非線性融合技術(shù)在頭頸部CTA中的價值:體模實驗

王國樹，呂發(fā)金，周 旸，孫靜坤 (重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院放射科，重慶 400016)

頭頸部多層螺旋CTA無創(chuàng)、便捷，且與DSA診斷符合率較高，已被廣泛用于動脈瘤、動脈畸形、動脈粥樣硬化等頭頸部血管病變的診斷中[1]。雙源雙能量CT優(yōu)化對比顯示技術(shù)近年受到關(guān)注，其中非線性融合(non-linear blending, NLB)技術(shù)在提高血管內(nèi)碘對比度[2-4]、改善分支血管顯示能力[5]、改進(jìn)主觀圖像質(zhì)量[6-7]、降低對比劑用量和注射速率[8-10]以及降低輻射劑量[11]等方面的應(yīng)用已有較多報道。本研究對頭頸部仿真體模進(jìn)行不同條件CTA掃描，對比采用NLB、線性融合(linear blending, LB)技術(shù)的低劑量頭頸部CTA與常規(guī)120 kV的CTA圖像質(zhì)量，探討NLB技術(shù)提高圖像質(zhì)量和降低輻射劑量的價值。

1 材料與方法

1.1 實驗材料 采用PBU-60型CT頭頸部仿真體模(日本Kyoto KAGAKU公司)，該體模由與人體同等X線吸收率的組織等效材料制成，模擬成年男性的顱骨、腦組織、腦室及左側(cè)頸內(nèi)動脈、大腦前動脈、大腦中動脈。

1.2 儀器與方法 采用Siemens Somatom Definition Flash炫速雙源CT機(jī)，以不同條件對體模進(jìn)行掃描。單能量掃描模式(常規(guī)120 kV圖像)，管電壓120 kV，螺距1.0，掃描時間4.60 s；雙能量掃描模式，80/Sn140 kV，螺距分別為0.5、0.8、1.0及1.2，掃描時間分別為5.59 s、3.74 s、3.13 s及2.71 s。2種模式均采用實時動態(tài)曝光劑量調(diào)節(jié)CARE Dose 4D技術(shù)，準(zhǔn)直器寬度128×0.6 mm，原始數(shù)據(jù)均采用迭代算法(SAFIRE，等級3)重建，重建卷積核為I30f，掃描層厚5 mm，層間距5 mm，重建層厚0.6 mm，層間距0.5 mm。

1.3 圖像后處理 采用Siemens MMWP2后處理工作站對圖像進(jìn)行后處理及分析。對雙能量圖像采用Dual-Energy軟件行LB處理(LB圖像)，融合系數(shù)(M)為0.3；再用Optimum contrast軟件行NLB處理(NLB圖像)，融合中心(blending center, BC)為100，融合寬度(blending width, BW)為200。

1.4 圖像質(zhì)量分析

1.4.1 主觀評價 對常規(guī)120 kV圖像、螺距分別為0.5、0.8、1.0、1.2的LB圖像和NLB圖像共9組圖像進(jìn)行VR及MIP重建。由2名具有5年及以上工作經(jīng)驗的放射科醫(yī)師分別對9組圖像從血管壁光滑程度、血管分支顯示清晰度和背景噪聲3方面進(jìn)行主觀評價：5分，血管壁光滑，血管分支清晰可見，無明顯背景噪聲；4分，血管壁較光滑，血管分支可見，背景噪聲??；3分，血管壁欠光滑，血管分支顯示欠清晰，背景噪聲明顯；2分，血管壁不光滑，血管分支顯示不清，背景噪聲較大；1分，血管壁模糊，血管分支無法觀察，背景噪聲大。最終得分為2名醫(yī)師的平均分，所有圖像窗寬均為400 HU，窗位均為100 HU。

1.4.2 客觀評價 采用MMWP2工作站的Viewer軟件對9組圖像進(jìn)行同步數(shù)據(jù)測量，確保9組圖像中同一部位的ROI大小、位置一致。在連續(xù)5層軸位重建圖像中，將ROI置于頸內(nèi)動脈頸段、大腦中動脈及同層面皮下組織內(nèi)，測量其CT值和噪聲值(SD)，計算CNR，CNR=(血管CT值-皮下組織CT值)/皮下組織SD值，取其平均值。

1.5 輻射劑量 記錄單能量掃描模式和螺距為0.5、0.8、1.0、1.2的雙能量掃描模式共5組掃描方式的有效管電流、容積CT劑量指數(shù)(volume CT dose index， CTDIvol)、劑量長度乘積(dose-length product， DLP)，計算有效劑量(effective dose， ED)，ED=k×DLP，k為歐盟委員會推薦的成人頸部權(quán)重因子，k=0.005 9[12]。

1.6 統(tǒng)計學(xué)分析 采用SPSS 20.0統(tǒng)計分析軟件。計量資料以±s表示，9組圖像的CT值、CNR比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用LSD法。P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 圖像質(zhì)量

2.1.1 客觀圖像質(zhì)量 不同螺距NLB、LB圖像及常規(guī)120 kV圖像的大腦中動脈、頸內(nèi)動脈的CT值、CNR差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P均<0.01，表1)。螺距為0.5、0.8、1.0、1.2的NLB圖像大腦中動脈和頸內(nèi)動脈的CT值顯著均大于螺距為0.5、0.8、1.0、1.2的LB圖像和常規(guī)120 kV圖像(P均<0.05)；螺距為0.5、0.8的NLB圖像大腦中動脈和頸內(nèi)動脈的CNR值顯著大于螺距為1.0、1.2的NLB圖像，螺距為0.5、0.8、1.0、1.2的LB圖像和常規(guī)120 kV圖像(P均<0.05)。螺距相同時，NLB圖像與LB圖像CNR差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P均>0.05)。

表1 9組圖像中，大腦中動脈及頸內(nèi)動脈CT值、CNR比較(±s)

表1 9組圖像中，大腦中動脈及頸內(nèi)動脈CT值、CNR比較(±s)

圖像 大腦中動脈CT值(HU)CNR頸內(nèi)動脈CT值(HU)CNRNLB圖像 螺距0．5320．20±25．2154．41±14．11376．55±7．4363．96±12．40 螺距0．8317．08±17．0954．32±13．60386．85±8．8666．88±17．92 螺距1．0316．58±32．5337．50±14．90374．93±9．0743．55±11．66 螺距1．2330．78±44．8539．59±9．05374．33±12．2544．89±8．73 LB圖像 螺距0．5254．72±18．5449．84±6．92314．35±4．0961．71±6．26 螺距0．8260．70±17．1244．71±11．06321．90±6．8055．25±13．34 螺距1．0260．93±25．2534．37±7．47312．38±8．2540．78±5．60 螺距1．2267．85±36．8835．88±4．39310．60±4．7241．99±6．04 常規(guī)120kV圖像221．43±11．5738．65±4．57251．80±2．2544．28±3．06 F值7．822．33138．794．01 P值<0．01<0．01<0．01<0．01

圖1 CTA圖像 A.螺距為1.2的LB圖像，評分3分； B.螺距為1.0的LB圖像，評分3.5分； C.螺距為0.8的LB圖像，評分4分； D.螺距為0.5的LB圖像，評分5分； E.螺距為1.2的NLB圖像，評分3分； F.螺距為1.0 的NLB圖像，評分3.5分； G.螺距為0.8的NLB圖像，評分4分； H.螺距為0.5的NLB圖像，評分5分； I.常規(guī)120 kV圖像，評分4分

2.1.2 主觀圖像評分 螺距為0.5時，LB、NLB圖像得分最高，評分均為5分；螺距為0.8時，LB、NLB圖像與常規(guī)120 kV圖像評分均為4分；螺距為1.0、1.2時，LB、NLB圖像評分為3.5或3分。見圖1。

2.2 輻射劑量 雙能量掃描的CTDIvol、DLP和ED均低于單能量掃描方式。與單能量掃描方式比較，雙能量掃描螺距為0.8時ED降低36.12%，螺距為1.0時ED降低46.28%，螺距為1.2時降低53.22%。見表2。

3 討論

雙能量CT可提供高kVp和低kVp 2組圖像。其中低kVp圖像中血管內(nèi)碘對比劑CT值較高，易于發(fā)現(xiàn)病灶，但噪聲較大；高kVp圖像噪聲小，圖像細(xì)膩，但血管內(nèi)碘對比劑CT值低，血管和病灶對比度較差。雙能量CT NLB技術(shù)可將高、低kVp圖像融合，在提高血管或病灶CT值的同時，降低圖像噪聲，LB或NLB系數(shù)不同，對圖像質(zhì)量的改善效果不盡相同[13]。LB是按照線性比例將高低兩種能量進(jìn)行融合，隨著融合系數(shù)增大，低kVp圖像所占比例增加。LB圖像CT值=M×低kVp圖像CT值+(1-M)×高kVp圖像CT值。NLB方法很多，包括二元融合、斜率融合、高斯融合以及Moidal融合等。其中Moidal NLB法是一種改良的S型函數(shù)曲線融合技術(shù)，包含BC和BW兩個參數(shù)。如果某像素CT值BC+BW/2，該像素將會以100%低kVp顯示，以獲得最大的圖像對比度；如果某像素CT值介于BW的范圍內(nèi)，則隨著CT值增高，低kVp與高kVp呈近似一定斜率的可變比例融合，直到100%低kVp的圖像用于重建[14]。設(shè)定不同的融合參數(shù)會影響圖像的融合效果，而融合參數(shù)的設(shè)定取決于觀察組織的CT值。從NLB的原理來看，融合中心的設(shè)定應(yīng)低于血管CT值，且高于血管周圍軟組織的CT值。

表2 單能量與雙能量掃描方式輻射劑量的比較

本研究采用頭頸仿真體模，預(yù)試驗中通過不同BC和不同BW的組合，重組出不同融合系數(shù)的圖像，計算不同BC、BW對應(yīng)圖像頸內(nèi)動脈及皮下組織的CT值和SD值，以最大CT值和最小SD值對應(yīng)的BC、BW值(BC=100、BW=200)作為本研究采用的最終值。根據(jù)文獻(xiàn)[15]和[16]，本研究LB系數(shù)M選擇0.3。

本研究結(jié)果表明，4種不同螺距NLB圖像中，大腦中動脈和頸內(nèi)動脈的CT值顯著大于4種不同螺距LB圖像和常規(guī)120 kV圖像(P均<0.05)；且雙能量掃描方式螺距為0.8時，圖像質(zhì)量評分與單能量掃描方式相同，均為4分，而ED降低36.12%。以上結(jié)果提示，NLB技術(shù)可在提高或保持圖像質(zhì)量的同時減低輻射劑量。

本實驗優(yōu)勢在于采用頭頸部仿真體模，可以重復(fù)掃描，無倫理問題，且所用體模對X線的衰減與正常人體一致，其結(jié)果真實可靠。本研究局限性：①體模結(jié)構(gòu)較正常人體組織簡單，無法模擬活體動脈循環(huán)的復(fù)雜性，未考慮個體差異等，但本研究結(jié)果與針對人體的研究結(jié)果[14，17]相符；②只測量了頸內(nèi)動脈和大腦中動脈的CT值和CNR，但臨床上大多顱內(nèi)動脈瘤發(fā)生于顱底動脈環(huán)周圍[18]，有助于與后期臨床研究相對照；③未深入探討CT值、CNR與螺距的關(guān)系，可能與融合原理、迭代重建等因素有關(guān)，需要進(jìn)一步研究證實。

綜上所述，雙源雙能量CT NLB技術(shù)在提高血管對比度、改善圖像質(zhì)量、降低輻射劑量方面具有優(yōu)勢。聯(lián)合使用CARE Dose 4D 技術(shù)和迭代重建技術(shù)，能夠獲得滿意圖像，有效降低輻射劑量。