單能量成像在改善兒童急診頭部CT平掃圖像質(zhì)量的應(yīng)用研究

陳錫建，曲海波，寧剛，李學(xué)勝，葉芷君，陳善慧

1. 四川大學(xué)華西第二醫(yī)院 放射科，四川 成都 610041；2. 出生缺陷與相關(guān)婦兒疾病教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（四川大學(xué)），四川成都 610041

引言

CT平掃在急診兒童懷疑腦外傷或急性腦損傷病人檢查中是首選檢查[1]。近年來隨著CT技術(shù)迅速發(fā)展，各大廠商紛紛推出了采用寬體探測器的超高端CT，其探測器寬度完全覆蓋兒童頭部掃描范圍，采用單次軸掃模式機(jī)架旋轉(zhuǎn)一周即可完成檢查[2]。但是因X線源混合能量成像所致硬化偽影、射線角度以及算法等問題[3-4]，腦組織成像質(zhì)量并不令人滿意。能譜成像單能量圖像可以通過能級(jí)選擇優(yōu)化噪聲，降低硬化偽影，優(yōu)化低對(duì)比結(jié)構(gòu)顯示。本研究旨在通過能譜掃描的單能量成像與常規(guī)掃描模式在圖像質(zhì)量與輻射劑量的對(duì)比，探討兒童急診頭部CT平掃檢查中使用何種掃描模式為最優(yōu)的成像模式。

1 材料與方法

1.1 一般資料

選取2019年1月至6月期間到我院因外傷、頭痛、暈厥等原因就診并行急診CT掃描的患兒，共80例符合納入標(biāo)準(zhǔn)，其中男43例，女37例，年齡1～9歲（3.09±2.62歲）。隨機(jī)選取40例為實(shí)驗(yàn)組（能譜成像組，A組），40例為對(duì)照組（常規(guī)成像組，B組），兩組間年齡無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。排除標(biāo)準(zhǔn)：① 因各種原因造成圖像有移動(dòng)模糊偽影；② 測量區(qū)域有出血、水腫、占位性病變影響測量數(shù)值的。

1.2 設(shè)備與檢查方法

采用GE 256排寬體探測器Revolution CT掃描儀對(duì)80例患兒進(jìn)行頭部平掃，A組用單源瞬時(shí)kVp切換能譜掃描（Gemstone Spectrum Imaging，GSI）模式，管電壓：80/140 kV快速切換，管電流280～320 mA，球管轉(zhuǎn)速0.8 s/r，探測器寬度40 mm。B 組用寬體探測器單次軸掃模式，管電壓為100 kVp，電流 280～320 mA，球管轉(zhuǎn)速為 0.8 s/r，探測器寬度120～140 mm。掃描層厚/層間距為5 mm?；純翰扇⊙雠P位頭先進(jìn)體位，掃描范圍顱底至顱頂。檢查前和患兒溝通囑其檢查中不能移動(dòng)頭部和肢體，低齡兒童或不能合作者需自然睡眠或藥物鎮(zhèn)靜。

1.3 圖像重建及圖像評(píng)價(jià)

1.3.1 圖像重建

掃描后能譜組采用重建出50、55、60、65、70、75、80 keV及100 kVp-Like共8組圖像，層厚及層間距均為5 mm，圖像重建類型Stnd，迭代重建算法比例40%。常規(guī)組重建層厚及層間距均為5 mm，重建類型Stnd，迭代重建比例40%。各組圖像顯示窗寬/窗位均為75/30 HU。所有影像自動(dòng)傳輸?shù)紾E ADW4.7工作站進(jìn)行數(shù)據(jù)測量和圖像分析。

1.3.2 圖像質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)

各組圖像選取區(qū)后顱窩腦干區(qū)（A區(qū)），基底節(jié)區(qū)域（B區(qū)），顱頂腦回（C區(qū)）三個(gè)層面相對(duì)均勻區(qū)域作為興趣區(qū)（Region of Interest，ROI），面積約 25 mm2（如圖1～2），同時(shí)測量側(cè)腦室前角相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域作為對(duì)比背景區(qū)域。分別記錄各ROI 的CT 值和噪聲值，計(jì)算每個(gè)ROI的信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR，SNR=CT/SD）和ABC各區(qū)與背景區(qū)之間的及對(duì)比度信噪比（Contrast Signal to Noise Ratio，CNR，CNR=ROI-背景 /SD)。

圖1 測量各層面興趣區(qū)

圖2 利用GE ADW4.7工作站REFORMAT軟件可以同時(shí)測量多組數(shù)據(jù)

1.3.3 主觀評(píng)價(jià)

采用雙盲法，由 2名具有5 年以上工作經(jīng)驗(yàn)的放射診斷醫(yī)師，分別獨(dú)立對(duì)不同掃描模式所得的圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。二者意見不一致時(shí)，共同商定結(jié)果。采用4分法對(duì)影像質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)：1分，腦灰白質(zhì)分界無法分辨，對(duì)比差，噪聲多，影像質(zhì)量差，偽影明顯，不能滿足診斷要求；2分，腦灰白質(zhì)分界模糊，對(duì)比欠佳，噪聲較多，影像質(zhì)量較差，偽影較多，影響細(xì)節(jié)判斷；3分，腦灰白質(zhì)分界較清晰，對(duì)比較好，噪聲較少，影像質(zhì)量較好，偽影較少，不影響細(xì)節(jié)觀察；4分，腦灰白質(zhì)分界清晰，對(duì)比明顯，噪聲少，顆粒細(xì)膩，無偽影。

1.3.4 輻射劑量評(píng)價(jià)

分別記錄每例病人CT 容積劑量指數(shù)（CT Volume Dose Index，CTDIvol）和劑量-長度乘積（Dose-Length Product，DLP）。計(jì)算輻射有效劑量（Effective Dose，ED），根據(jù)公式計(jì)算，即ED=K×DLP，根據(jù)國際輻射防護(hù)委員會(huì)（ICRP）2007標(biāo)準(zhǔn)，頭部轉(zhuǎn)換系數(shù)K=0.0067(1歲)；0.0004（5歲）；0.0032（10歲）(mSvm/Gy·cm)。

1.3.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

應(yīng)用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件，數(shù)據(jù)資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，分別對(duì)能譜成像組8組單能量圖和常規(guī)成像組的CT值、SD值、SNR、CNR、主觀評(píng)分結(jié)果以及輻射劑量進(jìn)多個(gè)樣本的單因素方差A(yù)NOVA分析，組間等級(jí)資料比較使用 Kruskal-Wallis 秩和檢驗(yàn)。采用Kappa 檢驗(yàn)分析閱片者間的一致性，Kappa 值＞0.6 為一致性較好。P＜0.05認(rèn)為差異有統(tǒng)計(jì)意義。

2 結(jié)果

2.1 客觀評(píng)價(jià)

測量各組不同ROI的數(shù)據(jù)及計(jì)算的SNR及CNR，腦干區(qū)（A區(qū)）能譜組的不同能級(jí)單能量圖像、混合能量圖像和常規(guī)組圖像在CT值、SD值、SNR、CNR的差異如表1所示。

基底節(jié)區(qū)（B區(qū)）能譜組的不同能級(jí)單能量圖像、混合能量圖像和常規(guī)組圖像在CT值、SD值、SNR、CNR的差異如表2所示。

表1 腦干區(qū)（A區(qū)）各組圖像測量值比較（±s）

表1 腦干區(qū)（A區(qū)）各組圖像測量值比較（±s）

注：各組數(shù)據(jù)經(jīng)Kruskal-Wallis 秩和檢驗(yàn)：P＜0.0001，有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

組別 ROI CT值 SD值 SNR CNR 50 keV 38.56±3.78 6.80±1.14 55 keV 36.31±3.21 5.50±1.19 7.30±1.59 7.04±1.10 60 keV 34.36±2.70 4.12±0.78 7.94±1.73 7.13±1.04 65 keV 32.29±2.40 4.24±0.91 8.45±1.80能譜組7.05±1.00 70 keV 31.62±2.13 3.78±0.82 8.91±1.91 7.27±1.05 75 keV 30.72±2.00 3.43±0.73 9.62±2.02(n=40)3.16±.0.66 7.41±1.09 80 keV 29.85±1.88 10.23±2.11 7.47±1.09 100 kV-Lik 31.90±2.95 2.92±0.61 10.62±.20 7.20±1.00常規(guī)組(n=40) 32.67±2.65 3.64±0.75 9.12±1.99 3.95±0.66 8.53±1.66 5.95±1.67

對(duì)顱頂腦回區(qū)（B區(qū)）能譜組的不同能級(jí)單能量圖像、混合能量圖像和常規(guī)組圖像在CT值、SD值、SNR、CNR幾方面的差異如表3所示。

對(duì)比3個(gè)ROI的CT值變化（圖3），隨keV增加，CT值下降，50-65 keV組高于于混合能量及常規(guī)組。

對(duì)比3個(gè)ROI的圖像噪聲值變化（圖4），隨keV增加，噪聲值下降，65～80 keV組低于混合能量及常規(guī)組。

對(duì)比3個(gè)ROI的圖像SNR（圖5），隨keV增加，SNR增加，其中65～80 keV組高于混合能量組，顯著高于常規(guī)組。

對(duì)比3個(gè)ROI的圖像CNR（圖6），隨keV增加，CNR逐漸增加，其中65～80 keV組高于混合能量組，顯著高于常規(guī)組。

隨keV增加，同一區(qū)域CT值逐漸降低，50、55、60、65 keV四組CT值均高于100 kV混合能量組（P＜0.05）；也高于常規(guī)組（P＜0.05）。噪聲值隨keV增加也逐漸降低，以65、70、75、80 keV四組噪聲均低于100 kV混合能量組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），更低于常規(guī)組（P＜0.05）。

表2 基底節(jié)區(qū)域（B區(qū)）各組圖像測量值比較（±s）

表2 基底節(jié)區(qū)域（B區(qū)）各組圖像測量值比較（±s）

注：各組數(shù)據(jù)經(jīng)Kruskal-Wallis 秩和檢驗(yàn)：P＜0.0001，有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

組別 ROI CT值 SD值 SNR CNR 50 keV 34.56±3.11 5.99±1.05 55 keV 32.20±3.38 5.29±1.20 6.86±1.66 6.26±1.05 60 keV 31.57±2.39 4.57±1.03 7.54±1.76 6.45±1.02 65 keV 30.57±2.19 4.05±0.88 8.13±1.78能譜組3.61±0.80 8.86±1.94(n=40)6.60±1.03 70 keV 29.73±2.01 6.76±1.10 75 keV 29.10±1.88 3.26±0.72 9.51±2.03 6.94±1.16 80 keV 28.54±1.81 3.01±0.67 10.11±2.20 7.08±1.17 100 kVLik 2.77±0.60 10.74±2.21 6.67±1.07常規(guī)組(n=40) 32.30±1.8 29.98±2.10 3.48±0.73 8.96±1.85 3.97±0.63 8.36±1.63 5.87±1.28

表3 顱頂腦回（C區(qū)）各組圖像測量值比較（±s）

表3 顱頂腦回（C區(qū)）各組圖像測量值比較（±s）

注：各組數(shù)據(jù)經(jīng)Kruskal-Wallis 秩和檢驗(yàn)：P＜0.0001，有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

組別 ROI CT值 SD值 SNR CNR 50 keV 40.53±3.45 7.21±1.21 55 keV 38.04±30.4 4.90±1.45 8.97±2.75 7.45±1.25 60 keV 35.79±2.64 4.21±1.15 9.75±2.95 7.50±1.22 65 keV 33.61±2.40 3.69±0.96 10.41±3.07能譜組7.41±1.18 70 keV 32.87±2.18 3.27±0.84 11.01±3.24 7.64±1.23 75 keV 31.91±2.12 2.96±0.73 11.83±3.70(n=40)2.79±.0.83 7.85±1.47 80 keV 30.97±2.26 12.42±3.97 7.83±1.20 100 kV-Lik 33.30±2.26 2.57±0.91 13.09±3.97 7.59±1.20常規(guī)組(n=40) 31.22±2.02 3.18±0.91 11.31±3.29 3.11±0.49 10.27±1.63 5.60±1.01

圖3 測量區(qū)域CT值變化圖

圖4 測量區(qū)域噪聲值變化圖

圖5 測量區(qū)域SNR變化圖

圖6 測量區(qū)域CNR變化圖

經(jīng)計(jì)算，SNR值和CNR值以65、70、75、80 keV組均高于100 kV混合能量組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），更高于常規(guī)組（P＜0.001）。綜合各單能量組客觀評(píng)分，初步認(rèn)為：65 keV和70 keV組圖像質(zhì)量在各組占優(yōu)。

2.2 主觀評(píng)價(jià)

各組圖像列表如表4，能譜成像組中，單能量65、70 keV組的影像質(zhì)量評(píng)分高于100 kV混合能量組（P＜0.05），70 keV組圖像評(píng)分達(dá)到所有圖像最高峰；單能量組中的60、65、70、75、100 kV組混合能量組主觀評(píng)分均優(yōu)于常規(guī)組（P＜0.001），差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表4 各組圖像主觀評(píng)分（±s）

表4 各組圖像主觀評(píng)分（±s）

組別 能量 主觀評(píng)分/分能譜組 (n=40) 50 keV 1.99±0.45 55 keV 2.38±0.35 60 keV 3.13±0.36 65 keV 3.52±0.44 70 keV 3.64±0.33 75 keV 3.49±0.38 80 keV 3.36±0.41 100 kV-Like 3.31±0.31常規(guī)組 (n=40) 2.68±0.49 F值 35.750 Kappa值 0.817

兩位醫(yī)師之間主觀評(píng)分一致性比較，Kappa=0.817，一致性良好。

2.3 輻射劑量評(píng)價(jià)

兩組掃描輻射劑量如表5所示。能譜成像組CT 的CTDIvol、DLP、有效劑量ED均較常規(guī)CT 組降低，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001）。

表5 兩組輻射劑量比較表（±s）

表5 兩組輻射劑量比較表（±s）

CTDIvol/mGy DL/mGy·cm ED/mSv 40) 13.18±0.91 188.26±26.29 1.26±0.17組別能譜組 (n=常規(guī)組 (n=40) 17.61±3.20 257.31±33.87 1.73±0.42 t值 0.00022 0.00038 0.00025 P值 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001

3 討論

生長發(fā)育期的兒童患者因其生理發(fā)育特點(diǎn)，腦組織發(fā)育未完善，腦組織溝回較淺，低齡兒童髓鞘化尚未完成，腦白質(zhì)和灰質(zhì)界限不清，CT圖像對(duì)比較成人CNR差[5]。

常規(guī)CT掃描中球管產(chǎn)生的X線具有混合能量，獲得的常規(guī)CT 圖像也體現(xiàn)了這種混合能量的平均效應(yīng)，而引起物質(zhì)的CT 值不確定和不準(zhǔn)確，影像不精確（存在硬化偽影）的現(xiàn)象[6]。GE GSI能譜模式采集時(shí)通過高低能量瞬切轉(zhuǎn)換獲得不同能量的成像信息，重建的單能量成像利用數(shù)學(xué)物理分析方法通過隨能量變化的質(zhì)量吸收函數(shù)獲取101個(gè)單能量圖像單能量圖像實(shí)現(xiàn)了物體在單色X線源的情況下可能獲得的圖像，可以消除硬化偽影，改善常規(guī)CT的CT值漂移并得到準(zhǔn)確的CT值[7-8]。與常規(guī)CT 圖像相比，單能量圖像具有更高的圖像質(zhì)量、CNR和對(duì)比噪聲比。

本研究的客觀評(píng)價(jià)方法對(duì)位于兒童顱底腦干區(qū)、腦室旁基底節(jié)及顱頂3個(gè)區(qū)域在能譜掃描及常規(guī)掃描的不同模式以及能譜成像不同能級(jí)圖像的CT值和圖像噪聲以及SNR、CNR進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果更準(zhǔn)確反映掃描方式及單能量圖像重建能級(jí)對(duì)兒童顱腦CT成像質(zhì)量的影響，較其他研究者更全面[9-10]。從兩組共80例圖像之間客觀評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)比較，我們發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)成像影像相比，單能譜65～80 keV影像保持CT 值不顯著降低，噪聲值明顯下降，SNR和CNR都有提高，表示隨單能量圖像能級(jí)提高，圖像對(duì)比度改善，且偽影減少；因此與常規(guī)CT相比，單能量成像提高了兒童腦部平掃CT 的影像質(zhì)量。

主觀評(píng)分時(shí)主要關(guān)注解剖結(jié)構(gòu)顯示情況，同時(shí)兼顧偽影和組織對(duì)比度兩個(gè)方面。各組比較，65～70 keV評(píng)分最高，低keV 能級(jí)水平提升組織對(duì)比度，但噪聲也高，高keV組的圖像偽影相對(duì)減少，噪聲低，但腦灰白質(zhì)對(duì)比也較低。65～70 keV的影像均衡，兼顧了組織對(duì)比及圖像噪聲；因此評(píng)分高于其它單能量組和混合能量成像，明顯高于常規(guī)組。

本研究結(jié)果表明，與常規(guī)影像相比，65～70 keV 水平的單能譜影像同時(shí)增加了灰白質(zhì)的對(duì)比度并減少了射線硬化偽影，成為腦部平掃CT檢查中的首選重建影像，與顧衛(wèi)彬等[9]、Pomerantz等[11]的研究發(fā)現(xiàn)基本一致。對(duì)具有代表性的兒童頭顱CT圖像的后顱窩、基底節(jié)、腦皮層層面進(jìn)行比較，70 keV單能譜影像具有較低的影像噪聲、較高的CNR，能提供比常規(guī)CT 影像更好的灰白質(zhì)對(duì)比，減少了后顱窩及硬膜下偽影，具有令人滿意的影像質(zhì)量。

生長發(fā)育期的兒童對(duì)射線敏感，電離輻射對(duì)兒童的潛在輻射危害比成人大[12]，照射劑量與吸收劑量之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)高于成人[13]，依據(jù)低劑量技術(shù)使用原則，在保證圖像質(zhì)量能夠滿足診斷需要的同時(shí)，應(yīng)盡可能地降低掃描輻射劑量，對(duì)于兒童這類對(duì)放射線較為敏感人群更應(yīng)如此[14]。使用GSI技術(shù)進(jìn)行CT掃描，掃描過程高管電壓（140 kVp）掃描只占整個(gè)掃描時(shí)間的1/3，其余2/3的時(shí)間切換為低管電壓（80 kVp）掃描[15]，因此能譜掃描的CTDI和DLP低于常規(guī)掃描。適當(dāng)?shù)惴ū壤芸陀^降低圖像噪聲，提高圖像CNR，同時(shí)兼顧主觀評(píng)分，為進(jìn)一步降低CT輻射劑量提供了依據(jù)[16-19]，本研究圖像中使用的迭代算法占比為40%，既能使圖像噪聲有效抑制，同時(shí)又能減少迭代比例過高對(duì)圖像產(chǎn)生的“蠟像感”[20]。然而，本研究未探討不同比例迭代算法對(duì)單能量圖像質(zhì)量的影響。

本研究采用的GE Revolution CT在采用常規(guī)軸掃模式時(shí)使用160 mm寬體探測器進(jìn)行兒童頭部掃描時(shí)僅需機(jī)架旋轉(zhuǎn)一周，最短僅需0.28 s，時(shí)間分辨率是其優(yōu)勢。而使用GSI能譜成像則只能使用80 mm甚至40 mm探測器，經(jīng)2～4次掃描，檢查時(shí)間較長達(dá)6～9.6 s，檢查需要兒童患者具有較高配合度或者熟睡才能完成。因此在臨床工作中需要根據(jù)患者實(shí)際情況選擇適宜的掃描方式。綜上所述，急診兒童頭部CT平掃，采用能譜掃描方式，單能量成像尤其是65～70 keV成像能有效降低圖像噪聲，減少后顱窩及硬膜下偽影，圖像質(zhì)量有較明顯提高，而輻射劑量有所降低。結(jié)合掃描時(shí)間延長以及檢查成功率等因素，建議根據(jù)臨床實(shí)際合理選擇。