多模型迭代重建對胸部體模CT圖像質(zhì)量的影響

劉小琴，李小虎，束宏敏，趙 韌，束晶葦，胡 翀，宋 健，劉 斌，余永強

CT掃描技術(shù)自問世以來，降低掃描輻射劑量與提高圖像質(zhì)量一直是研究進展過程中備受關(guān)注的兩個重點。通常，降低管電壓及管電流可以在一定程度上降低掃描輻射劑量[1-2]，但是往往會導致圖像質(zhì)量的下降[3]。迭代重建通過對圖像原始投影、圖像切片投影或兩者同時進行多次迭代數(shù)據(jù)重建，在保持圖像細節(jié)的同時降低圖像噪聲，改善圖像質(zhì)量。與傳統(tǒng)的解析算法如濾波反投影法(filtered back projection，F(xiàn)BP)相比，迭代算法突破了解析算法在降低劑量輻射方面的限制。隨著計算機處理技術(shù)的發(fā)展，迭代算法正在逐步取代解析算法。2014年GE公司推出了基于多模型的迭代重建技術(shù)(adaptive statistical iterative reconstruction Veo，ASiR-V)，其在運算時同時運用了系統(tǒng)噪聲模型、物體和物理模型，目的在于降低噪聲、提高密度分辨率、抑制偽影?，F(xiàn)通過噪聲及主觀評分探討ASiR-V對于胸部CT圖像質(zhì)量的影響。

1 材料與方法

1.1 儀器與方法采用GE revolution 256排CT對仿真體模(成都華科)進行掃描，體模內(nèi)部仿真材料X線衰減性能等效于真實人體軟組織及骨骼組織。掃描參數(shù)如下：管電壓120 kV，管電流采用自動毫安秒計數(shù)，螺距：0.992 ∶1，噪聲指數(shù)(noise index，NI)值14，前置ASiR-V權(quán)重分別設(shè)置為0%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%。在對不同權(quán)重前置ASiR-V圖像質(zhì)量進行評估后，分別在前置關(guān)閉(ASiR-V權(quán)重為0%)，縱膈窗及肺窗主觀評分均達到最佳(ASiR-V權(quán)重為30%)，縱膈窗及肺窗均能滿足診斷的最高前置權(quán)重(ASiR-V權(quán)重為60%)基礎(chǔ)上，依次重建后置ASiR-V權(quán)重間隔為10%(0%～100%)的圖像。不同百分比代表迭代重建所占比例，0%代表完全采用FBP算法，100%代表完全采用ASiR-V算法。圖像重建類型選擇標準算法，重建層厚1.25 mm。

1.2 圖像質(zhì)量評價

1.2.1客觀測量 將胸部體模圖像傳至AW4.6工作站進行觀察，在軸位CT圖像上選取上、中、下3個層面，分別為胸鎖關(guān)節(jié)層面、肺靜脈層面、近膈肌層面，每個層面上分別于雙側(cè)肺野、主動脈、脊柱旁軟組織及椎體各放置一個感興趣區(qū)(region of interest，ROI)(100 mm2)，每個圖像對應的所有ROI位置保持一致，記錄各ROI的CT值及SD值。肺組織、主動脈、脊柱旁軟組織及椎體的CT值及SD值結(jié)果取3個層面的平均值。所有數(shù)據(jù)測量均由同一名放射科醫(yī)師完成。

1.2.2主觀評估 由2名具有5年以上工作經(jīng)驗的放射科醫(yī)師對圖像進行主觀評價，分別在縱膈窗(窗寬350、窗位40)及肺窗(窗寬1000、窗位-600)觀察，得出主觀評分。評分標注如下：1分：圖像質(zhì)量差，完全不能用于臨床診斷；2分：圖像質(zhì)量較差，不能完全達到臨床診斷要求；3分：圖像質(zhì)量中等，基本達到臨床診斷要求；4分：圖像質(zhì)量良好，可以達到臨床診斷要求；5分：圖像質(zhì)量優(yōu)，完全滿足在臨床診斷要求?！?分的圖像才可以應用于臨床診斷。當2名醫(yī)師意見不一致時共同商討決定。

2 結(jié)果

2.1 前置ASiR-V權(quán)重對于圖像質(zhì)量的影響隨著前置ASiR-V權(quán)重的變化，圖像的主觀評分有所改變。在前置ASiR-V權(quán)重為0%～80%之間時，肺窗的圖像主觀評分≥3分，而縱膈窗圖像在0%～60%之間。肺窗及縱膈窗的圖像主觀評分均在前置ASiR-V權(quán)重為30%時達到最佳狀態(tài)(5分)。隨著前置ASiR-V權(quán)重的變化，不同組織CT值及SD值未見明顯差異。見圖1、2。圖像的主觀評分見表1。前置ASiR-V權(quán)重分別為0%、30%、60% 時縱膈窗顯示軟組織圖像清晰，肺窗顯示肺紋理脈絡(luò)分明，見圖3A～C、3E～G。當前置ASiR-V權(quán)重為100%時縱膈窗出現(xiàn)明顯蠟條樣偽影，肺窗顯示胸膜下細小結(jié)構(gòu)邊緣模糊，圖像質(zhì)量明顯變差，見圖3D、3H。

2.2 后置ASiR-V權(quán)重對于圖像質(zhì)量的影響對前置ASiR-V權(quán)重為0%、30%、60%的3組原始數(shù)據(jù)進行后置ASiR-V的重建。隨著后置ASiR-V的增加，脊旁軟組織、椎體及主動脈的SD值均呈明顯下降趨勢，肺組織的SD值及各組織CT值均未呈現(xiàn)明顯變化趨勢。見表2、3。以前置ASiR-V權(quán)重為0%組為例，各組織SD值隨后置ASiR-V增加的變化趨勢見圖4。在前置ASiR-V為0%組，當后置ASiR-V設(shè)置為50%、100%時，相比于后置ASiR-V為0%的圖像，脊旁軟組織的SD值分別下降0.41、0.80，椎體的SD值分別下降0.37、0.69，主動脈的SD值分別下降0.41、0.78。類似的，在前置ASiR-V為30%組，脊旁軟組織的SD值分別下降0.41、0.78，椎體的SD值分別下降0.34、0.65，主動脈的SD值分別下降0.41、0.78。在前置ASiR-V為60%組，脊旁軟組織的SD值分別下降0.51、0.77，椎體的SD值分別下降0.35、0.68，主動脈的SD值分別下降0.49、0.80。在前置ASiR-V為0%及30%的2組圖像中，當后置ASiR-V權(quán)重在0%～80%時，圖像的縱膈窗及肺窗的主觀評分較好，能滿足診斷需求。在前置ASiR-V為60%組， 后置ASiR-V權(quán)重在60%～80%時，圖像的縱膈窗及肺窗的主觀評分較好，能滿足診斷需求。

圖1 CT值隨前置ASiR-V權(quán)重增加變化的趨勢

圖2 SD值隨前置ASiR-V權(quán)重增加變化的趨勢

表1 不同權(quán)重前置ASiR-V下縱膈窗及肺窗的主觀評分比較(分)

圖3 不同前置權(quán)重下縱膈窗和肺窗的影像

表2 不同前置ASiR-V條件下各組織隨后置變化的SD值

表3 不同前置ASiR-V條件下各組織隨后置變化的CT值

3 討論

在CT成像的過程中，干擾有效信號的噪聲無法避免。迭代重建運用的噪聲模型通過采用多種數(shù)學方法對噪聲的特性進行描述和表達，從而實現(xiàn)對噪聲的控制，并在圖像噪聲一定的情況下降低輻射劑量，盡可能生成可以接受的圖像[4-6]。早期的自適應統(tǒng)計迭代重建(adaptive statistical iterative reconstruction，ASiR)運算時僅納入系統(tǒng)噪聲模型?；谀Ｐ偷牡惴?model based iterative reconstruc-

圖4 不同組織SD值變化趨勢

tion，MBIR，商品名Veo)在噪聲模型之外，納入了光學、物體及物理模型[7]。其中，系統(tǒng)光學模型作用在于提高空間分辨率，但增加了運算的時長，限制了MBIR在臨床的投入使用。與ASiR和MBIR相比，ASIR-V包含改進的噪聲和對象建模[8]，改善了高權(quán)重ASIR時容易出現(xiàn)的蠟條樣偽影，在降低噪音和提高對比度方面作用優(yōu)于ASiR[9]，同時由于在建模過程中排除了復雜的系統(tǒng)光學，使得ASIR-V可以以接近ASIR的重建速度獲得接近MBIR的的重建圖像。作為一種新的迭代重建技術(shù)，GE revolution CT的多模型迭代重建有前置和后置兩種模式，前置可以在維持圖像質(zhì)量條件下直接降低輻射劑量，后置雖然不能直接降低輻射劑量，但是可以在不影響圖像質(zhì)量的前提下，可聯(lián)合高的NI值以降低一定輻射劑量[10-11]。

CT圖像質(zhì)量評估包括主觀和客觀2個方面。本研究的結(jié)果表明，胸部CT圖像的客觀指標隨著前置ASiR-V權(quán)重的增加并沒有明顯變化，但是當前置權(quán)重增加到一定程度時圖像主觀評分開始下降，部分不能滿足診斷，考慮是因為過高的ASiR-V權(quán)重會導致臘條樣偽影及模糊效應[7]。 顏利輝 等[12]的一項針對體模及120例患者的同類型研究的結(jié)果顯示，縱隔窗圖像在前置ASiR-V權(quán)重為40%之前，肺窗圖像在80%之前圖像主觀評分均≥3分，并推薦胸部ASIR-V掃描的權(quán)重設(shè)置在40%。此外，顏利輝等[12]指出，肺窗的合適權(quán)重范圍較縱膈窗寬，對于體檢病人或者以肺組織病變檢出為主要目的的病人，ASIR-V前置權(quán)重可以設(shè)置到80%。從本研究結(jié)果來看，雖然肺窗及縱膈窗的主觀評分在30%達到最佳，但是考慮到前置ASiR-V會降低掃描的輻射劑量，為了兼顧質(zhì)量及劑量2個要素，胸部CT掃描ASiR-V適宜前置的權(quán)重建議在60%，與前者的結(jié)果接近。

在前置條件固定的前提下，后置ASiR-V權(quán)重的增加會改善圖像客觀指標，即除肺組織以外其他組織SD值均呈明顯下降趨勢。然而當后置ASiR-V的權(quán)重過高或過低時，所得圖像的主觀評分會有所下降，無法用于臨床診斷。本研究在前置為0%組中，當后置ASiR-V權(quán)重高于80%時，圖像質(zhì)量的主觀評分不再滿足于臨床診斷需求，對比與楊利莉 等[13]的體模研究指出的在NI值預設(shè)為10，HD-LUNG重建方式下，20%～70%圖像肺窗才能滿足診斷的結(jié)果存在的差異，考慮是因為重建類型及預設(shè)NI值也會影響圖像質(zhì)量。另外，本研究結(jié)果中關(guān)于肺組織的SD值隨后置權(quán)重的增加呈穩(wěn)定狀態(tài)，與腹部及胸部的同類研究中的結(jié)果存在差異[10, 13]，可能是因為在本研究中，重建圖像的噪聲對測得肺組織SD值貢獻較小，尚存在其它更顯著因素，比如ROI內(nèi)包含的肺間質(zhì)及紋理過少，肺組織本身的不均質(zhì)性，不同實驗采用的體模材質(zhì)的差異有關(guān)。

本研究尚存在一些不足之處：① 數(shù)據(jù)量少，僅限于體模研究，未涉及臨床患者；② NI值固定，不能體現(xiàn)后置ASiR-V的優(yōu)勢，即結(jié)合高NI值在降低輻射劑量的同時提高圖像質(zhì)量。在后面的研究中需要進一步擴充樣本量，此外，可以預設(shè)不同的管電壓及NI值，探究ASiR-V技術(shù)下胸部CT圖像質(zhì)量與輻射劑量的最佳平衡點。綜上，過高的ASiR-V權(quán)重設(shè)定，無論是前置還是后置模式，都會損害圖像質(zhì)量，合適的權(quán)重選擇對于ASiR-V重建技術(shù)下的圖像質(zhì)量至關(guān)重要。