評價(jià)Karl迭代重建技術(shù)對胸部CT圖像質(zhì)量的影響

周慧 朱莉 尹小花 梁凱軼 何之彥

1上海健康醫(yī)學(xué)院附屬嘉定區(qū)中心醫(yī)院放射影像科 201800；2上海市第一人民醫(yī)院放射科 200080

近年來，隨著CT迭代重建技術(shù)在臨床診斷中的應(yīng)用，使得圖像噪聲降低，圖像質(zhì)量進(jìn)一步提高，檢查的輻射劑量也有更大的降低[1-2]。但不同廠家設(shè)備的迭代重建技術(shù)的降噪能力不同，如何利用迭代重建技術(shù)制定合理的低劑量掃描協(xié)議有待于臨床的探討和實(shí)踐。Karl迭代重建技術(shù)是由上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司生產(chǎn)的uCT510 16排CT搭載的一項(xiàng)新技術(shù)。本研究通過對CT模體研究和臨床應(yīng)用研究，評價(jià)Karl迭代重建技術(shù)對胸部平掃圖像質(zhì)量的影響，以尋求較合適的低劑量掃描方案。

1 材料與方法

1.1 模體研究

使用由上海聯(lián)影醫(yī)療有限公司生產(chǎn)的uCT 510 16排螺旋CT機(jī)，對Catphan 700模體的CTP515模塊，以及直徑為180 mm圓形水模進(jìn)行掃描，掃描范圍為CTP515模塊和180 mm水模z方向的中部區(qū)域。模體掃描和重建參數(shù)如下：以設(shè)備中胸部預(yù)設(shè)協(xié)議的管電壓120 kVp和管電流140 mAs為常規(guī)劑量組；降低50%管電流，以管電壓120 kVp和管電流70 mAs為低劑量組。2組的其他掃描參數(shù)保持一致，采用的準(zhǔn)直寬度為19.2 mm（16排×1.2 mm），機(jī)架旋轉(zhuǎn)速度為0.7 s/圈，螺距為1.06，顯示視野（DFOV）為200 mm，層厚與層間距均為2 mm，重建矩陣為512×512。每次掃描及重建的范圍一致。2組均分別使用常規(guī)的濾波反投影（filtered back projection，F(xiàn)BP）和 Karl 1～9級迭代重建技術(shù)進(jìn)行圖像重建。

1.2 圖像噪聲測量

選取掃描Catphan 700模體CTP515模塊獲得的圖像，使用CT設(shè)備上自有的測量功能，在同一圖像層面的中心區(qū)域和邊緣區(qū)域分別選取面積為100 mm2的 ROI（圖1），對每個(gè) ROI的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行2次重復(fù)測量，計(jì)算每次測量結(jié)果的平均值分別作為圖像中心區(qū)域與邊緣區(qū)域的噪聲值，再通過計(jì)算圖像中心與邊緣噪聲值的平均值作為圖像整體噪聲值。比較1組FBP重建圖像與2～10組Karl 1～9級迭代重建技術(shù)重建在圖像整體噪聲值中的差異，通過噪聲指標(biāo)的比較得出在降低50%管電流的條件下與常規(guī)劑量FBP圖像噪聲水平最接近的Karl迭代重建等級。

圖1 CT掃描Catphan 700模體CTP515模塊圖像中心與邊緣（箭頭所示）噪聲值測量圖Fig.1 Noise Survey of image center and edge measured by CT scanning Catphan 700 and CTP515

1.3 噪聲功率譜（noise power spectrum，NPS）的曲線計(jì)算

NPS可以通過以下公式計(jì)算：

其中 n（x，y）指僅包含噪聲的重建圖像，（x，y）為像素點(diǎn)的坐標(biāo)，e為自然常數(shù)，u和v是頻率變量，A代表n（x，y）所定義的面積，括號表示其總體平均效果適用于所有此類圖像。

選取直徑180 mm水模的圖像，將所有圖像加載至MATLAB軟件進(jìn)行NPS測量，測量結(jié)果均由MATLAB編程實(shí)現(xiàn)。為了盡可能減小NPS測量結(jié)果的偏差，采用將所有層面的NPS測量后再計(jì)算平均值的方法獲得平均后的NPS曲線作為每組圖像的測量結(jié)果。同時(shí)，對1組FBP重建圖像與2～10組Karl 1～9級迭代重建圖像的NPS曲線結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，并得出在低劑量條件下與常規(guī)劑量FBP圖像噪聲形態(tài)差異性最小的Karl迭代重建等級。

1.4 臨床研究

1.4.1 一般資料

收集2016年7月至2017年11月于上海健康醫(yī)學(xué)院附屬嘉定區(qū)中心醫(yī)院體檢進(jìn)行胸部CT平掃的受檢者120例，其中男性61例、女性59例，年齡 35～75 歲，身體質(zhì)量指數(shù)為（23.95±0.27）kg/m2。應(yīng)用隨機(jī)數(shù)字表法將所有受檢者隨機(jī)分為常規(guī)劑量組和低劑量組，每組分別為60例。

1.4.2 檢查方法

受檢者仰臥位、雙臂上舉、頭先進(jìn)，于深吸氣末屏氣，掃描范圍自雙肺尖至兩側(cè)膈下。掃描參數(shù)同模體研究一致，根據(jù)模體研究結(jié)果，選擇Karl 5級迭代重建技術(shù)和FBP方法重建圖像。

1.4.3 客觀評價(jià)指標(biāo)

①CT輻射劑量的測定：測量CT容積劑量指數(shù)（volume CT dose index，CTDIvol）、劑量長度乘積（dose length product，DLP）及掃描范圍（L）、有效輻射劑量（effective dose，ED），計(jì)算ED的公式：ED（mSv）=DLP（mGy·cm）×k，式中轉(zhuǎn)換系數(shù)k與受檢者身體的不同部位有關(guān)，參考最新歐盟委員會(huì)CT質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)指南[3]，胸部掃描時(shí)k=0.014；②在相同圖像層面，對采用不同重建方法重建的圖像進(jìn)行測量，測量指標(biāo)包括圖像噪聲和信噪比，測量方法為選取氣管分叉平面、胸升主動(dòng)脈和降主動(dòng)脈中心區(qū)域勾畫ROI，ROI面積設(shè)定為主動(dòng)脈橫截面積的75%（約180 mm2）。分別測量升、降主動(dòng)脈ROI的平均CT值及標(biāo)準(zhǔn)差，取標(biāo)準(zhǔn)差的平均值作為圖像噪聲水平，并利用CT值和標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算信噪比，計(jì)算公式為：信噪比=主動(dòng)脈平均CT值/標(biāo)準(zhǔn)差。

1.4.4 主觀評價(jià)指標(biāo)

掃描后采集的數(shù)據(jù)，通過相應(yīng)算法重建圖像，并傳至圖像的存儲(chǔ)系統(tǒng)（PACS），由2位具有10年工作經(jīng)驗(yàn)的主治醫(yī)師采用雙盲法對不同重建技術(shù)圖像采用5分制等級評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（表1）進(jìn)行評價(jià)，在固定窗位、窗寬（肺窗：窗位500 Hu，窗寬1200 Hu；縱隔窗：窗位40 Hu，窗寬400 Hu）下觀察肺門及右上葉支氣管分支層面胸膜下10～20 mm的肺小葉中心動(dòng)脈及其分支的情況，得分在3分以上被認(rèn)為符合診斷要求。如有分歧，由其他高職稱醫(yī)師判斷。

表1 5分制主觀評價(jià)CT掃描重建圖像質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Five-point scale subjective evaluation of CT scan reconstruction image quality

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。符合正態(tài)分布的計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，在方差齊的條件下采用t檢驗(yàn)。計(jì)數(shù)資料采用百分比表示，各組間計(jì)數(shù)資料的比較采用χ2檢驗(yàn)。P＜0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 模體研究

2.1.1 圖像噪聲

由表2所示，在常規(guī)劑量下，Karl 1～9級迭代重建技術(shù)重建圖像的噪聲均值均低于FBP重建圖像，且差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。同時(shí)，結(jié)果顯示圖像噪聲的均值隨著Karl迭代重建技術(shù)等級的升高而降低。

由表3所示，當(dāng)降低50%管電流時(shí)，Karl 5級迭代重建技術(shù)重建圖像的噪聲均值（6.40±0.16）Hu與常規(guī)劑量下FBP重建的圖像噪聲均值（6.30±0.38）Hu相當(dāng)，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表2 常規(guī)劑量下FBP和Karl 1～9級迭代重建技術(shù)圖像噪聲CT均值的對比（）Table 2 Image noise comparison between filtered back projection and Karl 1-9 iteratie reconstruction technique images of regular dose ()

表2 常規(guī)劑量下FBP和Karl 1～9級迭代重建技術(shù)圖像噪聲CT均值的對比（）Table 2 Image noise comparison between filtered back projection and Karl 1-9 iteratie reconstruction technique images of regular dose ()

注：表中，F(xiàn)BP：濾波反投影；Karl：Karl迭代重建技術(shù)；-：無此數(shù)據(jù)。

重建技術(shù) 圖像噪聲（Hu）t 值 P 值FBP 6.30±0.38 - -Karl 1 5.90±0.12 5.14 0.003 Karl 2 5.60±0.13 9.93 0.003 Karl 3 5.30±0.13 14.90 0.005 Karl 4 4.95±0.11 22.20 0.005 Karl 5 4.70±0.11 26.64 0.006 Karl 6 4.45±0.11 31.08 0.007 Karl 7 4.15±0.10 37.68 0.007 Karl 8 3.95±0.09 42.75 0.008 Karl 9 3.70±0.09 47.50 0.009

表3 低劑量Karl 1～9級迭代重建技術(shù)與常規(guī)劑量FBP重建圖像噪聲CT均值的對比（）Table 3 Image noise (man and standard deviation) comparison between low dose Karl 1-9 iteratie reconstruction technique images and regular dose filtered back projection images ()

表3 低劑量Karl 1～9級迭代重建技術(shù)與常規(guī)劑量FBP重建圖像噪聲CT均值的對比（）Table 3 Image noise (man and standard deviation) comparison between low dose Karl 1-9 iteratie reconstruction technique images and regular dose filtered back projection images ()

注：表中，Karl：Karl迭代重建技術(shù)；FBP：濾波反投影；-：無此數(shù)據(jù)。

重建技術(shù) 圖像噪聲（Hu）t 值 P 值FBP 6.30±0.38 - -Karl 1 8.20±0.19 7.44 0.005 Karl 2 7.80±0.19 11.13 0.007 Karl 3 7.40±0.17 16.70 0.008 Karl 4 7.00±0.17 24.20 0.009 Karl 5 6.40±0.16 28.34 0.423 Karl 6 6.40±0.17 32.08 0.382 Karl 7 6.00±0.15 44.85 0.012 Karl 8 5.60±0.13 48.75 0.005 Karl 9 5.15±0.14 49.45 0.004

2.1.2 NPS測量的結(jié)果

在常規(guī)劑量下，分別采用FBP和Karl 1～9級迭代重建技術(shù)重建的水模圖像的NPS曲線見圖2。由圖2所示，Karl 1～9級迭代重建圖像NPS曲線的整體幅度均低于FBP重建圖像，Karl迭代重建技術(shù)等級越高，NPS曲線的幅值越低，即圖像噪聲越低，這與2.1.1節(jié)的圖像噪聲對比結(jié)果保持一致。同時(shí)，Karl 1～9級迭代重建技術(shù)重建圖像NPS曲線保持了與FBP重建圖像NPS曲線類似的形態(tài)，這表明Karl迭代重建算法在降低整體圖像噪聲的同時(shí)，仍然保持了圖像的噪聲紋理特征，避免圖像觀感發(fā)生顯著變化。

根據(jù)2.1.1節(jié)的分析結(jié)果，由圖3可見，低劑量Karl 5級迭代重建技術(shù)重建圖像和常規(guī)劑量FBP重建圖像的NPS曲線幅值接近，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=2.49，P=0.42）。

圖2 常規(guī)劑量FBP重建圖像和Karl 1～9級迭代重建圖像的NPS曲線對比 圖中，Karl：Karl迭代重建技術(shù)；FBP：濾波反投影；NPS：噪聲功率譜。Fig.2 Comparison Noise power spectrum curves of filtered back projection and Karl 1-9 iteratie reconstruction images under regular dose

2.2 臨床研究

2.2.1 受檢者的一般情況和CT掃描輻射劑量的測量值結(jié)果

由表4可見，2組中受檢者的年齡、性別、掃描范圍及BMI的差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。低劑量組的 CTDIvol 和 DLP均明顯低于常規(guī)劑量組，ED較常規(guī)劑量組降低了51.5%，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.2.2 圖像噪聲和信噪比的結(jié)果

由表5可見，低劑量組Karl 5級迭代重建技術(shù)重建圖像與常規(guī)劑量組FBP重建圖像比較，升主動(dòng)脈和降主動(dòng)脈的噪聲（t=0.24、1.51，P=0.38、0.70）、信噪比（t=0.45、0.08，P=0.45、0.72）的差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；低劑量組FBP重建圖像的噪聲均顯著升高，信噪比均明顯降低，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖3 常規(guī)劑量FBP重建圖像和低劑量Karl 5級迭代重建圖像的NPS曲線對比 圖中，F(xiàn)BP：濾波反投影；NPS：噪聲功率譜。Fig.3 Comparison noise power spectrum curves between regular dose filtered back projection images and Karl 5 iteratie reconstruction images

2.3 主觀評價(jià)圖像質(zhì)量的結(jié)果

由表6可見，在低劑量條件下，與常規(guī)劑量組FBP重建圖像相比，Karl 5級迭代重建技術(shù)重建的縱隔窗圖像（χ2=2.32，P=0.317；χ2=1.38，P=0.268）和肺窗圖像（χ2=0.97，P=0.614；χ2=0.59，P=0.760）的主觀圖像質(zhì)量比較，差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；低劑量組的FBP重建縱隔窗圖像和肺窗圖像與常規(guī)劑量組比較，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表4 2組受檢者的一般資料和CT掃描輻射劑量的測量值結(jié)果Table 4 The general information and CT scanning radiation dose of two groups subjects

表5 120 例受檢者不同劑量 FBP 和 Karl 5級 迭代重建技術(shù)測量圖像的噪聲和信噪比結(jié)果（，Hu）Table 5 Noise and signal noise ratio of image measured by filtered back projection and Karl 5 iterative reconstruction techniques with different dose of 120 patients（，Hu）

表5 120 例受檢者不同劑量 FBP 和 Karl 5級 迭代重建技術(shù)測量圖像的噪聲和信噪比結(jié)果（，Hu）Table 5 Noise and signal noise ratio of image measured by filtered back projection and Karl 5 iterative reconstruction techniques with different dose of 120 patients（，Hu）

注：表中，a：與常規(guī)劑量比較，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=5.32、4.27、3.88、3.26，P=0.003、0.004、0.005、0.005）。FBP：濾波反投影。

組別 噪聲（Hu）信噪比升主動(dòng)脈 降主動(dòng)脈 升主動(dòng)脈 降主動(dòng)脈常規(guī)劑量組（140 mAs FBP）10.00±1.67 11.23±2.43 4.40±0.96 3.72±1.13低劑量組（70 mAs Karl 5級迭代重建技術(shù)）9.82±1.68 11.35±2.95 4.60±1.02 3.76±1.14低劑量組（70 mAs FBP）15.17±2.58a 17.35±3.83a 2.97±0.66a 2.38±0.64a

表6 120例受檢者不同劑量FBP和Karl 5級迭代重建技術(shù)主觀評價(jià)圖像質(zhì)量的評分結(jié)果（例，%）Table 6 Result of 5-grade subjective evaluation of image quantity based on filtered back projection and Karl iterative reconstruction techniques with different dose of 120 patients

3 討論

近年來，CT技術(shù)尤其是低劑量CT掃描在肺部疾病的診斷及鑒別診斷方面的優(yōu)勢進(jìn)一步凸顯，低劑量掃描是目前臨床肺部篩查的熱點(diǎn)[4]。由上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司生產(chǎn)的uCT510 16排CT搭載的、自主研發(fā)的Karl迭代重建技術(shù)是一種基于投影域和圖像域的迭代降噪技術(shù)，其特點(diǎn)是通過投影域迭代重建算法對不理想的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，及采用圖像域迭代降噪技術(shù)保證經(jīng)投影域迭代重建算法處理之后的局部CT均值的準(zhǔn)確性，保持圖像的組織結(jié)構(gòu)特征，達(dá)到改善噪聲引起的條狀偽影及降低圖像整體的噪聲水平，提升圖像質(zhì)量、降低輻射劑量。

相比傳統(tǒng)的FBP重建技術(shù)，本研究通過體模研究和臨床實(shí)踐，評價(jià)Karl迭代重建技術(shù)對胸部低劑量CT圖像質(zhì)量的影響，為臨床制定合理低劑量掃描協(xié)議提供依據(jù)。我們采用低劑量掃描、Karl 5級迭代重建圖像的模式，即降低管電流由140 mAs降至70 mAs。在體模研究中，圖像噪聲測評結(jié)果顯示，在低劑量（70 mAs）條件下，Karl 5級重建的圖像能夠達(dá)到與常規(guī)劑量（120 kVp、140 mAs）FBP重建相當(dāng)?shù)膱D像噪聲水平，該結(jié)果表明Karl迭代重建技術(shù)可有效消除圖像中的噪聲，并保持圖像的空間分辨率。同樣條件下臨床研究結(jié)果顯示，比常規(guī)劑量掃描模式降低約51.5%的輻射劑量，圖像質(zhì)量與常規(guī)劑量掃描FBP重建的圖像質(zhì)量相當(dāng)，其肺窗的圖像質(zhì)量更優(yōu)。該結(jié)果與目前已有文獻(xiàn)報(bào)道結(jié)果一致[5]。這表明Karl迭代重建技術(shù)可在臨床應(yīng)用中有效減少檢查的輻射劑量，甚至在一些病例中，圖像質(zhì)量得以進(jìn)一步改善；根據(jù)這一結(jié)果，我們推測在體型較小的患者（如亞洲患者）中使用迭代重建技術(shù)，可以進(jìn)一步減少輻射劑量。NPS曲線顯示，Karl重建圖像NPS曲線的整體幅度均低于FBP圖像，但保持了和FBP圖像NPS類似的形態(tài)，這表明Karl迭代重建算法在降低整體圖像噪聲的同時(shí)，仍然保持了圖像的噪聲紋理特征，避免圖像觀感發(fā)生顯著變化，不影響醫(yī)師對圖像的觀感。

本研究在模體實(shí)驗(yàn)中采用NPS和標(biāo)準(zhǔn)差對圖像進(jìn)行噪聲測量，是因?yàn)殚L期以來，臨床醫(yī)師的主觀評價(jià)均為圖像質(zhì)量評價(jià)的“金標(biāo)準(zhǔn)”，但主觀評價(jià)易受個(gè)人因素的影響，很難有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[6-8]。傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)差評價(jià)方法能夠精確量化圖像噪聲的強(qiáng)度，但無法具體表現(xiàn)噪聲的形態(tài)和分布等特性。圖像噪聲紋理是影響圖像觀感的重要因素，在圖像噪聲相當(dāng)?shù)那闆r，如果噪聲紋理存在較大差異，圖像呈現(xiàn)出的觀感也會(huì)存在顯著差異。而NPS能夠提供圖像噪聲紋理的信息，其基本原理是以傅里葉變換為基礎(chǔ)，將信號變換至頻域進(jìn)行測量分析，能夠描述重建數(shù)據(jù)中的噪聲頻率變化，充分考慮了由重建、濾波以及后處理等因素對噪聲相關(guān)性的影響，是一個(gè)更為全面的噪聲評價(jià)方式[9-11]。采用NPS與標(biāo)準(zhǔn)差相結(jié)合的方法，能夠更全面地對圖像噪聲進(jìn)行客觀評價(jià)。

本研究具有以下局限性：①在模體及臨床研究中僅分析了降低常規(guī)管電流50%的數(shù)據(jù)，未對進(jìn)一步降低劑量的可行性進(jìn)行詳細(xì)分析；只評估了Karl 5級迭代重建技術(shù)重建圖形與FBP重建圖像的對比，更多級別的迭代重建與FBP重建圖像的對比沒有進(jìn)行；②僅僅進(jìn)行了非強(qiáng)化掃描模式的對比，增強(qiáng)掃描模式的研究是進(jìn)一步研究的目標(biāo)。如何使受檢者輻射劑量最小化，影像質(zhì)量滿足診斷需求，還需根據(jù)不同體型受檢者的不同檢查需求，給予適合的個(gè)性化低劑量掃描條件。

綜上所述，Karl迭代重建技術(shù)可以不同程度地降低圖像噪聲。胸部CT平掃采用常規(guī)管電流的50%、Karl 5級迭代重建技術(shù)重建的圖像，可獲得與常規(guī)劑量FBP重建時(shí)相同的圖像質(zhì)量，并保持傳統(tǒng)FBP重建圖像的噪聲紋理特征。