雙能CT改進(jìn)的虛擬單能成像重建算法的門(mén)靜脈圖像質(zhì)量評(píng)估

胡 斌 陳靜靜 徐文堅(jiān) 徐 琦 李曉飛

(青島大學(xué)附屬醫(yī)院放射科，山東青島 266003)

多排螺旋CT門(mén)靜脈成像在臨床上應(yīng)用廣泛，但門(mén)靜脈CT成像由于是靜脈血管成像，血管內(nèi)對(duì)比劑濃度會(huì)經(jīng)過(guò)體循環(huán)而降低，因此檢查時(shí)所需對(duì)比劑用量相對(duì)較多。如今，使用對(duì)比劑造成的腎毒性及外漏風(fēng)險(xiǎn)也日益受到醫(yī)學(xué)界的關(guān)注[1]，因此如何在保證圖像質(zhì)量的前提下，使用盡量少的對(duì)比劑進(jìn)行成像，是目前臨床關(guān)注的熱點(diǎn)[2-3]。雙能CT(dual-energy CT，DECT)同時(shí)采集兩組高低不同kVp值的X射線(xiàn)投影數(shù)據(jù)，可回顧性重建不同keV水平的單能量(monoenergetic，Mono)圖像，傳統(tǒng)的低keV 單能量圖像雖然提高了碘等物質(zhì)的對(duì)比度，增加不同組織結(jié)構(gòu)之間的對(duì)比，但卻明顯增加了圖像噪聲，從而限制了低keV 單能量圖像(如40、50 keV)在臨床中的應(yīng)用[4-5]。新虛擬單能量(monoenergetic plus，Mono+)成像技術(shù)將高造影劑信號(hào)的低能級(jí)的圖像和低噪聲中間能級(jí)的圖像融合，得到較高對(duì)比度和較低噪聲的新單能量圖像[6-9]。腹部雙能CT門(mén)靜脈成像和Mono+算法聯(lián)合可顯著提高血管成像效果，使門(mén)靜脈與周?chē)浗M織的對(duì)比噪聲比(contrast to noise ratio，CNR)提高，從而獲得高質(zhì)量的CT門(mén)靜脈圖像。本研究通過(guò)比較雙能腹部增強(qiáng)門(mén)靜脈期單能Mono+重建圖像(40～100 kev)與標(biāo)準(zhǔn)線(xiàn)性融合的M_0.5圖像質(zhì)量，確定選擇最優(yōu)的keV。

1 對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

收集2017年11月至2018年3月在青島大學(xué)附屬醫(yī)院完成上腹部增強(qiáng)掃描的60例研究對(duì)象，其中男33例，女27例，年齡22 ～ 75歲，平均年齡(50.1±10.2)歲。60例研究對(duì)象中正常健康人25例，肝囊腫患者16例，血管瘤患者8例，脂肪肝患者11例。納入標(biāo)準(zhǔn)：①年齡≥18周歲；②無(wú)影響肝臟血供的心、腎及大血管等疾患；③肝功能及相關(guān)惡性腫瘤指標(biāo)正常；④無(wú)影響肝供血?jiǎng)用}及引流靜脈的病變。⑤無(wú)碘對(duì)比劑使用禁忌證。排除標(biāo)準(zhǔn)：碘對(duì)比劑過(guò)敏患者，嚴(yán)重心臟疾病者，甲狀腺功能亢進(jìn)者，孕產(chǎn)婦?；颊哌M(jìn)行掃描前均由家屬簽署知情同意書(shū)。

1.2 檢查設(shè)備與方法

患者檢查前常規(guī)空腹4～6 h,口服溫開(kāi)水200～300 mL 以充盈胃腸道。采用德國(guó)西門(mén)子第二代雙源CT(SOMATOM Definition Flash with a Stellar detector，Siemens Healthcare，F(xiàn)orchheim，德國(guó))行上腹三期雙能增強(qiáng)掃描(動(dòng)脈期、門(mén)靜脈期、平衡期),在注射對(duì)比劑后30、65和180 s行肝臟門(mén)靜脈期掃描，掃描范圍自膈頂至髂前上棘水平。使用雙筒高壓注射器(CT Stellant, Medrad, Indianola, Pennsylvania, 美國(guó))于肘靜脈以3.0 mL/s速率團(tuán)注非離子型對(duì)比劑碘普羅胺(Ultravist 370 mgI/mL,Shering,德國(guó))，對(duì)比劑用量為1.0 mL/kg,對(duì)比劑注射完畢后以同樣的速率注射20 mL 0.9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的氯化鈉注射液?；颊叩膾呙鑵?shù)：A、B球管電壓分別為100 kV和Sn140 kV，CARE Dose 4D，mAs參考值分別為230和178，準(zhǔn)直器寬度2 mm×64 mm×0.6 mm，螺距0.6，旋轉(zhuǎn)時(shí)間0.5 s/ 圈。

1.3 圖像處理及數(shù)據(jù)分析

僅對(duì)雙能量CT掃描門(mén)靜脈期數(shù)據(jù)分析：M_0.5圖像(50%的100 kV和50%Sn140 kV的圖像融合)表示標(biāo)準(zhǔn)120 kV采集，對(duì)雙能門(mén)靜脈期數(shù)據(jù)用Mono+算法在40、50、60、70、80、90和100 keV重建；在Siemens Syngo via后處理工作站上，分析1 mm層厚的門(mén)靜脈期圖像，測(cè)量門(mén)靜脈主干和肝實(shí)質(zhì)的CT 值及標(biāo)準(zhǔn)差。使用20 ～40 mm2大小的感興趣區(qū)域(region of interest,ROI)在肝門(mén)水平測(cè)量門(mén)靜脈主干的CT值,用100 mm2大小的ROI測(cè)量遠(yuǎn)離血管的正常肝臟組織的CT 值。

圖像的客觀評(píng)價(jià)：由兩位放射科技師測(cè)量門(mén)靜脈主干的CT值、肝實(shí)質(zhì)的CT 值及標(biāo)準(zhǔn)差(SD)值。選取肝門(mén)水平門(mén)靜脈主干連續(xù)3個(gè)層面進(jìn)行測(cè)量取平均值,ROI大小為20～40 mm2；選取肝門(mén)水平肝實(shí)質(zhì)連續(xù)3個(gè)層面測(cè)量肝實(shí)質(zhì)的CT值并取其平均值,ROI大小為(100±10)mm2。用正常肝組織的標(biāo)準(zhǔn)差SD表示圖像噪聲。用公式計(jì)算出門(mén)靜脈主干的CNR和信噪比(signal to noise ratio，SNR):

圖像的主觀評(píng)價(jià):將M_0.5圖像和40、50、60、70、80、90和100 keV的Mono+算法重建圖像由兩位有5年腹部讀片經(jīng)驗(yàn)且對(duì)具體實(shí)驗(yàn)方法不知情的放射科醫(yī)師對(duì)不同實(shí)驗(yàn)方案所得門(mén)靜脈期圖像進(jìn)行綜合評(píng)分。評(píng)估內(nèi)容包括門(mén)靜脈邊緣銳利度、門(mén)靜脈與周?chē)螌?shí)質(zhì)的對(duì)比度、顯示門(mén)靜脈分支的級(jí)別。采用5分制的圖像質(zhì)量的評(píng)價(jià)方法。1分,門(mén)靜脈邊緣模糊,與肝實(shí)質(zhì)對(duì)比差,僅顯示門(mén)靜脈主干；2分,門(mén)靜脈邊緣不清楚,與肝實(shí)質(zhì)對(duì)比較差,僅顯示門(mén)靜脈主干第1級(jí)分支；3分,門(mén)靜脈邊緣較清楚,與肝實(shí)質(zhì)對(duì)比中等,顯示門(mén)靜脈主干第2 級(jí)分支；4分,門(mén)靜脈邊緣較銳利,與肝實(shí)質(zhì)對(duì)比良好,顯示門(mén)靜脈主干第3 級(jí)分支；5 分,門(mén)靜脈邊緣銳利,與肝實(shí)質(zhì)對(duì)比佳,可顯示門(mén)靜脈主干第4 級(jí)或以上分支。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

2 結(jié)果

2.1 患者掃描條件和輻射劑量

100 kVp和Sn140 kVp管電壓的有效管電流分別為(149.3±43.4)mA和(117.7±29.3)mA，平均容積劑量指數(shù)(CT dose index volume，CTDIvol)為(11.9±2.8)mGy，相應(yīng)的劑量長(zhǎng)度乘積(dose length product，DLP)為(542.4±95.4)mGy*cm。

2.2 圖像客觀評(píng)價(jià)

門(mén)靜脈主干的40～70 keV Mono+重建圖像CNR值均比M_0.5圖像高，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。Mono+40 keV門(mén)靜脈主干的CNR(8.2±2.1)達(dá)到峰值，是M_0.5圖像CNR(2.3±0.7)的3.57 倍(表1,圖1)。

表1 M_0.5和Mono+算法(40～100 keV)重建的門(mén)靜脈主干圖像的客觀評(píng)價(jià)Tab.1 Objective image quality of the main stem of portal veins in series reconstructed with standard linear blending (M_0.5) and Mono+ algorithm (keV)(n=60)

圖1 門(mén)靜脈主干CNR的箱線(xiàn)(Box-and-whisker)圖Fig.1 Box-and-whisker plots of CNR values of the main stem of portal veins

與M_0.5圖像相比，門(mén)靜脈主干40～80 keV重建圖像的SNR高，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。Mono+40 keV門(mén)靜脈主干的SNR(13.2±2.2)達(dá)到峰值，是M_0.5圖像SNR(8.6±1.3)的1.53倍(表1，圖2)。

圖2 門(mén)靜脈主干SNR的箱線(xiàn)(Box-and-whisker)圖Fig.2 Box-and-whisker plots of SNR values of the main stem of portal veins

2.3 圖像主觀評(píng)價(jià)

Mono+40～70 keV重建圖像質(zhì)量評(píng)分明顯優(yōu)于M_0.5組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)(表2，圖3)。兩位醫(yī)師評(píng)價(jià)一致性較高，Kappa值為0.793。

表2 M_0.5和Mono+算法(40～100 keV)重建的門(mén)靜脈主干圖像的主觀評(píng)價(jià)Tab.2 Subjective image quality of the main stem of portal veins in series reconstructed with standard linear blending (M_0.5) and Mono+ algorithm (keV)(n=60)

3 討論

雙能CT 單能量成像技術(shù)(Mono)使用采集的雙能數(shù)據(jù)，針對(duì)特定組織或病變，選取最佳能量水平觀察圖像[10]。Mono圖像重建過(guò)程中根據(jù)物質(zhì)與X射線(xiàn)相互作用規(guī)律，把物質(zhì)分解為以康普頓散射和光電吸收為主的基質(zhì)對(duì)，最終得到虛擬的單能量圖像。理論上，Mono圖像消除了復(fù)合能量X射線(xiàn)固有的射束硬化效應(yīng)，可顯著降低偽增強(qiáng)效應(yīng)(pseudo-enhancement)而有利于細(xì)節(jié)顯示[11]。曾有報(bào)道[12-13]顯示，雙能CT門(mén)靜脈-肝實(shí)質(zhì)的CNR曲線(xiàn)的最佳單能量顯示能量水平集中在40～75keV 的低能量區(qū)域。Mono在腹部雙能血管研究中，60～70 keV可獲得較佳SNR和CNR的圖像，40～60 keV圖像雖然目標(biāo)血管對(duì)比劑碘的CT值增加，但在低keV 圖像上高密度物質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生較大偽影，明顯增加了圖像噪聲[14]。因此，低keV 單能量圖像雖然提高了碘等物質(zhì)CT值，卻由于噪聲的增加而無(wú)法提高感興趣區(qū)的CNR和SNR，使得圖像質(zhì)量下降。

圖3 不同重建算法的門(mén)靜脈期圖像Fig.3 Different reconstruction algorithm in portal venous phase images

Mono+是一種改進(jìn)的重建算法，能夠有效改善圖像質(zhì)量。Grant 等[15]用Mono+新單能重建技術(shù)評(píng)估低對(duì)比度病變，發(fā)現(xiàn)Mono+算法通過(guò)增加低能量的有用信號(hào)和抑制中等能量的噪聲進(jìn)行區(qū)域空間頻率重組可提高低keV的圖像質(zhì)量。本研究表明，Mono+40 keV組重建圖像在門(mén)靜脈主干、肝實(shí)質(zhì)的CT值及其差值均高于其他各組圖像，門(mén)靜脈主干的CNR和SNR 分別為8.2±2.1和13.2±2.2,線(xiàn)性融合的M_0.5重建圖像門(mén)靜脈主干(表示標(biāo)準(zhǔn)的120 kV)的CNR和SNR 分別為2.3±0.7和8.6±1.3,Mono+40 keV重建圖像門(mén)靜脈主干的CNR和SNR 分別是M_0.5重建圖像的3.57 倍及1.53 倍。圖像質(zhì)量評(píng)分是影像診斷醫(yī)師對(duì)于總體圖像質(zhì)量的主觀評(píng)分，是圖像質(zhì)量評(píng)判的不可或缺的組成部分。本研究結(jié)果顯示M_0.5和Mono+40～80 keV重建圖像的主觀評(píng)分均≥3 分，說(shuō)明除90和100 keV重建組外所研究的其他組均在可接受的范圍之內(nèi)。在門(mén)靜脈邊緣的銳利程度，門(mén)靜脈與肝實(shí)質(zhì)對(duì)比及門(mén)靜脈分支的顯示方面，Mono+ 40 keV重建圖像明顯優(yōu)于M_0.5組。因此,不論是門(mén)靜脈圖像的CNR和SNR，還是門(mén)靜脈圖像的主觀評(píng)分,其Mono+40 keV的門(mén)靜脈成像的質(zhì)量較常規(guī)螺旋CT圖像均有大幅度的提升。Mono+算法能夠?qū)鹘y(tǒng)低keV 圖像(包含較高的碘對(duì)比度)和中間能量級(jí)keV圖像(70 keV左右包含較低的圖像噪聲)相結(jié)合并取二者優(yōu)勢(shì)—增加圖像對(duì)比度和降低圖像噪聲。

局限性: 本研究?jī)H評(píng)估了圖像質(zhì)量參數(shù)，沒(méi)有評(píng)估診斷性能的差異。同時(shí)，雖然傳統(tǒng)的單能重建算法(Mono)在較低的keV圖像質(zhì)量較差，但筆者沒(méi)有對(duì)傳統(tǒng)的Mono重建算法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

總之，Mono+突破Mono的局限，門(mén)靜脈的CNR、SNR隨著keV的降低而上升，Mono+40 keV組重建圖像質(zhì)量與M_0.5線(xiàn)性融合組相比有明顯的優(yōu)勢(shì)，選擇成像新技術(shù)為門(mén)靜脈CT成像提供了更多的方法，Mono+算法改善了門(mén)靜脈圖像質(zhì)量，提高了診斷的信心。