全模型迭代算法（FIRST）在靶掃描靶重建顳骨CT成像的應(yīng)用研究

王天嬌，王沄，馬壯飛，陳鈺，廖凱，付海鴻，金征宇

1. 中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)院 放射科，北京 100730；2. 佳能醫(yī)療系統(tǒng)（中國）有限公司，北京100015

引言

顳骨一般的檢查方式有CT，MR和數(shù)字X線攝影（Digital Radiography，DR）。DR檢查只能照到乳突、含氣腔或內(nèi)置高密度影等具有明顯對(duì)比度的結(jié)構(gòu)，臨床上一般用DR來復(fù)查耳蝸相[1]。MR檢查雖無輻射但掃描時(shí)間長、價(jià)格較高，很難適用于所有顳骨檢查[2]。CT掃描時(shí)間短、價(jià)格低、分辨率高，適用于絕大部分需要顳骨檢查的患者，是一種顳骨疾病重要的檢測方法[3-6]。因顳骨靠近腦干、晶體、腺體等對(duì)X線輻射較為敏感部位，所以顳骨檢查需降低劑量，保護(hù)正常組織，現(xiàn)有的CT技術(shù)一般都會(huì)將顳骨檢查的掃描劑量降到最低，但輻射劑量降低噪聲則會(huì)相應(yīng)增加，導(dǎo)致圖像質(zhì)量降低[7-8]。單純優(yōu)化掃描參數(shù)，雖可降低輻射劑量，但受傳統(tǒng)CT 圖像濾波反射投影（Filtered Back Projection，F(xiàn)BP）重建技術(shù)內(nèi)在特征的限制，容易造成圖像質(zhì)量的損失[9]。因此，在利用CT進(jìn)行顳骨掃描檢查時(shí)我們應(yīng)選用最優(yōu)最合適的重建算法對(duì)得到的圖像進(jìn)行迭代補(bǔ)償，提高顳骨關(guān)節(jié)以及空腔、肌肉、脂肪、腦干等的對(duì)比噪聲比（Contrast to Noise Ratio，CNR）。一種新的全模型迭代算 法（Forward Projected Model-Based Iterative Reconstruction Solution，F(xiàn)IRST），在投影數(shù)據(jù)空間和圖像空間都優(yōu)化了圖像質(zhì)量[10-11]。FIRST技術(shù)是將原始投影數(shù)據(jù)利用FPB的方法獲得種子圖像，然后向前投影得到種子圖像的前投影數(shù)據(jù)，運(yùn)用五種數(shù)學(xué)模型（統(tǒng)計(jì)模型、掃描模型、光學(xué)模型、錐形束模型、解剖學(xué)模型）通過迭代的方式不斷減小前投影數(shù)據(jù)和原始投影數(shù)據(jù)之間的差別，得到高空間分辨率的圖像。然后依據(jù)特定的器官（頭、心臟、肺、體部、骨等）進(jìn)行正則化以減小圖像噪聲[12]。本研究旨在對(duì)FIRST全模型迭代算法在靶掃描顳骨圖像中的應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行評(píng)估。

1 資料與方法

1.1 一般資料

回顧性收集2020年7至8月來我院門診顳骨檢查的患者，共統(tǒng)計(jì)分析40例。40例患者中排除不符合標(biāo)準(zhǔn)4例，聽小骨顯示不全2例，有偽影1例，有前庭破壞1例，剩余36例。男19例，女17例。平均年齡38.5歲，體質(zhì)量指數(shù)為（20.85±3.45）kg/m2。

1.2 掃描方法

采用佳能公司640層寬體螺旋CT機(jī)對(duì)病人進(jìn)行顳骨靶掃描和靶重建。檢查前確認(rèn)患者摘掉助聽設(shè)備、發(fā)卡等金屬物品，囑患者在掃描過程中頭顱和口咽部保持不動(dòng)。對(duì)不合作兒童可待其熟睡后或采用藥物鎮(zhèn)靜?；颊哐雠P于掃描床上，軸位以聽下眶線為基線，掃描范圍自眉弓至乳突下。掃描參數(shù)為：管電壓：135 kV，標(biāo)準(zhǔn)差（Standard Deviation，SD）值為4，采用自動(dòng)mA調(diào)節(jié)技術(shù)。矩陣：512×512，F(xiàn)OV：10 cm，重建層厚：0.5 mm，重建層間隔：0.25 mm，容積采集方式，探測器厚度：0.5 mm，轉(zhuǎn)速：1.0 s/r，濾波函數(shù)：FC81。

1.3 重建方法及圖像質(zhì)量評(píng)估

掃描完成后將36例患者分別使用FIRST BODY、FIRST BODY SHARP、FIRST BONE和FBP四種方式進(jìn)行顳骨圖像重建。將重建好的圖像傳送至workstation VITAL工作站，對(duì)比使用全模型迭代重建FIRST和濾波反投影重建FBP的顳骨圖像質(zhì)量。圖像質(zhì)量分析分為客觀圖像質(zhì)量分析和主觀圖像質(zhì)量分析。

1.3.1 客觀圖像質(zhì)量分析

由1名具有3年頭頸部放射檢查經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)師在不知道患者臨床資料及掃描參數(shù)的情況下測量，分別采用圓形感興趣區(qū)（Region of Interest，ROI）測量目標(biāo)結(jié)構(gòu)的CT值及SD值，包括：錘砧關(guān)節(jié)（1.2 mm2）、耳后肌肉（1.2 mm2）、前庭（1.2 mm2）、耳前皮下脂肪（1.2 mm2）和空氣（1.2 mm2），每個(gè)結(jié)構(gòu)測量3次取平均值。計(jì)算上述結(jié)構(gòu)的信號(hào)噪聲比（Signal to Noise Ratio，SNR）和CNR，計(jì)算公式如下：SNR目標(biāo)結(jié)構(gòu)=CT均值目標(biāo)結(jié)構(gòu)/SD均值目標(biāo)結(jié)構(gòu)。CNR目標(biāo)結(jié)構(gòu)=（CT均值目標(biāo)結(jié)構(gòu)-空氣CT均值）/SD均值目標(biāo)結(jié)構(gòu)。

1.3.2 主觀圖像質(zhì)量分析

由兩名有頭頸影像工作經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)師在不知道患者臨床資料及掃描參數(shù)的情況下測量，對(duì)以下結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)分：錘砧關(guān)節(jié)、耳蝸、乙狀竇、前庭半規(guī)管、面神經(jīng)管和乳突小房。采用4分法：1分：圖像質(zhì)量差，噪聲極高，顳骨解剖結(jié)構(gòu)顯示不清；2分：圖像質(zhì)量較差，噪聲高，可以顯示顳骨解剖結(jié)構(gòu)，但是細(xì)小關(guān)節(jié)顯示不清；3分：圖像質(zhì)量良，噪聲一般，顳骨解剖結(jié)構(gòu)顯示較清晰；4分：圖像質(zhì)量好，噪聲小，顳骨解剖結(jié)構(gòu)清晰。認(rèn)為評(píng)分≥3分滿足臨床診斷要求，評(píng)分≤2分不滿足臨床診斷要求。評(píng)分結(jié)果不一致的圖像經(jīng)2位評(píng)價(jià)者復(fù)核后得出一致結(jié)論。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 23.0統(tǒng)計(jì)軟件，首先采用Kolmog-orov-Smimov法檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布，若符合正態(tài)分布則采用單因素分析比較多組數(shù)據(jù)間是否具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，若存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異則采用student Newman Keuls test和LSD法進(jìn)一步比較組間數(shù)據(jù)是否具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，若不符合正態(tài)分布則采用非參數(shù)檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。四種不同重建方法在6個(gè)解剖結(jié)構(gòu)間的主觀評(píng)分差異比較采用可靠性分析，分析觀察者間是否具有一致性。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 客觀圖像質(zhì)量評(píng)估

如圖1所示，選取了一名患者分別采用FIRST BODY、FIRST BODY SHARP、FIRST BONE和FBP重建圖像，并在錘砧關(guān)節(jié)處，耳后肌肉處，前庭處和耳前皮下脂肪處畫ROI以測量CT值和SD值。

圖1 錘砧關(guān)節(jié)處，耳后肌肉處，前庭處和耳前皮下脂肪處四種重建圖像對(duì)比

如表1所示，在錘砧關(guān)節(jié)處，單因素方差分析結(jié)果顯示四種圖像的CT值、SD值、SNR值、CNR值均具有統(tǒng) 計(jì) 學(xué) 差 異（P＜0.001）。FIRST BODY 與 FIRST BODY SHARP的SD值、SNR和CNR具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，P值分別為 0.004、＜0.001 和 ＜0.001。FIRST BODY 與 FIRST BONE的SD值、SNR和CNR具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.001）。FIRST BODY與FBP的CT值、SD值、SNR和CNR具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.001）。FIRST BODY SHARP與FIRST BONE的SD值、SNR和CNR具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.001）。FIRST BODY SHARP與 FBP的 CT值、SD值、SNR和CNR具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.001）。FIRST BONE與FBP的CT值和SD值具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.001）。

表1 錘砧關(guān)節(jié)處FIRST BODY、FIRST BODY SHARP、FIRST BONE與FBP圖像的CT值、SD值、SNR值和CNR值結(jié)果

如表2所示，在耳后肌肉處，單因素方差分析結(jié)果顯示四種圖像的SD值、SNR值、CNR值均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，（P＜0.001）。FIRST BODY與FIRST BODY SHARP的SD值、SNR和CNR具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.001）。FIRST BODY與FIRST BONE的SD值、SNR和CNR具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.001）。FIRST BODY 與 FBP的 SD 值、SNR 和CNR具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.001）。FIRST BODY SHARP與FIRST BONE的SD值、SNR和CNR具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.001）。FIRST BODY SHARP與 FBP的 SD 值、SNR和CNR具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.001）。FIRST BONE與FBP的SD值具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.001）。

表2 耳后肌肉處FIRST BODY、FIRST BODY SHARP、FIRST BONE與FBP圖像的CT值、SD值、SNR值和CNR值結(jié)果

如表3所示，在前庭處，單因素方差分析結(jié)果顯示四種圖像的SD值、SNR值、CNR值均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.001）。FIRST BODY與FIRST BODY SHARP的SD值、SNR和CNR具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，P值分別為0.001、＜0.001和＜0.001。FIRST BODY與FIRST BONE的SD值、SNR和CNR具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.001）。FIRST BODY與FBP的SD值、SNR和CNR具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.001）。FIRST BODY SHARP與FIRST BONE的SD值和SNR具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，P值分別為＜0.001和0.033。FIRST BODY SHARP與FBP的SD值和SNR具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，P值分別為＜0.001和0.022。FIRST BONE與FBP的SD值具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，P值為0.015。

表3 前庭處FIRST BODY、FIRST BODY SHARP、FIRST BONE與FBP圖像的CT值、SD值、SNR值和CNR值結(jié)果

如表4所示，在耳前皮下脂肪處，單因素方差分析結(jié)果顯示四種圖像的SD值、SNR值、CNR值均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.001）。FIRST BODY與FIRST BODY SHARP的SD值、SNR和CNR具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，P值分別為0.001、P＜0.001和P＜0.001。FIRST BODY 與 FIRST BONE的 SD值、SNR和CNR具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，P值均＜0.001。FIRST BODY與FBP的SD值、SNR和CNR具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.001）。FIRST BODY SHARP與FIRST BONE的SD值、SNR和CNR具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.001）。FIRST BODY SHARP與FBP的SD值、SNR和CNR具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.001）。FIRST BONE與FBP的SD值具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.001）。

表4 耳前皮下脂肪處FIRST BODY、FIRST BODY SHARP、FIRST BONE與FBP圖像的CT值、SD值、SNR值和CNR值結(jié)果

2.2 主觀圖像質(zhì)量評(píng)估

兩名有頭頸影像工作經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)師對(duì)6個(gè)解剖結(jié) 構(gòu) 間 的 FIRST BODY、FIRST BODY SHARP、FIRST BONE和FBP圖像的主觀評(píng)分如表5所示。兩名醫(yī)師評(píng)價(jià)的一致性較好，值為0.901?？傮w來說，四種重建方法的圖像都能夠滿足于臨床診斷，但是FBP重建圖像的主觀評(píng)分略高于FIRST。

表5 醫(yī)師一、二對(duì)6個(gè)解剖結(jié)構(gòu)間的FIRST BODY、FIRST BODY SHARP、FIRST BONE和FBP圖像的平均主觀評(píng)分（分）

3 討論

顳骨CT作為一種檢測顳骨疾病的重要檢測方法，提高顳骨的CT圖像質(zhì)量一直是臨床關(guān)注的焦點(diǎn)。FIRST屬于一種全新的全模型迭代重建方法，有相關(guān)文獻(xiàn)指出，F(xiàn)IRST可以降低噪聲、提高圖像的空間分辨率[10-11]。本文從客觀和主觀兩方面比較了傳統(tǒng)的FBP算法、最新的全模型迭代FIRST BODY、FIRST BODY SHARP和FIRST BONE算法在顳骨平掃圖像之間的差異，旨在探討全模型迭代FIRST算法在評(píng)估顳骨圖像質(zhì)量方法的優(yōu)劣。

客觀結(jié)果顯示，在相同掃描條件下FIRST BODY重建圖像相比較FIRST BODY SHARP、FIRST BONE和FBP重建圖像可以降低圖像噪聲，提高圖像SNR和CNR，客觀圖像質(zhì)量所有提升。主觀結(jié)果顯示，四種重建方法圖像在6個(gè)解剖結(jié)構(gòu)間的主觀評(píng)分無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，但是FBP重建圖像的主觀評(píng)分略高于FIRST。這可能是由于FIRST技術(shù)通過反復(fù)多次的迭代，減小圖像與原始投影數(shù)據(jù)之間的誤差，使得圖像從感官上顯得過于平滑柔和，噪聲感低，對(duì)比度降低，從而影響醫(yī)生對(duì)于細(xì)小結(jié)構(gòu)的觀察。Laurent等[13]說明了FIRST技術(shù)提高了客觀圖像質(zhì)量，但是主觀評(píng)分較低，與本研究的結(jié)果具有一致性。

在過去的研究中，F(xiàn)IRST技術(shù)被應(yīng)用于結(jié)腸方面的成像中，Taguchi等[14]比較了低劑量FIRST、高劑量FBP和低劑量FBP重建圖像的圖像質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)在低劑量FIRST重建圖像的豎脊肌和臀肌處噪聲最小，具有最高的圖像質(zhì)量；FIRST技術(shù)被應(yīng)用于腹部CTA檢查中，Wu等[15]比較了FIRST、AIDR-3D和FBP三種重建圖像的圖像質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)FIRST重建圖像具有最小的圖像噪聲，最大的SNR和CNR；FIRST技術(shù)還被應(yīng)用于冠脈CTA檢查中，Maeda等[12]比較了FIRST和AIDR-3D重建圖像的圖像質(zhì)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)FIRST重建圖像在右冠狀動(dòng)脈和左冠狀動(dòng)脈主干處的CNR值明顯高于AIDR-3D重建圖像。但是到目前為止國內(nèi)還沒有將FIRST應(yīng)用于顳骨的相關(guān)研究，因此本研究是首次使用了FIRST技術(shù)評(píng)價(jià)顳骨圖像質(zhì)量。國外有些研究報(bào)道了其他種類的重建方法用于評(píng)價(jià)顳骨圖像質(zhì)量，例如，Hempel等[16]比較了全模型迭代（Advanced Modeled Iterative Reconstruction，ADMIRE）和FBP重建方法評(píng)估顳骨圖像質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)相比于FBP重建圖像，ADMIRE重建圖像的噪聲值更低，SNR和CNR更高；并且，A3等級(jí)的ADMIRE重建圖像具有最高的客觀圖像質(zhì)量，與本研究所得研究結(jié)果具有一致性。Leng等[17]比較了混合迭代Sinogram-Affirmed Iterative Reconstruction，SAFIRE） 和 FBP重 建 方法評(píng)估顳骨圖像質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)相比于FBP重建，SAFIRE重建圖像的噪聲減少了30%，并且提供了更好的空間分辨率。然而，本研究評(píng)價(jià)了FIRST全模型迭代重建針對(duì)不同部位的算法（BODY、BODY SHARP和BONE）對(duì)于顳骨圖像的顯示，相比于前兩種研究，本研究的優(yōu)勢在于針對(duì)不同的部位可以找到更加適合的算法，得到質(zhì)量更好的顳骨圖像。另外， Nauer等[18]和Tada等[19]的研究表明，顳骨低劑量范圍為0.25～0.3 msv，標(biāo)準(zhǔn)劑量范圍為0.9～2.6 msv，但是低劑量下可能對(duì)于較小的顳骨結(jié)構(gòu)會(huì)顯示不清楚。本研究的平均輻射劑量為0.7 msv，略小于標(biāo)準(zhǔn)劑量，同時(shí)使用FIRST BODY算法可以在客觀上明顯提高顳骨圖像質(zhì)量。

本研究的不足主要有兩點(diǎn)：① 本研究未對(duì)顳骨的細(xì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估，下一步研究需要評(píng)價(jià)不同算法對(duì)于顳骨細(xì)微結(jié)構(gòu)的顯示；② 本研究只使用了標(biāo)準(zhǔn)劑量的掃描方案，應(yīng)進(jìn)一步考慮低劑量掃描方案，并評(píng)價(jià)在低劑量下FIRST技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值。

綜上所述，全模型迭代算法FIRST BODY相比于FRIST BODY SHARP、FIRST BONE和FBP重建算法，在滿足臨床診斷的條件下，可以明顯地降低圖像噪聲，提高SNR和CNR。