低輻射劑量聯(lián)合兩種不同重建方法對(duì)上腹部圖像質(zhì)量的影響

張喜榮，段海峰，馬光明，楊創(chuàng)勃，賀太平，郭長(zhǎng)義

1.陜西中醫(yī)藥大學(xué)，陜西咸陽(yáng) 712000；2.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；3.陜西中醫(yī)藥大學(xué)第二附屬醫(yī)院CT室，陜西咸陽(yáng) 712000； *通訊作者 郭長(zhǎng)義113124329@qq.com

CT在疾病的診斷和隨訪中得到廣泛應(yīng)用，電離輻射也隨之增加，輻射劑量對(duì)被照射人群的潛在危害也備受關(guān)注[1]，CT目前已成為醫(yī)療輻射的主要來(lái)源[2]。隨著現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展，利用迭代重建算法降低圖像噪聲、提高圖像質(zhì)量和降低掃描輻射劑量的研究越來(lái)越受到關(guān)注。自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)迭代重建（adaptive statistical iterative reconstruction，ASIR）可以不同程度地降低輻射劑量，權(quán)重為100%的ASIR重建算法可以減少82%的輻射劑量，權(quán)重為40%的ASIR重建算法可以減少42%~48%的輻射劑量[3]?；谀Ｐ偷牡亟ǎ╩odel based iterative reconstruction，MBIR）是近年新出現(xiàn)的一種重建算法。本研究探討ASIR和MBIR在低輻射劑量下降低噪聲和提高圖像質(zhì)量的能力，為臨床工作中降低掃描輻射劑量提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究對(duì)象 收集2016年6－12月陜西中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院疑似腹部病變并行上腹部CT檢查的40例患者，男30例，女10例；平均年齡（56.00±9.65）歲；平均體重（59.77±8.35）kg；平均身高（1.68±0.05）m。按隨機(jī)數(shù)字表法分為常規(guī)組和低輻射劑量組，每組20例。兩組患者年齡、體重指數(shù)和性別比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），見表1。

1.2 儀器與方法 采用GE Healthcare Discovery CT750 HD，常規(guī)腹部掃描模式。患者取仰臥位，頭先進(jìn)，掃描范圍從膈上2 cm至雙腎下極水平，并對(duì)甲狀腺及盆腔進(jìn)行放射防護(hù)。掃描參數(shù)：管電壓120 kVp，自動(dòng)電流，旋轉(zhuǎn)時(shí)間0.4 s，準(zhǔn)直器0.625×64 mm，層厚及層距為5 mm，螺距0.984∶1。對(duì)比劑均采用優(yōu)維顯370（370 mgI/ml），注射總量600 mgI/kg。采用德國(guó)Ulrich雙筒高壓注射器經(jīng)肘正中靜脈注入對(duì)比劑，注射結(jié)束后以相同的流速注射生理鹽水20 ml，分別行肝動(dòng)脈期（30 s）、門靜脈期（60 s）及延遲期（180 s）掃描。其中常規(guī)組采用噪聲指數(shù)（noise index，NI）為10，為常規(guī)掃描劑量；低輻射劑量組采用NI為20，為低輻射劑量掃描。

1.3 圖像重建 CT檢查結(jié)束后，用延遲期（180 s）掃描的圖像進(jìn)行圖像重建。常規(guī)組采用40% ASIR，低輻射劑量組采用40% ASIR和MBIR 2種重建方式對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行重建，其中MBIR數(shù)據(jù)的重建由日本東京女子醫(yī)學(xué)大學(xué)提供。數(shù)據(jù)重建結(jié)束后，分別得到NI 10 ASIR、NI 20 ASIR和NI 20 MBIR共3組圖像，重建層厚均為0.625 mm。將重建后的圖像傳至GE AW 4.4工作站，用Compare軟件進(jìn)行圖像觀察和分析，窗寬350 HU，窗中心50 HU。在肝臟、胰腺、脾臟、腎臟和豎脊肌顯示最佳的層面分別放置感興趣區(qū)（ROI）測(cè)量其CT值和噪聲（相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差為SD值），ROI面積為20~50 mm2，放置ROI時(shí)避開血管、邊緣和病灶，形態(tài)盡量保持一致。在相應(yīng)器官同層背部皮下脂肪密度較均勻的區(qū)域放置ROI，面積50 mm2，以背部脂肪組織的標(biāo)準(zhǔn)差作為圖像的背景噪聲（SD值）。各參數(shù)測(cè)量3次取平均值。

1.4 圖像客觀評(píng)價(jià) 根據(jù)公式（1）、（2）計(jì)算信噪比（SNR）和對(duì)比噪聲比（CNR）。

其中，CT值為所測(cè)器官的CT值，SD值為同層面脂肪的背景噪聲值。

1.5 圖像主觀評(píng)價(jià) 由2名經(jīng)驗(yàn)豐富的主治醫(yī)師采用盲法進(jìn)行圖像觀察。主觀評(píng)分法參考Hopper等[4]的5級(jí)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，①優(yōu)異：5分，圖像清晰細(xì)膩，無(wú)明顯噪聲，器官內(nèi)細(xì)小結(jié)構(gòu)顯示邊界銳利清晰；②較好：4分，噪聲增多，圖像尚清晰，細(xì)小解剖結(jié)構(gòu)顯示邊界尚清晰；③中等：3分，噪聲明顯但可以接受，細(xì)小解剖結(jié)構(gòu)可顯示但邊界不清；④較差：2分，噪聲明顯，超過可接受程度，細(xì)小解剖結(jié)構(gòu)顯示模糊，辨識(shí)困難；⑤極差：1分，噪聲極明顯，細(xì)小解剖結(jié)構(gòu)不能辨識(shí)。

1.6 輻射劑量 分別記錄常規(guī)組和低輻射劑量組的CT容積劑量指數(shù)（CT dose index volume，CTDIvol）及劑量長(zhǎng)度乘積（dose length product，DLP），根據(jù)公式（3）計(jì)算有效劑量（effective dose，ED）。

其中k為換算因子，取0.015 mSv/（mGy·cm）。

1.7 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 16.0軟件，計(jì)量資料以±s表示，兩組計(jì)量資料比較采用成組資料t檢驗(yàn)，3種重建方法所得圖像的客觀數(shù)據(jù)和主觀評(píng)分比較采用單因素方差分析；2名醫(yī)師對(duì)圖像評(píng)分的一致性采用Kappa檢驗(yàn)；年齡、體重指數(shù)和性別對(duì)結(jié)果的潛在影響采用邏輯回歸；P<0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 兩組個(gè)體因素和輻射劑量比較 低輻射劑量組的CTDIvol、DLP、ED均較常規(guī)組低，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05）；與常規(guī)組比較，低輻射劑量組的CTDIvol降低75.09%，DLP降低75.05%，ED降低73.74%，見表1。

表1 常規(guī)組與低輻射劑量組患者基本資料及輻射劑量比較

2.2 3種圖像重建方法圖像客觀評(píng)價(jià)比較 3種圖像重建方法下各器官的SD值、SNR及各器官與腹部脂肪的CNR比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），其中SD：NI 20 ASIR>NI 10 ASIR>NI 20 MBIR；SNR和CNR：NI 20 MBIR>NI 10 ASIR>NI 20 ASIR，見表2、圖1。

表2 3種重建方法圖像的SD、SNR和CNR比較（±s）

表2 3種重建方法圖像的SD、SNR和CNR比較（±s）

SD（HU）NI 20 ASIR 39.28±7.56 39.89±6.31 24.68±6.65 41.04±10.12 18.52±5.12F值 73.990 156.394 25.761 34.404 36.622SNR NI 20 ASIR 2.29±0.63 2.38±0.63 1.95±0.53 4.81±1.59 2.23±1.08F值 33.182 79.649 39.113 20.605 36.622CNR NI 20 ASIR 5.17±0.93 5.37±1.13 4.84±0.82 4.81±1.59 4.67±0.90F值 51.809 46.181 45.871 49.170 42.477

圖1 3種重建模式在不同器官的SD（A）、SNR（B）、CNR（C）比較

2.3 3種重建方法圖像主觀評(píng)價(jià)比較 2位醫(yī)師的主觀評(píng)分一致性較好（Kappa=0.726，P<0.05）。常規(guī)組NI 10 ASIR，低輻射劑量組NI 20 MBIR和NI 20 MBIR 組的主觀評(píng)分分別為 4.00±0.79、3.35±0.58、3.90±0.64。其中 NI 20 MBIR 重建圖像和 NI 10 ASIR重建圖像差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），NI 20 MBIR重建圖像和NI 20 ASIR重建圖像差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），提示使用MBIR重建方法，即使輻射劑量降低約75%，但圖像質(zhì)量仍能滿足診斷要求。見圖2。

圖2 不同重建方法圖像質(zhì)量比較。A、B.男，45歲，早期肝硬化病史，用NI 20 40% ASIR和NI 20 MBIR重建所得圖像；C.男，56歲，胃癌，用NI 10 40% ASIR重建所得圖像。由上述圖像質(zhì)量可知，使用MBIR的重建算法比40% ASIR降低約75%的輻射劑量，但圖像質(zhì)量仍可以滿足臨床診斷要求

3 討論

CT輻射劑量越來(lái)越受到廣泛關(guān)注，尤其是輻射所致的潛在致癌因素。既往研究表明，醫(yī)療輻射由1980年的10%上升至目前的48%，其中CT是醫(yī)療輻射的主要來(lái)源[2]。輻射劑量所誘導(dǎo)的致癌作用是隨機(jī)的，其發(fā)生率隨著輻射劑量的減少而降低。因此，如何在不影響診斷的前提下降低輻射劑量成為研究重點(diǎn)。減少輻射劑量可以通過優(yōu)化掃描參數(shù)和使用不同的重建算法實(shí)現(xiàn)。目前的重建算法包括濾波反投影（filtered back projection，F(xiàn)BP）和迭代重建算法（iterative reconstruction，IR），其中IR包括ASIR和MBIR。由于腹部缺乏自然對(duì)比，學(xué)者們更傾向于使用先進(jìn)的重建算法來(lái)降低腹部的輻射劑量。FBP在臨床上已經(jīng)得到廣泛使用，并作為CT重建算法的“金標(biāo)準(zhǔn)”[5]，但是由于其在低輻射劑量時(shí)降低噪聲和偽影的能力不足，忽視了原始數(shù)據(jù)在獲得過程中被量子噪聲和電子噪聲所影響的問題，導(dǎo)致其使用受限[5-7]。迭代重建技術(shù)最初用于PET和SPECT的圖像重建中，其主要缺點(diǎn)為重建速度慢，然而近年隨著計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力大幅提升，其重建速度明顯縮短，使得這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于CT，可以在降低患者輻射劑量的同時(shí)又不損失圖像質(zhì)量[5-9]。本研究擬比較ASIR和MBIR在降低掃描輻射劑量方面的能力。

ASIR是基于噪聲模型的數(shù)據(jù)空間的迭代重建，已廣泛應(yīng)用于臨床，較FBP能夠很好地降低噪聲和提高圖像質(zhì)量[6,10-14]。ASIR可以使用不同的權(quán)重調(diào)節(jié)圖像質(zhì)量，從0%到100%，權(quán)重為0%的ASIR生成的圖像為FBP和ASIR混合圖像，過高的ASIR權(quán)重會(huì)造成圖像過度均勻，出現(xiàn)“塑料樣偽影”，ASIR權(quán)重的選擇會(huì)直接影響到圖像質(zhì)量。Singh等[8]研究顯示，在不同情況下需要選擇合適的ASIR權(quán)重，如腹部掃描的CTDIvol為8.4 mGy，選擇30%~50%的ASIR較合適，故本研究采用40% ASIR進(jìn)行圖像重建。

MBIR算法是一個(gè)完全基于模型的迭代算法，不但結(jié)合了數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)內(nèi)光子和電子噪聲統(tǒng)計(jì)模型，而且還考慮了光學(xué)系統(tǒng)模型，其銳化邊緣、降低噪聲和提高密度分辨率的能力高于其他重建算法[14-16]，已逐步應(yīng)用于臨床。

本研究選取2種較新的重建算法，比較其提高圖像質(zhì)量及降低輻射劑量的能力。結(jié)果顯示，NI 20 ASIR重建的圖像客觀評(píng)價(jià)SD高于NI 10 ASIR重建的圖像，SNR和CNR低于NI 10 ASIR重建的圖像，NI 20 ASIR重建的圖像主觀評(píng)分低于NI 10 ASIR重建的圖像，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P<0.05），表明輻射劑量降低，利用ASIR重建模式不能得到滿意的圖像質(zhì)量。與NI 10 ASIR重建方式比較，NI 20 MBIR重建的圖像客觀評(píng)價(jià)SD低于NI 10 ASIR重建的圖像，SNR和CNR高于NI 10 ASIR重建的圖像，主觀評(píng)分NI 20 MBIR重建的圖像和NI 10 ASIR重建的圖像差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），因此利用MBIR重建模式可以得到滿意的圖像質(zhì)量，但是輻射劑量降低了約75%。

本研究的不足之處：圖像質(zhì)量5分評(píng)分法有待于進(jìn)一步細(xì)化，醫(yī)師分析評(píng)判時(shí)可能帶有一些主觀因素，將在后續(xù)研究中加以改進(jìn)。此外，本研究未對(duì)MBIR的重建速度進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，有待后續(xù)研究深入探討。

總之，低輻射劑量時(shí)，MBIR較ASIR重建算法可以進(jìn)一步減少噪聲，增加圖像的CNR和SNR，提高圖像質(zhì)量。盡管MBIR重建算法耗時(shí)長(zhǎng)，但其能有效地降低患者的輻射劑量，臨床應(yīng)用前景可觀。

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