多模型迭代重建算法對(duì)腹部體模CT掃描圖像質(zhì)量和輻射劑量的影響

柴亞如，邢靜靜，高劍波，呂培杰，侯 平，王素雅，劉 杰

(鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院放射科，河南 鄭州 450052)

CT以其掃描速度快、圖像客觀、密度分辨率高等優(yōu)點(diǎn)在臨床影像學(xué)檢查中占有重要地位。目前，CT對(duì)病灶的檢出、診斷、分期以及臨床治療方案的選擇、療效的評(píng)估及預(yù)后具有重要臨床意義[1]。但由于X線的生物學(xué)效應(yīng)，CT被認(rèn)為是引起醫(yī)源性輻射的重要原因，有報(bào)道[2]超過5～100 mSv的X線吸收劑量與癌癥發(fā)生有直接關(guān)系。因此，由于腹部CT掃描范圍大、期相多，在保證圖像質(zhì)量的同時(shí)有效降低輻射劑量是不容忽視的問題。

臨床常用的降低CT掃描輻射劑量的方法包括降低管電壓、管電流等[3-4]，但均可引起圖像質(zhì)量的下降。自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)迭代重建算法(adaptive statistical iterative reconstruction, ASIR)具有降低圖像噪聲的功能，降低輻射劑量需人為預(yù)先設(shè)置低的掃描參數(shù)[5]。多模型迭代重建算法(adaptive statistical iterative reconstruction-V, ASIR-V)納入了掃描者物體模型和物理模型，具有前置和后置兩種方式，前置ASIR-V可以在維持圖像質(zhì)量的同時(shí)前瞻性降低輻射劑量，具有較大的臨床實(shí)用價(jià)值，但對(duì)其使用方法及效果研究較少[6]。本研究以腹部仿真體模為對(duì)象，探討不同噪聲指數(shù)(noise index, NI)條件下前置ASIR-V對(duì)圖像質(zhì)量和輻射劑量的影響。

1 材料與方法

1.1 掃描設(shè)備及方案 研究對(duì)象為腹部仿真體模。采用GE Revolution CT機(jī)，掃描模式Helical 8，管電壓120 kVp，自動(dòng)管電流(10～600 mA)，螺距1.375∶1，轉(zhuǎn)速0.5 s，掃描視野35 cm，掃描層厚和層間距均為5 mm。

NI分別為6、8、10、12、14，分為相應(yīng)5組，每組設(shè)置10個(gè)前置ASIR-V(0～100%，間隔10%)和常規(guī)模式掃描(不含迭代)，共掃描11組數(shù)據(jù)。每個(gè)條件下均重復(fù)掃描10次，結(jié)果取均值。

1.2 圖像評(píng)估 主觀評(píng)分：將圖像傳至AW 4.6后處理工作站，圖像顯示窗寬220 HU，窗位40 HU。由2名具有3年以上工作經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)師對(duì)55組圖像質(zhì)量進(jìn)行獨(dú)立、盲法評(píng)估，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)采用5分制[5]：5分，解剖細(xì)節(jié)清晰，對(duì)比度高，層次感強(qiáng)，銳利度好；4分，解剖結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)較清楚，對(duì)比度較高，層次感及銳利度稍降低；3分，大部分解剖結(jié)構(gòu)較清楚，細(xì)節(jié)顯示欠清，層次感、銳利度較低但可接受；2分，解剖細(xì)節(jié)不足以被發(fā)現(xiàn)，層次感、銳利度低；1分，解剖結(jié)構(gòu)無法分辨，層次感低、銳利度差。主觀評(píng)分≤3分為圖像不可接受，不能滿足診斷要求。

客觀測(cè)量：采用AW 4.6后處理工作站，所有數(shù)據(jù)測(cè)量均由同1名放射科醫(yī)師完成。測(cè)量評(píng)估每組圖像的肝門、膽囊及腎門層面，將ROI分別置于肝臟、脾臟、胰腺、腎臟、膽囊、主動(dòng)脈、腹壁脂肪和腰大肌，采用compare功能保證各組圖像ROI形狀、大小、位置及層面的一致性，肝臟、主動(dòng)脈、脾臟ROI為圓形(直徑15 mm)，胰腺、膽囊、腎臟ROI為圓形(直徑10 mm)，腹壁脂肪和腰大肌為橢圓形(面積7 mm×5 mm)。對(duì)所有數(shù)據(jù)均測(cè)量3次取均值。記錄各部位的CT值和噪聲，即CT值的標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation, SD)。

1.3 輻射劑量 記錄常規(guī)掃描及0～100%前置ASIR-V條件下的容積CT劑量指數(shù)(CT dose index volume, CTDIvol)，并計(jì)算0～100%前置ASIR-V相對(duì)于常規(guī)掃描CTDIvol下降的百分比。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。計(jì)量資料以±s表示，計(jì)數(shù)資料以百分?jǐn)?shù)表示。獲得各組圖像CT值、噪聲、主觀評(píng)分及輻射劑量的最佳前置ASIR-V，將各組最佳ASIR-V比例的圖像與常規(guī)掃描組進(jìn)行比較。5組CT值、噪聲和輻射劑量多組比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)。5組圖像主觀評(píng)分采用FriedmanM檢驗(yàn)；觀察者間的一致性采用Kappa檢驗(yàn)(0≤Kappa≤0.20一致性極低、0.21≤Kappa≤0.40一致性一般、0.41≤Kappa≤0.60一致性中等、0.61≤Kappa≤0.80一致性較高，0.81≤Kappa≤1一致性很高)。以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 圖像質(zhì)量

2.1.1 主觀評(píng)分 2名醫(yī)師主觀評(píng)分一致性高(Kappa=0.78～1.00)，取2者均值。NI為6、8、10組，在0～40%間隨前置ASIR-V比例增高，主觀評(píng)分呈基本穩(wěn)定狀態(tài)；50%～100%間隨前置ASIR-V比例增高主觀評(píng)分逐漸降低，超過70%前置ASIR-V時(shí)，圖像主觀評(píng)分降至3分以下。NI為12、14組，在0～40%間隨前置ASIR-V比例的增高，圖像主觀評(píng)分呈略升高趨勢(shì)，至40%前置ASIR-V水平主觀評(píng)分達(dá)最高；50%～100%間隨前置ASIR-V比例的增高主觀評(píng)分逐漸降低，NI為12組超過60%前置ASIR-V、NI為14組超過50%前置ASIR-V圖像主觀評(píng)分降至3分以下(圖1)。NI為6、8、10組常規(guī)掃描圖像主觀評(píng)分與40%前置ASIR-V圖像差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.626、0.915、0.514)，優(yōu)于60%前置ASIR-V圖像(P=0.021、0.012、0.015)；NI為12、14組常規(guī)掃描圖像主觀評(píng)分略低于40%前置ASIR-V圖像(P=0.041、0.036)，優(yōu)于60%前置ASIR-V圖像(P=0.014、0.007)，見表1。

表1 不同組別在常規(guī)掃描和40%、60%前置ASIR-V的圖像主觀評(píng)分(分,±s)

表1 不同組別在常規(guī)掃描和40%、60%前置ASIR-V的圖像主觀評(píng)分(分,±s)

組別常規(guī)掃描40%前置ASIR-V60%前置ASIR-VNI=64.61±0.324.55±0.314.23±0.35NI=84.33±0.424.33±0.543.97±0.43NI=104.12±0.414.07±0.433.68±0.44NI=123.65±0.503.81±0.523.22±0.50NI=143.32±0.503.52±0.512.83±0.52

2.1.2 CT值 各NI組中，隨前置ASIR-V(0～100%)比例增加，不同部位的CT值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)。

2.1.3 噪聲 NI為6、8、10、12、14組，隨前置ASIR-V比例(0～100%)增高，各部位的SD值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)；常規(guī)掃描圖像各部位SD值與40%前置ASIR-V圖像、60%前置ASIR-V圖像差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(表2)。

2.2 輻射劑量 各NI組中，CTDIvol隨前置ASIR-V比例(0～100%)的增高，呈逐漸下降趨勢(shì)(圖2)。NI為6、8、10、12、14時(shí)，40%前置ASIR-V比例條件下其CTDIvol分別為9.83 mGy、5.48 mGy、3.42 mGy、2.30 mGy、1.69 mGy，較常規(guī)掃描CTDIvol下降比率分別為35.20%、51.93%、54.09%、54.27%、53.70%，平均49.82%；50%和60%前置ASIR-V比例條件下其CTDIvol較常規(guī)掃描下降比率平均62.51%、71.63%。

圖1NI為10組0～100%前置ASIR-V圖像的主觀評(píng)價(jià) 在0～40%前置ASIR-V水平，圖像主觀評(píng)分基本穩(wěn)定(A～E)，50%～100%前置ASIR-V水平，圖像主觀評(píng)分呈下降趨勢(shì)(F～K)，70%前置ASIR-V以上圖像主觀評(píng)分低于3(H～K)

表2 NI=10常規(guī)掃描和40%、60%前置ASIR-V圖像各部位SD比較(HU，±s)

表2 NI=10常規(guī)掃描和40%、60%前置ASIR-V圖像各部位SD比較(HU，±s)

設(shè)置肝臟脾臟胰腺腎臟膽囊主動(dòng)脈肌肉脂肪40%前置ASIR-V10.15±1.619.73±0.9310.22±2.849.27±1.638.41±1.259.20±1.339.60±1.646.70±1.0660%前置ASIR-V9.57±1.3210.11±0.939.82±2.259.66±0.948.11±1.129.50±1.559.70±1.815.90±1.34常規(guī)掃描9.71±1.929.12±1.5610.43±2.659.16±2.767.88±1.679.95±1.648.94±1.636.69±1.61t1值0.6981.9820.5940.4480.7961.4490.8150.557P1值0.5540.0950.6130.7390.3850.1320.3320.672t2值0.4430.6850.9881.4970.5780.4960.3151.685P2值0.7610.5710.2150.1260.5910.6620.8120.117

注：t1、P1值：常規(guī)掃描與40%前置ASIR-V比較；t2、P2：常規(guī)掃描與60%前置ASIR-V比較

圖2 各NI組CTDIvol隨前置ASIR-V比例變化

3 討論

迭代重建算法可降低圖像噪聲和偽影、提高圖像對(duì)比度[6]。自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)迭代重建算法已在臨床廣泛應(yīng)用。臨床采用的ASIR是ASIR和FBP兩種算法以不同比例組合而成，不同掃描部位及條件所需的ASIR比例不同，高比例ASIR可使圖像層次感下降，出現(xiàn)蠟狀偽影[6-7]。目前臨床使用ASIR有兩種目的：一是在原有掃描條件下優(yōu)化圖像質(zhì)量；二是降低管電流或管電壓，在維持圖像質(zhì)量條件下降低輻射劑量，但掃描參數(shù)具體降低程度和聯(lián)合ASIR的比例還無確定標(biāo)準(zhǔn)[8-9]。

ASIR-V是一種多模型迭代重建算法，較原有ASIR的物體和噪聲模型多納入了物理模型；且具有前置和后置兩種方式。已有研究[10]表明，后置ASIR-V與ASIR相比，降低噪聲和提高對(duì)比度效果更為顯著。后置ASIR-V也可通過降低掃描參數(shù)達(dá)到降低輻射劑量的目的[11-12]。前置ASIR-V是在掃描前設(shè)置，自動(dòng)管電流條件下在掃描時(shí)可通過智能降低管電流降低輻射劑量，臨床應(yīng)用價(jià)值較大。

本研究結(jié)果顯示隨前置ASIR-V水平提高，輻射劑量呈持續(xù)下降趨勢(shì)，至40%前置ASIR-V水平劑量降低約50%。圖像主觀評(píng)分在40%水平以下，隨前置ASIR-V比例增高呈基本穩(wěn)定或有提高趨勢(shì)，超過50%前置ASIR-V后圖像主觀評(píng)分下降，超過60%前置ASIR-V圖像空間分辨率和層次感明顯降低，不能滿足診斷需求；提示前置ASIR-V雖可降低輻射劑量，但不能使用過高水平。本研究各部位圖像CT值隨前置ASIR-V比例改變保持不變，與ASIR和后置ASIR-V相同，均不影響圖像CT值[10]。本研究還發(fā)現(xiàn)各NI水平圖像噪聲隨前置ASIR-V比例改變基本不變，提示前置ASIR-V是根據(jù)設(shè)置的NI在維持圖像噪聲基本穩(wěn)定下智能降低輻射劑量。

本研究的不足：因體模實(shí)驗(yàn)無增強(qiáng)圖像，故未評(píng)估SNR、CNR等參數(shù)；且體模研究不能完全替代臨床研究，需收集病例樣本進(jìn)行臨床試驗(yàn)，使前置ASIR-V在臨床優(yōu)化圖像質(zhì)量和輻射劑量中發(fā)揮最大價(jià)值。

總之，本研究通過對(duì)體模研究，發(fā)現(xiàn)前置ASIR-V可維持圖像CT值及噪聲基本不變，40%前置ASIR-V圖像質(zhì)量最好，40%～60%圖像可滿足基本診斷要求，可降低輻射劑量。

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