP515和CTP528兩個(gè)檢測(cè)模塊。

(1)CTP515模塊為低對(duì)比度檢測(cè)模塊[6]。CTP515模塊直徑為15 cm，厚4 cm，內(nèi)外兩組低密度孔經(jīng)結(jié)構(gòu)呈放射狀分布。內(nèi)層孔徑對(duì)比度分別為0.3%、0.5%和1.0%，內(nèi)層孔徑直徑分別為3 mm、5 mm、7 mm和9 mm；外層孔徑對(duì)比度分別為0.3%、0.5%和1.0%，外層孔徑直徑分別為2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm、7 mm、8 mm、9 mm和15 mm(如圖1所示)。

圖1 CTP515模塊實(shí)際圖像

(2)CTP528模塊為高對(duì)比度檢測(cè)模塊，直徑為15 cm，厚度為4 cm，有21組高密度線對(duì)結(jié)構(gòu)呈放射狀分布，分辨率為1～21 Line Pair/cm(如圖2所示)。

圖2 CTP528模塊實(shí)際圖像

1.2 掃描方法

(1)對(duì)CTP515模塊進(jìn)行掃描。使用Force CT(德國(guó) 西門(mén)子SOMATOM)在螺旋掃描模式下對(duì)Catphan500體模的CTP515模塊進(jìn)行掃描，掃描條件為管電流160 mA，管電壓120 kV，螺距1.0，標(biāo)稱(chēng)準(zhǔn)直寬度192 mm×0.6 mm。未使用ADMIRE算法則以ADMIRE0表示，使用ADMIRE算法的強(qiáng)度2和5，分別以ADMIRE2和ADMIRE5表示，并分別對(duì)圖像進(jìn)行重建，重建層厚5.0 mm，卷積核[7](Convolution kernel)為Br40 s。

(2)對(duì)CTP528模塊進(jìn)行掃描。使用Force CT在螺旋掃描模式下對(duì)Catphan 500體模的CTP528模塊進(jìn)行掃描，掃描條件為管電流160 mA，管電壓120 kV，螺距1.0，標(biāo)稱(chēng)準(zhǔn)直寬度192 mm×0.6 mm。未使用及使用強(qiáng)度分別為2和5的ADMIRE算法分別對(duì)圖像進(jìn)行重建，重建層厚5.0 mm，卷積核(Convolution kernel)為Br40 s。

(3)數(shù)據(jù)處理方法。對(duì)使用不同重建方法重建的圖像進(jìn)行讀取，觀察圖像的低對(duì)比度分辨率。為了觀察不同對(duì)比度的孔徑，選擇適當(dāng)?shù)拇皩捄痛拔?，?huà)定不同感興趣區(qū)(region of interest，ROI)并測(cè)量掃描圖像背景信號(hào)的CT值、背景CT值和標(biāo)準(zhǔn)差。窗寬和窗位的計(jì)算如公式1和公式2：

式中SDmax為目標(biāo)和背景CT值中的最大標(biāo)準(zhǔn)差。

調(diào)節(jié)窗寬和窗位到測(cè)量所得的窗寬和窗位值，觀察CTP515模塊的掃描圖像，確定所能分辨的最小一級(jí)低信號(hào)目標(biāo)。圖像對(duì)比度噪聲比計(jì)算為公式3：

對(duì)使用不同重建方法重建的圖像進(jìn)行讀取，觀察圖像的高對(duì)比度分辨率。計(jì)算高對(duì)比度分辨率的MTF頻率值[8]。Force CT掃描如圖3所示。

2 結(jié)果

2.1 圖像低對(duì)比度分辨率主觀評(píng)價(jià)

針對(duì)對(duì)比度為1.0%孔徑調(diào)節(jié)窗寬窗位后[9]ADMIRE0、ADMIRE2和ADMIRE5的重建圖像，通過(guò)主觀觀察顯示，ADMIRE0重建中對(duì)比度為1.0%的區(qū)域，可觀察到的最小細(xì)節(jié)為外層孔徑區(qū)直徑為3 mm的孔徑；ADMIRE2重建可觀察到的最小細(xì)節(jié)為外層孔區(qū)直徑為3 mm的孔徑；ADMIRE5重建可觀察到的最小細(xì)節(jié)為外層孔徑區(qū)直徑為3 mm的孔徑，對(duì)比度1.0%孔徑調(diào)節(jié)窗寬窗位后ADMIRE0、ADMIRE2和ADMIRE5的重建圖像如圖4所示。主觀評(píng)價(jià)最小細(xì)節(jié)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

圖3 SOMATOM Force CT工作示圖

圖4 對(duì)比度1.0%孔徑調(diào)節(jié)窗寬窗位后重建圖像

表1 主觀評(píng)價(jià)最小細(xì)節(jié)統(tǒng)計(jì)(mm)

2.2 圖像低對(duì)比度分辨率客觀評(píng)價(jià)

根據(jù)公式(3)計(jì)算得到圖像噪聲和對(duì)比度噪聲比等相關(guān)參數(shù)的數(shù)值見(jiàn)表2。

表2 圖像噪聲和對(duì)比度噪聲比

表1和表2的數(shù)據(jù)表明，當(dāng)ADMIRE的強(qiáng)度增大時(shí)，其對(duì)比度噪聲比的值增大。使用ADMIRE重建圖像的對(duì)比度噪聲比較未使用ADMIRE重建圖像的對(duì)比度噪聲比要大。當(dāng)ADMIRE的強(qiáng)度增大時(shí)，其噪聲值減小。使用ADMIRE重建圖像的噪聲比未使用ADMIRE重建圖像的噪聲要小。

2.3 圖像高對(duì)比度分辨率主觀評(píng)價(jià)

CTP528模塊經(jīng)ADMIRE0、ADMIRE2和ADMIRE5重建后的掃描圖像通過(guò)主觀觀察顯示，未用ADMIRE0可觀察到的最小細(xì)節(jié)為7.0 LP/cm；ADMIRE2重建可觀察到的最小細(xì)節(jié)為7.0 LP/cm；ADMIRE5可觀察到的最小細(xì)節(jié)為7.0 Line Pair/cm(如圖5所示)。

圖5 CTP528模塊重建后的掃描圖像

2.4 圖像高對(duì)比度分辨率客觀評(píng)價(jià)

當(dāng)ADMIRE強(qiáng)度增大時(shí)，調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)值略有增加，表明ADMIRE不會(huì)降低圖像高對(duì)比度分辨率，見(jiàn)表3。

表3 評(píng)價(jià)圖像高對(duì)比度分辨率的MTF值(lp/cm)

3 討論

本研究結(jié)果顯示，使用ADMIRE重建圖像的低對(duì)比度分辨率比未用ADMIRE的低對(duì)比度分辨率水平要好，ADMIRE級(jí)別越大時(shí)重建圖像的低對(duì)比度分辨率越好。使用ADMIRE對(duì)圖像進(jìn)行重建時(shí)，其強(qiáng)度越大，噪聲減小越多。由此可知，ADMIRE重建算法在降低噪聲方面有顯著作用。噪聲越小，其圖像的低對(duì)比度分辨率越好，無(wú)論孔徑對(duì)比度為1.0%、0.5%和0.3%時(shí)，ADMIRE算法均可提高其對(duì)比度分辨率水平。結(jié)合數(shù)據(jù)對(duì)圖像高對(duì)比度分辨率進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，ADMIRE算法對(duì)圖像高對(duì)比度無(wú)顯著的影響。由MTF參數(shù)值可知，ADMIRE算法對(duì)MIF的數(shù)值影響不明顯。ADMIRE算法在降低圖像噪聲的同時(shí)，并未對(duì)圖像的高對(duì)比度分辨率產(chǎn)生很大的影響。

目前，有研究將ADMIRE算法和濾波反投影(FBP)[10]在提高主觀圖像質(zhì)量與客觀圖像質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，分別使用ADMIRE5和FBP重建圖像，ADMIRE5噪聲最大可降低47%，使用ADMIRE5對(duì)圖像進(jìn)行重建時(shí)圖像信息并未缺失，而ADMIRE在提高客觀圖像質(zhì)量[11]和降低圖像噪音方面都得到了證明[12]。本研究初步驗(yàn)證了ADMIRE在提高主觀圖像質(zhì)量方面有顯著作用。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，使用ADMIRE算法對(duì)CT圖像進(jìn)行重建，在有效提高圖像的低對(duì)比度分辨率的同時(shí)，并未對(duì)圖像的高對(duì)比度分辨率產(chǎn)生不利影響，這可以幫助臨床醫(yī)師更好的觀察組織密度相近的病灶，為臨床醫(yī)師診斷病情提供幫助，且對(duì)臨床醫(yī)師的診斷大有裨益[13-14]。同時(shí)，ADMIRE算法在減小圖像噪聲方面，以及對(duì)圖像對(duì)比度噪聲比等相關(guān)參數(shù)也有明顯的影響[15]。如何利用ADMIRE算法優(yōu)化掃描和重建條件，以降低掃描輻射劑量還有待進(jìn)一步研究，而ADMIRE在提高圖像質(zhì)量和降低CT輻射劑量方面具有很大的潛力[16]。

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Preliminary study on the effect of advanced modeled iterative reconstruction algorithm for image quality/LU Ya-guang, ZHUANG Jing-wen, WU Tian-qi, et al//China Medical Equipment,2017,14(7):68-71.

Objective: To research the effect of advanced modeled iterative reconstruction (ADMIRE) algorithm for images quality of multi-slice spiral CT scanner of SIEMENS. Methods: Under the same scanning condition, the CTP515 and CTP528 of Catphan500 were scanned by using spiral method of SOMATOM Force CT (SIEMENS). The images were reconstructed by two conditions (didn't use ADMIRE algorithm, or used different intensity of ADMIRE algorithm). And then, these images from different conditions were evaluated by subjective method and objective method, respectively. Results: When the low contrasts were 0.3%, 0.5% or 1.0%, the image noises were 4.90, 4.50 and 5.23, respectively, under didn't use ADMIRE algorithm. In the same contrast, the noises were reduced 18,35%, 53.23% and 18.82%, respectively, under ADMIRE2. And the noises were reduced 52.32%, 20.33% and 53.79%, respectively, under ADMIRE5. When ADMIRE0, ADMIRE2 and ADMIRE5 were used to reconstruct the image of CTP528 module, respectively, the smallest details that could be observed were identical that was 7.0 Line Pairs/cm under subjective observation for images. Conclusion: Using ADMIRE to reconstruct images can effectively reduce the noise while the image resolution don't be affected. And to enhance the resolution power of low contrast for CT image can more accurately help clinician to observe lesion with similar tissue density and contribute to diagnose disease.

Multislice spiral CT (MSCT); Low contrast resolution; Advanced modeled iterative reconstruction (ADMIRE); Subjective evaluation; Image quality

Department of Medical Engineering, Xuanwu Hospital Capital Medical University, Beijing 100053, China.

陸亞光,男,(1990- ),碩士研究生。首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程處，研究方向：醫(yī)學(xué)影像設(shè)備輻射劑量測(cè)量及圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)。

2017-04-17

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.07.017

1672-8270(2017)07-0068-04

R814.42

A

國(guó)家自然科學(xué)基金(81372923)“寬探測(cè)器螺旋CT所致輻射劑量評(píng)價(jià)方法研究”

①首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程處 北京 100053

*通訊作者：jswei65@163.com