新一代基于模型的迭代算法在胸部低劑量CT篩查中的應(yīng)用

左秀娟， 賀太平， 張開元， 賈永軍， 馬光明， 王咪

隨著多層螺旋CT技術(shù)的不斷的改進(jìn)與完善，CT平掃已成為胸部早期篩查最常用的檢查方法。然而，CT檢查的輻射劑量顯著高于傳統(tǒng)的X線檢查，這就在一定限度上限制了CT的應(yīng)用。隨著輻射劑量不斷降低，圖像噪聲會(huì)越來越大，圖像質(zhì)量不斷下降以致于無法滿足診斷要求。新一代的多模型迭代重建技術(shù)(model-based iterative reconstruction,MBIR)在極低劑量的條件下可以顯著降低圖像噪聲，改善圖像質(zhì)量[1]。本研究的目的是比較采用自適應(yīng)性統(tǒng)計(jì)迭代算法(adaptive statistical iterative reconstruction，ASIR)和MBIRn中肺特異性設(shè)置(MBIR NR40和MBIR RP20)3組低劑量胸部CT圖像的質(zhì)量，探討新一代基于模型的迭代重建(MBIRn)中肺特異性設(shè)置(MBIR NR40和MBIR RP20)在低劑量胸部CT圖像質(zhì)量的臨床應(yīng)用價(jià)值。

材料與方法

1.一般資料

前瞻性搜集2016年4-12月查體患者30例，其中男17例，女13例。年齡31～77歲，平均年齡(57.8±14.9)歲，中位年齡40歲，所有患者的體質(zhì)量指數(shù)(BMI)在正常范圍(18.5 kg/m2≤BMI<25 kg/m2)。

2.檢查方法

采用GE Discovery CT750 HD(HDCT)掃描機(jī)行胸部CT平掃，自動(dòng)管電流調(diào)制技術(shù)，管電壓為120 kVp，噪聲指數(shù)(noise index，NI)為28 HU，旋轉(zhuǎn)時(shí)間0.6 s，螺距1.375，層厚5 mm。

3.圖像處理與分析

由能譜CT掃描結(jié)束后，分別采用ASIR40%和MBIRn中肺特異性設(shè)置(MBIR NR40和MBIR RP20)3種重建算法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行重建，層厚為0.625 mm。

客觀評(píng)價(jià)：分別在胸廓入口層面、氣管隆突下層面和上腹肝門層面進(jìn)行測量標(biāo)準(zhǔn)算法ASIR40%和MBIR NR40和MBIR RP20 三組圖像中背部肌肉、皮下脂肪CT值和標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation，SD)，SD代表圖像噪聲，感興趣區(qū)(region of interest,ROI)大小為50～200 mm2，計(jì)算背部肌肉、皮下脂肪的信噪比(signal noise ratio,SNR)，SNR=CT值/SD值。計(jì)算MBIRn中的肺特異性設(shè)置(MBIR NR40和MBIR RP20)相對(duì)于ASIR40%的噪聲降低率和SNR提高率。噪聲降低率=(SD ASIR 40%-SDMRIRn)/SDASIR40% ，n=NR40或RP20，SNR提高率=(SNRMRIRn-SNR ASIR 40%)/SNRMRIRn，n=NR40或RP20。各參數(shù)重復(fù)測量3次，取均值。

主觀評(píng)價(jià)：由兩名副高級(jí)及以上職稱放射科醫(yī)生分別在肺算法ASIR40%、MBIR NR40和MBIR RP20評(píng)價(jià)肺內(nèi)結(jié)構(gòu)，在標(biāo)準(zhǔn)算法ASIR40%、MBIR NR40和MBIR RP20評(píng)價(jià)縱隔結(jié)構(gòu)，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)分為：①主觀圖像噪聲，分為5級(jí)(1分=噪聲過重，完全無法接受，2分=噪聲較重，但尚可接受，3分=中等噪聲，4分=噪聲較輕，5分=噪聲較微)；②肺內(nèi)結(jié)構(gòu)(支氣管及肺血管)和縱隔內(nèi)結(jié)構(gòu)(血管和淋巴結(jié))清晰度分為5級(jí)(1=無法接受的可視程度，2=欠佳的可視程度，3=可接受的可視程度，4=超過平均水平，5=出色的可視)[2]。

4.電離輻射劑量記錄

容積CT劑量指數(shù)(CT dose index of volume，CTDI)、劑量長度乘積(dose length product，DLP)算有效劑量(effetive dose，ED)，ED=DLP×k，其中k為胸部掃描轉(zhuǎn)換因子(0.014)[3]。

5.統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

結(jié) 果

1.電離輻射劑量

本組低劑量胸部掃描CTDIvol為(1.84±1.74) mGy，DLP為(66.25±61.50) mGy/cm，平均有效電離輻射為(0.88±0.86) mSv。

2.圖像質(zhì)量定量分析

三組薄層重建圖像背部肌肉、皮下脂肪的SD和SNR見表1、2。3組圖像中ASIR40%噪聲最大，SNR最低； MBIR NR40圖像噪聲最低，SNR最高。MBIRn中的肺特異性設(shè)置(MBIR NR40和MBIR RP20)相對(duì)于ASIR40%的噪聲降低率和SNR提高率(圖1)。

3.圖像質(zhì)量定性分析

兩名副高及以上職稱放射科醫(yī)生對(duì)30例肺部CT平掃病例采用ASIR40%、MBIR NR40和MBIRRP20 3種重建算法所得圖像的定性評(píng)價(jià)具有良好一致性，重建算法影響圖像噪聲、圖像對(duì)比度、細(xì)微結(jié)構(gòu)可視程度見表3：ASIR40%噪聲最大，部分解剖細(xì)節(jié)不能顯示；MBIR NR40主觀噪聲最低，縱隔內(nèi)結(jié)構(gòu)顯示最清晰，MBIR RP20肺內(nèi)血管及支氣管顯示最清晰(圖2)。

圖1 兩種重建算法相對(duì)于ASIR40%的噪聲降低率和SNR提高率(%)

重建算法ASIR40%MBIR NR40MBIR RP20F/Z值P值氣管隆突下 肌肉49.54±10.509.83±3.1129.97±4.5977.58#0.000 脂肪34.38±6.8911.20±4.9627.84±5.2661.23#0.000胸廓入口 肌肉44.47±13.018.67±1.9328.75±3.5874.59#0.000 脂肪33.00±9.1211.81±8.8227.43±7.9248.52*0.000上腹部 肌肉51.75±7.629.52±1.8532.92±4.5578.09#0.000 脂肪41.68±7.4410.51±6.3327.96±5.15179.85*0.000

注：*單因素方差分析；#非參數(shù)檢驗(yàn)；3種重建算法兩兩比較(P<0.05)。

表2 三種重建算法在胸廓入口、氣管隆突下和上腹部SNR的比較

注：*單因素方差分析；#非參數(shù)檢驗(yàn)；3種重建算法兩兩比較(P<0.05)。

討 論

近年來，CT輻射劑量存在的潛在危害越來越受到關(guān)注，尤其對(duì)于體檢患者。圖像質(zhì)量與電離輻射劑量有關(guān)，采用較高的輻射劑量可以獲得較高質(zhì)量的圖像，但當(dāng)噪聲非常低時(shí)，繼續(xù)增大輻射劑量，所得到的圖像質(zhì)量改善并不明顯[4]。由于肺和縱隔具有良好的天然密度對(duì)比，胸部就成為低輻射劑量螺旋CT最佳應(yīng)用部位[5]。美國CT的檢查數(shù)量只占所有X線成像技術(shù)的11%，但其所帶來的輻射劑量卻占所有醫(yī)療成像輻射劑量的2/3以上。 據(jù)測算，常規(guī)胸部CT輻射劑量大約是胸部X線片的10～100倍[6]。本研究前瞻性搜集低輻射劑量胸部CT平掃的體檢患者30例(噪聲指數(shù)28)，比較自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)迭代重建(ASIR)、新一代基于模型的迭代重建(MBIRn)中肺特異性設(shè)置(MBIR NR40和MBIR RP20) 3種重建技術(shù)在胸部低輻射劑量CT篩查圖像質(zhì)量。

自適應(yīng)性統(tǒng)計(jì)迭代算法ASIR技術(shù)利用系統(tǒng)噪聲模型消除圖像噪聲，考慮到焦點(diǎn)、體素和探測器的實(shí)際幾何大小，通過對(duì)X線生成和檢測過程進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)模型建立，在迭代計(jì)算的過程中反復(fù)加以校正，降低了圖像噪聲，彌補(bǔ)濾波反投影法(filtered back projection,FBP)的不足，同時(shí)可降低輻射劑量，已被臨床認(rèn)可并得到廣泛應(yīng)用[7]。ASIR的權(quán)重設(shè)置可以將FBP數(shù)據(jù)和ASIR數(shù)據(jù)按不同比例加權(quán)融合，從0%到100%不等(間距10%)的混合圖像。文獻(xiàn)報(bào)道隨著0% ASIR～100% ASIR權(quán)重不斷增加，圖像的噪聲、偽影均依次減少，圖像分辨率不斷提高，圖像主觀質(zhì)量評(píng)分曲線呈拋物線形態(tài)，其中以40%～60% ASIR 重建圖像質(zhì)量評(píng)分最高[8]。本研究采用ASIR40%權(quán)重進(jìn)行研究。

MBIR是對(duì)體素、X射線光子初始位置和探測器幾何因素進(jìn)行模擬，真實(shí)地還原射線發(fā)射、吸收和信號(hào)采集的全過程，通過迭代方法從每一個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)點(diǎn)的水平將統(tǒng)計(jì)噪聲和光學(xué)模糊效應(yīng)從原始數(shù)據(jù)空間中不斷去除，比FBP和ASIR更能反映CT系統(tǒng)的真實(shí)情況，在重建圖像上更為準(zhǔn)確地還原掃描信息。孫記航等[9]搜集80kVp下41例兒童患者的CTA進(jìn)行MBIR、30% ASIR及FBP重建，得出MBIR圖像質(zhì)量明顯高于ASIR及FBP圖像。Miéville等[10]對(duì)20例平均11.4歲患有肺囊性纖維化的兒童研究發(fā)現(xiàn)，MBIR在一個(gè)很小的輻射劑量的情況下仍能保持低的圖像噪聲和高的信噪比，同時(shí)MBIR還能觀察到胸膜下血管和肺裂這些FBP不能觀察到的微小結(jié)構(gòu)。以上研究均是基于初始版本MBIR的研究，新一代基于模型的重建算法MBIRn支持重建25種類型的圖像：標(biāo)準(zhǔn)，降噪設(shè)置5(noise reduction,NR 5)，降噪設(shè)置40(noise reduction 40,NR 40)，提高空間分辨率的resolution preferenceMBIR分別代表空間分辨率的5%和20%等[11]。本研究表明MBIR可顯著降低圖像噪聲，提高信噪比，更清晰顯示掃描范圍內(nèi)的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)和病變邊緣特征，并以MBIRRP20和MBIRNR40評(píng)估了新版本的MBIR的圖像質(zhì)量。MBIRNR40為MBIR中降噪能力最強(qiáng)的設(shè)置，但卻犧牲少量空間分辨率。對(duì)于圖像噪聲，本研究顯示與ASIR40%相比，MBIR NR40和MBIR RP20兩種算法圖像肌肉SNR分別較ASIR40%組提高440.71%、58.41%，脂肪SNR分別較ASIR40%組提高264.84%、30.99%(P均<0.05)。MBIR NR 40的噪聲最低，SNR最高。在主觀評(píng)價(jià)上，MBIR RP20的對(duì)細(xì)微結(jié)構(gòu)可視程度比MBIR NR 40和ASIR40%更敏銳，對(duì)肺內(nèi)末梢小血管及支氣管、淋巴結(jié)邊緣情況顯示最佳，與Yasaka等[11]研究結(jié)果基本一致。

表3 三種算法重建圖像質(zhì)量主觀評(píng)分比較

圖2 男，43歲，體檢未見明顯異常，圖示為3種重建算法獲得薄層軸面圖像(層厚均為0.625mm)，用軟件的compare功能保證3幅圖像在同一層面，箭示縱膈下淋巴結(jié)，肺血管遠(yuǎn)端細(xì)小分支。 a) ASIR40%肺窗。噪聲最大，圖像顆粒感強(qiáng)，SNR最低，縱膈內(nèi)淋巴邊緣顯示不清； b) MBIR RP20肺窗。噪聲較低，SNR較高，縱膈內(nèi)淋巴結(jié)邊緣隱約可見； c) MBIR NR40肺窗。噪聲最小，圖像細(xì)膩、光滑，SNR最高，縱膈內(nèi)淋巴結(jié)的邊緣清晰可見； d) ASIR40%縱膈窗。胸膜下血管顯示不清； e) MBIR RP20縱膈窗。胸膜下血管清晰可見； f) MBIR NR40縱膈窗。胸膜下血管隱約可見。 MBIR RP20組具有最高空間分辨率，MBIR NR40組具有最小噪聲及最大SNR。

本研究的不足之處在于①樣本量較小，可能存在選擇偏倚，在今后的研究中將加大樣本量；②尚未研究MBIR及不同掃描層厚對(duì)圖像質(zhì)量的影響，這些將在后續(xù)研究中加以改進(jìn)和完善；③雖然主觀評(píng)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的特點(diǎn)，這可能導(dǎo)致觀察者評(píng)分偏見；④MBIR技術(shù)重建時(shí)間較長，目前尚未常規(guī)應(yīng)用于臨床[12]。

綜上所述，在低劑量胸部CT掃描的條件下，相比ASIR40%組，MBIR組能明顯提高圖像質(zhì)量，具有進(jìn)一步降低掃描劑量的潛力，其中MBIR NR40主觀噪聲最低，縱隔內(nèi)結(jié)構(gòu)顯示最清晰，MBIR RP20肺內(nèi)血管及支氣管顯示最清晰。