迭代重組技術(shù)在白兔模擬新生兒超低劑量胸部CT 的研究

徐昕 程建敏 戴婷婷 熊山 陳博

在不影響診斷的前提下降低CT 檢查的輻射劑量一直是學(xué)者們關(guān)注的問題。由于兒童細(xì)胞分裂活躍且對(duì)電離輻射敏感，因此兒童較成人受其影響更大[1,2]。目前CT 檢查多采用濾波反投影（filtered back projection，F(xiàn)BP） 重組，但該方法在降低管電流的同時(shí)導(dǎo)致噪聲增大、 圖像質(zhì)量降低，從而限制了輻射劑量的減低，為了改善這一問題，許多學(xué)者將高級(jí)迭代重組（advanced iterative reconstruction，AIR）用于低輻射劑量的研究[3-6]。目前國內(nèi)尚無新生兒低劑量CT 掃描方案，本研究選取日本大耳白兔模擬新生兒進(jìn)行胸部CT 掃描，探討iDose4 通過聯(lián)合低管電流在動(dòng)物模擬新生兒胸部超低劑量CT 掃描圖像質(zhì)量優(yōu)化的應(yīng)用，得到新生兒胸部超低劑量CT 掃描方案。

資料與方法

1.一般資料

參照2010年我國小兒成長體重標(biāo)準(zhǔn)[7,8]，選取23 只與新生兒體重相仿的日本大耳白兔，健康普通級(jí)，月齡2～4 個(gè)月，體質(zhì)量2.5～5 kg，平均（3.71±2.64） kg，白兔來源于溫州醫(yī)科大學(xué)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中心[許可證號(hào)：SYXK（浙）2014-0006]，相關(guān)處理通過溫州醫(yī)科大學(xué)動(dòng)物倫理審查。腹腔麻醉采用10%水合氯醛，劑量為3.5 ml/kg。

2.掃描機(jī)器與方法

采用Philips 256 iCT 掃描儀進(jìn)行掃描。白兔麻醉后取仰臥位固定，均按常規(guī)低劑量管電流時(shí)間 乘積（50 mAs）及4 個(gè)不同超低劑量（40、30、20 和10 mAs）依次進(jìn)行5 種方案胸部CT 掃描，分別記為A～E 組，其中采用濾波反投影重組算法記為A1～E1，采用迭代重組者記為A2～E2。掃描參數(shù)：管電壓80 kVp，探測器層厚準(zhǔn)直128×0.625 mm，螺距0.601，視野180 mm，轉(zhuǎn)速0.27 s/r，層厚3 mm。

3.圖像后處理與評(píng)價(jià)

圖像重組：胸部CT 掃描原始圖像飛利浦智能高級(jí)后處理工作站 （extended brilliance workspace,EBW）進(jìn)行圖像的重組與數(shù)據(jù)測量。迭代重組選擇iDose4-6 水平，對(duì)氣道觀察應(yīng)用容積再現(xiàn)（volume rendering，VR）三維重組技術(shù)。

主觀圖像質(zhì)量： 由2 名主治醫(yī)師以上職稱的放射科醫(yī)師行盲法評(píng)判。參考指南與文獻(xiàn)推薦的CT 圖像質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)指標(biāo)[9,10]進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)指標(biāo)：肺窗上對(duì)主氣管、中心肺血管支氣管、周圍肺血管支氣管、肺裂的顯示進(jìn)行評(píng)價(jià)，觀測有無偽影；縱隔窗上觀察縱隔內(nèi)結(jié)構(gòu)（包括血管、氣管、食管等）的銳利程度及與周圍組織的對(duì)比程度；VR：觀察氣管及主支氣管的光滑和對(duì)比度。評(píng)分采用5 分制：5 分為邊緣清晰，無偽影，質(zhì)量好；4 分為邊緣略模糊，無偽影，質(zhì)量良好；3 分為邊緣略模糊，有少量偽影，質(zhì)量可接受；2 分為邊緣模糊，中等量偽影；1 分為大量偽影，正常結(jié)構(gòu)差。閱片窗寬和窗位如下：肺窗窗寬1500、窗位-500 HU，縱隔窗窗寬400、窗位40 HU。

客觀圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)： 圖像傳到高級(jí)后處理工作站。取縱隔窗氣管分叉水平的降主動(dòng)脈為興趣區(qū)[11]，測量興趣區(qū)的CT 值和噪聲（即興趣CT 值的標(biāo)準(zhǔn)差SD，standard deviation），依據(jù)公式SNR=CT 值/SD 計(jì)算信噪比（signal-noise ratio）。興趣區(qū)（region of interest，ROI）面積取10 mm2。

4.輻射劑量評(píng)估

記錄CT 劑量容積指數(shù)（CT dose index volume,CTDIvo1）和劑量長度乘積（dose length product，DLP），并按公式ED=DLP×k 計(jì)算胸部的有效劑量（effective dose，ED），k 值為小兒胸部CT 的轉(zhuǎn)換系數(shù)，k 取0.039 mSv·mGy-1·cm-1[12]。

5.統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 25.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。采用隨機(jī)區(qū)組方差分析比較各組的CT 值、客觀噪聲、信噪比及輻射劑量（CTDIvol、DLP、ED）的差異，并采用LSD 檢驗(yàn)行兩兩比較； 采用Friedman M 秩和檢驗(yàn)比較各組主觀圖像質(zhì)量的差異，并采用Wilcoxon檢驗(yàn)行兩兩比較。當(dāng)行Wilcoxon 檢驗(yàn)時(shí)，經(jīng)Bonferroni校正。P＜0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

1.主觀圖像質(zhì)量

各組間主觀圖像質(zhì)量比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05，表1）。同一管電流，AIR 組圖像評(píng)分優(yōu)于FBP 組；A1 組與C2、D2 組的主觀圖像質(zhì)量比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（Z=-0.70、 -0.36，P＞0.05，圖1～12），A2、B2 組較A1 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)高，E2 組較A1 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)低（P＜0.05）。

2.客觀評(píng)價(jià)結(jié)果

表1 不同管電流及重組方式的主觀質(zhì)量評(píng)分

各組間主動(dòng)脈平均CT 值的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（F=0.65，P＞0.05）。隨著管電流的減低，A～E 組噪聲逐漸增大。同一管電流，AIR 組較FBP 組SD明顯降低，SNR 提高。C2、D2 組與A1 組比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05，表2）。

3.輻射劑量的比較

各組間有效輻射劑量比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05，表3）。隨著電流降低，A～E 組的輻射劑量逐漸降低。D2 較A1 輻射劑量降低61.8 %（P＜0.05）。

討 論

據(jù)統(tǒng)計(jì)未來有高達(dá)2%的癌癥可能是由于醫(yī)源性輻射造成的[13]。如何使用最低輻射劑量獲得能滿足診斷要求的影像，在輻射劑量與診斷影像之間找到最佳平衡點(diǎn)，是近年來CT 設(shè)備發(fā)展和臨床研究的重點(diǎn)。而迭代重組已成為低輻射劑量CT掃描的研究熱點(diǎn)[14]。

與以往FBP 重組基于解析重組方式不同，迭代重組技術(shù)利用矩陣代數(shù)，通過一種數(shù)學(xué)模型選擇性地識(shí)別并去除圖像噪聲，所需的投影數(shù)少、具有可在數(shù)據(jù)不完全和低信噪比（低劑量）條件下成像等優(yōu)點(diǎn)。本研究采用iDose4 其特點(diǎn)是雙空間、多噪聲模型和解剖模型，在降低圖像噪聲的同時(shí)，采取解剖模型加快圖像重組過程，提高圖像分辨力，并保持圖像真實(shí)呈現(xiàn)，消除蠟像狀偽影。相關(guān)文獻(xiàn)表明[15]，迭代重組水平增高，噪聲補(bǔ)償呈遞增的趨勢，SD 值降低，但iDose4-7 僅限于Lungenhanced 算法，與1 至6 級(jí)采用的標(biāo)準(zhǔn)算法不同，另外研究表明6 等級(jí)在超低劑量時(shí)圖像主觀圖像質(zhì)量表現(xiàn)更優(yōu)秀，因此本研究選取iDose4-6 等級(jí)水平重組。

表2 不同管電流及重組方式的客觀質(zhì)量指標(biāo)（x±s）

圖1 電流為50 mAs 的FBP 圖像：a）肺窗；b）縱隔窗 圖2 電流為50 mAs 的AIR 圖像：a）肺窗；b）縱隔窗 圖3 電流為40 mAs 的AIR 圖像：a）肺窗；b）縱隔窗 圖4 電流為30 mAs 的AIR 圖像：a）肺窗；b）縱隔窗 圖5 電流為20 mAs 的AIR 圖像：a）肺窗；b）縱隔窗 圖6 電流為10 mAs 的AIR 圖像：a）肺窗；b）縱隔窗

圖7 50mAs的FBP條件下VR圖像圖8 50 mAs的AIR條件下VR 圖像圖9 40mAs的AIR條件下VR圖像圖10 30 mAs 的AIR條件下VR圖像圖11 20mAs 的AIR條件下VR圖像圖12 10mAs的AIR條件下VR圖像

表3 不同管電流的輻射劑量比較（x±s）

早前學(xué)者們關(guān)于成人頭部、胸、腹部及心血管等方面研究表明迭代重組可明顯降低輻射劑量，且不會(huì)犧牲圖像質(zhì)量[16-18]。目前關(guān)于新生兒的迭代重組的報(bào)道較少。由于胸部具有良好的天然對(duì)比在超低劑量CT 掃描理論上的可行性，故筆者通過白兔模擬新生兒胸部進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以得到新生兒胸部超低劑量CT 檢查的優(yōu)化掃描方案。

本研究顯示，同一管電流，AIR 組主觀圖像質(zhì)量均優(yōu)于FBP 組。隨著管電流降低，F(xiàn)BP 組主觀圖像質(zhì)量逐漸降低，肺尖部、肺葉裂和肺內(nèi)小結(jié)構(gòu)觀察受影響；當(dāng)電流降到30 mAs 乃至20 mAs 時(shí)，采用AIR 重組主觀圖像質(zhì)量評(píng)分大部分在4 分以上，與常規(guī)低劑量FBP 組的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，基本能夠完成臨床診斷要求； 而50、40 mAs AIR組主觀圖像質(zhì)量較常規(guī)低劑量組優(yōu)，尤其是肺尖部縱隔窗偽影有改善。

在客觀評(píng)價(jià)方面，同一管電流，AIR 組的SD均較FBP 組降低，SNR 提高。50、40 mAs 組采 用AIR 重組較50 mAs FBP 組的SD 降低，SNR 升高，這與Sun 等[19]迭代重組下圖像質(zhì)量得到改善的結(jié)果一致；30、20 mAs AIR 組和常規(guī)低劑量組的SD及SNR 比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，且兩個(gè)AIR 組主觀圖像質(zhì)量與常規(guī)低劑量組FBP 組的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，故20 mAs AIR 組在較大程度降低輻射劑量的前提下能滿足臨床診斷要求。

本研究20 mAs 組的有效劑量較常規(guī)低劑量組減低61.8%。實(shí)驗(yàn)中管電壓、螺距和掃描層厚等其他影響因素設(shè)置為固定值，針對(duì)性研究毫安秒對(duì)圖像質(zhì)量的影響，較Yoon 等研究[20]輻射劑量進(jìn)一步降低。實(shí)驗(yàn)白兔在麻醉下平靜呼吸完成掃描，模擬了新生兒無法屏氣的情況。另外，由于超低劑量CT 總曝光量減少，有利于延長球管壽命。

本研究的不足：（1）僅對(duì)iDose4-6 水平進(jìn)行研究；（2）本研究為動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，樣本量有限；（3）白兔的胸部生長結(jié)構(gòu)與新生兒仍存在差異，可能對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響。

綜上所述，與新生兒體重相仿的日本大耳白兔采用iDose4-6 迭代重組行胸部CT 掃描，在管電流為20 mAs 的條件下即可達(dá)到與常規(guī)掃描方案相仿的主、客觀圖像質(zhì)量，同時(shí)可使輻射劑量降低61.8 %。因此20 mAs 條件下iDose4-6 迭代重組可作為新生兒胸部CT 檢查的優(yōu)化掃描方案。