低劑量腦CT灌注的迭代重建研究

黎佩君， 黃飚， 梁長虹， 朱文珍， 龍晚生

?

·中樞神經影像學·

低劑量腦CT灌注的迭代重建研究

黎佩君， 黃飚， 梁長虹， 朱文珍， 龍晚生

目的：探討迭代重建(IR)技術對低劑量腦CT灌注(CTP)圖像質量的影響。方法：43例缺血性腦血管病患者行低劑量腦CTP，CTP原始圖像分別經IR和濾波反投影(FBP)重建得到兩組圖像，比較兩組圖像客觀質量及灌注參數圖的主觀質量。結果：對經IR及FBP重建的灌注參數圖(CBV、CBF、MTT、TTP)進行評分并比較，兩組各灌注參數圖腦灰白質分界評分P值分別為0.317、0.157、0.257、0.083，圖像偽影嚴重程度評分P值分別為0.083、0.046、<0.001、0.011。經IR重建的CTP原始圖像客觀質量及灌注參數圖的圖像均勻性、總體圖像質量均優于FBP重建，且差異均有統計學意義(P<0.05)。結論：低劑量腦CT灌注迭代重建能明顯降低患者所接受的輻射劑量，改善圖像質量，且具有較高的診斷效能。

腦缺血； 灌注成像； 迭代重建； 輻射劑量； 體層攝影術，X線計算機

對缺血性腦血管病，臨床醫生除了需要了解腦血管情況外，通常還需要知道其血流灌注信息，同時行CT灌注(CT perfusion,CTP)和CT血管成像(computed tomography angiography,CTA)檢查輻射劑量較大。如何盡可能降低CTP檢查的輻射劑量，成為急需解決的棘手問題。迭代重建(Iterative Reconstruction,IR)作為降低輻射劑量的熱門方法被廣泛應用于胸腹部及血管掃描[1]，而應用于腦CTP的報道較少。本研究對低劑量掃描條件下腦CTP進行迭代重建，分析低劑量CTP原始圖及灌注參數圖的圖像質量。

材料與方法

1.病例資料

搜集本院2013年8月-2014年3月臨床擬診為缺血性腦血管病的患者43例，其中男33例，女10例，年齡27～85歲，平均(62.2±13.9)歲，從出現癥狀到進行檢查時間為7 h～3個月。臨床癥狀包括偏癱、失語、頭暈等。

本研究經醫院倫理委員會批準，所有患者均于檢查前簽署知情同意書。

2.檢查方法

采用256層螺旋CT(Philips Brilliance iCT)進行CT掃描。腦CTP掃描范圍以眥耳線為基線，從顱底部向上80 mm。采用高壓注射器團注對比劑碘普羅胺(370 mg I/mL)約40 mL，流率4.0 mL/s，然后以相同流率注射生理鹽水20 mL。對比劑注射后延遲7 s開始掃描，不移動掃描床連續采集30個動態容積數據，時間分辨力1.5 s，總掃描時間45 s。掃描參數：層厚5 mm，層間距0 mm，管電壓80 kV，管電流100 mAs，探測器128×0.625 mm。

表1 5個ROI的兩種不同重建算法的圖像噪聲、SNR比較

表2 灌注參數圖圖像質量評分 (分)

3.圖像處理與分析

CTP原始數據分別經iDose4(Level 4)迭代重建及濾波反投影(filtered back projection,FBP)重建得到兩組圖像，運行工作站內Brain Perfusion軟件，手工選取大腦前動脈A2段為輸入動脈，上矢狀竇為輸出靜脈。經工作站后處理分別生成兩組四種灌注參數圖，即腦血流量(cerebral blood flow,CBF)圖、腦血容量(cerebral blood volume,CBV)圖、對比劑平均通過時間(mean transit time,MTT)圖、對比劑峰值時間(transit time to the peak,TTP)圖。保證同一病例的兩組圖像后處理中所選的輸入動脈及輸出靜脈保持一致。同一種灌注參數圖采用相同的色階標尺及同一窗寬、窗位顯示。

噪聲的評價參照Lin等[2]提出的方法，即在Tmax圖中選取顯示側腦室與基底節最好的層面，并選擇健側大腦半球5個感興趣區：額葉白質(ROI 1)、尾狀核頭(ROI 2)、豆狀核(ROI 3)、丘腦背側(ROI 4)及枕葉白質(ROI 5)。如果兩側大腦半球均無病灶，則選擇感興趣區內血管相對較少及偽影影響相對較小的一側大腦半球。避開血管、偽影，ROI面積視具體情況而定，大小18～160 mm2，保持兩組圖像中ROI位置、大小一致。每個ROI記錄其CT平均值(Av)及CT值的標準差(standard deviation,SD)，將SD作為噪聲。按下列公式計算信噪比(signal to noise ratio,SNR)：SNRROI=AvROI/SDROI。圖像質量主觀評價參照Lin等[2]對Abels等[3]修改后的評分方法，即每種灌注參數圖均進行腦灰白質分界、圖像均勻性、圖像偽影嚴重程度評分，每一指標均作0～2分的評分，0分：差；1分：一般；2分：好，分數越高，代表圖像質量越好。最后把三個指標的評分相加作為圖像質量主觀評分，即總分為0～6分。

分析前對圖像質量判別標準進行統一認識，所有圖像由兩位具有5年以上神經放射診斷經驗的醫師采用盲法進行評價。

4.統計學處理

采用SPSS 13.0軟件進行統計學分析。噪聲、SNR比較采用配對t檢驗或Wilcoxon符號秩和檢驗(不符合正態分布時)。主觀質量評分比較采用Wilcoxon符號秩和檢驗。以P<0.05為差異有統計學意義。兩位閱片人的一致性評價采用Kappa檢驗。

結 果

1.輻射劑量

CTP的劑量長度乘積(dose length product,DLP)為920.0 mGy·cm。根據射線劑量計算公式E=k×DLP(E為有效劑量，k為DLP轉化成E的劑量轉換因子，頭部k值為0.0023 mSv/mGy·cm)，則每一患者CTP掃描有效輻射劑量均為2.12 mSv。

2.觀察者一致性分析

兩位醫師對圖像質量主觀評價的觀察結果具有較好的一致性(Kappa=0.765)。

3.圖像客觀質量

5個ROI均顯示迭代重建的圖像噪聲水平較FBP重建圖像低，SNR較FBP重建圖像高，且差異均有統計學意義(P<0.05，表1)。

4.圖像質量主觀評分

43例(86組圖像)患者的四種灌注參數圖的圖像質量主觀評分結果見表2。兩種重建算法CBV、CBF、MTT、TTP圖的腦灰白質分界評分比較，P值分別為0.317、0.157、0.257、0.083；圖像均勻性評分比較P值均<0.001；圖像偽影嚴重程度評分比較P值分別為0.083、0.046、<0.001、0.011。IR重建算法的總圖像質量評分高于FBP算法，差異有統計學意義(P<0.001，圖1)。

圖1 男，57歲，頭暈、嗜睡2月余。迭代重建的圖像均勻性、總圖像質量更優。a) IR重建的MTT圖； b) IR重建的TTP圖； c) FBP重建的MTT圖； d) FBP重建的TTP圖。

討 論

腦CT灌注能較好地探測急慢性腦血流動力學的異常，綜合分析各腦灌注參數圖的變化，可了解腦的急慢性缺血改變。CTP應用于急性缺血性腦卒中患者，根據CBV與CBF異常區域不匹配，確定腦梗死區的范圍及可能存在的缺血半暗帶，有助于判斷患者是否適合溶栓治療。然而腦CTP輻射劑量較大，降低輻射劑量的重要途徑是降低管電流，但降低管電流必然增加圖像的噪聲，降低圖像的SNR及對比噪聲比(contrast to noise ratio，CNR)。本研究降低管電流(由原來的150 mAs降為100 mAs，比推薦[4]使用的低劑量方案200 mAs降低約50%)后，CTP掃描有效輻射劑量僅為2.12 mSv，利用迭代算法重建圖像，有效減少了噪聲高的影響，在圖像客觀質量的比較中，無論是噪聲還是SNR，IR都比FBP重建更勝一籌，這是IR具有較強降噪能力的體現，與Lin等[2]的研究結果相一致。

迭代重建應用于CT掃描應從兩方面對其有效性進行評價，包括技術有效性和診斷有效性。技術有效性評價，即第一水平評價，是對圖像質量的客觀評價，如噪聲、CNR等[4,5]。診斷有效性的評價，即第二水平評價[6]，是檢驗所得圖像是否能達到臨床診斷要求，這往往為研究者所忽略。IR作為最有潛力的降噪技術被廣泛應用于各種組織器官的低劑量CT掃描及兒童的CT檢查[7]，還被應用于低劑量灌注掃描[8]。對CTP來說，灌注參數圖能提供血流灌注信息，是研究者更重點關注的圖像[9]。因此，本研究對灌注參數圖進行了圖像質量評價。本研究結果表明，IR與FBP重建對灌注參數圖腦灰白質分界的差異不大。對圖像均勻性及圖像總質量評價中，相比FBP重建，迭代重建的圖像質量更好，這是因為在曝光條件不變的情況下，影響圖像均勻性的重要因素是圖像的噪聲水平，在低劑量掃描條件下，噪聲增加，而IR恰好能發揮其較強的降噪作用，改善圖像質量。

Schindera等[10]通過模擬肥胖患者腹部CT掃描的研究顯示，相比FBP重建，雖然IR能夠降低圖像噪聲、提高圖像的客觀質量，但不能改善對低對比度病灶的探測能力。Gramer等[9]在模擬肝臟的掃描實驗中證實，低劑量掃描條件會不同程度喪失對低對比度病灶的探測效能，這種情況不僅在FBP重建中出現，在迭代重建中也同樣出現，IR無法改善這種狀況。Pickhardt等[11]在臨床試驗中證實即便是采用了基于模型的迭代重建技術(model-based iterative reconstruction,MBIR)，過低劑量的腹部CT掃描也比全劑量掃描條件下的FBP重建圖像漏診了相當多的病灶。但CTP的特殊性在于，得到血流灌注信息更為重要，而不是著重于原始解剖圖像的解讀。當平掃CT對超早期的急性腦梗死難以顯示清楚時，也就是腦梗死病灶區與正常腦實質密度差異不大或者無密度差異，僅有輕度難以辨別的腦腫脹的時候，CTP卻可以通過額外得到的腦血流灌注信息而發現早期病灶。因此，或許低劑量掃描條件下圖像對低對比度病灶的探測能力有所喪失，但通過CTP提供額外的診斷信息，一定程度上彌補了這個缺點。

總之，低劑量腦CT灌注迭代重建，明顯降低了患者所接受的輻射劑量(僅為2.12 mSv)，改善了原始圖像及灌注參數圖的圖像質量，且具有較高的診斷效能。

[1] 曾苗雨，梁長虹，趙振軍，等.迭代重建算法(iDose4)胸部低劑量掃描的初步應用[J].放射學實踐,2013,28(12):1262-1267.

[2] Lin CJ,Wu TH,Lin CH,et al.Can iterative reconstruction improve imaging quality for lower radiation CT perfusion initial experience[J].AJNR,2013,34(8)：1516-1521.

[3] Abels B,Klotz E,Tomandl BF,et al.CT perfusion in acute ischemic stroke:a comparison of 2-second and 1-second temporal resolution[J].AJNR,2011,32(9):1632-1639.

[4] Konstas AA,Goldmakher GV,Lee TY,et al.Theoretic basis and technical implementations of CT perfusion in acute ischemic stroke,part 2:technical implementations[J].AJNR,2009,30(5):885-892.

[5] Sardanelli F,Hunink MG,Gilbert FJ,et al.Evidence-based radiology:why and how?[J].Eur Radiol,2010,20(1):1-15.

[6] Fryback DG,Thornbury JR.The efficacy of diagnostic imaging[J].Med Decis Making,1991,11(2):88-94.

[7] Schindera ST,Odedra D,Raza SA,et al.Iterative reconstruction algorithm for CT:can radiation dose be decreased while low-contrast detectability is preserved?[J].Radiology,2013,269(2):511-518.

[8] Ho C,Oberle R,Wu I,et al.Comparison of image quality in pediatric head computed tomography reconstructed using blended iterative reconstruction versus filtered back projection[J].Clin Imaging,2014,38(3)：231-235.

[9] Gramer BM,Muenzel D,Leber V,et al.Impact of iterative reconstruction on CNR and SNR in dynamic myocardial perfusion imaging in an animal model[J].Eur Radiol,2012,22(12):2654-2661.

[10] Schindera ST,Odedra D,Mercer D,et al.Hybrid iterative reconstruction technique for abdominal CT protocols in obese patients:assessment of image quality,radiation dose,and low-contrast detectability in a phantom[J].AJR,2014,202(2):W146-W152.

[11] Pickhardt PJ,Lubner MG,Kim DH,et al.Abdominal CT with model-based iterative reconstruction (MBIR):initial results of a prospective trial comparing ultralow-dose with standard-dose imaging[J].AJR,2012,199(6):1266-1274.

A study of Iterative reconstruction algorithm in low dose CT perfusion of brain

LI Pei-jun,HUANG Biao,LIANG Chang-hong,et al.Department of Radiology,Jiangmen Central Hospital,Guangdong 529030,P.R.China

Objective：To assess the image quality of low dose CT perfusion (CTP) of brain with iterative reconstruction algorithm.Methods:43 patients with suspected cerebrovascular ischemic disorders were enrolled in the study.All patients underwent CTP of brain.Datasets of CTP were reconstructed by using IR and FBP algorithms.The objective image quality of CTP source image and the subjective quality of color coded perfusion maps of the two sets were assessed and compared.Results:Comparing the imaging scores of the four perfusion maps (CBV、CBF、MTT、TTP) after IR and FBP reconstruction,the P values of differentiating gray/white matter with these two algorithms were 0.317,0.157,0.257,0.083 respectively;the P values of scoring artifacts severity of images were 0.083,0.046;<0.001,0.011 respectively.The brain CTP reconstructed by using IR was superior to those reconstructed by FBP in following aspects:objective image quality,imaging scores and total image quality.Significant statistical differences were showed in all above aspects (P<0.05).Conclusion:Employing IR algorithm to reconstruct low dose CT perfusion of brain,not only can improve the image quality,but also reduce radiation dose.Additionally,high diagnostic effectiveness could be obained.

Brain ischemia; Perfusion imaging; Iterative reconstruction; Radiation dose; Tomography, X-ray computed

529030 廣東，江門市中心醫院放射科(黎佩君、龍晚生)；510080 廣州，廣東省人民醫院放射科(黎佩君、黃飚、梁長虹)；430030 武漢，華中科技大學同濟醫學院附屬同濟醫院放射科(朱文珍)

黎佩君(1986-)女，廣東廣州人，碩士，住院醫師，主要從事CT、MRI診斷工作。

黃飚，E-mail: cjr.huangbiao@vip.163.com

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2011BAI08B10)

R743.3; R814.42

A

1000-0313(2015)09-0932-04

10.13609/j.cnki.1000-0313.2015.09.010

2014-12-16

2015-04-27)