濾波反投影法與自適應(yīng)迭代法關(guān)于雙低兒童胸部CT增強(qiáng)體模的圖像質(zhì)量評(píng)估

胡立偉，朱亞新，劉阿利，杜雋，曹少平，鐘玉敏

1. 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬上海兒童醫(yī)學(xué)中心 a. 放射科；b. 設(shè)備科，上海 200127；2. 佳能醫(yī)療系統(tǒng) 臨床研究部，北京 100015

引言

低劑量掃描方案和圖像質(zhì)量是長(zhǎng)期臨床CT研究中的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。近年來兒童的CT輻射劑量受到了廣泛關(guān)注。有報(bào)道顯示在0～19歲非輻射暴露人群與接收CT檢查的人群比較，CT掃描人群10年后的患癌比例升高[1]。隨著影像技術(shù)的發(fā)展，絕大多數(shù)的檢查已采用低輻射劑量掃描條件結(jié)合迭代重建技術(shù)（Adaptive Iterative Dose Reduction，AIDR）對(duì)圖像進(jìn)行處理，降低CT圖像噪聲優(yōu)化圖像質(zhì)量。國(guó)外也有通過胸圍和BMI值設(shè)計(jì)低劑量掃描參數(shù)的報(bào)道[2]。然而兒童患者的體型差異大，對(duì)于嬰幼兒的輻射劑量?jī)?yōu)化是臨床上一直忽視的問題。本研究使用3D打印的方法構(gòu)建1歲兒童胸廓體模，探討低濃度造影劑，低劑量掃描參數(shù)結(jié)合迭代算法對(duì)于評(píng)估雙低胸部增強(qiáng)CT的可行性研究。

1 材料與方法

1.1 一般材料

采用聚氨酯和磷酸三（2-氯乙烯）混合材料（T600Pro，三維創(chuàng)導(dǎo)，中國(guó)）設(shè)計(jì)并打印了一個(gè)擬人化的1歲3D打印兒童胸部模型，直徑為50 mm體模，體模包括心臟組件、胸部組件、脊柱組件和血管組件[3]。胸廓模型本體的內(nèi)壁面沿胸圍方向閉合的周面且圍成仿真胸腔；脊柱模型安裝于所述仿真胸腔內(nèi)，血管組件是模擬心臟內(nèi)配備6組含有不同碘濃度的試管（圖1）。其軟組織的X線衰減性能與人體組織等效。將盛有不同濃度稀釋碘造影劑270 mgI/mL（威視派克）和生理鹽水混合成不同濃度碘造影劑，通過5.29 mg/mL配置常規(guī)的CT值后，按比例注入生理鹽水配置低濃度的造影劑溶液。從 0.89到 5.29 mg/mL（0.89、1.78、2.67、3.55、4.42、5.29 mgI/mL）的塑料試管（10 mL 封閉后置于上述體模內(nèi)的圓孔里，用來模擬增強(qiáng)時(shí)的心臟血管結(jié)構(gòu)。

圖1 設(shè)計(jì)并打印擬人化1歲兒童胸部模型

1.2 儀器與方法

將模型在320排CT掃描儀（Aquilion One Vision，Canon，Japan）選用低管電壓（80 kV）和固定管電流（13、16、19、22、24、27 mAs）下進(jìn)行volume掃描，掃描范圍由胸廓入口至膈肌水平。球管旋轉(zhuǎn)速度0.275 s/周，層厚1 mm，層間隔為0。對(duì)于兒童體模，設(shè)定三種不同的后重建算法濾波反投影法（Filter Back Projection，F(xiàn)BP），AIDR 3D，AIDR 3D Strong。

1.3 圖像處理與分析

使用Canon工作站分別測(cè)量6組不同造影劑濃度試管內(nèi)中造影劑的噪聲、CT值和對(duì)比噪聲比（Contrast to Noise Ratio，CNR）。具體方法為在6組不同濃度造影劑圖像中，選定相同層面，分別測(cè)量試管的CT值，測(cè)量時(shí)設(shè)置感興趣區(qū)面積為35 mm2。重復(fù)測(cè)量3次取平均值。背景噪聲的平均值為該體模中接近軟組織CT值噪聲。CNR的計(jì)算公式為CNR=|試管內(nèi)CT值-背景組織CT值|/SD，其中CT值指6個(gè)試管內(nèi)的CT值，背景的CT值是接近軟組織CT值噪聲，SD指背景的標(biāo)準(zhǔn)差（圖2）。

圖2 不同算法測(cè)量不同碘濃度的管狀體和模型肌肉

1.4 圖像評(píng)分

由兩個(gè)影像科醫(yī)生探討3種不同后重建方法的圖像進(jìn)行雙盲評(píng)分。主觀評(píng)價(jià)由縱隔窗所顯示的試管結(jié)構(gòu)的對(duì)比度、清晰度及噪聲1分為圖像質(zhì)量差（噪聲大，偽影重，組織結(jié)構(gòu)顯示不清），完全不能用于診斷；2分為圖像質(zhì)量較差（噪聲較大，組織結(jié)構(gòu)顯示欠清），不能完全達(dá)到診斷要求；3分為圖像質(zhì)量中等（噪聲較小，組織結(jié)構(gòu)顯示尚清），基本達(dá)到診斷要求；4分為圖像質(zhì)量良好（噪聲小，組織結(jié)構(gòu)顯示較清楚）可以達(dá)到診斷要求；5分為圖像質(zhì)量?jī)?yōu)（噪聲極小，組織結(jié)構(gòu)顯示清晰），滿足診斷要求。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用Graphpad 5.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。計(jì)算試管內(nèi)CT值以及噪聲的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，并且計(jì)算三種不同圖像處理方法的CNR。P<0.05表示有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

相對(duì)于FBP法，AIDR 3D在相同劑量水平下有效降低圖像噪聲。采用AIDR 3D Strong算法對(duì)80 kV和13、16、19、22 mAs兒童胸部模型圖像提高明顯（圖3）。在低輻射劑量不同碘濃度的試管主觀評(píng)分中，AIDR 3D Strong優(yōu)于其他兩種后重建算法（AIDR 3D Strong：3.85±0.39，AIDR 3D：3.54±0.46，F(xiàn)BP：3.17±0.68）。同時(shí)，兩個(gè)觀察者對(duì)數(shù)據(jù)有很好的一致性（r=0.81）。與相同的低劑量方案相比，使用AIDR 3D Strong重建碘化造影劑（4.42 mgI/mL）的CNR值高于FBP重建碘化造影劑（5.29 mgI/mL）（圖3）。

3 討論

兒童的輻射劑量是臨床CT檢查中值得關(guān)注的問題。近年來，通過降低管電壓、管電流已逐步降低了檢查的輻射劑量，但隨著噪聲的增加，導(dǎo)致圖像質(zhì)量已影響到臨床診斷[4]。迭代重建算法可有效降低圖像噪聲和偽影并且提高對(duì)比度，但目前對(duì)于兒童胸部CT增強(qiáng)迭代算法比例的選擇還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[5-6]。本研究通過設(shè)計(jì)接近兒童X線衰減性能的3D打印胸部模型，通過比較3種不同圖像重建算法。評(píng)價(jià)其在CT胸部增強(qiáng)掃描中，優(yōu)化圖像質(zhì)量和臨床應(yīng)用的潛在價(jià)值。

圖3 用差分算法比較不同濃度的CNR

目前，3D打印技術(shù)在醫(yī)院模型的構(gòu)建和手術(shù)規(guī)劃中已有廣泛的應(yīng)用，并且定制的解剖結(jié)構(gòu)模型有很好的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性[7]。Jahnke等[8]首次提出3D打印標(biāo)準(zhǔn)化的成人增強(qiáng)CT腹部模型。國(guó)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)嬰兒體模在CT圖像質(zhì)量和劑量?jī)?yōu)化有重要的研究?jī)r(jià)值[9]。本研究中，我們發(fā)現(xiàn)在低劑量掃描方法下，使用AIDR 3D Strong的圖像質(zhì)量明顯優(yōu)于其他兩種圖像重建算法[10]。同時(shí)，在此方法下4.42 mgI/mL試管的CNR高于FBP重建碘化造影劑，意味著相同造影劑濃度下使用AIDR 3D Strong算法可以有效降低16%的造影劑濃度。這為未來針對(duì)兒童胸部增強(qiáng)CT掃描提供了可行的預(yù)掃描方案[11-13]。

本研究存在一些局限性：① 由于本模型是一個(gè)造影劑增強(qiáng)模型，目的是模擬仿真兒童增強(qiáng)胸部CT衰減程度，本研究沒有和標(biāo)準(zhǔn)兒童物理體模（Model 704-D）進(jìn)行對(duì)比[14-16]；② 由于3D打印直寫成型技術(shù)的局限性，兒童腹部模型沒有打印CT圖像提取的肋骨部分，這對(duì)于模型圖像的CT值和對(duì)比噪聲比計(jì)算會(huì)存在差異；③ 3D打印CT增強(qiáng)胸部體模還不能完全代替臨床研究，需要收集臨床病例使AIDR更凸顯優(yōu)化圖像質(zhì)量和低劑量的潛在價(jià)值[17-19]。

4 結(jié)論

相比FBP，AIDR 3D Strong顯著降低了圖像噪聲，提高圖像質(zhì)量。對(duì)于兒童CT掃描在低輻射劑量下，有進(jìn)一步降低造影劑的濃度的可能。兒科胸部模型驗(yàn)證可嘗試多種低濃度碘化造影劑和低劑量掃描，優(yōu)化CT掃描方案。