全模型迭代重建對肝硬化門靜脈圖像質(zhì)量的影響

唐琴， 夏振元， 莫欣鑫， 龍莉玲

門靜脈CT成像(CT portal venography，CTPV)是目前評估門靜脈的主要檢查方法，肝硬化患者由于門靜脈分支受壓，且血流動力學發(fā)生改變，嚴重影響CTPV圖像質(zhì)量，因此如何清晰顯示肝硬化患者門靜脈分支及側(cè)枝循環(huán)情況，對臨床評估患者病情有著重要指導意義。增加對比劑劑量、濃度及注射流率可提高CTPV質(zhì)量，但其同時也增加了不良反應的風險。全模型迭代重建技術(shù)(iterative model reconstruction,IMR)是一種基于完整模型在投影數(shù)據(jù)空間進行完全迭代重建的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，具有提高圖像空間分辨率、明顯降低噪聲和條紋偽影的特性[1]。IMR依據(jù)降噪水平不同，分為level Ⅰ～Ⅲ三個等級(IMRlevel1、IMRlevel2、IMRlevel3)，且級別越高，噪聲降低越明顯，圖像信噪比越高。但目前國內(nèi)有關(guān)IMR重建技術(shù)應用于門靜脈成像中的研究較少，本研究通過分析比較不同降噪等級IMR圖像與iDose4圖像之間質(zhì)量的差異性，旨在初步探討IMR技術(shù)在提高CTPV圖像質(zhì)量中的價值。

表1 各重建組定量指標對比分析結(jié)果

材料與方法

1.一般資料

按時間隨機原則，搜集2018年3-7月行上腹部門靜脈成像的肝硬化患者25例，其中失代償患者19例，男23例，女2例，年齡32～79歲，平均(56±14.2)歲。

2.檢查方法

檢查前告知患者空腹，口服適量溫水，測量身高、體重、心率并肘靜脈預埋留置針。采用Philips256層螺旋CT(Brilliance iCT)行上腹部增強掃描，對比劑采用碘海醇(300 mg I/mL)，流率4.0 mL/s，劑量1.5 mL/kg。掃描范圍膈頂至雙腎下極水平，動脈期掃描開始時間采用對比劑追蹤檢測技術(shù)，監(jiān)測點為腹主動脈起始部，觸發(fā)掃描閾值120 HU，門脈期掃描開始時間為動脈期掃描結(jié)束后28 s，管電壓100 kV，管電流295 mAs。重建方式：IMRlevel1、IMRlevel2、IMRlevel3和iDose4，重建間隔及層厚為1 mm。

3.圖像質(zhì)量評價

客觀評價：將不同重建方法所得圖像同時傳入飛利浦AW4.1星云工作站，測量門靜脈主干分叉部以下3個層面及同層面背景肝實質(zhì)CT值,門靜脈ROC面積約為斷面的2/3，肝背景ROC選擇無肝臟大血管分支區(qū)，面積約為門靜脈ROC面積的1～2倍，3次測量的平均值為最終數(shù)據(jù)，并計算門靜脈信噪比(SNR)以及門靜脈-肝實質(zhì)對比信噪比(CNR)，計算公式：SNR=CT值/SD，CNR=(CT門靜脈-CT肝)/SD肝

主觀評價：使用最大密度投影(MIP)及容積再現(xiàn)技術(shù)(VR)對不同重建數(shù)據(jù)進行門靜脈重組，MIP圖采用一致的窗寬和窗位，結(jié)果由2名具有10年以上腹部影像診斷經(jīng)驗的醫(yī)師對門靜脈圖像質(zhì)量進行評分。主要評價門靜脈主干及分支光滑度及組織對比度，評分采用雙盲5分制。雙盲實現(xiàn)辦法：①在后處理工作站隱藏樣本采集所有掃描重建參數(shù)，使評分醫(yī)師不知道圖像重建所采用數(shù)據(jù)重建方法及降噪級別。②讓兩位醫(yī)師在不同時間評分，相互不知道彼此的評分結(jié)果。評分原則：5分：邊緣光滑銳利，無顆粒感，組織對比度佳；4分：邊緣稍毛糙，稍有顆粒感，組織對比度佳；3分：邊緣較毛糙，顆粒感較強，組織對比度良好；2分：邊緣明顯毛糙，顆粒感顯著，組織對比度尚可；1分：邊緣模糊，顆粒感顯著，組織對比度差；矛盾者最終評分由兩名共同商定。

4.統(tǒng)計學方法

結(jié) 果

1.圖像質(zhì)量客觀分析結(jié)果

各組門靜脈主干CT值及噪聲(SD)數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布，方差齊(P>0.05)；單因素方差分析示各組門靜脈主干CT值差異無統(tǒng)計學意義(F=0.023，P=0.995)，而各組門靜脈主干噪聲(SD)差異具有統(tǒng)計學意義(F=0.44.71，P=0.00)，對噪聲(SD)進一步LSD-t兩兩比較，結(jié)果示各組差異均具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)，且隨著降噪級別增加，噪聲(SD)逐漸降低；信噪比(SNR)及對比信噪比(CNR)數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布，方差不齊(P=0.00)，Dunnett's T3兩兩比較差異均具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。且與降噪級別成正比(表1)。IMR圖像噪聲減低率分別為IMRlevel135.50%、IMRlevel255.37%、IMRlevel369.23%。

圖1 同一肝硬化患者采用不同重建方法所得的門靜脈MIP圖像，WL為260，WW為371；a) 常規(guī)iDose4數(shù)據(jù)重建圖示門靜脈主干及分支邊緣明顯毛糙，顆粒感顯著(箭)，組織對比度尚可，評2分； b～d) IMR數(shù)據(jù)重建圖。b) IMRlevel1降噪水平下的重建圖，門靜脈主干及分支邊緣較毛糙，顆粒感較強(箭)，組織對比度良好，評3分； c) IMRlevel2降噪水平下的重建圖，門靜脈主干及分支邊緣稍毛糙，稍有顆粒感(箭)，組織對比度佳，評4分； d) IMRlevel3降噪水平下的重建圖，門靜脈主干及分支邊緣光滑銳利，無顆粒感(箭)，組織對比度佳，評5分。

2.圖像主觀客觀分析結(jié)果

兩位醫(yī)師對4組圖像主觀評價的一致性均較高，且最終評分隨著降噪級別的升高而增加(圖1)，差異均具有統(tǒng)計學意義(F=391.71，P=0.00，表2)。

表2 各重建組圖像主觀評分對比分析結(jié)果

討 論

門靜脈CT成像是目前臨床評估門靜脈狀態(tài)的主要檢查方法，可以較好地顯示門靜脈分支及屬支情況，肝硬化患者由于門靜脈肝內(nèi)分支受壓變形，血流動力學改變等原因，使其門靜脈成像過程中易出現(xiàn)對比劑混合不均、血管充盈不佳等現(xiàn)象，從而使噪聲增加，圖像信噪比下降，質(zhì)量不佳。大劑量、高濃度及高流率團注對比劑是提高門靜脈圖像質(zhì)量的常規(guī)方法，但這些方法無疑增加了肝硬化患者的輻射劑量、代謝負擔及安全風險。因此，在不增加以上因素的前提下，提高門靜脈CT圖像質(zhì)量，有著很重要的臨床實用價值。

全模型迭代重建技術(shù)(IMR)相對于以往的迭代重建技術(shù)而言，該技術(shù)由于僅在投影數(shù)據(jù)空間進行非線性前向迭代重建，而不涉及圖像域的后向重建，故而重建過程不含濾波反投影(filtering back-projection，F(xiàn)BP)技術(shù)成分，擺脫了對FBP的依賴，從而對低劑量條件的適應性更廣，而且在進一步減低圖像噪聲的同時，不會引起噪聲頻率的改變和漂移。在早期模型迭代技術(shù)的基礎上，IMR技術(shù)在X射線束整個光學采集過程中，增加了更多更先進CT系統(tǒng)特性模型及更合理的約束條件，如包含CT特性先知經(jīng)驗的系統(tǒng)模型和包含X線衰減特性的統(tǒng)計學模型等，X射線束、焦點、體素和探測器的幾何形狀等因素均被納入模型考慮，不僅最大限度降低電子噪聲，保證了IMR重建源數(shù)據(jù)的相對純凈，還使實測投影數(shù)據(jù)更具有完整性及真實性[2]。同時IMR算法還加入了強化實物本身固有特性的優(yōu)化功能以及強化目標病變特性為臨床目標的兩大功能平臺，不僅可明顯降低圖像噪聲，顯著提升圖像的空間、密度及軟組織分辨率，還減小了重建量，提高了重建速度[3]。在IMR重建模式中，依據(jù)降噪閾值設定及優(yōu)化算法的不同，分為level Ⅰ～Ⅲ 3個等級，且級別越高，噪聲降低越明顯。研究表明IMR可顯著提高血管信噪比，獲得高質(zhì)量CTA圖像[4，5]，以上內(nèi)容為IMR技術(shù)提高門靜脈圖像質(zhì)量奠定理論和實踐基礎。

本組以25例肝硬化患者為研究對象，初步探討IMR不同降噪級別對肝硬化門靜脈圖像質(zhì)量的影響，結(jié)果表明IMR不同降噪組圖像SD明顯小于iDose4組,而SNR、CNR明顯高于iDose4組，這是因為iDose4技術(shù)為在投影數(shù)據(jù)空間和圖像數(shù)據(jù)空間均進行迭代重建的數(shù)據(jù)處理方法[6]，由于其仍基于FBP重建的圖像投影數(shù)據(jù)，所以在低劑量掃描條件下，整體圖像噪聲降低有限[7，8]。FBP重建算法由于其所依賴假設的不嚴謹性及局限性，使其空間分辨率及噪聲生成有限，加之重建算法中未考慮統(tǒng)計噪聲模型，使其在低輻射劑量成像條件下，圖像域進行后向重建時，不能除去X射線有效光子減少所造成的條帶狀偽影和偏心性偽影等各種低光子偽影，從而iDose4重建技術(shù)在低輻射劑量條件下難以大幅度降低圖像噪聲。本組統(tǒng)計結(jié)果還顯示，隨著IMR降噪級別的增加，SD逐漸降低,而SNR、CNR逐漸升高，圖像質(zhì)量評分也越高(圖1)，IMRlevel1、IMRlevel2、IMRlevel3降噪率分別為35.50%、55.37% 和69.23%，與國內(nèi)相關(guān)學者研究結(jié)果一致[9，10]，這可能與IMR不同降噪級別所采用的優(yōu)化算法及降噪閾值設定不同有關(guān)。

研究表明[11,12]迭代重建算法當降噪程度明顯提高時，圖像會出現(xiàn)“蠟樣”失真現(xiàn)象，從而影響疾病診斷?！跋灅印笔д媸怯捎趫D像噪聲被迭代重建技術(shù)過度降低時，由于相鄰的組織原噪聲不均勻，降噪過程中，信噪比變化率不同，使其之間的對比度增加的一種現(xiàn)象，圖像上類似溶蠟樣改變，稱之為“蠟樣”偽影，肝實質(zhì)中多見于增強掃描強化不均勻處。本組研究隨著降噪級別提高，門靜脈光滑度和銳利度增加，未出現(xiàn)“蠟樣”失真，其可能原因：一是觀察目標僅限于門靜脈血管，未與相鄰組織對比；二是“蠟樣”失真現(xiàn)象可能不易出現(xiàn)在脈管成像中，但尚需進一步探索證實。

本研究局限性：①樣本量較少，未對肝硬化程度進行詳盡分組，需增加樣本量，完善分組，以對比分析不同程度肝硬化患者CTPV所需的降噪級別。②主觀評分沒有考慮側(cè)支循環(huán)的顯示情況；③沒有在滿足肝背景診斷需要的前提下，進一步研究CTPV超低劑量(80kV)掃描時降噪級別的選擇。本組數(shù)據(jù)僅為在100kV電壓條件下所進行的不同降噪級別的對比，尚未進行在肝實質(zhì)背景噪聲大小不影響臨床診斷需要的前提下，進行更低輻射劑量條件下的對比研究，此為我們下一步的研究方向。

綜上所述，IMR是一種全新的非線性迭代重建技術(shù)，可在不增加輻射劑量及對比劑用量的情況下，明顯降低肝硬化患者CTPV圖像噪聲，提高信噪比和圖像質(zhì)量評分，值得臨床推廣應用。