迭代模型重建技術(shù)參數(shù)設(shè)置對(duì)肝臟低劑量增強(qiáng)CT掃描圖像質(zhì)量的影響

樊榮榮，施曉雷，張?zhí)烊?，錢 懿，陳如譚，范 麗，蕭 毅

(第二軍醫(yī)大學(xué)長(zhǎng)征醫(yī)院影像科，上海 200003)

迭代模型重建技術(shù)參數(shù)設(shè)置對(duì)肝臟低劑量增強(qiáng)CT掃描圖像質(zhì)量的影響

樊榮榮，施曉雷，張?zhí)烊?，錢 懿*，陳如譚，范 麗，蕭 毅

(第二軍醫(yī)大學(xué)長(zhǎng)征醫(yī)院影像科，上海 200003)

目的探討全模型迭代重建(IMR)技術(shù)不同參數(shù)設(shè)置對(duì)肝臟低劑量增強(qiáng)CT掃描圖像質(zhì)量的影響。方法收集需要接受肝臟增強(qiáng)CT檢查的患者40例，分別行上腹部平掃和3期動(dòng)態(tài)增強(qiáng)掃描，其中延遲期采用低劑量掃描，管電壓80 kV，管電流150 mAs。對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波反投射(FBP)重建和IMR技術(shù)重建，IMR采用不同參數(shù)，以獲得不同水平(Level 1～3)的常規(guī)和軟組織重建圖像，分別記為R1、R2、R3亞組和S1、S2、S3亞組。對(duì)各組圖像進(jìn)行主觀和客觀評(píng)價(jià)并比較，主觀評(píng)價(jià)包括低對(duì)比分辨率(LCD)、圖像失真(ID)和診斷信心(DC)評(píng)分，客觀評(píng)價(jià)包括肝臟噪聲、信噪比(SNR)和對(duì)比噪聲比(CNR)。結(jié)果不同參數(shù)組圖像的LCD、ID和DC評(píng)分差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.01)。不同參數(shù)組圖像間噪聲、SNR及CNR差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.01)；除S1與R2亞組、S2與R3亞組3項(xiàng)指標(biāo)(P均>0.05)外，余兩兩比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.01)。結(jié)論全迭代重建IMR技術(shù)可提高肝臟低劑量增強(qiáng)CT掃描的圖像質(zhì)量，推薦參數(shù)為軟組織重建、Level 1或常規(guī)重建、Level 2。

肝臟；體層攝影術(shù)，X線計(jì)算機(jī)；圖像質(zhì)量

CT增強(qiáng)掃描是診斷肝臟疾病的主要方法之一，但其輻射劑量較大[1]，對(duì)人體健康存在潛在威脅。因此，在不影響圖像質(zhì)量及診斷準(zhǔn)確率的前提下，降低CT掃描的輻射劑量，已成為放射學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)。研究[2-4]表明，與傳統(tǒng)濾波反投影算法(filtered back projection， FBP)相比，迭代重建算法能夠在保持圖像質(zhì)量的前提下，大幅度降低輻射劑量。目前已在臨床應(yīng)用的迭代重建算法有自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)迭代重建(adaptive statistical iterative reconstruction， ASIR；重建時(shí)間<1 min)、基于模型的迭代重建(model based iterative reconstruction， MBIR；重建時(shí)間<30～50 min)、iDOSE(重建時(shí)間<1 min)、自適應(yīng)模型迭代重建(adaptive model iterative reconstruction， ADMIRE；重建時(shí)間<1 min)、正旋圖迭代重建(sinogram affirmed iterative reconstruction， SAFIRE；重建時(shí)間<1 min)等，這些迭代重建除MBIR外，均為部分迭代重建，其降低輻射劑量的程度有限。MBIR雖然是全迭代重建，但重建時(shí)間較長(zhǎng)，臨床推廣困難[5]。全模型迭代重建(knowledge-based iterative model reconstruction， IMR)是FDA認(rèn)證的新型的全迭代重建技術(shù)，其降低輻射劑量的能力在胸部CT及冠狀動(dòng)脈CTA中已經(jīng)得到證實(shí)[5-7]。IMR有三種圖像重建方式，分別是體部常規(guī)重建、體部軟組織重建、體部銳利重建，前兩種對(duì)軟組織顯示最佳，最常用于腹部成像，最后一種可增加解剖結(jié)構(gòu)的清晰度，主要用于骨骼及肺部病變的檢出。根據(jù)降噪水平不同，每種重建方式下有3種設(shè)置(Level 1～3)[8]。本研究旨在探討全迭代重建IMR技術(shù)的不同參數(shù)設(shè)置對(duì)肝臟低劑量增強(qiáng)CT掃描圖像質(zhì)量的影響，以期找出最佳參數(shù)設(shè)置。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集2016年5月—8月在我院就診、需接受上腹部增強(qiáng)CT檢查的患者40例，其中男20例，女20例，年齡18～88歲，平均(56.7±13.7)歲。排除標(biāo)準(zhǔn)：①嚴(yán)重心、腎功能不全患者；②碘過(guò)敏患者；③運(yùn)動(dòng)或金屬偽影較重，影響觀察者；④肝臟術(shù)后或介入治療后患者；⑤體質(zhì)量指數(shù)(body mass index，BMI)>28 kg/m2者。本研究經(jīng)我院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，所有入選者檢查前均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法

1.2.1 儀器 采用Philips iCT 256層CT掃描儀行上腹部平掃和肝臟3期增強(qiáng)掃描?；颊呷⊙雠P位行屏氣掃描，范圍從膈頂至肝下緣。掃描參數(shù)：所有患者上腹部平掃、動(dòng)脈期和門靜脈期增強(qiáng)掃描均為常規(guī)劑量掃描，管電壓120 kV，管電流根據(jù)患者BMI自動(dòng)生成；延遲期采用低劑量掃描，管電壓80 kV，管電流150 mAs；準(zhǔn)直128×0.625 mm，螺距0.914，機(jī)架旋轉(zhuǎn)時(shí)間0.4 s/rot，矩陣512×512，F(xiàn)OV 32 cm×32 cm，重建層厚和間隔均為1 mm。增強(qiáng)掃描采用高壓注射器經(jīng)前臂靜脈以3 ml/s的流率注射對(duì)比劑(350 mgI/ml)80 ml，注射后30、60、100 s分別行動(dòng)脈期、門靜脈期和延遲期掃描。

1.2.2 圖像后處理方法 將延遲期原始數(shù)據(jù)進(jìn)行FBP(FBP組)和IMR(IMR組)重建，IMR組根據(jù)不同參數(shù)，得到不同水平的(Level 1～3)的常規(guī)(分別記為R1、R2、R3亞組)和軟組織重建圖像(分別記為S1、S2、S3亞組)。

1.3 圖像分析 采用Philips星云工作站對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行主觀、客觀評(píng)價(jià)。

1.3.1 主觀評(píng)價(jià) 由從事腹部CT診斷工作的1名主治醫(yī)師和1名住院醫(yī)師首先采用盲法對(duì)圖像進(jìn)行評(píng)分；再由2名醫(yī)師共同評(píng)分，意見(jiàn)不一致時(shí)邀請(qǐng)第3名醫(yī)師共同討論，以得到一致意見(jiàn)。評(píng)價(jià)過(guò)程中可適當(dāng)調(diào)節(jié)窗寬、窗位。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)：①低對(duì)比分辨率(low contrast detectability， LCD)，1分，很差或較差；2分，可接受；3分，顯示較好；4分，顯示很好；②圖像失真(image distortion， ID)，1分，失真嚴(yán)重，無(wú)法診斷；2分，失真較嚴(yán)重，影響主要器官觀察，但仍能診斷；3分，輕度失真；4分，無(wú)失真；③診斷信心(diagnosis confidence， DC)，1分，完全不能診斷；2分，僅提示病變；3分，可診斷；4分，有信心。

1.3.2 客觀評(píng)價(jià) 由1名從事腹部CT診斷的主治醫(yī)師在門靜脈主干水平層面，避開血管、膽管及病灶，于肝左葉及肝右葉后段、前段分別放置ROI(面積200 mm2)，并在同層面前腹壁中央?yún)^(qū)域空氣及右側(cè)豎脊肌內(nèi)放置相同大小的ROI，記錄各ROI的平均CT值及其標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation， SD)，以肝實(shí)質(zhì)平均CT值的SD肝臟作為圖像噪聲。計(jì)算信噪比(signal noise ratio， SNR)和對(duì)比噪聲比(contrast noise ratio， CNR)：SNR=CT肝臟/SD空氣，CNR=(CT肝臟-CT肌肉)/SD空氣。其中CT肝臟為3處肝實(shí)質(zhì)CT值的平均值，CT肌肉為右側(cè)豎脊肌CT值，SD空氣為前腹壁中央?yún)^(qū)域空氣標(biāo)準(zhǔn)差。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。2名觀察者對(duì)圖像質(zhì)量主觀評(píng)分的一致性采用Kappa檢驗(yàn)，其中Kappa值≤0.4為一致性差，0.4

2 結(jié)果

2.1 主觀評(píng)價(jià) 2名醫(yī)師對(duì)圖像質(zhì)量主觀評(píng)分的一致性均好，2名醫(yī)師對(duì)7組圖像進(jìn)行LCD、ID和DC評(píng)分的Kappa值范圍分別為0.66～0.92、0.66～0.91和0.66～0.93。S3亞組LCD評(píng)分最高，中位數(shù)為4分，F(xiàn)BP組最低，中位數(shù)為2分；ID評(píng)分FBP組最高，中位數(shù)為4分，S3亞組最低，中位數(shù)為2分；DC評(píng)分S1亞組及R2亞組最高，中位數(shù)均為4分，F(xiàn)BP組最低，中位數(shù)為2分，見(jiàn)表1、圖1。

表1 肝臟低劑量延遲期掃描不同迭代模型重組參數(shù)圖像的主觀評(píng)分比較(中位數(shù)，分)

2.2 客觀評(píng)價(jià) 與FBP組比較，IMR組各亞組噪聲均明顯降低(P均<0.01)，SNR及CNR均明顯增高(P均<0.01)。S1～S3、R1～R3噪聲依次降低，SNR及CNR依次增高，兩兩比較，S1與R2亞組、S2與R3亞組間3項(xiàng)指標(biāo)差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)，其余組間兩兩比較3項(xiàng)指標(biāo)差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.01)。見(jiàn)表2。

表2 肝臟低劑量延遲期掃描不同迭代模型重建參數(shù)圖像的客觀評(píng)價(jià)比較(±s)

表2 肝臟低劑量延遲期掃描不同迭代模型重建參數(shù)圖像的客觀評(píng)價(jià)比較(±s)

組別SD肝臟(HU)SNRCNRIMR組 S1亞組11.67±1.8521.43±4.2010.32±3.18 S2亞組8.72±1.5131.34±6.5915.29±4.84 S3亞組6.48±1.3251.23±12.8424.99±8.68 R1亞組15.93±2.9714.67±3.177.12±1.95 R2亞組11.89±2.2320.46±4.589.93±2.81 R3亞組8.65±1.8231.43±7.3915.30±4.69FBP組69.82±17.255.90±1.182.82±0.93F值74.8957.4141.15P值<0.01<0.01<0.01

3 討論

3.1 IMR技術(shù)在肝臟低劑量增強(qiáng)掃描中的意義 肝臟增強(qiáng)檢查常需要?jiǎng)用}期、門靜脈期及延遲期增強(qiáng)掃描才能診斷，這將導(dǎo)致輻射劑量提高，因此降低肝臟掃描劑量很有必要，尤其對(duì)于需長(zhǎng)期隨訪的患者。多數(shù)腹部病變需采用薄層圖像觀察，但層厚越薄，噪聲越大，密度分辨力會(huì)降低[9]，特別是采用以往的算法進(jìn)行低劑量掃描時(shí)薄層圖像質(zhì)量較差。延遲期肝臟實(shí)質(zhì)強(qiáng)化較均勻，故本研究以延遲期為代表，探討IMR技術(shù)對(duì)低劑量肝臟增強(qiáng)CT的影響，結(jié)果表明采用IMR技術(shù)重建的各組圖像較FBP組均可有效降低噪聲，并較大程度地提升CNR及SNR，提高圖像質(zhì)量，與Patino等[10]的研究結(jié)論相符。故可將IMR技術(shù)應(yīng)用于肝臟增強(qiáng)其他期相掃描，進(jìn)而降低肝臟增強(qiáng)掃描時(shí)的輻射劑量。

Suzuki等[11]將管電壓、管電流分別降至120 kV、203 mAs；潘丹等[12-13]將管電壓、管電流分別調(diào)至80 kV、500 mAs，并與常規(guī)劑量比較，得出IMR能夠在低劑量掃描時(shí)圖像質(zhì)量不受影響的結(jié)論。本研究將管電壓、管電流分別降80 kV、150 mAs，平均有效劑量為(1.25±0.01)mSv，較以往研究采用的劑量更低，并且采用1 mm的層厚，獲得了良好的薄層圖像質(zhì)量。

3.2 IMR參數(shù)設(shè)置的意義 腹部IMR參數(shù)設(shè)置分為軟組織、常規(guī)模式，Level 1～3水平。每個(gè)模式中，隨著Level 1～3水平遞增，LCD增高，噪聲降低，CNR及SNR均提高。相同Level水平時(shí)，軟組織模式較常規(guī)模式LCD增高，噪聲降低，CNR及SNR均提高。

圖1患者男，43歲，低劑量延遲期掃描圖像 A.FBP算法得到的圖像LCD評(píng)分為1分、ID評(píng)分為4分，DC評(píng)分為1分； B～D.IMR算法軟組織設(shè)置Level 1～3各亞組圖像，S1亞組LCD評(píng)分為3分，ID評(píng)分為3分，DC評(píng)分為4分，S2組LCD評(píng)分為3分，ID評(píng)分為3分，DC評(píng)分為3分，S3組LCD評(píng)分為4分，ID評(píng)分為3分，DC評(píng)分為3分； E～G.IMR算法常規(guī)設(shè)置的Level 1～3各亞組圖像，R1亞組LCD評(píng)分為3分，ID評(píng)分為2分，DC評(píng)分為3分，R2亞組LCD評(píng)分為3分，ID評(píng)分為3分，DC評(píng)分為3分，R3亞組LCD評(píng)分為3分，ID評(píng)分為3分，DC評(píng)分為3分

當(dāng)降噪程度提高時(shí)，圖像會(huì)出現(xiàn)失真情況。Yuki等[6]研究表明，迭代重建算法在大幅度降低圖像噪聲的同時(shí)，CT 圖像會(huì)形成“蠟樣”失真感，從而影響圖像的觀察。本研究表明，對(duì)于噪聲水平最低的S3組，其圖像失真最重，雖然降低噪聲能力較高，但也會(huì)影響圖像質(zhì)量。

本研究目的是選擇最優(yōu)化的設(shè)置，使降噪和失真達(dá)到平衡，最終獲得最好的圖像質(zhì)量。Singh等[14]認(rèn)為CT圖像診斷信心是衡量圖像質(zhì)量的綜合標(biāo)準(zhǔn)，用于圖像質(zhì)量的整體評(píng)價(jià)，其不僅取決于圖像固有噪聲、病灶低密度對(duì)比度，還受病灶邊緣、圖像失真感等因素影響。本研究表明，S1及R2亞組圖像噪聲較FBP組明顯減低，CNR及SNR較FBP組明顯提高，同時(shí)兩者的診斷信心是最高的，能夠在低劑量CT前提下，保證圖像質(zhì)量及診斷準(zhǔn)確率。因此，綜合主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)得出S1及R2圖像整體質(zhì)量最好。

總之，全迭代重建IMR技術(shù)在肝臟低劑量增強(qiáng)CT掃描時(shí)可以在客觀上明顯降低圖像噪聲、提高 SNR、CNR，并且在主觀上能夠提高低對(duì)比分辨率，加之合理選擇參數(shù)可避免過(guò)大的圖像失真，最終提高診斷信心。故本研究認(rèn)為在肝臟低劑量增強(qiáng)CT掃描中IMR推薦參數(shù)為軟組織重建、Level 1或常規(guī)重建、Level 2。

[1] Das CJ, Paul SB, Madhusudhan KS, et al. Update in liver imaging. Trop Gastroenterol, 2007,28(4):149-155.

[2] Hansmann J, Schoenberg GM, Brix G, et al. CT of urolithiasis: Comparison of image quality and diagnostic confidence using filtered back projection and iterative Reconstruction techniques. Acad Radiol, 2013,20(9):1162-1167.

[3] Kalmar PI, Quehenberger F, Steiner J, et al. The impact of iterative reconstruction on image quality and radiation dose in thoracic and abdominal CT. Eur J Radiol, 2014,83(8):1416-1420.

[4] Kahn J, Grupp U, Rotzinger R,et al. CT for evaluation of potential renal donors—how does iterative reconstruction influence image quality and dose? Eur J Radiol, 2014,83(8):1332-1336.

[5] Yuki H, Oda S, Utsunomiya D, et al. Clinical impact of model-based type iterative reconstruction with fast Reconstruction time on image quality of low-dose screening chest CT. Acta Radiol, 2016,57(3):295-302.

[6] Yuki H, Utsunomiya D, Funama YA, et al. Value of knowledge-based iterative model reconstruction in low-kV 256-slice coronary CT angiography. J Cardiovasc Comput Tomogr, 2014,8(2):115-123.

[7] Oda S, Utsunomiya D, Funama Y, et al. A knowledge-based iterative model reconstruction algorithm: Can super-low-dose cardiac CT be applicable in clinical settings? Acad Radiol, 2014,21(1):104-110.

[8] Khawaja RD, Singh S, Blake MA, et al. Ultra-low dose abdominal MDCT: Using a knowledge-based Iterative Model Reconstruction technique for substantial dose reduction in a prospective clinical study. Eur J Radiol, 2015,84(1):2-10.

[9] 康立麗，洪德明，楊俊杰，等．CT層厚的測(cè)量技術(shù)及相關(guān)影響因素研究．放射學(xué)實(shí)踐，2000，15(3)：198-200．

[10] Patino M, Fuentes JM, Hayano K, et al.A quantitative comparison of noise reduction across five commercial (hybrid and model-based) iterative reconstruction techniques: An anthropomorphic phantom study. AJR Am J Roentgenol, 2015,204(2):176-183.

[11] Suzuki S, Haruyama T, Morita H, et al. Initial performance evaluation of iterative model reconstruction in abdominal computed tomography. J Comput Assist Tomogr, 2014,38(3):408-414.

[12] 潘丹，陳鑫，姜彥，等．迭代模型重組設(shè)置對(duì)不同輻射劑量下肝臟增強(qiáng)CT圖像噪聲及質(zhì)量的影響．中華放射學(xué)雜志，2015，49(3)：173-178．

[13] 潘丹，姜彥，陳鑫，等．迭代模型重建技術(shù)不同輻射劑量對(duì)肝臟CT增強(qiáng)掃描圖像質(zhì)量的影響．中國(guó)醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志，2015，23(1)：10-13,18．

[14] Singh S, Kalra MK, Do S, et al. Comparison of hybrid and pure iterative Reconstruction techniques with conventional filtered back projection:Dose reduction potential in the abdomen. J Comput Assist Tomogr, 2012,36(3):347-353.

Impactofreconstructionparametersettingsofknowledge-basediterativemodeltechniqueonimagequalityoflow-dosehepaticcontrast-enhancedCT

FANRongrong,SHIXiaolei,ZHANGTianran,QIANYi*,CHENRutan,FANLi,XIAOYi

(DepartmentofRadiology，ChangzhengHospital,SecondMilitaryMedicalUniversity,Shanghai200003,China)

ObjectiveTo evaluate the impact of different reconstruction parameter setting of knowledge-based iterative model reconstruction (IMR) technique on image quality of low-dose hepatic contrast-enhanced CT.MethodsForty patients underwent hepatic contrast-enhanced CT scanning were enrolled. Plain CT and triphasic contrast-enhanced CT scans, including hepatic arterial phase, portal-venous phase and delayed phase were performed. Low-dose scan was used in delayed phase, with tube voltage of 80 kV and tube current of 150 mAs. Images of delayed phase were reconstructed with both filtered back projection (FBP) and IMR techniques．Parameter setting applied in IMR reconstructions consisted of body routine and body soft tissue modes with three 1evels (Level 1—3), so 6 subgroups (R1, R2, R3, S1, S2, S3) were included. Subjective and objective evaluations of image quality were compared among those groups. Subjective evaluations included the scores of low contrast detectability (LCD), image distortion (ID) and diagnostic confidence (DC). Objective evaluations included image noise， signal to noise ratio (SNR) and contrast to noise ratio (CNR)．ResultsThere were statistical differences of scores in LCD, ID and DC among all the reconstruction parameter setting groups (allP<0.01). The noise, SNR and CNR among different parameter setting groups had statistically significant differences (allP<0.01). Except for subgroup S1 and subgroup R2, subgroup S2 and subgroup R3 (allP>0.05), the other multiple comparisons showed significant differences (allP<0.01).ConclusionIMR can improve image quality of low-dose hepatic contrast-enhanced CT. IMR reconstruction parameter setting of S1 and R2 are optimal for low-dose hepatic contrast-enhanced CT protocal.

Liver; Tomography, X-ray computed; Image quality

樊榮榮(1992—)，女，安徽阜陽(yáng)人，在讀碩士，醫(yī)師。研究方向：腹部放射學(xué)。E-mail: fanrongrong0715@163.com

錢懿，第二軍醫(yī)大學(xué)附屬長(zhǎng)征醫(yī)院影像科，200003。E-mail： ufopeanut@163.com

2017-05-08

2017-07-26

R575; R814.42

A

1003-3289(2017)11-1711-05

10.13929/j.1003-3289.201705046