全模型實(shí)時(shí)迭代重建技術(shù)對(duì)小豬腹部CT平掃及增強(qiáng)掃描圖像質(zhì)量和輻射劑量的研究

李露露，趙小英，尚 瑾，宋 建，劉 斌

CT作為一種無(wú)創(chuàng)檢查方法，由于其密度分辨率高、成像速度快、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，在臨床中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，CT在臨床應(yīng)用中的輻射劑量和潛在的致癌作用一直備受關(guān)注，兒童對(duì)電離輻射較成人敏感，兒童低劑量CT檢查研究一直是臨床和放射科醫(yī)師關(guān)注的熱點(diǎn)[1-2]。Revolution CT是由GE公司開(kāi)發(fā)的最新一代CT，其獨(dú)特的全模型實(shí)時(shí)迭代重建(adaptive statistical iterative reconstruction-V，ASiR-V)可以在降低輻射劑量的同時(shí)提高圖像質(zhì)量[3]。該研究觀(guān)察了ASiR-V對(duì)小豬腹部CT平掃和增強(qiáng)掃描圖像質(zhì)量和輻射劑量的影響，探討了前后置ASiR-V的最佳組合，為臨床上兒童腹部CT掃描降低輻射劑量提供一定的經(jīng)驗(yàn)支持。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物小豬由安徽醫(yī)科大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心按照統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)提供。經(jīng)檢疫，10只雄性或雌性廣西巴馬小豬，2～3月齡，體質(zhì)量20～30 kg，身長(zhǎng)60～80 cm，均正常健康，經(jīng)安徽醫(yī)科大學(xué)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)倫理委員會(huì)批準(zhǔn)。

1.2 CT檢查方法采用GE Revolution 256層CT掃描。小豬麻醉后，將小豬以仰臥位置于檢查床上，分別以0%、20%、40%、60%、80%、100%前置ASiR-V進(jìn)行腹部平掃。掃描參數(shù)為管電壓120 kV，管電流自動(dòng)調(diào)制(120～550 mA)，噪聲指數(shù)6，球管轉(zhuǎn)速0.28 s/r，掃描層厚和間距為5 mm。掃描范圍為膈上至恥骨聯(lián)合水平。腹部平掃結(jié)束后，小豬的腹部增強(qiáng)掃描分別使用100%、80%、60%、40%、20%和0%前置ASiR-V。雙筒高壓注射器以2.5 ml/s速率注射造影劑30 ml，隨即以相同速率跟隨30 ml生理鹽水沖管，掃描過(guò)程采用了自動(dòng)曝光控制技術(shù)，ROI設(shè)于胸主動(dòng)脈下段，自動(dòng)觸發(fā)閾值為150 HU，觸發(fā)后延遲25 s行腹部增強(qiáng)掃描。共獲得12組圖像。

1.3 圖像分析

1.3.1圖像重建 圖像重建層厚和層間距均為1.25 mm。12組圖像分別加入后置ASiR-V重建，后置ASiR-V只能等于或者高于前置ASiR-V。前置ASiR-V0%時(shí)，后置ASiR-V分別使用0%、20%、40%、60%、80%、100%，0%ASiR-V重建即為濾波反投影(filtered back projection，F(xiàn)BP)；前置ASiR-V20%時(shí)，后置ASiR-V分別使用20%、40%、60%、80%、100%；前置ASiR-V40%時(shí)，后置ASiR-V分別使用40%、60%、80%、100%；前置ASiR-V60%時(shí)，后置ASiR-V分別使用60%、80%、100%；前置ASiR-V80%時(shí)，后置ASiR-V分別使用80%和100%；前置ASiR-V100%時(shí)，后置ASiR-V使用100%。共獲得42組圖像，其中平掃21組，增強(qiáng)掃描21組。

1.3.2客觀(guān)圖像質(zhì)量評(píng)價(jià) 所有圖像均傳送至GE 4.7后處理工作站。由2名具有5年以上腹部CT閱片經(jīng)驗(yàn)、對(duì)圖像重建方法不知情的放射科醫(yī)師分別定量測(cè)量圖像感興趣區(qū)(region of interest, ROI)的CT值和客觀(guān)噪聲，客觀(guān)噪聲即為感興趣區(qū)內(nèi)CT值的標(biāo)準(zhǔn)差(std deviation，SD)。ROI分別放置于腹主動(dòng)脈、肝臟、背部肌肉、皮下脂肪、腎臟內(nèi)。ROI的大小盡量保持一致，避開(kāi)偽影區(qū)域。在連續(xù)3個(gè)相鄰層面中測(cè)量數(shù)據(jù)，取平均值。并計(jì)算對(duì)比噪聲比(contrast noise ratio, CNR)，CNR=[感興趣區(qū)CT值-背部肌肉的CT值]/SD。

1.3.3主觀(guān)圖像質(zhì)量評(píng)價(jià) 由2名高年資放射醫(yī)師采用盲法對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用5分制評(píng)分。1分：圖像質(zhì)量極差，無(wú)法診斷；2分：圖像較差，不符合診斷標(biāo)準(zhǔn)；3分：圖像質(zhì)量中等，大致符合診斷標(biāo)準(zhǔn)；4分：圖像良好，可以達(dá)到診斷的要求；5分：圖像質(zhì)量?jī)?yōu)、清晰，完全符合診斷標(biāo)準(zhǔn)。意見(jiàn)不一致時(shí)經(jīng)協(xié)商達(dá)成統(tǒng)一。

1.4 輻射劑量評(píng)估記錄CT輻射劑量指數(shù)，包括CT劑量容積指數(shù)(CT dose index volume, CTDIvol)和劑量長(zhǎng)度乘積(dose length product, DLP)、有效劑量(effective dose, ED)，按DLP計(jì)算ED, ED=DLP×k, k為組織權(quán)重因子，采用合適的腹部加權(quán)系數(shù)0.015 mSv/mGy。

2 結(jié)果

2.1 小豬腹部CT圖像所有小豬均麻醉成功，完成檢查。不同權(quán)重前后置ASiR-V，小豬腹部橫斷層圖像見(jiàn)圖1、2。

2.2 客觀(guān)圖像質(zhì)量比較通過(guò)觀(guān)察所測(cè)ROI的CT值，在同一組前置ASiR-V時(shí)，隨著后置ASiR-V權(quán)重的增加，CT值沒(méi)有變化。隨著前置ASiR-V權(quán)重增加，CT值有一定程度的變化，多組間采用單因素方差分析。結(jié)果如表1所示。表明在平掃和增強(qiáng)掃描條件下，不同前置ASiR-V組CT值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。通過(guò)測(cè)得的ROC的SD值觀(guān)察，同組前置ASiR-V中，隨后置ASiR-V權(quán)重增加，SD逐漸減低，而CNR值無(wú)變化或增加。以背部肌肉為例，不同前置ASiR-V聯(lián)合不同后置ASiR-V重建下的背部肌肉SD值見(jiàn)圖3。

2.3 主觀(guān)圖像質(zhì)量比較平掃主觀(guān)評(píng)分見(jiàn)圖4，增強(qiáng)主觀(guān)評(píng)分見(jiàn)圖5，為了更直觀(guān)的觀(guān)察、對(duì)比主觀(guān)評(píng)分，圖4及圖5中柱狀圖的相同顏色代表同一后置ASiR-V。主觀(guān)評(píng)分在同組前置ASiR-V(0～60%)下，隨著后置ASiR-V(0～60%)權(quán)重增加，主觀(guān)評(píng)分增加，且均>3分；在同組前置ASiR-V(0～60%)下，當(dāng)后置ASiR-V(80%～100%)，圖像質(zhì)量較差，無(wú)法滿(mǎn)足診斷；當(dāng)前置ASiR-V(80%～100%)，圖像質(zhì)量較差，無(wú)法滿(mǎn)足診斷。使用Mann-WhitneyU檢驗(yàn)比較相應(yīng)組合的主觀(guān)評(píng)分差異，結(jié)果顯示，平掃時(shí)，40%前置ASiR-V結(jié)合60%后置ASiR-V主觀(guān)評(píng)分與0%前置ASiR-V結(jié)合60%后置ASiR-V差異沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(Z=-0.457,P=0.648)，60%前置ASiR-V結(jié)合60%后置ASiR-V主觀(guān)評(píng)分低于0%前置ASiR-V結(jié)合60%后置ASiR-V，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(Z=-3.199,P=0.001)。增強(qiáng)掃描時(shí)，60%前置ASiR-V結(jié)合60%后置ASiR-V主觀(guān)評(píng)分與0%前置ASiR-V結(jié)合60%后置ASiR-V差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(Z=-0.951,P=0.342)。

圖1 平掃時(shí)不同前后置ASiR-V下小豬圖像

A：0%前置ASiR-V結(jié)合0%后置ASiR-V，即FBP圖像。ROI如1A所示，使用后處理工作站克隆功能，在其他不同前后置ASiR-V圖像上用相同的ROI測(cè)CT值及SD值；B：0%前置ASiR-V結(jié)合40%后置ASiR-V；C：0%前置ASiR-V結(jié)合60%后置ASiR-V；D：40%前置ASiR-V結(jié)合40%后置ASiR-V；E：40%前置ASiR-V結(jié)合60%后置ASiR-V；F：40%前置ASiR-V結(jié)合80%后置ASiR-V；G：60%前置ASiR-V結(jié)合60%后置ASiR-V；H：60%前置ASiR-V結(jié)合80%后置ASiR-V；I：60%前置ASiR-V結(jié)合100%后置ASiR-V

表1 平掃及增強(qiáng)時(shí)不同前置ASiR-V組CT值比較

圖2 增強(qiáng)掃描時(shí)，不同前后置ASiR-V下小豬圖像

A：0%前置ASiR-V結(jié)合0%后置ASiR-V，即FBP圖像；B：0%前置ASiR-V結(jié)合40%后置ASiR-V；C：0%前置ASiR-V結(jié)合60%后置ASiR-V；D：40%前置ASiR-V結(jié)合40%后置ASiR-V；E：40%前置ASiR-V結(jié)合60%后置ASiR-V；F：40%前置ASiR-V結(jié)合80%后置ASiR-V；G：60%前置ASiR-V結(jié)合60%后置ASiR-V；H：60%前置ASiR-V結(jié)合80%后置ASiR-V；I：60%前置ASiR-V結(jié)合100%后置ASiR-V

圖4 不同前置ASiR-V聯(lián)合不同后置ASiR-V重建下平掃主觀(guān)得分

2.4 輻射劑量比較通過(guò)比較不同組前置ASiR-V的CTDIvol、DLP、ED，隨前置ASiR-V權(quán)重增加，小豬所受的輻射劑量逐漸減低，采用Friedman檢驗(yàn)分析多組間的CTDIvol、DLP、ED值，結(jié)果見(jiàn)表2，輻射劑量差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。平掃時(shí)，隨著前置ASiR-V20%、40%、60%、80%、100%權(quán)重增加，輻射劑量分別下降約13.96%、31.61%、53.30%、69.09%、75.84%。增強(qiáng)掃描時(shí)，隨著前置ASiR-V20%、40%、60%、80%、100%權(quán)重增加，輻射劑量分別下降約11.56%、27.96%、48.90%、68.88%、77.09%。

表2 平掃及增強(qiáng)時(shí)不同前置ASiR-V下輻射劑量比較

圖5 不同前置ASiR-V聯(lián)合不同后置ASiR-V重建下增強(qiáng)主觀(guān)評(píng)分

3 討論

降低CT輻射劑量的方法有降低管電壓和電流，自動(dòng)管電流調(diào)制和自動(dòng)千伏選擇，但是這樣會(huì)提高圖像噪聲，進(jìn)而影響圖像質(zhì)量。FBP重建算法是一種傳統(tǒng)的CT圖像重建方法，由于其速度快、方便等優(yōu)點(diǎn)，在臨床上得到了廣泛的應(yīng)用，但其圖像噪聲較大，輻射劑量較高。近年來(lái)，一些迭代重建(iterative reconstruction, IR)技術(shù)與基于相同CT數(shù)據(jù)重建圖像時(shí)的FBP相比，能夠顯著降低圖像噪聲[4]。自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)迭代重建(adaptive statistical iterativere construction, ASiR)是臨床最早可用的IR之一，然而，很大比例的ASiR混合會(huì)產(chǎn)生人造紋理或斑點(diǎn)外觀(guān)[5]。ASiR-V作為一種新推出的迭代重建技術(shù)，具有降噪、消除偽影、減少輻射劑量、增強(qiáng)對(duì)比度檢測(cè)、計(jì)算速度快等優(yōu)點(diǎn)[6-7]。ASiR-V既可通過(guò)前置迭代調(diào)節(jié)管電流直接降低輻射劑量，又可以通過(guò)后置迭代降低圖像噪聲而間接降低輻射劑量。本次研究通過(guò)觀(guān)察小豬腹部CT平掃及增強(qiáng)掃描中ASiR-V對(duì)圖像質(zhì)量和輻射劑量的影響，從而獲得應(yīng)用于兒童腹部掃描中前、后置ASiR-V的最優(yōu)組合方式。由于本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)需要反復(fù)進(jìn)行CT掃描，且總輻射劑量較大，因此選擇了動(dòng)物模型。小豬的生理機(jī)能與人類(lèi)的相似，尤其與兒童結(jié)構(gòu)相似，巴馬小豬可以用來(lái)觀(guān)察和評(píng)估圖像[8]。增強(qiáng)掃描時(shí)，為避免掃描時(shí)間延長(zhǎng)導(dǎo)致造影劑濃度略有降低對(duì)結(jié)果的影響，將前置ASiR-V權(quán)重設(shè)置為100%、80%、60%、40%、20%、0%進(jìn)行掃描。

本次研究結(jié)果顯示，前置ASiR-V一定時(shí)，隨后置ASiR-V升高，SD逐漸降低，臟器及血管CNR逐漸升高。觀(guān)察主觀(guān)評(píng)分表，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前置ASiR-V(0%-60%)一定時(shí)，隨著后置ASiR-V(0-60%)升高，圖像主觀(guān)評(píng)分無(wú)明顯改變或增加，圖像質(zhì)量較好；而當(dāng)前置ASiR-V為80%、100%時(shí)，或者后置ASiR-V為80%、100%圖像，圖像分辨率較差，圖像主觀(guān)評(píng)分下降，圖像內(nèi)臟器及血管過(guò)于光滑，實(shí)質(zhì)性臟器顆粒過(guò)于細(xì)膩，甚至出現(xiàn)臘狀偽影，這與既往的一些研究結(jié)果一致[9-10]。隨著前置ASiR-V權(quán)重(0～100%)增加，ED降低，小豬所受的輻射劑量降低，且差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。結(jié)合圖像主觀(guān)評(píng)分及輻射劑量，平掃時(shí)，40%前置ASiR-V結(jié)合60%后置ASiR-V推薦臨床使用，輻射劑量降低約31.61%；增強(qiáng)掃描時(shí)，60%前置ASiR-V結(jié)合60%后置ASiR-V推薦臨床使用，輻射劑量降低約48.9%。

在本次實(shí)驗(yàn)中，腹部CT圖像質(zhì)量的主觀(guān)評(píng)分是對(duì)整體圖像的準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)，而不是具體病變的診斷的準(zhǔn)確率。在平掃中40%前置ASiR-V結(jié)合60%后置ASiR-V，在增強(qiáng)掃描中60%前置ASiR-V結(jié)合60%后置ASiR-V，腹腔內(nèi)臟器及血管結(jié)構(gòu)清晰，分辨率好。目前，ASiR-V被發(fā)現(xiàn)可以應(yīng)用于多種CT檢查，例如，Afadzi et al[11]的研究表明，由于胸部具有天然的高對(duì)比度，與FBP重建相比，ASiR-V增強(qiáng)了所有超低劑量測(cè)試的定量圖像質(zhì)量，因此，ASiR-V可能有助于提高超低劑量下胸部CT的成像質(zhì)量。Lee et al[12]的研究表明，與FBP常規(guī)劑量方案相比，ASiR-V低劑量CT在不影響圖像質(zhì)量的前提下，對(duì)評(píng)估腹部多器官損傷是有效的。但是關(guān)于低劑量CT聯(lián)合ASiR-V算法在肝臟疾病診斷中仍存在一些爭(zhēng)議。Jensen et al[13]的研究表明，CT對(duì)結(jié)直腸癌肝轉(zhuǎn)移的評(píng)估受到適度輻射劑量減少的影響，當(dāng)輻射劑量減少50%時(shí)，使用迭代重建不能維持觀(guān)察者的診斷準(zhǔn)確率。小的肝臟轉(zhuǎn)移灶在低劑量CT掃描時(shí)容易被忽略。但是，也有研究表明，低劑量CT掃描方案聯(lián)合50%ASiR-V迭代重建獲得的門(mén)脈期CT圖像與常規(guī)劑量聯(lián)合40%ASiR重建獲得的門(mén)脈期CT圖像具有相似的圖像噪聲、主觀(guān)圖像質(zhì)量評(píng)分，并且降低了35%的輻射劑量[14]。有關(guān)腹部體模的研究顯示前置40%ASiR-V圖像質(zhì)量較好，前置40%～60%ASiR-V圖像可滿(mǎn)足基本診斷要求，可以降低輻射劑量[15]。在本實(shí)驗(yàn)中顯示ASiR-V可以在不影響圖像質(zhì)量的前提下降低輻射劑量，小豬腹部組織清晰，CNR較好。