低管電壓結(jié)合迭代重建腹部CT低劑量掃描的體模研究

王新蓮， 賀文， 陳疆紅， 趙麗琴， 梁宇霆， 王克揚

低管電壓結(jié)合迭代重建腹部CT低劑量掃描的體模研究

王新蓮， 賀文， 陳疆紅， 趙麗琴， 梁宇霆， 王克揚

目的：評價低管電壓結(jié)合適應(yīng)性統(tǒng)計迭代重建(ASIR)對腹部體模低劑量掃描圖像質(zhì)量的影響，探討適合臨床應(yīng)用的腹部低劑量掃描方案。方法：采用100 kVp、120 kVp分別對體模進行重復(fù)掃描，應(yīng)用自動管電流調(diào)節(jié)(ATCM)技術(shù)，100 kVp掃描時預(yù)設(shè)噪聲指數(shù)(NI)分別為11、12、13、14、15、16、17、18、19、20，每組圖像均進行30%、50%、70%、90%ASIR重建。120 kVp組為常規(guī)劑量組，掃描時預(yù)設(shè)NI為11，30%ASIR重建，測量不同掃描條件下肝臟、脊柱的CT值、客觀噪聲，并計算信噪比(SNR)，記錄不同掃描條件下的CT容積劑量指數(shù)(CTDIvol)。由兩位高年資醫(yī)師采用盲法對所有序列圖像進行主觀評價。結(jié)果：100 kVp條件下，隨著NI增大，CTDIvol明顯下降；同一NI條件下隨著ASIR比例增加，圖像噪聲減少，SNR增加；NI≥17時圖像質(zhì)量下降，無法滿足臨床診斷要求；NI=15、70%ASIR組圖像噪聲、SNR與120 kVp常規(guī)組差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，主觀評分相當(dāng)，但輻射劑量較常規(guī)組下降43.8%。NI=15、90%ASIR組及NI=16、90%ASIR組的圖像噪聲及信噪比優(yōu)于常規(guī)組(P<0.05)，但圖像質(zhì)量主觀評分下降。結(jié)論：低管電壓結(jié)合ASIR可以在降低輻射劑量的同時保證圖像質(zhì)量滿足臨床診斷要求。輻射劑量明顯降低時，需要增加ASIR在圖像重建中的權(quán)重。

低管電壓； 適應(yīng)性統(tǒng)計迭代重建； 體層攝影術(shù)，X線計算機； 輻射劑量； 人體模型

圖1 a) 島津PH-5人體組織等效模體; b) 模體掃描圖片。 圖2 CTDIvol隨著NI的增大而降低。

目前，CT在臨床診斷及隨訪觀察中發(fā)揮著越來越重要的作用，但同時帶來的高電離輻射也越來越引起公眾和學(xué)者的關(guān)注，如何平衡輻射劑量與圖像質(zhì)量之間的關(guān)系，獲得滿足臨床診斷要求且輻射劑量較低的圖像是國內(nèi)外關(guān)注的焦點。低劑量研究最早在胸部高對比組織中開展[1]，腹盆部因缺乏天然高對比，低劑量掃描應(yīng)用相對較少。隨著重建算法的更新及自動管電流調(diào)節(jié)(automatic tube current modulation,ATCM)等影像技術(shù)的發(fā)展，腹部低劑量研究日益增多。相關(guān)研究證實通過迭代重建算法可減低因追求輻射劑量下降所產(chǎn)生的噪聲，保證圖像質(zhì)量滿足臨床診斷要求[2-9]。本研究利用ATCM技術(shù)對仿真人體模型進行掃描，研究100 kVp不同噪音指數(shù)條件下輻射劑量、圖像質(zhì)量的變化情況及不同適應(yīng)性統(tǒng)計迭代重建(adaptive statistical iterative reconstruction，ASIR)比例對圖像噪聲的影響，旨在探討適合于腹部低劑量掃描的方案。

材料與方法

1.實驗材料

實驗材料采用島津公司X線腹部模型PH-5(圖1)，材質(zhì)為聚氨酶樹脂SZ-50 (比重為1.06)，采用與人體X線吸收率相同的軟組織等效材料和骨骼等效材料，能精準(zhǔn)模擬上腹部臟器。通過CT掃描，可獲得與人體相近的臟器CT值，并產(chǎn)生偽影。人工模型內(nèi)含有肋骨部分的軟骨、肝臟、膽囊、脾臟、腎臟、胰腺、脊柱、肝內(nèi)及腹腔內(nèi)血管，骨骼使用人工骨。

2.檢查方法

CT掃描采用美國GE公司的寶石能譜CT(Discovery CT750 HD)掃描儀，應(yīng)用ATCM技術(shù)，分別采用100 kVp及120 kVp進行掃描。100 kVp及120 kVp條件下分別以不同的噪聲指數(shù)(noise index,NI，NI=11、12、13、14、15、16、17、18、19、20)對仿真腹部體模進行重復(fù)掃描，并將所得圖像按ASIR在圖像重建中的比例(分別為30%、50%、70%及90%ASIR)分別進行重建，得到共計40組圖像；120 kVp、 NI=11、30%ASIR重建圖像采用常規(guī)掃描參數(shù)。其他固定掃描參數(shù)： X線球管旋轉(zhuǎn)時間為0.8 s，螺距0.984，矩陣512×512，層厚5 mm，層間距5 mm，視野35 cm×35 cm，管電流調(diào)節(jié)范圍為50～600 mAs。掃描結(jié)束后記錄不同NI及管電壓條件下的CT容積劑量指數(shù)(CT dose index of volumes，CTDIvol)。

3.圖像評價

掃描結(jié)束后將所有圖像傳至ADW4.6工作站進行后處理，由兩位高年資放射診斷醫(yī)師采用盲法分別閱片(參考窗寬350 HU，窗位50 HU)，對所有圖像(共40組)進行主觀評價，參考相關(guān)文獻[10]的評分方法將圖像質(zhì)量按5分制進行評分：5分，圖像質(zhì)量優(yōu)，噪聲輕微，無偽影，臟器輪廓邊緣清晰；4分，圖像質(zhì)量較好，噪聲稍多，偽影輕微或不明顯，臟器邊緣較清晰；3分，圖像質(zhì)量尚可，噪聲中等，臟器或組織邊緣略模糊，偽影不影響診斷；2分，圖像質(zhì)量較差，噪聲多，臟器邊緣模糊不清，偽影影響診斷；1分，圖像無法接受，噪聲重，影響觀察。圖像質(zhì)量主觀評分≥3分被認(rèn)為滿足臨床診斷要求。兩位醫(yī)師通過對40組圖像進行評分，確定圖像不能滿足診斷要求時的NI值，意見不一致時請第3位主任醫(yī)師共同商討決定。測量所有能夠滿足診斷要求的圖像的肝臟、脊柱的CT值及CT值的標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation,SD)，SD代表圖像的噪聲，并計算信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)，SNR=組織CT值/組織噪聲。CT值測量時以肝門層面為中心向上、向下每間隔一層測量2～3個感興趣區(qū)，共測量15個感興趣區(qū)(region of interest，ROI)，測量時選擇密度均勻的區(qū)域，避開大血管，ROI大小為80～100 mm2。測量椎體中心層面的ROI大小為50～80 mm2，共測量9個ROI。

4.統(tǒng)計學(xué)分析

結(jié) 果

圖3 NI=15時，隨著ASIR比例增高，圖像噪聲逐漸降低。a) 30%ASIR圖像； b) 50%ASIR圖像； c) 70%ASIR圖像； d) 90%ASIR圖像。

100 kVp掃描時，不同NI(NI=11、12、13、14、15、16、17、18、19、20)條件下，隨著NI指數(shù)的升高，CTDIvol下降(圖2)；NI=11時，CTDIvol=6.94mGy,稍高于120 kVp掃描時的常規(guī)劑量(CTDIvol=6.76 mGy)。自NI=12(CTDIvol=5.95 mGy)開始，掃描劑量開始低于常規(guī)組。

兩位醫(yī)師最終確定NI≥17時圖像質(zhì)量較差，不能滿足臨床診斷要求。NI=11時，輻射劑量較常規(guī)組高，不滿足降低輻射劑量的要求。故最終納入NI=12、13、14、15、16共5組20個序列的圖像進行統(tǒng)計分析。測量不同組織在不同掃描條件下的噪聲并計算SNR(表1)，100 kVp時，不同NI組(NI從12～16)不同組織的噪聲隨ASIR比例的增大而降低，SNR隨ASIR比例的增大而增高(圖3、4)。綜合分析肝臟及脊柱的噪聲、SNR結(jié)果，其中NI=15時，70%ASIR組肝臟及脊柱的噪聲、SNR與常規(guī)組差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)；NI=15、16時，90%ASIR組肝臟及脊柱的噪聲、SNR優(yōu)于常規(guī)組。NI=15時，與常規(guī)組輻射劑量比較，CTDIvol下降約43.8%；NI=16時，與常規(guī)組輻射劑量相比，CTDIvol下降約50.4%。

表1 不同掃描條件下肝臟、脊柱的SD及SNR

100 kVp時肝臟、脊柱的CT值較120 kVp常規(guī)組增加(表2)，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P值均<0.05，表2)。對兩位醫(yī)師在不同NI、不同比例ASIR條件下圖像質(zhì)量的主觀評分進行kappa檢驗，Kappa值=0.687,表明兩位醫(yī)師間的一致性較好。綜合兩位醫(yī)師的主觀評價結(jié)果，顯示當(dāng)NI≥17時圖像評分小于3分，圖像質(zhì)量不能滿足診斷要求。

討 論

調(diào)節(jié)管電壓及管電流是降低輻射劑量最直接的方法，簡單方便，在臨床中被廣泛應(yīng)用。迭代重建算法及ATCM技術(shù)都是近年來臨床研究中降低輻射劑量的新方法，但實際應(yīng)用中往往結(jié)合設(shè)備條件綜合運用多種技術(shù)[10-14]，使掃描方案更優(yōu)化，最大幅度降低輻射劑量。本研究通過調(diào)節(jié)NI控制管電流，同時降低管電壓，提高對比度,并利用迭代重建算法降低因管電壓下降及NI增大所產(chǎn)生的噪聲，可以保證輻射劑量下降而圖像質(zhì)量不受影響。隨著NI增大，輻射劑量逐漸下降，但當(dāng)NI增大到一定程度時，圖像質(zhì)量不能滿足診斷要求。本研究結(jié)果顯示，當(dāng)NI≥17時，圖像質(zhì)量下降，不能滿足臨床診斷要求。

本研究設(shè)置了不同的ASIR比例，觀察ASIR對噪聲的改善效果，相同NI條件下，隨著ASIR在圖像重建中的比例增加，噪聲減少，信噪比增加。綜合不同掃描條件下圖像的主客觀評價結(jié)果，當(dāng)NI=15時，70%ASIR組圖像與常規(guī)劑量組最接近，不同組織噪聲及SNR差異無統(tǒng)計學(xué)意義；而當(dāng)NI=15、16時，90%ASIR組客觀評價指標(biāo)雖然優(yōu)于常規(guī)劑量組，但圖像質(zhì)量主觀評分降低，僅為3分，原因可能是ASIR比例太高，圖像出現(xiàn)過度模糊現(xiàn)象，過度模糊是ASIR專屬偽影，既往文獻推薦腹部的ASIR重建比例為20%～40%[15-17]，但在低輻射劑量要求下需要提高ASIR在重建中的比例[15,18]。Singh等[15]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)管電流降低到50 mAs時，如果要獲得滿足臨床診斷要求的圖像，需要將ASIR的比例提高到70%。因此我們建議在臨床應(yīng)用中可首選NI=15的70%ASIR重建圖像，次選90%ASIR，以免過度模糊偽影太重而影響對病變的觀察。

圖4 相同NI條件下，隨著ASIR比例增大，噪聲、SNR的變化趨勢，藍(lán)色代表30% ASIR，紅色代表50% ASIR，綠色代表70% ASIR，紫色代表 90% ASIR。a) 相同NI條件下，隨著ASIR比例增大，噪聲減低； b) 相同NI條件下，隨ASIR比例增大，SNR增大。

本研究的不足之處：①體模研究不能真正取代真實人體，而且體模形態(tài)偏瘦，最終研究結(jié)果是否對不同體型條件的人都適用尚不確定,因而盡管當(dāng)NI=16時，圖像主客觀評價均能滿足診斷要求，但在實際應(yīng)用中我們還是建議首選相對保守的NI指數(shù)(NI=15)；②體模研究無法行增強掃描，而低kVp掃描增加對比度主要在含碘對比劑的增強掃描時明顯，將管電壓由常規(guī)的120 kVp降至100 kVp，碘對比劑的CT衰減值會明顯升高[19,20]，因而組織強化后的CT值會提高，增強了與鄰近組織的對比。在平掃情況下，管電壓降低，組織CT值也有增高，SNR相應(yīng)提高，本研究結(jié)果顯示，100 kVp與120 kVp條件下肝臟、脊柱的CT值差異均有統(tǒng)計學(xué)意義，100 kVp條件下組織的CT值增高；③本研究結(jié)果僅針對寶石CT，是否適用于其他設(shè)備類型尚不確定；④未進行更低kVp的對比研究，這也是我們將來研究的方向。

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Phantomstudyoflowtubevoltageincombinationwithadaptivestatisticaliterativereconstructioninlow-doseabdominalCTscan

WANG Xin-lian,HE Wen,CHEN Jiang-hong,et al.

Department of Radiology,Beijing Obstetrics and Gynecology Hospital,Capital Medical University,Beijing 100006,China

Objective：To evaluate the influence of the image quality of low-dose abdominal CT scanning,a phantom was used,and low tube voltage in combination with adaptive statistical iterative reconstruction (ASIR) technique was adapted,in order to investigate the clinical applicable protocol for low-dose abdominal CT scanning.Methods：An abdominal phantom was scanned repeatedly with tube voltage as 100kVp and 120kVp,respectively.Automatic tube current modulation (ATCM) technique was used.For 100kVp groups,the noise index (NI) was set at 11,12,13,14,15,16,17,18,19 and 20;images were reconstructed with 30%ASIR,50%ASIR,70%ASIR and 90%ASIR,respectively.For the 120kVp group (routine standard dose group),NI was set as 11 and images were reconstructed with 30% ASIR.Of the groups using different scanning techniques,the CT value and objective noise level of liver and vertebra were measured,the signal to noise ratio (SNR) was calculated,and the computed tomography dose index volumes (CTDIvol) was recorded.Subjective image score was evaluated by two senior radiologists.Results：AT 100kVp,the CTDIvol decreased significantly with increase of NI.While,with the same N1,as the increase of ASIR,there was reduce of image noise and increase of SNR.The image quality was not acceptable for clinical application as NI≥17.There were no significant difference in the tissue noise level and SNR between the 70% ASIR group (NI=15) and the routine standard group (P>0.05).There was a 43.8% reduction of radiation exposure in the 70% ASIR group (NI=15) compared with the routine group,however,subjective image score was comparable with the routine group.The tissue noise level and SNR of the 90% ASIR group (NI=15 or NI=16) were superior to the routine group,respectively (P<0.05)，yet subjective image score was inferior as compared to the routine group.Conclusion：Low tube voltage in combination with ASIR can ensure comparable image quality with routine standard group while the radiation dosage is significantly reduced.With significant reduce of radiation dosage,increase of ASIR is needed.

Low tube voltage； Adaptive statistical iterative reconstruction; Tomography,X-ray computed; Radiation dose; Manikins

R814.42

A

1000-0313(2017)09-0951-05

2016-09-06

2017-04-03)

100006 北京，首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京婦產(chǎn)醫(yī)院放射科

王新蓮(1977)，女，山東人，博士，副主任醫(yī)師，主要從事腹盆腔疾病及胎兒先天發(fā)育異常的影像診斷工作。

10.13609/j.cnki.1000-0313.2017.09.012