低輻射劑量下FBP、ASIR 和ASIR-V 3 種不同重建算法對(duì)上腹部CT 圖像質(zhì)量的影響

張喜榮，賀太平，賈永軍，陳 靜，馬光明，郭長(zhǎng)義

（1.陜西中醫(yī)藥大學(xué)醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 712000；2.陜西中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科，陜西 西安 712000；3.陜西中醫(yī)藥大學(xué)第二附屬醫(yī)院CT 室，陜西 西安 712000）

近年來隨著CT 的廣泛應(yīng)用，放射科醫(yī)師一直致力于在保持圖像質(zhì)量的同時(shí)減少輻射劑量［1］，而改進(jìn)重建算法是行之有效的手段。使用傳統(tǒng)的濾波反投影重建（filtered back projection，F(xiàn)BP）算法，在使用低輻射劑量掃描時(shí)，會(huì)使圖像噪聲增加，產(chǎn)生更多的偽影。迭代重建（iterative reconstruction，IR）算法作為一種新的重建算法，正逐步應(yīng)用于臨床，其可在低輻射劑量下改善或保持圖像質(zhì)量。GE 公司綜合了自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)迭代重建（adaptive statistical iterative reconstruction，ASIR）和基于模型的迭代重建（model based iterative reconstruction，MBIR）算法成像技術(shù)，推出了新一代自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)迭代重建算法（ASIR-V），該算法使用一種相對(duì)簡(jiǎn)單的前向投影系統(tǒng)模型，減弱了系統(tǒng)光學(xué)模型的影響，從而加快了重建速度，在降低噪聲的同時(shí)可提高圖像質(zhì)量［2］。研究［3］表明，與ASIR 相比，ASIR-V 在腹部掃描中可降低35%的輻射劑量。本文探討在低輻射劑量下，F(xiàn)BP、40%ASIR和50%ASIR-V 這3 種重建算法降低噪聲和提高圖像質(zhì)量的能力。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集陜西中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院2018 年6 月至2019 年2 月擬診胸部病變需行CT 檢查的患者25 例，其中男13 例，女12 例；年齡18～76歲，平均（57.98±8.05）歲；平均體質(zhì)量（60.17±8.05）kg；平均身高（1.69±0.08）m。納入標(biāo)準(zhǔn)：①圖像顯示清晰，無較大偽影影響測(cè)量者；②體質(zhì)量指數(shù)在18.5～23.9 kg/m2。所有檢查均經(jīng)醫(yī)院倫理管理管委會(huì)同意，患者均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 使用GE Discovery CT 750 HD掃描儀行胸部低劑量掃描。掃描前對(duì)患者進(jìn)行呼吸訓(xùn)練，掃描過程中進(jìn)行甲狀腺、盆腔放射屏蔽防護(hù)。掃描參數(shù)：80 kV，自動(dòng)管電流調(diào)制技術(shù)，球管旋轉(zhuǎn)時(shí)間0.4 s/轉(zhuǎn)，準(zhǔn)直器0.625 mm×64，層厚及層距均為5 mm，螺距0.984，噪聲指數(shù)為28 HU。掃描結(jié)束后記錄CT 容積劑量指數(shù)（computed tomography dose index，CTDIvol）、劑量長(zhǎng)度乘積（dose length product，DLP）和有效劑量（effective dose，ED）。

1.3 圖像重建 綜合既往對(duì)迭代權(quán)重的研究［1］，本研究中ASIR 采用40%的權(quán)重，ASIR-V 采用50%的權(quán)重。所有圖像均行FBP、40%ASIR 和50%ASIR-V重建，重建層厚均為0.625 mm。重建結(jié)束后，將圖像傳至GE AW 4.6 后處理工作站，進(jìn)行觀察分析。

1.4 圖像評(píng)價(jià)

1.4.1 圖像客觀評(píng)價(jià) 為確保觀察圖像一致性，使用統(tǒng)一的窗寬窗位（窗寬350 HU，窗位50 HU），在腹部結(jié)構(gòu)顯示最佳層面進(jìn)行測(cè)量。分別選擇ROI 測(cè)量肝臟、脾臟和豎脊肌CT 值，ROI 盡量避開血管、器官邊緣和病灶，大小20～50 mm2。背景噪聲（SD）值在同一層面背部皮下脂肪測(cè)量，ROI 選擇在脂肪密度較均勻區(qū)域，大小20～50 mm2。每個(gè)參數(shù)測(cè)量3 次取平均值。計(jì)算SNR 和CNR。SNR=CT臟器/SD脂肪。CNR=（CT臟器-CT脂肪）/SD脂肪。

1.4.2 圖像主觀評(píng)價(jià) 由2 名具有5～10 年影像診斷經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師對(duì)圖像進(jìn)行雙盲主觀評(píng)價(jià)，參考HOPPER 等［4］的5 級(jí)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)（表1）。

表1 圖像質(zhì)量5 級(jí)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)量資料以±s 表示。2 名醫(yī)師對(duì)圖像主觀評(píng)分的一致性分析行Kappa 檢驗(yàn)：K 值為0.21～0.40 表明一致性差，＞0.40～0.60 為一致性尚可，＞0.60～0.80 為一致性良好，＞0.80～1.00 為一致性非常好。3種不同重建方式所得圖像的客觀測(cè)量數(shù)據(jù)和圖像主觀評(píng)分的比較行ANOVA 檢驗(yàn)。以P＜0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 輻射劑量結(jié)果 25 例平均CTDIvol 為（1.59±0.60）mGy，DLP 為（53.67±20.19）mGy/cm，ED 為（0.80±0.30）mSv。

2.2 3 種不同重建方法圖像客觀評(píng)價(jià)的比較 3 種不同圖像重建方法下肝臟、脾臟、豎脊肌的SD、SNR及CNR 之間差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＜0.05）。其中SD：FBP＞40%ASIR＞50%ASIR-V；SNR 和CNR：50%ASIR-V＞40%ASIR＞FBP（表2、3，圖1）。

表2 3 種重建方法圖像SD 值的比較

2.3 3 種重建方法圖像主觀評(píng)價(jià)的比較 2 位醫(yī)師的主觀評(píng)分具有較好的一致性（K=0.734）。FBP、40%ASIR 和50%ASIR-V 主觀評(píng)分分別為（2.96±0.61）、（3.56±0.58）和（4.08±0.70）分，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。主觀評(píng)分結(jié)果顯示，低劑量掃描下，F(xiàn)BP 圖像無法滿足診斷要求，40%ASIR 和50%ASIR-V的圖像可滿足診斷要求，其中50%ASIR-V 的圖像質(zhì)量?jī)?yōu)于40%ASIR（P＜0.05）（圖2）。

表3 3 種重建方法圖像的SNR 和CNR 的比較

圖1 3 種重建算法下不同器官的噪聲（SD）（圖1a）、SNR（圖1b）和CNR（圖1c）的折線圖。在低輻射劑量下，50%ASIR-V 進(jìn)一步降低了圖像噪聲，提高了SNR 和CNR（FBP，濾波反投影算法；ASIR，自適應(yīng)性統(tǒng)計(jì)迭代重建；ASIR-V，新一代自適應(yīng)性統(tǒng)計(jì)迭代重建）

圖2 男，35 歲，噪聲指數(shù)為28 HU 圖2a～2c 分別為使用FBP、40%ASIR 和50%ASIR-V 重建方法所得到圖像，主觀評(píng)分分別為2、3、4 分

3 討論

近幾年，CT 引起的輻射損害越來越受到人們的關(guān)注［5］。目前常用降低輻射劑量的方法包括管電流調(diào)制、自動(dòng)曝光控制和自動(dòng)管電壓選擇等［6］。采用FBP 重建時(shí)，上述方法增加了圖像噪聲，在減少輻射劑量時(shí)受到限制。

傳統(tǒng)的FBP 是一種解析算法，一直被廣泛應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)是重建速度快，但要求投影數(shù)據(jù)完備并精確定量，因此需較高的掃描劑量完成圖像采集；低劑量掃描時(shí)，圖像顆粒感明顯，細(xì)節(jié)顯示不佳，無法滿足臨床要求。

腹部CT 掃描中，相對(duì)于FBP 重建算法，采用ASIR 重建算法可使掃描劑量降低約74%，且圖像質(zhì)量能滿足診斷要求［7］。ASIR 是迭代重建技術(shù)，用于模擬光子統(tǒng)計(jì)和電子噪聲等測(cè)量的統(tǒng)計(jì)行為，并通過模擬探測(cè)器對(duì)入射光子的響應(yīng)來模擬探測(cè)器的形狀和大小，可模擬圖像噪聲分布的統(tǒng)計(jì)變化，故能在保持圖像對(duì)比度的同時(shí)提高SNR［8-9］。ASIR 算法使用從FBP 算法獲得的信息作為圖像重建的初始構(gòu)建塊，該系統(tǒng)在噪聲和偽像減少方面優(yōu)于FBP。

與FBP 和前幾代ASIR 相比，ASIR-V 有可能改善客觀和主觀的圖像質(zhì)量參數(shù)［3］。該技術(shù)在迭代重建過程中采用物理模型（模擬多色X 射線與衰減物體之間的相互作用），以提高圖像呈現(xiàn)的穩(wěn)定性。與MBIR 算法不同，其在建模過程中排除了系統(tǒng)光學(xué)模型，主要側(cè)重于對(duì)系統(tǒng)噪聲統(tǒng)計(jì)與物理模型，這是ASIR-V 可降低噪聲和偽影的主要因素［10］。通過省略最耗時(shí)系統(tǒng)光學(xué)模型，ASIR-V 顯著提高了圖像質(zhì)量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了類似ASIR 的重建速度。

本研究評(píng)估ASIR、ASIR-V 的客觀參數(shù)和主觀圖像質(zhì)量，并與傳統(tǒng)的FBP 進(jìn)行比較，結(jié)果表明在客觀評(píng)價(jià)方面，低輻射劑量掃描時(shí)，相對(duì)于FBP，ASIR和ASIR-V 均降低了圖像噪聲并提高了SNR，但ASIR-V 圖像比ASIR 圖像具有更高的降噪能力。主觀評(píng)分方面，F(xiàn)BP 的主觀評(píng)分無法滿足診斷要求，40%ASIR 和50%ASIR-V 的圖像均可滿足診斷要求，其中50%ASIR-V 的圖像質(zhì)量?jī)?yōu)于40%ASIR。

腹部檢查的常規(guī)噪聲指數(shù)為10 HU［11-12］，本研究采用胸部低劑量掃描（噪聲指數(shù)為28 HU），研究胸腹聯(lián)合處腹部的圖像質(zhì)量，使用的掃描劑量更低，不會(huì)對(duì)患者增加額外的輻射劑量。在迭代重建中，隨著迭代權(quán)重的增加，圖像質(zhì)量得到改善，但迭代權(quán)重達(dá)到一定程度，圖像質(zhì)量反而下降。較高權(quán)重的迭代重建圖像具有蠟質(zhì)樣偽影，導(dǎo)致圖像可接受度差，故不同情況下需選擇不同的ASIR 權(quán)重，30%～50%的ASIR 權(quán)重圖像的噪聲低、蠟質(zhì)樣偽影少［13］。相對(duì)于40%ASIR，50%ASIR-V 可減少35%的輻射劑量［3］。

本研究不足之處：樣本量相對(duì)較小；僅由2 名放射科醫(yī)師進(jìn)行主觀評(píng)分；僅針對(duì)圖像質(zhì)量，并未對(duì)不同圖像質(zhì)量下病灶的顯示情況進(jìn)行深入分析。今后需擴(kuò)大樣本量，并由更多醫(yī)師進(jìn)行主觀評(píng)分以確保統(tǒng)計(jì)結(jié)果的完整性。

綜上所述，低輻射劑量掃描時(shí)，50%ASIR-V 相對(duì)于40%ASIR 和FBP 算法可有效減少圖像噪聲，增加CNR 和SNR，進(jìn)一步提高圖像質(zhì)量。