低管電壓復(fù)合迭代算法CT掃描可行性研究：幼豬泌尿系分泌期圖像質(zhì)量和輻射劑量的實(shí)驗(yàn)分析

胡 斌 陳靜靜 徐文堅(jiān) 徐 琦 李曉飛

(青島大學(xué)附屬醫(yī)院放射科，山東青島 266003)

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低管電壓復(fù)合迭代算法CT掃描可行性研究：幼豬泌尿系分泌期圖像質(zhì)量和輻射劑量的實(shí)驗(yàn)分析

胡 斌 陳靜靜 徐文堅(jiān)*徐 琦 李曉飛

(青島大學(xué)附屬醫(yī)院放射科，山東青島 266003)

目的 以幼豬泌尿系模擬幼兒泌尿系，探求幼兒泌尿系分泌期低劑量螺旋CT掃描的可行性。方法 選取幼豬5只，采用荷蘭Philips Brilliance 256層螺旋CT機(jī)在固定60 mAs不變的情況下，對(duì)實(shí)驗(yàn)豬分別以管電壓80 kV，常規(guī)濾波反投影(filtered back projection，F(xiàn)BP)重組；管電壓120 kV，常規(guī)濾波反投影(filtered back projection，F(xiàn)BP)重組；管電壓80 kV， 掃描圖像進(jìn)行迭代算法(iDose4)重組，將獲得圖像由2名醫(yī)師進(jìn)行雙盲法閱片，使用4分制評(píng)分，對(duì)3組圖像的清晰度進(jìn)行質(zhì)量評(píng)分，并測(cè)量實(shí)驗(yàn)動(dòng)物尿路分泌期圖像的對(duì)比噪聲比(contrast-to-noise ratio，CNR)和CT劑量指數(shù)(CT dose index，CTDI)，比較各組間圖像質(zhì)量評(píng)分、CNR及CTDI的差異性。結(jié)果 管電壓80 kV迭代算法重組的圖像與120 kV常規(guī)濾波反投影的圖像的CNR和圖像質(zhì)量評(píng)分差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，但輻射劑量降低71%。結(jié)論 采用低劑量80 kV 60 mAs復(fù)合迭代算法對(duì)幼豬分泌期進(jìn)行螺旋CT掃描，圖像質(zhì)量能夠滿足診斷要求，而輻射劑量大幅下降。

體層攝影術(shù); X線計(jì)算機(jī)；輻射劑量

兒童CT尿路造影(CT urography，CTU)可全面一站式評(píng)價(jià)泌尿系統(tǒng)病變，得到臨床認(rèn)可。但兒童射線的敏感性高于成人， 過(guò)量射線可引起兒童不可逆損害及染色體畸變。所以如何將兒童CT掃描的輻射劑量控制在盡可能低的水平，又達(dá)到診斷目的成為國(guó)內(nèi)外放射學(xué)界的研究熱點(diǎn)[1]。 為了避免因研究過(guò)程中重復(fù)CT掃描造成兒童接受不必要的輻射，故以幼豬泌尿系模擬相同體質(zhì)量組嬰幼兒泌尿系，通過(guò)不同管電壓和迭代算法的使用，初步摸索出相對(duì)應(yīng)體質(zhì)量組低齡幼兒分泌期的合理掃描參數(shù)以便為臨床提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

5只健康的家養(yǎng)小豬由青島大學(xué)附屬醫(yī)院動(dòng)物實(shí)驗(yàn)室提供，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物許可證號(hào)：SYXK(魯)20150003，雌性3只，雄性2只，體質(zhì)量20.0～22.0 kg，平均體質(zhì)量(21.6±0.7)kg。

1.2 CT檢查方法和圖像處理

實(shí)驗(yàn)前5只小豬自由飲水，實(shí)驗(yàn)豬肌內(nèi)注射氯胺酮(10 mg/kg)、地西泮(0.4 mg/kg)進(jìn)行基礎(chǔ)麻醉，通過(guò)耳緣靜脈留置針(22 G)注入丙泊酚(8 mg/kg)注射液維持麻醉，稱質(zhì)量后，分別固定上下肢，建立靜脈通道，連接高壓注射器，取仰臥體位，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用心電監(jiān)護(hù)儀監(jiān)測(cè)豬的心律和呼吸頻率。采用雙筒注射器經(jīng)豬耳緣靜脈注射對(duì)比劑按1.5 mL/kg，以2.0 mL/s注射碘普羅胺(Ultravist 300，Scherring，德國(guó))，再以相同流率注射0.9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))氯化鈉注射液15 mL。采用荷蘭Philips Brilliance 256層螺旋CT機(jī)在固定60 mAs不變的情況下，按照3種掃描方案，對(duì)實(shí)驗(yàn)豬先后掃描3次，方案1：管電壓80 kV，掃描圖像進(jìn)行常規(guī)FBP重組；方案2：管電壓120 kV，掃描圖像進(jìn)行常規(guī)FBP重組；方案3：管電壓80 kV， 掃描圖像進(jìn)行迭代算法(iDose4)重組，選擇IL4迭代函數(shù)，卷積函數(shù)選擇XCB；其他參數(shù) ：探測(cè)器寬度64×1.25 mm，X線管轉(zhuǎn)速0.4 s/周，層厚5 mm，層間距5 mm，管電流60 mAs，矩陣512×512，F(xiàn)OV240 mm×240 mm。在髂嵴平面單層圖像以低劑量(20 mAs)在注射對(duì)比劑120 s檢測(cè)，若發(fā)現(xiàn)對(duì)比劑到達(dá)兩邊的輸尿管，立刻啟動(dòng)掃描，若兩邊輸尿管對(duì)比劑充盈不理想，每隔60 s再檢測(cè)，直到兩邊輸尿管充盈為止。為診斷和后處理的需要，3 mm和1 mm橫軸位圖像重建，用1 mm橫軸位圖像后處理得到最大密度投影(maximum intensity projection，MIP)和容積再現(xiàn)(volume rendering，VR)三維圖像。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

由2位具有5年臨床經(jīng)驗(yàn)且對(duì)具體實(shí)驗(yàn)方法不知情的影像科醫(yī)師對(duì)不同實(shí)驗(yàn)方案所得的尿路分泌期圖像進(jìn)行綜合評(píng)分。圖像質(zhì)量主觀評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)：1分，圖像質(zhì)量極差，無(wú)法用于診斷；2分，圖像質(zhì)量尚可，可用于診斷；3分，圖像質(zhì)量好，可滿足診斷；4分，圖像質(zhì)量非常好，完全可滿足診斷。

將尿路分為11 段分別測(cè)量CT值(統(tǒng)稱為CT尿路)，包括：左/右腎盞(S1-L或-R)、左/右腎盂(S2-L或-R)、左/右輸尿管上段(S3-L或-R)、左/右輸尿管中段(S4-L或-R)、左/右輸尿管下段(S5-L或-R)及膀胱(S6)。測(cè)量腰大肌CT 值及臍水平腹部皮下脂肪CT值的標(biāo)準(zhǔn)差分別代表軟組織CT值(CT軟組織)及背景噪聲(CT噪聲)。上述測(cè)量均由2位具有5年臨床經(jīng)驗(yàn)的影像科醫(yī)師獨(dú)立完成，最終數(shù)據(jù)取二者平均值用于數(shù)據(jù)分析。計(jì)算尿路各段的對(duì)比噪聲比(contrast-to-noise ratio，CNR)，根據(jù)CT 設(shè)備的輻射劑量報(bào)告，記錄每只小豬在分泌期不同方案劑量指數(shù)(CT dose index，CTDI)、劑量長(zhǎng)度乘積(dose length product，DLP)。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

2 結(jié)果

2.1 圖像主觀評(píng)價(jià)

對(duì)不同掃描方案尿路分泌期圖像質(zhì)量評(píng)分兩位閱片者一致性良好(K=0.674)。配對(duì)比較中，80 kV與120 kV和80 kV與80 kV(IR)相比圖像質(zhì)量評(píng)分差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，而120 kV與80 kV(IR)相比圖像質(zhì)量評(píng)分差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.403)。

2.2 圖像客觀評(píng)價(jià)

采用不同掃描方案對(duì)實(shí)驗(yàn)豬行分泌期掃描，11個(gè)尿路分段的CNR統(tǒng)計(jì)結(jié)果中，80 kV與120 kV相比，各尿路分段CNR差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，80 kV(IR)與120 kV相比，各尿路分段CNR差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，詳見(jiàn)表1，見(jiàn)圖1。

2.3 輻射劑量

表1 3種掃描方案豬泌尿系尿路分段CNR統(tǒng)計(jì)分析

圖1 不同重建算法豬泌尿系圖像

A-C:excretory phase(80 kV 60 mAs) coronal，axial and maximum intensity projection images with FBP.D-F:Excretory phase(80 kV 60 mAs) coronal，axial and volume rendering images with IR.The image noise of FBP images is clear，However，the image noise of IR images is unclear. Image quality of IR images is better than FBP images;FBP:filtered back projection; IR:iterative reconstruction.

幼豬CTU分泌期120 kV與80 kV掃描劑量比較，80 kV掃描的CTDI 和DLP分別為1.17 mGy，(23.40± 1.84)mGy·cm；120 kV掃描的 CTDI 和DLP分別為分別為4.06 mGy，(81.20± 6.41)mGy·cm。80 kV掃描的CTDI和DLP明顯低于120 kV(P<0．05)，其量值約為120 kV的29%。

3 討論

低劑量?jī)和疌TU分泌期研究的必要性和可行性。在同等條件下，兒童細(xì)胞分離更新速度高于成年人，對(duì)放射線的敏感程度遠(yuǎn)大于成人，并且分泌期又因個(gè)體及疾病的因素可能需要多次掃描，故低劑量掃描技術(shù)尤為重要。兒童CTU分泌期圖像特點(diǎn)為高對(duì)比影像，即目標(biāo)與周圍的解剖結(jié)構(gòu)有一定的密度差異，允許噪聲存在的冗余度大，這為降低分泌期CT掃描的輻射劑量提供了可能性。iDose4迭代重組算法為低電壓的圖像質(zhì)量保駕護(hù)航，降低電壓可以大幅度減低輻射劑量，但會(huì)增加圖像噪聲，不利于圖像質(zhì)量，迭代算法可以對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行有效加工，通過(guò)計(jì)算形成有效圖像數(shù)據(jù)，減少噪聲[2-3]。iDose4軟件所用的迭代重組算法利用矩陣代數(shù)通過(guò)數(shù)學(xué)模型選擇性識(shí)別并去除圖像噪聲，可以有效降低噪聲，解決低劑量CT掃描導(dǎo)致的圖像質(zhì)量下降的問(wèn)題，提高圖像分辨率，消除“蠟像”狀偽影[4-5]。在本研究中，80 kV管電壓結(jié)合iDose4迭代算法重組，CTU分泌期圖像輻射劑量減少71%，且不降低圖像質(zhì)量。80 kV管電壓掃描結(jié)合 iDose4迭代重組算法，圖像質(zhì)量與120 kV相比圖像質(zhì)量評(píng)分差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0．05)，均達(dá)到可診斷的要求。

CNR是評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。在高對(duì)比結(jié)構(gòu)中，適當(dāng)降低管電壓能增加圖像的CNR，因?yàn)楣茈妷旱母淖儗?duì)不同物質(zhì)的CT值影響不同[6]，管電壓降低，X線光子能量較低，此時(shí)光子能量更接近于相對(duì)高原子序數(shù)元素的組織或結(jié)構(gòu)，光電效應(yīng)增強(qiáng)，CT值升高，其與周邊相對(duì)低原子序數(shù)組織的對(duì)比增加，但噪聲增加。本研究結(jié)果顯示，管電流相同時(shí)，當(dāng)管電壓由120 kV降至80 kV時(shí)，其CNR值明顯減低。但使用迭代算法復(fù)合式成像技術(shù)，噪聲水平下降，CNR得到提升，這樣可保持良好的圖像質(zhì)量[7-8]。 本研究采用80 kV+60 mAs+迭代算法 (iDose4)的復(fù)合成像技術(shù)，與常規(guī)120 kV+60 mAs掃描相比，劑量下降了約71%。上述數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該復(fù)合成像技術(shù)的可行性非常好。

CT圖像質(zhì)量的控制原則：確保圖像質(zhì)量能滿足臨床診斷標(biāo)準(zhǔn)的最低劑量，即盡量低的輻射劑量獲得符合診斷標(biāo)準(zhǔn)的圖像(as low as reasonably achievable，ALARA)，這就是現(xiàn)在倡導(dǎo)的理念[9-10]。廠家設(shè)計(jì)的掃描參數(shù)是產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)圖像的參數(shù)，并非完全符合ALARA原則。本組研究構(gòu)建的動(dòng)物模型，幼豬體質(zhì)量、體積近似于3～7歲兒童，以此體質(zhì)量為參考，通過(guò)研究不同管電壓對(duì)幼豬分泌期掃描的影響，允許適度噪聲的存在，得出不影響診斷的同質(zhì)量組的兒童CTU分泌期的低劑量參數(shù)。本研究結(jié)果顯示80 kV和迭代算法的復(fù)合使用可降低71%的輻射劑量，卻可提供120 kV常規(guī)管電壓相當(dāng)品質(zhì)的圖像，其CNR和圖像質(zhì)量評(píng)分差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

本研究不足之處：幼豬的數(shù)量少，統(tǒng)計(jì)上存在一定的偏倚；尿路各段CT值存在區(qū)別，測(cè)量存在偏差；幼豬與兒童泌尿系統(tǒng)存在差異。今后逐步完善實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行更加深入的研究。

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編輯 慕 萌

Feasibility study of low tube voltage and hybrid iterative reconstruction algorithm at MSCT:Experimental analysis of evaluating radiation dose and image quality on excretory phase images of infant swine urography

Hu Bin，Chen Jingjing，Xu Wenjian*，Xu Qi，Li Xiaofei

(DepartmentofRadiology，TheAffiliatedHospitalofQingdaoUniversity，Qingdao266003，ShandongProvince，China)

Objective To optimize the scanning parameters for CT with lower radiation dose on the infant pigs’ urinary which mimicks the baby’s urinary of human being．Methods Five pigs were undertaken CT scan with the conventional 120 kV，80 kV and 80 kV with a hybrid iterative reconstruction algorithm. The estimated effective radiation of each protocol was compared with via the student t test. Scores and the contrast-to-noise-ratio(CNR)of the 120 kV，80 kV，and hybrid iterative reconstructed 80 kV images were evaluated. Results The effective radiation was 71% lower during CT excretory phase scanning with the 80 kV protocol than with the 120 kV protocol. There was no significant difference in the CNR of any of the regions of interest between 80 kV with iterative reconstruction and 120 kV(P>0.05). There was no significant difference in the quality of images obtained from the conventional 120 kV scanning and low dose group of 80 kV with iterative reconstruction scanning images.Conclusion A low tube voltage and the hybrid iterative reconstruction algorithm can dramatically decrease radiation with adequate image quality in normal infant pigs’ uninary excretory phase scanning.

tomography; X-ray computed；radiation dosage

時(shí)間：2017-07-16 17∶16 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.3662.r.20170716.1716.014.html

10.3969/j.issn.1006-7795.2017.04.017]

R445.3

2017-04-23)

*Corresponding author， E-mail：hubin732012@163.com