新一代基于模型的迭代重建中肺特異性設(shè)置在亞mSv胸部CT檢查中的應(yīng)用

賈永軍，于 勇，張喜榮，楊創(chuàng)勃，段海峰，馬春玲，賀太平

(陜西中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科，陜西 咸陽(yáng) 712000)

新一代基于模型的迭代重建中肺特異性設(shè)置在亞mSv胸部CT檢查中的應(yīng)用

賈永軍，于 勇，張喜榮，楊創(chuàng)勃，段海峰，馬春玲，賀太平*

(陜西中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科，陜西 咸陽(yáng) 712000)

目的比較自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)迭代重建(ASIR)、常規(guī)基于模型的迭代重建(MBIRc)、新一代基于模型的迭代重建(MBIRn)中肺特異性設(shè)置(MBIRRP20和MBIRNR40)重建算法對(duì)亞mSv胸部CT圖像質(zhì)量的影響。方法收集接受兩次胸部CT平掃的受檢者30例。初檢采用常規(guī)劑量(噪聲指數(shù)=14)ASIR重建。復(fù)查采用低輻射劑量方案(噪聲指數(shù)=28)，分別采用標(biāo)準(zhǔn)算法和肺算法ASIR、MBIRc、MBIRRP20和MBIRNR40重建，重建層厚0.625 mm。在標(biāo)準(zhǔn)算法ASIR、MBIRc和MBIRNR40重建圖像上測(cè)量胸廓入口層面、氣管隆突下層面和肝門層面背部肌肉、皮下脂肪相同部位ROI的CT值與噪聲(SD)，并計(jì)算SNR，采用單因素方差分析比較各重建算法SD和SNR。于肺窗ASIR、MBIRc、MBIRRP20和縱隔窗標(biāo)準(zhǔn)算法ASIR、MBIRc、MBIRNR40進(jìn)行噪聲和細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)清晰度5分法主觀評(píng)分，并采用Wilcoxon符號(hào)等級(jí)檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。結(jié)果初檢有效劑量為(3.01±1.89)mSv，復(fù)查有效劑量為(0.88±0.83)mSv，下降約70.76%。MBIRNR40圖像噪聲明顯低于常規(guī)劑量ASIR、低劑量ASIR和MBIRc(P均<0.05)。MBIRNR40圖像SNR絕對(duì)值明顯大于常規(guī)劑量ASIR、低劑量ASIR和MBIRc(P均<0.05)。MBIRNR40的主觀圖像噪聲評(píng)分低于常規(guī)劑量ASIR和MBIRc(P均<0.05)；MBIRn可更清晰地顯示肺、縱隔及上腹部細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，評(píng)分高于MBIRc和ASIR(P<0.05)。結(jié)論在胸部CT平掃時(shí)，與ASIR、MBIRc相比，MBIRn肺特異性設(shè)置中MBIRNR40可顯著降低圖像噪聲并提高SNR，可減少輻射劑量約70%，在低劑量條件下，MBIRRP20可更好地顯示肺內(nèi)、MBIRNR40可更好地顯示縱隔、上腹部細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)。

基于模型的迭代重建；自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)迭代重建；輻射劑量；體層攝影術(shù)，X線計(jì)算機(jī)

由于CT成像時(shí)間短、適應(yīng)證廣、可高質(zhì)量多平面三維成像、空間分辨率高等特點(diǎn)，其在臨床的應(yīng)用越來(lái)越多，但輻射劑量也備受關(guān)注。傳統(tǒng)濾波反投影法(filtered back projection, FBP)重建忽略焦點(diǎn)、體素和探測(cè)器的實(shí)際幾何大小，未考慮X線光子的系統(tǒng)光學(xué)與統(tǒng)汁學(xué)波動(dòng)，具有較高的噪聲、明顯的條紋偽影且密度分辨率較低[1]，在數(shù)據(jù)采集不足時(shí)，噪聲增多，重建的圖像質(zhì)量可能無(wú)法滿足診斷需要[2]。迭代重建(iterative reconstruction, IR)在較低輻射劑量下可獲得噪聲較小的高質(zhì)量圖像，在降低X線輻射劑量方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[3]。本研究以常規(guī)劑量自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)迭代重建(adaptive statistical iterative reconstruction, ASIR)為基礎(chǔ)，比較ASIR、常規(guī)基于模型的迭代重建(conventional model-based iterative reconstruction, MBIRc)和基于模型的迭代重建(the new version of model-based iterative reconstruction, MBIRn)中肺特異性設(shè)置(MBIRRP20和MBIRNR40，分別代表增加空間分辨率20%和減少40%噪聲)對(duì)亞mSv胸部CT圖像質(zhì)量的影響，探討MBIRn肺特異性設(shè)置在低劑量胸部CT檢查中的應(yīng)用價(jià)值。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集2016年7月—10月于我院接受兩次胸部CT平掃的受檢者30例，年齡38～91歲，平均(58.5±15.1)歲；體質(zhì)量指數(shù)(body mass index, BMI)為(22.97±4.28)kg/m2。復(fù)查CT擬診為肺結(jié)節(jié)或腫塊17例、肺炎8例、支氣管擴(kuò)張2例、外傷2例、肺不張1例。

1.2 儀器與方法 采用GE Discovery CT750HD能譜CT機(jī)?；颊呷⊙雠P位，雙手上舉，吸氣末單次屏氣行全肺掃描，電壓120 kVp，采用自動(dòng)曝光控制技術(shù)(Auto mA)預(yù)設(shè)噪聲指數(shù)(noise index, NI)控制管電流。層厚5.0 mm，層間距5.0 mm，轉(zhuǎn)速0.6秒/轉(zhuǎn)，螺距1.375∶1，準(zhǔn)直器寬度0.625×64，初檢采用常規(guī)輻射劑量(NI=14)ASIR重建。復(fù)查采用低輻射劑量方案(NI=28)，分別采用標(biāo)準(zhǔn)算法和肺算法ASIR (NI=28)、MBIRc、MBIRRP20和MBIRNR40重建圖像，重建層厚0.625 mm。

1.3 圖像分析 對(duì)同一受檢者兩次掃描，采用各算法重建容積圖像，由1名放射科主治醫(yī)師于AW 4.6工作站，選取胸廓入口層面、氣管隆嵴下層面、肝門平面軸位圖像的同一層面同一部位放置ROI，獲得各重建圖像背部肌肉、皮下脂肪的CT值與噪聲(SD)值，計(jì)算SNR=CT值/SD。比較標(biāo)準(zhǔn)算法ASIR(ASIR with standard kernel, ASIRs)及MBIRc、MBIRNR40重建圖像的SD和SNR。于肺窗ASIR肺算法(ASIR with standard lung, ASIRl)及MBIRc、MBIRRP20觀察肺內(nèi)結(jié)構(gòu)，縱隔窗ASIRs及MBIRc、MBIRNR40觀察縱隔及上腹部結(jié)構(gòu)。

以常規(guī)劑量ASIR為標(biāo)準(zhǔn)，由2名放射科醫(yī)師盲法、以隨機(jī)順序?qū)Σ煌惴ㄖ亟ǖ膱D像進(jìn)行主觀評(píng)分[4]。主觀噪聲的評(píng)價(jià)采用5分法：1分，明顯差于常規(guī)輻射劑量ASIR；2分，略差于常規(guī)輻射劑量ASIR；3分，基本等同于常規(guī)輻射劑量ASIR；4分，略優(yōu)于常規(guī)輻射劑量ASIR；5分，明顯優(yōu)于常規(guī)輻射劑量ASIR。對(duì)支氣管、肺血管、縱隔、肝內(nèi)動(dòng)靜脈、病變內(nèi)外部等細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)清晰度的評(píng)價(jià)亦采用5分法：1分，明顯比常規(guī)輻射劑量ASIR模糊；2分，較常規(guī)輻射劑量ASIR圖像稍模糊；3分，基本等同于常規(guī)輻射劑量ASIR；4分，較常規(guī)輻射劑量ASIR稍清晰；5分，明顯較常規(guī)輻射劑量ASIR清晰。

1.4 輻射劑量 記錄劑量長(zhǎng)度乘積(dose length product, DLP)，計(jì)算有效劑量(effective dose, ED)：ED=DLP×(胸部)轉(zhuǎn)換系數(shù)(0.014 mSv·mGy-1·cm-1)[5]。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)分析軟件，各計(jì)量數(shù)據(jù)及主觀評(píng)分以±s表示，對(duì)不同算法重建圖像的SD和SNR進(jìn)行單因素方差分析，兩兩比較采用LSD-t檢驗(yàn)；主觀噪聲和細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)清晰度評(píng)分采用Wilcoxon符號(hào)等級(jí)檢驗(yàn)。采用Kappa檢驗(yàn)分析觀察者間評(píng)分的一致性，Kappa≤0.4為一致性差；0.40.75為一致性好。以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

初檢DLP為(215.34±115.30)mGy·cm，ED為(3.01±1.89)mSv；復(fù)查DLP為(63.16±59.19) mGy·cm，下降約70.76%，ED為(0.88±0.83)mSv。

MBIRNR40重建圖像噪聲低于常規(guī)劑量ASIR重建、低劑量ASIR和MBIRc重建(P均<0.05)，MBIRNR40重建圖像SNR絕對(duì)值大于常規(guī)劑量ASIR重建、低劑量ASIR和MBIRc重建(P均<0.05)，氣管隆突下脂肪在常規(guī)劑量ASIR與MBIRc的噪聲、SNR差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.31、0.28)，余各部位在不同重建方法下噪聲和SNR兩兩比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)。兩次掃描各重建算法噪聲和SNR見(jiàn)表1、2和圖1，觀察者評(píng)分見(jiàn)圖2。

3 討論

自動(dòng)曝光控制是前瞻性調(diào)節(jié)管電流以維持各層圖像在預(yù)設(shè)水平噪聲級(jí)別，并可抑制圖像偽影的三維實(shí)時(shí)劑量調(diào)控技術(shù)，隨著NI升高，圖像噪聲加大，輻射劑量降低。本研究低劑量ASIR的ED為(0.88±0.83)mSv，明顯低于常規(guī)劑量的(3.01±1.89)mSv。

迭代重建在保持或提高圖像空間分辨力的同時(shí)可抑制偽影和噪聲[6]。ASIR通過(guò)反復(fù)迭代的方法對(duì)投影數(shù)據(jù)空間和圖像數(shù)據(jù)空間進(jìn)行比對(duì)，將噪聲從圖像中去除的同時(shí)，最大限度地抑制和校正噪聲并保留圖像的真實(shí)組織信號(hào)，最終獲得更清晰、準(zhǔn)確的圖像，但較大迭代比重時(shí)產(chǎn)生蠟狀偽影常影響圖像的視覺(jué)效果[7]。MBIR(商品名Veo)僅在投影數(shù)據(jù)空間實(shí)現(xiàn)全迭代重建，除建立系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)模型之外，還建立了系統(tǒng)光學(xué)模型，對(duì)體素、X線光子初始位置和探測(cè)器幾何因素均通過(guò)模型進(jìn)行模擬，還原X線從投射到信號(hào)采集的全過(guò)程，可明顯降低影像噪聲和提高空間分辨力[8]。與ASIR相比，MBIR可顯著提高圖像噪聲和減少硬化偽影，并在減少輻射劑量時(shí)不明顯影響圖像質(zhì)量[9]。Padole等[10]認(rèn)為MBIRc不能很好地顯示如小葉裂隙、外周血管和亞段支氣管壁等微細(xì)肺解剖結(jié)構(gòu)。MBIRn可提供更多設(shè)置，如standard(MBIRStnd)、resolution preference(MBIRRP20/MBIRRP05代表增加空間分辨率20%和5%)、noise reduction (MBIRNR40/MBIRNR05，分別表示減少40%和5%噪聲)，合理選擇后可進(jìn)一步改善低輻射劑量條件下的圖像質(zhì)量。本研究參考文獻(xiàn)[11]選擇降低噪聲最大的MBIRNR40觀察縱隔和上腹部，選擇提高空間分辨率最高的MBIRRP20觀察雙肺；結(jié)果表明亞mSv胸部CT成像時(shí)，MBIRc和MBIRn重建的圖像較常規(guī)劑量ASIR噪聲低、SNR高，MBIRc在肺內(nèi)結(jié)構(gòu)、縱隔、上腹部結(jié)構(gòu)的顯示清晰度方面與常規(guī)劑量ASIR主觀評(píng)分無(wú)差異，提示隨輻射劑量減少約70%，MBIRc可提供常規(guī)劑量ASIR胸部CT等效的病變檢測(cè)能力，與Ichikawa等[12]的結(jié)論一致。本研究還發(fā)現(xiàn)與MBIRc比較，MBIRn可明顯降低噪聲并增高SNR，在顯示細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)清晰度方面明顯優(yōu)于MBIRc和常規(guī)劑量ASIR，提示輻射劑量減少約70%時(shí)，MBIRn可提供交常規(guī)劑量ASIR胸部CT更優(yōu)的病變檢測(cè)能力。

表1 2次掃描各重建算法噪聲比較(±s)

表1 2次掃描各重建算法噪聲比較(±s)

方法胸廓入口層面肌肉脂肪氣管隆突下層面肌肉脂肪肝門層面肌肉脂肪平均肌肉脂肪常規(guī)劑量ASIR24．79±4．4419．67±4．1624．69±4．9418．08±4．1924．17±2．8619．85±3．8724．55±4．1419．20±4．11低劑量ASIR53．47±12．8938．12±7．3352．60±10．9936．14±9．3847．12±7．8138．84±9．6351．06±11．0238．04±8．87低劑量MBIRc15．81±3．7214．99±4．0114．73±3．6616．51±4．5717．38±5．9416．01±4．8915．97±4．6415．84±4．50低劑量MBIRNR409．38±1．149．53±2．259．18±1．9810．71±3．718．81±1．219．42±2．199．12±1．579．89±2．84F值225．40200．36274．68103．26305．63150．89747．89429．20P值<0．01<0．01<0．01<0．01<0．01<0．01<0．01<0．01

表2 2次掃描各重建算法SNR的比較(±s)

表2 2次掃描各重建算法SNR的比較(±s)

方法胸廓入口層面肌肉脂肪氣管隆突下層面肌肉脂肪肝門層面肌肉脂肪平均肌肉脂肪常規(guī)劑量ASIR2．24±0．40-6．18±1．631．99±0．55-6．38±1．511．92±0．40-5．68±1．622．05±0．47-6．08±1．60低劑量ASIR1．07±0．28-3．20±0．830．93±0．37-3．22±0．721．04±0．25-2．87±0．801．01±0．28-3．10±0．79低劑量MBIRc4．05±0．79-8．10±1．903．66±1．20-6．96±1．632．91±0．93-7．23±2．233．54±1．09-7．43±1．97低劑量MBIRNR406．27±1．14-12．68±2．995．66±2．01-11．06±2．955．49±1．52-12．07±3．385．81±1．62-11．94±3．15F值284．69119．1687．8588．14130．0890．56379．78286．25P值<0．01<0．01<0．01<0．01<0．01<0．01<0．01<0．01

圖1 患者女，48歲，右肺上葉中央型肺癌侵犯縱隔，右肺門旁及縱隔淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移 A.常規(guī)劑量ASIRs，脂肪噪聲、SNR分別為13.7和-7.66，背部肌肉噪聲、SNR分別為21.3和2.34; B.低劑量標(biāo)準(zhǔn)算法ASIR，脂肪噪聲、SNR分別為31.1和-3.54，背部肌肉噪聲、SNR分別為37.8和0.96; C.低劑量MBIRc，脂肪噪聲、SNR分別為13.9和-7.79，背部肌肉噪聲、SNR分別為14.4和3.13; D.低劑量MBIRn中MBIRNR40，脂肪噪聲、SNR分別為8.9和-12.19，背部肌肉噪聲、SNR分別為8.2和5.18 (ROI 1和ROI 2分別代表背部肌肉和皮下脂肪組織)

圖2 患者女，68歲，結(jié)腸癌雙肺多發(fā)轉(zhuǎn)移結(jié)節(jié)灶 A.常規(guī)劑量ASIR肺算法重建; B.低劑量ASIR肺算法重建; C.低劑量MBIRc重建; D.低劑量MBIRn中MBIRRP20算法重建。支氣管壁(長(zhǎng)箭)、肺氣腫(短箭)、肺結(jié)節(jié)表面(箭頭)清晰度評(píng)分存在差異(A：2名觀察者評(píng)分均為3分；B：2名觀察者評(píng)分均為2分；C：2名觀察者評(píng)分分別為4、5分；D：2名觀察者評(píng)分分別為4、5分)

本研究的局限性：MBIRc和MBIRn時(shí)間長(zhǎng)，慢于實(shí)時(shí)顯示圖像的FBP和ASIR[13-14]；雖然主觀評(píng)價(jià)采用盲法和隨機(jī)化，但各種重建算法圖像存在一定特點(diǎn)，可能導(dǎo)致觀察者評(píng)分的偏差；受檢者例數(shù)較少，且入選患者BMI偏低，可能對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定影響。

總之，結(jié)合自動(dòng)曝光控制技術(shù)，與ASIR、MBIRc相比，MBIRn肺特異性設(shè)置中MBIRNR40可顯著降低胸部CT圖像噪聲和提高信噪比；在減少輻射劑量約70%時(shí)，MBIRNR40圖像的主客觀噪聲低于常規(guī)劑量ASIR，MBIRRP20顯示肺內(nèi)和MBIRNR40顯示縱隔、上腹部細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)優(yōu)于常規(guī)劑量ASIR。

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Applicationofnewmodel-basediterativereconstructionwithlung-specificsettingforradiationdosereductioninsubmillisievertchestCT

JIAYongjun,YUYong,ZHANGXirong,YANGChuangbo,DUANHaifeng,MAChunling,HETaiping*
(DepartmentofRadiology,AffiliatedHospitalofShaanxiChineseMedicineUniversity,Xianyang712000,China)

ObjectiveTo assess image quality of adaptive statistical iterative reconstruction (ASIR), conventional model-based iterative reconstruction (MBIRc) and a new lung-specific setting (MBIRRP20and MBIRNR40) from the new version of model-based iterative reconstruction (MBIRn) in submillisievert chest CT comparing with ASIR in standard-dose.MethodsTwo chest CT examinations were performed with standard-dose and low-dose in 30 patients. Low-dose CT images were reconstructed with ASIR, MBIRc and MBIRn, while standard-dose CT images were reconstructed with ASIR only. Objective image noise and SNR were measured on the same part from the back muscle and subcutaneous fat which located at the level of thoracic entry, trachea carina and hepatic portal. Image quality of lung, mediastinum and upper abdomen structures were evaluated on a 5-point scale. The results were compared with one-wayANOVAandWilcoxonsigned-rank tests.ResultsThe effective dose equivalent for standard-dose CT was (3.01±1.89)mSv, compared with (0.88±0.83)mSv for low-dose CT, which decreased by 70.76%. The mean image noise for low-dose MBIRNR40was significantly lower than that of conventional-dose ASIR, low-dose ASIR and MBIRc (P<0.05). The mean SNR for low-dose MRIRNR40was significantly higher than that of conventional-dose ASIR, low-dose ASIR and MBIRc (P<0.05). The subjective image noise score was significantly lower than that of ASIR and MBIRc, and the score of sharpness of details of the structures score for low-dose MBIRn was significantly better than that of the ASIR and MBIRc (P<0.05).ConclusionMBIRNR40can significantly reduce image noise and improve SNR compared to ASIR and MBIRc in low-dose, even better than ASIR in standard-dose, which reduce radiation dose by about 70%. In low-dose, MBIRPP20can well display lung structures, and MBIRNR40can display mediastinal and the upper abdominal structures.

Model-based iterative reconstruction; Adaptive statistical iterative reconstruction; Radiation dosage; Tomography, X-ray computed

10.13929/j.1003-3289.201701069

R814.42

A

1003-3289(2017)10-1545-05

賈永軍(1985—)，男，陜西興平人，在讀博士，主治醫(yī)師。研究方向：頸胸部影像診斷。E-mail: jiayongjun1985@163.com

賀太平，陜西中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科，712000。E-mail: htpkeyan@163.com

2017-01-12

2017-08-21