兩種基于模型迭代重建算法在腹部低劑量CT中的應(yīng)用

1.陜西中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院影像科(陜西 咸陽 712000)

2.陜西中醫(yī)藥大學(xué)(陜西 咸陽 712046)

樊秋菊1,2 郭炎兵1,2 張兆國1,2師衛(wèi)華1 張?zhí)m欣1 谷春雨1楊創(chuàng)勃1,2

螺旋CT作為臨床工作最常見的檢查方法，如何在保證圖像質(zhì)量的前提下降低其輻射劑量是近年來影像專業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)問題[1]。研究[2-4]表明，與傳統(tǒng)濾波反投影算法(filtered back projection,FBP)相比，多種迭代重建(iterative reconstruction,IR)算法能夠在保持圖像質(zhì)量的前提下，大幅度降低輻射劑量。目前臨床應(yīng)用的重建算法中，基于模型迭代重建算法(model-based iterative reconstruction,MBIR)是新一代重建算法[5]，相比自適應(yīng)迭代重建，能夠有效提高圖像密度分辨力、降低硬化偽影，同時降低輻射劑量。本研究以自適應(yīng)迭代重建算法40%ASIR為基礎(chǔ)，對比新一代基于模型迭代重建算法MBIRSTND、MBIRNR40在腹部低輻射劑量掃描時的圖像質(zhì)量優(yōu)劣及輻射劑量減低率。

1 材料與方法

1.1 一般資料收集本院2016年9月到2017年8月之間腹部增強(qiáng)病例32例，所有患者均為臨床需要腹部增強(qiáng)復(fù)查患者，前后兩次復(fù)查時間間隔不超過三個月，所有患者簽署知情同意書。其中未能復(fù)查者及前后因病情進(jìn)展圖像變化較大者予以排除，保留20例患者用于本研究。其中肝臟轉(zhuǎn)移瘤8例，原發(fā)性肝癌3例，肝臟結(jié)節(jié)復(fù)查2例，胰腺癌3例，胃癌患者1例，淋巴瘤患者2例，膽囊癌患者1例。男性患者11例，女性患者9例，平均年齡(57.3±13.7)歲(35-80歲)，體重(64.4±11.7)Kg(42-78Kg)。

1.2 掃描與重建所有患者均采用GE Discovery CT750 HD寶石能譜CT進(jìn)行掃描，掃描前患者除去腹部金屬物品，飲水500-1000mL，進(jìn)行呼吸、屏氣訓(xùn)練。掃描時患者取仰臥位，雙手上舉置于頭頂，吸氣后屏氣掃描，掃描范圍自膈頂至恥骨下緣水平。層厚、層間距均為5.0mm，轉(zhuǎn)速0.6秒/轉(zhuǎn)，螺距1.375∶1，準(zhǔn)直器寬度64×0.625mm，采用120kVp管電壓、自動曝光控制技術(shù)(Auto mA)，預(yù)設(shè)噪聲指數(shù)(noise index，NI) 控制管電流。造影劑使用碘佛醇350mg/mL，按每公斤體重450mg碘含量計算用量，靜脈團(tuán)注5mL/s，打藥后分別在40s、70s、180s進(jìn)行動脈期、門脈期及延遲期掃描。首次檢查時行常規(guī)輻射劑量(NI=10)掃描，并40%ASIR算法重建出延遲期0.625mm薄層圖像，復(fù)查時延遲期采用低劑量(NI=20)方案掃描，分別重建MBIRSTND與MBIRNR40薄層圖像，然后分別進(jìn)行對比分析。記錄前后兩次掃描的劑量長度乘積(DLP)和CT劑量指數(shù)(CTDIVOL)。

1.3 圖像評價

1.3.1 客觀評價：將先后兩次掃描數(shù)據(jù)重建薄層圖像后，由一名放射醫(yī)師使用AW4.6工作站，選取肝門、脾門及右側(cè)豎脊肌同一層面、同一位置放置ROI，測量相應(yīng)CT值及噪聲(SD)值，測量三次取平均值，計算各組重建圖像肝臟、脾臟和肌肉的SNR(SNR肝=CT值肝/SD值)、CNR[CNR肝=肝CT值-肌肉CT值)/肌肉SD值]。比較常規(guī)劑量(NI=10)40%ASIR圖像與低劑量(NI=20)MBIRSTND、MBIRNR40圖像的SD值、SNR及CNR，結(jié)果以(χ-±s)表示。

1.3.2 主觀評價：由兩名高年資放射醫(yī)師以常規(guī)劑量40%ASIR圖像為基準(zhǔn)，以盲法、隨機(jī)從圖像銳利度、噪聲、偽影及診斷接受度對低劑量組重建圖像以5分法[6]進(jìn)行分別主觀評分。1分：低劑量圖像明顯差于常規(guī)劑量圖像；2分：低劑量圖像略差于常規(guī)劑量圖像；3分：低劑量圖像與常規(guī)劑量圖像相當(dāng)；4分：低劑量圖像略優(yōu)于常規(guī)劑量圖像；5分：低劑量圖像明顯優(yōu)于常規(guī)劑量圖像。當(dāng)兩名醫(yī)師對評分結(jié)果不一致時，由第三位高年資醫(yī)師進(jìn)行最終評分。

1.3.3 輻射劑量：保證前后兩次掃描范圍一致，記錄每例患者每次檢查的延遲期掃描劑量長度乘積(DLP)和CT劑量指數(shù)(CTDIVOL)，計算輻射劑量減低率。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析采用SPSS 22.0統(tǒng)計學(xué)分析軟件，對不同算法重建圖像的SD值、SNR和CNR進(jìn)行單因素方差分析，用LSD-t檢驗(yàn)進(jìn)行兩兩比較。兩名醫(yī)師評分結(jié)果一致性采用Kappa檢驗(yàn)，Kappa≤0.4為一致性差；0.4＜Kappa≤0.75為一致性中等；Kappa＞0.75為一致性好。P＜0.05為差異具有統(tǒng)計學(xué)意義。兩名醫(yī)師對不同重建方法的圖像的主觀評分以中位數(shù)(第一百分位數(shù)，第三百分位數(shù))表示，結(jié)果使用Friedman等級變量分析。

2 結(jié) 果

2.1 低劑量MBIRSTND圖像與常規(guī)劑量40%ASIR圖像之間SD值、SNR和CNR之間差異無統(tǒng)計學(xué)意義，P＞0.05。常規(guī)劑量40%ASIR、低劑量MBIRSTND、MBIRNR40圖像之間SD值依次減低，SNR和CNR依次增高，MBIRNR40圖像噪聲最小，SNR及CNR值最高，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P＜0.01)。如表1。

2.2 兩名醫(yī)師對不同重建算法圖像質(zhì)量主觀評分一致性好(Kappa值為0.813，P＜0.001)。常規(guī)劑量40%ASIR主觀評分為3(3，4)，低劑量MBIRSTND主觀評分為3(3，4)，MBIRNR40主觀評分為4(4，5)。常規(guī)劑量40%ASIR與低劑量MBIRSTND圖像主觀評分無統(tǒng)計學(xué)差異(調(diào)整后P=1)，常規(guī)劑量40%ASIR與MBIRNR40圖像主觀評分差異具有統(tǒng)計學(xué)差異(調(diào)整后P=0.008)，低劑量MBIRSTND與MBIRNR40圖像主觀評分差異亦具有統(tǒng)計學(xué)差異(調(diào)整后P=0.01)如圖1-4。

2.3 首次常規(guī)劑量掃描延遲期DLP為(376.39±160.4)mGy*cm，CTDIVOL為(12.16±5.18)mGy，復(fù)查時低劑量掃描DLP與CTDIVOL分別為(95.56±47.17)mGy*cm、(3.04±1.48)mGy，DLP與CTDIVOL分別降低74.6%、74.8%，P＜0.01。

3 討 論

1990年Naidich等[7]首先提出低劑量CT掃描，從最開始的優(yōu)化掃描程序、降低管電壓、自動調(diào)整管電流等多種單純降低掃描條件，到目前改進(jìn)原始數(shù)據(jù)重建算法，越來越多的低劑量掃描方案及重建算法已被研究出來并投入使用[8]。例如GE的ASIR、Philips的iDose等，其作用就是在低輻射劑量掃描條件下利用不同重建算法生成可被臨床接受的圖像。

表1 各種重建算法之間多參數(shù)比較

圖1-4 患者男，49歲，胰頭癌致肝內(nèi)膽管擴(kuò)張；圖1-3分別為40%ASIR（NI=10）、MBIR-STND（NI=20）、MBIRNR40（NI=20）的0.625mm重建冠狀位圖像。圖3噪聲最低，圖像細(xì)膩，硬化偽影少，細(xì)節(jié)顯示清晰，肝內(nèi)膽管與肝實(shí)質(zhì)對比良好，圖像質(zhì)量最佳，兩名醫(yī)師主觀評分均為5分；圖1相比與圖2-3噪聲較高，圖像硬化偽影較大，細(xì)節(jié)顯示稍模糊，圖像質(zhì)量略低；圖2與圖1相當(dāng)，主觀評分均為4分。圖4為三種重建算法處理的圖像中肝臟的各客觀參數(shù)比較。

MBIR[9](商品名VEO)是GE公司推出的與之匹配的Discovery CT750 HD寶石能譜CT的一套新的重建算法，其特點(diǎn)是對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位迭代重建，不需要與FBP圖像混合。該技術(shù)不僅結(jié)合了數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)內(nèi)光子和電子噪聲統(tǒng)計模型，還考慮了光學(xué)系統(tǒng)模型[10]。MBIR能對X射線光學(xué)系統(tǒng)和信號采集過程進(jìn)行建模，對真實(shí)信號和噪聲進(jìn)行合理分離，在降噪的同時最大限度地保留圖像的真實(shí)性，可在保持圖像空間分辨力的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低輻射劑量[11]。

但是傳統(tǒng)MBIR圖像存在隨機(jī)斑紋狀偽影，可導(dǎo)致部分細(xì)小結(jié)構(gòu)邊界顯示模糊。MBIRN[12]在傳統(tǒng)MBIR基礎(chǔ)上增加了紋理增強(qiáng)設(shè)置，在采集空間內(nèi)對噪聲進(jìn)行重新平衡分布，使噪聲和空間分辨率更加均勻，用以解決斑紋狀偽影。MBIRN包括例如standard(MBIRSTND)、resolution preference(MBIRRP20/MBIRRP5代表增加空間分辨率20%和5%)、noise reduction(MBIRNR40/MBIRNR5代表減少40%和5%噪聲)[13]。本次研究的是腹部圖像，對空間分辨率要求不高，而是需要更好的密度分辨率，因此選擇降低噪聲最好的MBIRNR40和兼顧空間分辨率與密度分辨率的MBIRSTND做對比。本次研究也證明MBIRNR40在腹部降噪處理上明顯優(yōu)于MBIRSTND重建。

因ASIR重建圖像根據(jù)比重大小而變化，比重越大圖像蠟狀偽影越明顯，因此以腹部最佳ASIR比重40%[14-15]重建作為對照，發(fā)現(xiàn)低劑量MBIRSTND圖像與常規(guī)ASIR40%圖像在SD值、SNR、CNR上差別不具有統(tǒng)計學(xué)意義，主觀評分相仿，可以等效腹部常規(guī)ASIR40%重建。而低劑量MBIRNR40圖像在MBIR基礎(chǔ)上增加了40%降噪，因此較常規(guī)劑量ASIR40%、MBIRSTND圖像噪聲(SD)更低，SNR、CNR更高，能在輻射劑量降低75%的條件下獲得比常規(guī)劑量40%ASIR更好的圖像質(zhì)量。

本研究所使用的MBIRN重建，在重建時間上明顯長于可以實(shí)時顯示圖像的FBP和ASIR重建；不同重建算法圖像間有一定特征性，對主觀評分結(jié)果有一定影響；受檢者病例數(shù)目較少，致使研究樣本數(shù)較小。

總之，相較于單純改變掃描條件的減低輻射劑量的方法，多迭代重建算法在這方面的作用更突出。ASIR、MBIRN有各自的優(yōu)勢，在不考慮重建所需時間的情況下，MBIRNR40能夠顯著降低噪聲和提高信噪比。在降低75%輻射劑量的情況下，MBIRSTND可提供等效于常規(guī)ASIR40%的圖像質(zhì)量，MBIRNR40圖像質(zhì)量明顯優(yōu)于常規(guī)劑量ASIR40%重建。因此，MBIRNR40、MBIRNR40的重建算法具有進(jìn)一步降低腹部掃描劑量的潛力。