基于能譜CT單能量成像及自適應統計迭代重建技術的門靜脈圖像質量分析

趙晶，李曉璐，徐飛，朱正，王慧慧，趙心明，周純武

多排螺旋CT門靜脈成像在臨床上應用廣泛，具 有掃描速度快以及更薄的重建厚度，對于較小的側枝血管亦能顯示的優點。但為了提高圖像質量，需增加對比劑用量，可能會對腎功能產生影響，并且存在對比劑外漏的風險[1]。因此，在盡量減少放射劑量以及在不增加對比劑用量的情況下提高圖像質量已成為亟待解決的難點。

以瞬時雙kVp為核心技術的能譜CT單能量技術可在40～140keV范圍內實現任意單能量圖像重建，獲得101個單能量圖像。低能量水平圖像組織對比增強，但噪聲增高；高能量水平圖像硬化偽影少，但組織對比減弱。而利用最佳對比噪聲比曲線可以獲得最佳對比的單能量圖像[2]。對于門靜脈成像而言，其能夠以門靜脈為目標、血管周圍組織為背景獲得最佳的單能量血管圖像，使得門靜脈的對比信噪比（CNR）達到最佳，可獲得更加滿意的血管重建圖像[3，4]。目前能譜CT最佳單能量患者門靜脈-肝實質的CNR曲線顯示能量水平集中在40～75keV的低能量區域，如能降低其噪聲，則可進一步提升圖像質量[5，6]。而自適應迭代重建（ASiR）技術理論上可降低低能量水平圖像的噪聲，提升圖像質量[7，8]。本文旨在評估分析基于能譜CT單能量成像及自適應迭代重建（ASiR）技術的門靜脈成像圖像質量，并與常規螺旋CT血管成像進行比較。

材料與方法

1.研究對象

搜集2014年4-9月中國醫學科學院腫瘤醫院完成上腹部增強掃描，臨床有惡性腫瘤病史、治療后隨診的患者90例。入選標準：①身高160～175cm，體質量50～75kg；②無肝臟、脾臟及消化道手術史；③無心功能障礙影響血液循環；④無碘對比劑使用禁忌癥。將90例患者按照數字表發隨機分為A組（最佳CNR單能量組）、B組（60keV＋40%ASiR組）及C組（常規螺旋CT組），每組30例。

A組男13例，女17例，年齡32～68歲，中位年齡55歲。其中肺癌6例，結腸癌9例，乳腺癌5例，胃癌4例，肝癌1例，淋巴瘤2例，宮頸癌3例。B組男10例，女20例，年齡19～71歲，中位年齡46歲。其中肺癌8例，結腸癌6例，肝癌3例，胰腺癌1例，乳腺癌4例，食管癌2例，胃癌3例，鼻咽癌1例，淋巴瘤1例，甲狀腺癌1例。C組男12例，女18例，年齡36～64歲，中位年齡51歲。其中肺癌8例，結腸癌4例，乳腺癌6例，肝癌2例，胃癌5例，食管癌3例，膀胱癌1例，宮頸癌1例。

2.檢查設備與方法

A組：采用GE Discovery CT750HD（HDCT）掃描儀，在注射對比劑后65s行肝臟門靜脈期掃描。掃描范圍自膈頂至髂前上棘水平。管電壓0.5ms內80與140kV快速切換，自動管電流；層厚5mm，螺距0.984。對 比 劑 用 碘 海 醇（350mg I／mL），注 射 流 率2.5mL／s，注射量90mL。由能譜掃描數據采用FBP重建出層厚1.25mm、層間距0.8cm的能量范圍為40～140keV的101組門靜脈期圖像。

B組：掃描設備與方法同上。由能譜掃描數據采用40%ASiR重建出層厚1.25mm、層間距0.8cm的60keV＋40%ASiR的門靜脈期圖像。

C組：采用GE Light speed VCT機，在注射對比劑后65s行肝臟門靜脈期掃描，掃描范圍自膈頂至髂前上棘水平。管電壓為120kVp，管電流350mA，層厚5mm，螺距0.984。對比劑用碘海醇注射液（350mg I／mL），注射流率2.5mL／s，注射量90mL。掃描數據采用FBP重建出層厚1.25mm、層間距0.8cm的門靜脈期圖像。

3.圖像后處理與分析

A組：將門靜脈期能譜圖像數據傳入GE ADW 4.6工作站，使用Gemstone Spectral Imaging（GSI）軟件包進行分析。選用70keV能量點的能譜圖像測量門靜脈主干和肝實質的CT值以及肝實質CT值的標準差。使用20～40mm2大小的ROI在肝門水平測量門靜脈主干的CT值，用150～200mm2大小的ROI測量門靜脈周圍遠離血管的正常肝臟組織的CT值以及標準差。用正常肝組織的標準差表示圖像噪聲。用公式計算出門靜脈主干的CNR，CNR＝（CT門靜脈-CT肝）／SD肝，其中CT門靜脈表示門靜脈主干的CT值，CT肝表示正常肝組織的CT值，SD肝表示正常肝組織的標準差。當在70keV能量點時，門靜脈主干和肝實質上的ROI選定后，工作站會自動計算出門靜脈主干在其他100個能量點的CNR值，建立CNR隨能量的變化曲線，得出能譜CT成像中門靜脈主干的最高CNR值以及相對應的最佳能量點，進而得出最佳能量點所對應的最佳單能量圖像（圖1，2）。

B組：將重組出的60keV＋40%ASiR的門靜脈期圖像測量門靜脈主干和肝實質的CT值以及肝實質CT值的標準差。使用20～40mm2大小的ROI在肝門水平測量門靜脈主干的CT值，用150～200mm2大小的ROI測量遠離血管的正常肝臟組織的CT值以及標準差。

C組：在工作站中用瀏覽器觀看增強常規掃描模式門靜脈期圖像，在肝門水平選擇與能譜CT組盡量相似位置測量和計算門靜脈主干CNR，并記錄同層正常肝實質的標準差圖像噪聲。以上3組圖像盡量選擇相同位置的ROI。

圖1 男，54歲，最佳CNR單能量組。a）在70keV圖像上選擇ROI測量門靜脈主干及肝實質的CT值和肝實質CT值的標準差；b）工作站自動計算出門靜脈主干在其他100個能量點的CNR值，建立CNR隨能量變化的曲線，最佳keV值為59。

主觀評價：將A、B、C組圖像，隱藏圖像參數信息。分別由2名具有10年以上工作經驗的腹部影像診斷醫師在PACS系統報告工作站、盲法下進行獨立閱片，對總體圖像質量進行主觀評分。評估內容包括門靜脈邊緣銳利度、門靜脈與周圍肝實質的對比度、顯示門靜脈分支的級別。根據上述各項指標對門靜脈成像質量作一綜合主觀評分，采用5分制的圖像質量的評價方法。5分，門靜脈邊緣銳利，與肝實質對比佳，可顯示門靜脈主干第4級或以上分支；4分，門靜脈邊緣較銳利，與肝實質對比良好，顯示門靜脈主干第3級分支；3分，門靜脈邊緣較清楚，與肝實質對比中等，顯示門靜脈主干第2級分支；2分，門靜脈邊緣不清楚，與肝實質對比較差，僅顯示門靜脈主干第1級分支；1分，肝靜脈邊緣模糊，與肝實質對比差，僅顯示門靜脈主干。評分者根據習慣自行調整窗寬窗位，取2位醫師評分的平均作為圖像質量的最終評分，3～5分的圖像被認為可以接受。

4.統計學分析

應用SPSS 19.0統計軟件，采用單因素方差分析比較3組圖像中門靜脈、肝實質的CT值及其差值、圖像噪聲、門靜脈-肝實質的CNR以及圖像質量評分。數據結果均采用均數±標準差表示。P＜0.05為差異有統計學意義。

結 果

三組患者的身高、體質量、體質量指數差異均無統計學差異（表1）。

A組30例患者門靜脈-肝實質的CNR曲線顯示門靜脈最佳CNR單能圖像能量水平集中在53～61keV，平均為（55.87±1.41）keV。A組在門靜脈主干、肝實質的CT值及其差值均高于其它兩組圖像。B組圖像噪聲最低，CNR及圖像質量評分最高（表2）。除A與B組的組內比較中肝實質CT值、CNR及圖像質量評分差異無統計學差異外，其余均有統計學意義。

圖2 女，71歲，最佳CNR單能量組。a）門靜脈血管重建的MIP圖；b）門靜脈血管重建的VR圖，門靜脈邊緣銳利，與肝實質對比佳，可顯示門靜脈主干第4級分支。

圖3 男，67歲，60keV＋40%ASiR組。a）門靜脈血管重建的MIP圖；b）門靜脈血管重建的VR圖，門靜脈邊緣銳利，與肝實質對比佳，可顯示門靜脈主干第4級分支。

圖4 男，52歲，常規螺旋CT組。a）門靜脈血管重建的MIP圖；b）門靜脈血管重建的VR圖，門靜脈邊緣較清楚，與肝實質對比度一般，可顯示門靜脈主干第3級分支。

表1 三組圖像的身高、體質量、體質量指數

表2 三組圖像的門靜脈主干、肝實質的平均CT值及其差值、圖像噪聲、CNR及主觀評分

討 論

多排螺旋CT門靜脈成像是現階段較為常見的門靜脈檢查方法。目前，在臨床已得到廣泛的應用。其成像質量取決于門靜脈的增強程度。而門靜脈的增強程度受對比劑濃度、劑量、掃描方式、心功能、體循環、脾灌注、胃腸血液的稀釋等諸多因素的制約。由于對比劑到達門靜脈的時間較長，門靜脈血管內對比劑濃度經體循環和門靜脈藥循環血液的稀釋而減低，會影響門靜脈增強的效果，低于動脈成像，因此，在避免對比劑，患者自身影響因素外，如何提高門脈成像質量是值得研究的問題。

能譜CT單能量技術針對特定組織或病變，可以選取相對于某一背景的最佳觀察圖像。同時可以去除硬化、金屬偽影，充分發揮其薄層、重建等優勢[11]。低能量水平圖像組織對比增強，但噪聲增高；高能量水平圖像硬化偽影少，但組織對比減弱[12，13]。在某一能量水平，對比與噪聲二者之間達到一個最好的平衡，目標組織與背景之間的衰減差異可以達到較大和噪聲值較低，這一能量水平就是該目標組織的最佳keV值。最佳單能量技術能夠以成像血管為目標、血管周圍組織為背景獲得目標血管最佳的單能量圖像，使得目標血管的對比信噪比（CNR）達到最佳，可獲得更加滿意的血管重建圖像。研究顯示目前能譜CT最佳單能量門靜脈-肝實質的CNR曲線顯示能量水平集中在40～75keV的低能量區域[7，8]。本研究中A組通過門靜脈期能譜掃描數據，經后處理得到的最佳CNR曲線而得出的最佳keV值，范圍在53～61keV之間，平均為55.87keV左右，與文獻報道一致。

濾波反投影重建技術（FBP）將每個投影數據經計算、濾過、反投影、加權，重建出圖像。由于運算數據量小，重建速度較快的優勢，目前應用較廣泛。但其忽略了球管焦點、體素、探測器單元、X線束的大小和形狀，不能反應數據采集過程中的真實情況，圖像噪聲大，質量欠佳。能譜CT的自適應統計迭代重建（ASiR）技術是基于噪聲模型的數據空間的迭代重建。該技術通過分析每個獨立測量中的光子的統計特征，并利用迭代的方法對噪聲加以校正和抑制，得到更清晰的圖像，并可以減少對比劑的用量[14-16]。根據不同圖像質量及掃描劑量的要求，ASiR算法和FBP算法可以進行組合重建，組合重建中ASiR值即表示用于重建的原始數據中由ASiR算法重建的數據比例。ASiR可以在10%～100%之間選擇。隨著百分比的增高，圖像噪聲降低的幅度增高，但同時會引起空間分辨率的減低，導致圖像的“模糊”效應。常規檢查通常設置在30%～50%之間，射線劑量下降30%～50%[17]。國外學者研究認為將ASiR設置為40%時，既可以降低圖像噪聲，又不會對空間分辨率有顯著的影響[18，19]。目前由于技術原因，60keV為能譜CT上可以實現的使用ASiR技術的最低能量值。因此，本研究中采用了一組60keV＋40%ASiR的圖像與FBP重建的最佳CNR單能量及常規螺旋CT圖像來進行比較。

研究中A組在門靜脈主干、肝實質的CT值及其差值均高于其它兩組圖像，說明不論是門靜脈的增強效果還是門靜脈-肝實質的對比度，最佳CNR單能量圖像均為最優。自適應統計迭代重建（ASiR）技術的應用可以有效的降低圖像噪聲，從而提高圖像質量。從研究結果看在圖像噪聲方面B組圖像在3組中最低，且差異有統計學意義，說明ASiR技術通過降低噪聲，提高圖像質量的強大功能。對比信噪比（CNR）是指門靜脈-肝實質CT值差值與肝背景噪聲之比，反映了相對于肝實質背景下，門靜脈-肝實質的對比度。從CNR的 公式來看，CNR＝（CT門靜脈-CT肝）／SD肝，55.87keV左右的最佳CNR單能量圖像之所以能提高門靜脈的顯示質量主要是由于門靜脈-肝實質的對比與圖像噪聲之間達到最好的平衡，兩者的衰減差異可以達到較大和噪聲值較低。而60keV＋40%ASiR的圖像則主要是在60keV單能量圖像的基礎之上，利用ASiR技術降低圖像的噪聲而導致了圖像質量的提升。從比較得出的結果來看，在門靜脈成像中，B組的CNR在8.09左右，A組的CNR在6.81左右，分別是C組的2.45倍及2.06倍。因此，不論是最佳CNR單能量圖像，還是60keV＋40%ASiR圖像，其門靜脈成像的質量較常規螺旋CT圖像均有大幅度的提升。由于B組圖像降低噪聲的功能顯著，導致了其CNR高于最佳CNR單能量組，雖然兩兩比較差異并無統計學意義，但也高出最佳CNR單能量組1.28。筆者分析B組圖像的CNR之所以會高于A組圖像，是因為40%ASiR降低圖像噪聲的優勢略強于在55.87keV與60keV時門靜脈-肝實質CT值的對比差異。圖像質量評分是影像診斷醫師對于總體圖像質量的主觀評分，是圖像質量評判的不可或缺的組成部分。研究結果顯示3組圖像的主觀評分均＞3分，說明均在可接受的范圍之內。在門靜脈邊緣的銳利程度，門靜脈與肝實質對比及門靜脈分支的顯示方面，A、B組圖像明顯優于C組，A、B組圖像評分均高于常規CT組。盡管B組的圖像評分略高于A組，但在兩兩比較中，差異并無統計學意義。

綜上所述，門靜脈成像中最佳CNR單能量與60keV＋40%ASiR圖像較之常規螺旋CT圖像，其成像質量大大提高。最佳CNR單能量圖像與60keV＋40%ASiR圖像相比，在門靜脈成像中各有千秋，前者的優勢在于建立門靜脈-肝實質對比差異與圖像噪聲之間的動態平衡，而后者則著力于圖像噪聲的降低，均可在臨床血管成像方面廣泛推廣。

[1]吳東，周康榮，陳祖望，等.螺旋CT與MR門靜脈成像的對照研究[J].中華放射學雜志，2002，36（12）：1138-1142.

[2]宋瓊，曾蒙蘇，陳財忠，等.肝硬化患者非增強與增強MR門靜脈血管成像的圖像質量和診斷價值[J].中華放射學雜志，2013，47（2）：127-131.

[3]呂發金，李康，呂富榮，等.64排螺旋CT在評價門靜脈高壓側支循環血管中的應用[J].重慶醫科大學學報，2008，33（3）：357-360.

[4]Bai A，Sun Y，Qi L，et al.Improving the image quality in computed tomographic pulmonary angiography with dual-energy subtraction：a new application of spectral computed tomography[J].J Comput Assist Tomogr，2013，37（5）：718-724.

[5]Zhao LQ，He W，Li JY，et al.Improving image quality in portal venography with spectral CT imaging[J].Eur J Radiol，2012，81（8）：1677-1681.

[6]陳盈，米玉成，曾春光，等.HDCT能譜技術提高肝臟門靜脈血管成像質量的可行性研究[J].臨床放射學雜志，2012，31（1）：61-64.

[7]Pomerantz SR，Kamalian S，Zhang D，et al.Virtual monochromatic reconstruction of dual-energy unenhanced head CT at 65～75keV maximizes image quality compared with conventional polychromatic CT[J].Radiology，2013，266（1）：318-325.

[8]Hu D，Yu T，Duan X，et al.Determination of the optimal energy level in spectral CT imaging for displaying abdominal vessels in pediatric patients[J].Eur J Radiol，2014，83（3）：589-594.

[9]Matsuda I，Hanaoka S，Akahane M，et al.Adaptive statistical iterative reconstruction for volume-rendered computed tomography portovenography：improvement of image quality[J].Jpn J Radiol，2010，28（9）：700-706.

[10]Ning P，Zhu S，Shi D，et al.X-ray dose reduction in abdominal computed tomography using advanced iterative reconstruction algorithms[J].PLoS One，2014，24，9（3）：e92568.

[11]Yamada Y，Jinzaki M，Hosokawa T，et al.Abdominal CT：an intra-individual comparison between virtual monochromatic spectral and polychromatic 120kVp images obtained during the same examination[J].Eur J Radiol，2014，83（10）：1715-1722.

[12]趙麗琴，賀文，李劍穎，等.能譜CT對門靜脈成像質量影響的研究[J].CT理論與應用研究，2011，20（3）：383-390.

[13]He J，Ma X，Wang Q，et al.Spectral CT demonstration of the superior mesenteric artery：comparison of monochromatic and polychromatic imaging[J].Acad Radiol，2014，21（3）：364-368.

[14]石清磊，趙紅梅，張玲，等.適應統計迭代重建算法對腹部CT掃描中圖像質量和輻射劑量影響的模體研究[J].中華放射學雜志，2013，47（4）：326-329.

[15]Vardhanabhuti V，Riordan RD，Mitchell GR，et al.Image comparative assessment using iterative reconstructions：clinical comparison of low-dose abdominal／pelvic computed tomography between adaptive statistical，model-based iterative reconstructions and traditional filtered back projection in 65patients[J].Invest Radiol，2014，49（4）：209-216.

[16]Takahashi H，Okada M，Hyodo T，et al.Can low-dose CT with iterative reconstruction reduce both the radiation dose and the amount of iodine contrast medium in a dynamic CT study of the liver？[J].Eur J Radiol，2014，83（4）：684-691.

[17]Hara AK，Paden RG，Silva AC，et al.Iterative reconstruction technique for reducing body radiation dose at CT：feasibility study[J].AJR，2009，193（3）：764-771.

[18]Sagara Y，Hara AK，Pavlicek W，et al.Abdominal CT：comparison of low-dose CT with adaptive statistical iterative reconstruction and routine-dose CT with filtered back projection in 53patients[J].AJR，2010，195（3）：713-719.

[19]Vorona GA，Ceschin RC，Clayton B，et al.Reducing abdominal CT radiation dose with the adaptive statistical iterative reconstruction technique in children：a feasibility study[J].Pediatr Radiol，2011，41（9）：1174-1182.