新一代基于模型的迭代重建在提高上腹部CT圖像質(zhì)量中的應(yīng)用價(jià)值

師衛(wèi)華，黨珊，燕洋洋

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

引言

基于電離輻射的線性非閾值理念，即使小劑量X線也潛在的致癌風(fēng)險(xiǎn)，因此如何踐行合理抑低原則、降低輻射劑量已成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的熱點(diǎn)問題[1]。相較于濾波反投影（Filtered Back Projection，F(xiàn)BP）較高的噪聲、明顯的條紋偽影和較差的空間分辨率[2]，通過改進(jìn)和優(yōu)化數(shù)據(jù)處理以允許輻射劑量減少的同時(shí)保持診斷圖像質(zhì)量[3]的多種迭代重建（Iterative Reconstruction，IR），為進(jìn)一步降低輻射劑量提供了一種新的途徑。本研究比較FBP、常規(guī)基于模型的迭代重建（Conventional Model-Based Iterative Reconstruction，MBIRc）、新一代基于模型的迭代重建（New Version of Model-Based Iterative Reconstruction，MBIRn）對常規(guī)劑量腹部CT圖像質(zhì)量的影響，探討MBIRn在提高腹部CT圖像質(zhì)量中的應(yīng)用價(jià)值和降低輻射劑量的潛能。

1 資料與方法

1.1 基本資料

臨床回顧性隨機(jī)收集我院2016年6至10月行上腹部增強(qiáng)掃描180 s延遲期的60例受檢者，年齡38～83歲，平均年齡（60.95±10.09）歲；體重39～79 kg，平均體重（57.70±8.94）kg。CT擬診為：肝占位37例、胰腺癌7例、胃癌6例（2例術(shù)后轉(zhuǎn)移）、膽囊癌4例、壺腹周圍癌4例，食管癌、結(jié)腸癌術(shù)后轉(zhuǎn)移各1例。

1.2 掃描方法及參數(shù)

使用寶石能譜CT（Discovery CT750HD），掃描靜止?fàn)顟B(tài)下水模（日本京都科學(xué)有限公司CT-200B型）中密度分辨率部分，分別采用標(biāo)準(zhǔn)算法FBP、MBIRc，層厚 0.625 mm 的 5種 MBIRn設(shè) 置（MBIRNR40、MBIRNR05、MBIRstndy、MBIRRP05、MBIRRP20）重建圖像后進(jìn)行對比分析。臨床研究患者仰臥位，雙手上舉，采取吸氣末單次屏氣掃描，范圍為從掃描范圍自膈頂至肝下緣水平。掃描條件：層厚和層間距5.0 mm；X線管旋轉(zhuǎn)時(shí)間0.6 s/轉(zhuǎn)；螺距1.375：1；準(zhǔn)直器寬度為0.625×64；電壓120 kVp；自動管電流調(diào)制技術(shù)預(yù)設(shè)5 mm層厚噪聲指數(shù)為10，控制管電流。分別采用標(biāo)準(zhǔn)算法FBP、MBIRc，MBIRn中MBIRNR40重建層厚0.625 mm的圖像后進(jìn)行對比分析。

1.3 數(shù)據(jù)測量及圖像質(zhì)量評價(jià)

所有數(shù)據(jù)測量由一名具有7年工作經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)師，在AW4.6（GE Health Care）工作站進(jìn)行。體模研究觀察各種算法重建水模中密度分辨率部分軸位圖像，根據(jù)大小不等圓形低密度影的顯示效果對各算法密度分辨率進(jìn)行排序。臨床研究客觀評價(jià)方面，選擇目測密度均勻并避開明顯偽影區(qū)的背部肌肉、皮下脂肪，肝脾實(shí)質(zhì)放置感興趣區(qū)，記錄CT值平均值及標(biāo)準(zhǔn)差（Standard deviation，SD），以SD值作為背景噪聲，以背部肌肉為基準(zhǔn)計(jì)算出肝脾對比噪聲比（Contrast to Noise Ratio，CNR）。比較FBP、MBIRc和MBIRn中MBIRNR40三種重建上圖像噪聲和肝脾CNR。主觀評價(jià)方面，由兩位放射科醫(yī)師（7年和15年CT診斷經(jīng)驗(yàn)）經(jīng)PACS工作站（華海）三維觀察，初始腹窗為240/40 HU，觀察者可根據(jù)自己習(xí)慣調(diào)整窗寬窗位。以MBIRc圖像為基準(zhǔn)，采用7級半定量目測評分法[4]對FBP和MBIRNR40算法重建圖像的主觀噪聲和細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)、病變邊緣清晰度評分：0為與MBIRc圖像無明顯差異；-3為最差并影響判斷，+3為最好最清晰；-2為較差并可影響判斷，2為較好并有利于判斷；-1為稍差但不影響判斷，+1稍優(yōu)但不影響判斷。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 20.0軟件，對不同算法重建圖像的SD和CNR進(jìn)行單因素方差分析；主觀評分用Wilcoxon檢驗(yàn)。P＜0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 體模研究

水模結(jié)果提示MBIRNR40密度分辨率最高，F(xiàn)BP重建密度分辨率最差，密度分辨率由高到低依次為MBIRNR40＞MBIRNR05＞MBIRstndy≈MBIRc＞MBIRRP05＞MBIRRP20＞FBP （圖1）。

圖1 日本京都科學(xué)有限公司CT-200B型水模中密度分辨率部分

2.2 客觀評價(jià)

MBIRNR40重建圖像背部肌肉和皮下脂肪噪聲低于MBIRc和FBP重建，F(xiàn)BP重建圖像噪聲最大（P＜0.05）；MBIRNR40重建圖像肝脾CNR大于MBIRc和FBP重建，F(xiàn)BP重建圖像CNR最?。≒＜0.05）（圖2）。三種重建算法在背部肌肉、皮下脂肪噪聲及肝脾CNR比較，見表1。

圖2 患者食管癌術(shù)后肝臟多發(fā)轉(zhuǎn)移、淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移影像

表1 FBP、MBIRc與MBIRNR40重建圖像在背部肌肉、皮下脂肪、肝脾噪聲及肝脾CNR的比較

2.3 主觀評價(jià)

MBIRNR40重建的主觀圖像噪聲最低，MBIRNR40重建更清晰顯示上腹部細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)和病變邊緣特征，在主觀噪聲和上腹部細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)和病變邊緣特征方面，兩名醫(yī)師主觀評分中位數(shù)均為2分，最高評3分，最低評1分，優(yōu)于MBIRc，F(xiàn)BP重建的主觀圖像噪聲最高，兩名醫(yī)師主觀評分中位數(shù)均為-1分，最高評-1分，最低評-2分，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）（圖 3）。

圖3 結(jié)腸癌肝臟多發(fā)轉(zhuǎn)移影像

3 討論

多排螺旋CT由于成像時(shí)間短、適應(yīng)癥廣、高質(zhì)量多平面三維成像、密度分辨率高等特點(diǎn)，在上腹部占位性病變中廣泛使用，但X線劑量安全自CT發(fā)明伊始就是設(shè)備廠商、放射醫(yī)生、衛(wèi)生行業(yè)管理及監(jiān)督機(jī)構(gòu)無法回避的問題，已成為醫(yī)源性輻射的主要來源，限制了CT更廣泛的應(yīng)用。目前臨床上普遍使用和行之有效的降CT輻射劑量技術(shù)有降低管電壓、降低管電流、增大螺距、迭代重建算法[5]和電流電壓調(diào)制、改進(jìn)探測器等。商用CT的標(biāo)準(zhǔn)算法FBP[6]在輻射劑量的降低時(shí)會增加圖像噪聲，導(dǎo)致圖像質(zhì)量降低，這種劑量與圖像質(zhì)量間的制衡關(guān)系限制了輻射劑量的進(jìn)一步降低[7-8]。近年來，隨著算法的逐漸優(yōu)化，計(jì)算機(jī)容量擴(kuò)大、運(yùn)算速度加快等使其重建圖像速度不斷加快，IR已在臨床實(shí)踐中逐漸常規(guī)應(yīng)用。這種通過在多次迭代中提高圖像質(zhì)量、降低圖像噪聲和偽影的方式能夠在較低的輻射劑量下獲得噪聲較小的高質(zhì)量圖像，與FBP相比在降低X線輻射劑量方面有明顯優(yōu)勢[9-11]。

MBIR僅在投影數(shù)據(jù)空間實(shí)現(xiàn)全迭代重建，除了建立系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)模型之外，還建立了系統(tǒng)光學(xué)模型，對體素、X射線光子初始位置和探測器幾何因素均通過模型進(jìn)行模擬，真實(shí)地還原了射線發(fā)射、吸收和信號采集的全過程，可明顯降低噪聲和提高空間分辨率[12]，有助于提高腹部CT圖像質(zhì)量，具有降低腹部CT輻射劑量的潛能[13]，在不影響CT整體圖像質(zhì)量的前提下可減少近80%的輻射劑量[14]，優(yōu)于已廣泛應(yīng)用于臨床的混合迭代重建[15]。事實(shí)上，上述的研究結(jié)論所使用的迭代重建均基于MBIRc，其僅有一種設(shè)置，即0.625 mm/standard，有研究發(fā)現(xiàn)MBIRc圖像隨機(jī)存在一些斑紋狀偽影[16]，其可在組織界面處導(dǎo)致階梯狀外觀而使部分細(xì)小結(jié)構(gòu)邊界模糊。本體模及臨床研究中也發(fā)現(xiàn)類似的情況，研究中觀察兼顧空間分辨率和降噪的MBIRc圖像雖然噪聲較低，空間分辨率較高，但斑紋狀偽影可降低重建圖像主觀評分。新近推出的MBIRn可有效的解決斑紋狀偽影，且提供重建0.625、1.25、2.5、3.75和5.0 mm五種增厚和更多設(shè)置：有與MBIRc相同的物理特性 standard（MBIRstndy）、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），合理選擇后能進(jìn)一步改善低輻射劑量條件下的圖像質(zhì)量。另外MBIRn還增添了一個(gè)新的可選的紋理增強(qiáng)設(shè)置，用以在整個(gè)采集空間內(nèi)重新平衡噪聲分布來使噪聲和空間分辨率分布更均勻，例如MBIRNR40增加紋理增強(qiáng)設(shè)置后表述為MBIRNR40/Tx。本研究體模實(shí)驗(yàn)中觀察MBIRNR40密度分辨率最高，F(xiàn)BP重建密度分辨率最差，重建密度分辨率由高到低依次為MBIRNR40＞MBIRNR05＞MBIRstndy≈MBIRc＞MBIRRP05＞MBIRRP20＞FBP，驗(yàn)證了噪聲大小是影響CT圖像密度分辨力的主要原因[17]。腹部CT成像對密度分辨率要求高且其對圖像質(zhì)量的影響最為重要[18]，也提示在上腹部CT成像時(shí)降噪能力最強(qiáng)的MBIRNR40可能是最優(yōu)重建設(shè)置，因此本研究臨床部分比較FBP、MBIRc和MBIRn中MBIRNR40三種重建算法，探討這種降噪能力最強(qiáng)的MBIRn設(shè)置在提高上腹部CT圖像質(zhì)量中的應(yīng)用價(jià)值。研究表明MBIRNR40重建的圖像噪聲最低，重建更清晰顯示細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)和病變邊緣特征，優(yōu)于MBIRc和FBP。與既往國內(nèi)外研究[19-20]結(jié)論相同，但這些研究均基于MBIRc，本研究進(jìn)一步比較MBIRc和MBIRn，表明MBIRn中的降噪設(shè)置MBIRNR40在腹部成像中優(yōu)于MBIRc。

本研究尚存在一些問題：首先，由于MBIR重建時(shí)間長，遠(yuǎn)慢于實(shí)時(shí)顯示圖像的FBP[21]，但相信隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，此不足近期將得到解決。其次，雖然本研究主觀評價(jià)采用盲法和隨機(jī)化，但各種重建算法圖像存在一定程度特點(diǎn)，這可能導(dǎo)致觀察者評分偏見。最后，IR的優(yōu)勢體現(xiàn)在對低劑量CT圖像質(zhì)量的影響，今后將進(jìn)一步驗(yàn)證多種MBIRm設(shè)置在低劑量條件下提高圖像質(zhì)量的價(jià)值。

總之，在常規(guī)劑量上腹部CT掃描時(shí)，與MBIRc、FBP重建相比，MBIRn中的MBIRNR40可顯著降低圖像的噪聲、提高信噪比，可更清晰顯示細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)和病變邊緣特征，這為降低上腹部CT輻射劑量提供潛能。