多模型自適應(yīng)統(tǒng)計迭代重建算法對降低腰椎CT輻射劑量的作用

賈慧娟， 魏里， 劉大亮， 李釗， 宋培記， 王玲玲， 付玉存

隨著多排螺旋CT在疾病診斷中的應(yīng)用，輻射安全問題愈受到人們的關(guān)注。目前已有很多降低輻射劑量方法，新材料探測器、自動管電流調(diào)節(jié)、應(yīng)用降噪濾線器等[1]。降低管電流是目前應(yīng)用的減少輻射劑量的主要方法，但管電流降低后應(yīng)用濾波反投影法(filtered back-projection,FBP)進行圖像重建會增加圖像噪聲，因此在保證圖像質(zhì)量的前提下，應(yīng)用該方法減少輻射劑量的幅度是有限的。迭代重建算法可顯著抑制噪聲[2]，近年來相關(guān)研究很多。 如果選擇高權(quán)重的ASiR-V，自動管電流調(diào)節(jié)技術(shù)(smart mA)將相應(yīng)的減小掃描時的管電流，而減小管電流帶來的噪聲增加則會通過后重建時使用對應(yīng)權(quán)重的ASiR-V進行補償。因此，在掃描時選擇高權(quán)重的ASiR-V能夠有效的降低輻射劑量并降低圖像噪聲，從而使保證圖像質(zhì)量并降低輻射劑量成為可能。本研究的目的在于探討低劑量腰椎掃描時迭代重建(ASiR-V)的最佳權(quán)重的選擇。將此方法應(yīng)用于臨床，將使一些特殊患者(育齡期婦女及對輻射嚴重敏感的患者)進行腰椎掃描成為可能。

表1 患者體重指數(shù)、掃描長度及輻射劑量參數(shù)比較

材料與方法

1.一般資料

選用2016年12月-2017年5月期間進行腰椎CT掃描且BMI在25～29之間的患者共60 例，隨機分為A、B、C 3組，分別采用0%、40%、60%ASIR-V掃描和重建。每組20例。男共37例，女共23例，年齡26～67歲，中位45歲。病例剔除標(biāo)準(zhǔn):年齡>70歲；BMI<25或BMI>29；有椎體金屬植入者；骨質(zhì)嚴重疏松的患者；腰椎嚴重側(cè)彎患者；孕婦或計劃受孕者。

2.檢查方法及圖像重組

采用GE Revolution 256層CT進行掃描。患者仰臥位、屈膝 60°；螺旋掃描，探測器準(zhǔn)直0.625×80 mm，矩陣512×512，螺距0.992，層厚2.5 mm，層間距2.5 mm，旋轉(zhuǎn)時間0.5 s；掃描范圍胸12椎體下緣至骶1上緣。A、B、C 3組管電壓KV均設(shè)置為120 kV，噪聲指數(shù)NI設(shè)置為10。 三組患者在掃描時分別選取0%、40%和60%ASiR-V的后重建權(quán)重，自動mA調(diào)節(jié)(范圍100～700 mA)。圖像采用1.5 mm層厚進行多平面重組。

3.輻射劑量

記錄掃描長度、CT容積劑量指數(shù)(CTDose volume index，CTDIvol)、劑量長度乘積(dose length product,DLP)、并計算出有效輻射劑量(effective dose,ED) ，公式：

ED=DLP×k(k=0.011 mSv/mGy·cm)[3]

4.圖像質(zhì)量客觀評估

對L4-5平面椎間盤、硬膜囊、腰大肌及椎體分別進行CT值(MD)測量，測量3次取平均值。硬膜囊感興趣區(qū)(ROI)大小為10 mm2，其余感興趣區(qū)大小約為100 mm2，選ROI時避開偽影、血管、以及間盤退變區(qū)等。測出感興趣區(qū)CT值及SD值[standard deviation，標(biāo)準(zhǔn)差，各數(shù)據(jù)偏離平均數(shù)的距離(離均差)的平均數(shù)]。計算信噪比(SNR) 、椎間盤與硬膜囊對比噪聲比(CNR) ，計算公式[4]：

5.圖像質(zhì)量的主觀評價

由2名高年資醫(yī)師雙盲對圖像評價并評分。圖像窗寬、窗位分別為350、50 HU( 軟組織窗) ，2500、800 HU (骨窗) 。評價L4-5層面間盤、椎間孔、黃韌帶、硬膜囊及小關(guān)節(jié)，評價標(biāo)準(zhǔn)[5]：2分(軟組織結(jié)構(gòu)清晰，其邊緣清楚，無偽影，且診斷明確)； 1分(軟組織結(jié)構(gòu)清晰，邊緣欠清，有輕度偽影，但尚可診斷)；0分(軟組織結(jié)構(gòu)不清，邊緣模糊，偽影較重，不能進行診斷)。

6.統(tǒng)計學(xué)方法

結(jié) 果

1.患者基本參數(shù)及所受輻射劑量(表1)

A、B、C 3組的BMI(體重指數(shù))和掃描長度差異無統(tǒng)計學(xué)意義。CTDIvol和DLP依次降低有統(tǒng)計學(xué)意義。三組的有效輻射劑量(ED)分別是6.66 mSv，4.47 mSv，3.51 mSv，B組和C組分別較A組顯著降低了33%和47%。

圖1 a) 椎間盤(箭)層面測量示意圖，長箭示椎小關(guān)節(jié)；b) 椎體(箭)測量示意圖。 圖2 a) ASIR-V迭代率為0%時L4-5間盤圖像； b) ASIR-V迭代率為0%時椎體矢狀面MPR圖像。 圖3 a) ASIR-V迭代率為40%時L4-5間盤圖像； b) ASIR-V迭代率為40%時椎體矢狀面MPR圖像。 圖4 a) ASIR-V迭代率為60%時L4-5間盤圖像； b) ASIR-V迭代率為60%時椎體矢狀面MPR圖像。

部位A組B組C組F值P值A(chǔ)-BA-C椎間盤SNR5.20±1.005.53±0.575.38±0.500.7320.730.86腰大肌SNR3.77±0.693.82±0.413.80±0.560.0430.820.81硬膜囊SNR1.89±0.311.73±0.421.76±0.370.905>0.05>0.05L4椎體SNR5.33±1.075.73±0.80 5.52±1.110.8010.150.54椎間盤與硬膜囊CNR0.16±0.040.15±0.060.15±0.050.440>0.05>0.05

2.客觀圖像質(zhì)量評價(表2)

B組各感興趣區(qū)(L4-5平面椎間盤、硬膜囊、右側(cè)腰大肌及L4椎體松質(zhì)骨)SNR、椎間盤與硬膜囊CNR與A組SNR、CNR無顯著統(tǒng)計學(xué)差異(P>0.05)；C組各感興趣區(qū)(L4-5平面椎間盤、硬膜囊、右側(cè)腰大肌及L4椎體松質(zhì)骨)SNR、椎間盤與硬膜囊CNR與A組SNR、CNR無顯著統(tǒng)計學(xué)差異(P>0.05)。

3.主觀圖像評分(表3)

主觀圖像3組椎間盤、硬膜囊及黃韌帶組織結(jié)構(gòu)均顯示清晰；椎間盤、硬膜囊及黃韌帶A組(圖2a)與 B 組(圖3a)、A組與C組(圖4a)主觀圖像質(zhì)量評分無明顯差異(P>0.05)。椎小關(guān)節(jié)間隙A組(圖2b)較 B組(圖3b)、C組(圖4b) 清晰。

表3 主觀圖像評分

注：椎小關(guān)節(jié)B、C組與A組對照有顯著統(tǒng)計差異(P<0.05)。

討 論

由于腹部脂肪較厚，常規(guī)CT腰椎檢查需要較高的穿透力，因此射線劑量較其他部位要高約15%[6]。這使得腰椎低劑量掃描顯的更為重要。腰椎CT 低劑量掃描輻射劑量可減少程度大于其他低組織對比度部位，比如腹部和腦部，相比它們可降低輻射劑量20%～40%[7-8]。這是由于大部分腰椎 CT 掃描的組織界面間有高對比度，比如椎體和椎間盤。以往降低輻射劑量的措施有降低管電壓、降低管電流、增大螺距等，由于噪聲過大，圖像質(zhì)量明顯降低，影響其臨床應(yīng)用。這是因為采用慮波反投影重建技術(shù)(filtered back projection，F(xiàn)BP)，這種技術(shù)具有相對較高的噪聲、條紋偽影和較差的低對比檢測性，并且噪聲在通過濾波反射投影后會被放大。要想保證圖像質(zhì)量又大幅降低輻射劑量是不可能的[9]?；谀Ｐ偷牡亟M技術(shù)(model-based iterative reconstruction，MBIR)不僅考慮到數(shù)據(jù)的統(tǒng)計噪聲性質(zhì)，而且對探測系統(tǒng)的光學(xué)性質(zhì)也在重建中一并加以考慮[10]。主要優(yōu)勢是在低信噪比下可以迭代得到比FBP 更好的圖像質(zhì)量，但最大的缺陷是數(shù)據(jù)量大，重建時間長[11-12]。最早應(yīng)用的迭代重組技術(shù)是自適應(yīng)統(tǒng)計迭代重組(adaptive statistical interative reconstruction，ASIR )它結(jié)合濾波反射投影技術(shù)，在降低輻射劑量的同時獲得更優(yōu)的圖像質(zhì)量[13，14]。本研究采用的ASIR-V技術(shù)是將MBIR降低輻射劑量及提高圖像質(zhì)量的優(yōu)點與ASIR系統(tǒng)重組速度快的優(yōu)點相結(jié)合，與FBP及ASIR系統(tǒng)相比，在顯著降低輻射劑量的基礎(chǔ)上，可以降低圖像噪聲、增高圖像對比噪聲比、提高空間分辨率[15]。但ASIR-V技術(shù)臨床應(yīng)用尚不廣泛，應(yīng)用不同迭代率處理所得圖像質(zhì)量不同。筆者前期在腰椎掃描后置迭代率的選取上做了些研究，總結(jié)出在相同的掃描條件下當(dāng)?shù)蕿?0%時圖像質(zhì)量最佳，到80%時圖像出現(xiàn)明顯蠟像。進而制定了本研究方案，目的為了研究前置ASIR-V在腰椎掃描中的優(yōu)勢以及找出最佳迭代率。

研究結(jié)果表明B組有效輻射劑量較A組平均降低約33%；C組有效輻射劑量較A組平均降低約47%，B、C組各感興趣區(qū)SNR、CNR與A組SNR、CNR無顯著統(tǒng)計學(xué)差異(P>0.05)；除椎小關(guān)節(jié)，A、B、C組圖像主觀評分無顯著性差異,觀察者間一致性很好。這表明當(dāng)?shù)蕿?0%、60%時均可以降低輻射劑量，而且可以保證得到較優(yōu)的圖像；迭代率為60%時輻射劑量更低，因此作為首選。我們采用的是前置ASIR-V，掃描時已經(jīng)把噪聲指數(shù)Ni設(shè)置為10，通過自動mA調(diào)節(jié)技術(shù)保證在KV固定的情況下，噪聲指數(shù)不提高。又進一步通過ASIV迭代率的改變，機器可以自動計算出通過重建方式的改良能降低mAs，因此，從一開始掃描時我們就用了較低的mAs，降低了輻射劑量，這和后期重建時采用ASIV是有區(qū)別的，這樣掃描前就可以根據(jù)不同的要求調(diào)整噪聲指數(shù)，對于一些輻射劑量要求更嚴格的患者，比如育齡期婦女及對輻射嚴重敏感的患者。如果圖像質(zhì)量沒有要求那么高，只要能滿足基本診斷，不影響臨床治療即可，那么可以進一步通過降低噪聲指數(shù)來降低輻射劑量。本研究的意義就在于掌握了ASIR-V迭代率為60%時圖像質(zhì)量不會下降，在腰椎掃描時就掌握了ASIR-V可以選取多少，然后噪聲指數(shù)可以根據(jù)需要選取，從而找到了針對患者個體的最佳掃描方案。方案沒有把ASIR-V迭代率80%列出來進行研究，原因是兩個，一個是當(dāng)ASIR-V迭代率為80%時，圖像會出現(xiàn)明顯的蠟像，影響診斷，這在前期后置ASIR-V腰椎掃描的研究中是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了的。還有一個原因是因為倫理問題，如果采用ASIR-V迭代率80%掃描失敗的話，患者會因此增加一次掃描劑量，這不符合倫理要求。椎小關(guān)節(jié)C組圖像質(zhì)量較A組是下降的，這給了我們一個提示，在細微骨結(jié)構(gòu)上ASIR-V有其局限性，這應(yīng)該和骨密度有關(guān)。

本研究不足:由于同一患者不能進行常規(guī)與低劑量圖像質(zhì)量對比，因此對精確差異沒有進行評估；診斷準(zhǔn)確性仍需更大的樣本及手術(shù)來證實。

總之，與常規(guī)劑量掃描相比，低輻射劑量掃描參數(shù)結(jié)合適當(dāng)?shù)牡亟?quán)重可明顯降低輻射劑量的同時不影響圖像質(zhì)量，使臨床一些特殊患者(育齡期婦女及對輻射嚴重敏感的患者)進行腰椎掃描成為可能。