FBP、iDose4和IMR重建算法對(duì)低劑量雙下肢CTA圖像質(zhì)量的影響

錢偉亮，豐 川，周丹靜，許建銘，王 宏，張繼斌，吳曉霞，錢 鑫

(南京醫(yī)科大學(xué)附屬蘇州醫(yī)院放射科，江蘇 蘇州 215002)

FBP、iDose4和IMR重建算法對(duì)低劑量雙下肢CTA圖像質(zhì)量的影響

錢偉亮，豐 川，周丹靜，許建銘*，王 宏，張繼斌，吳曉霞，錢 鑫

(南京醫(yī)科大學(xué)附屬蘇州醫(yī)院放射科，江蘇 蘇州 215002)

目的 探討濾波反投影(FBP)、混合迭代重建(iDose4)和基于模型的迭代重建(IMR)技術(shù)對(duì)低劑量雙下肢CTA圖像質(zhì)量的影響。方法 對(duì)56例成年患者行雙下肢CTA掃描，分別用FBP、iDose4和IMR方法重建，測(cè)量下肢各段血管(腹主動(dòng)脈分叉處、髂總動(dòng)脈分叉處、股動(dòng)脈近端、股動(dòng)脈中段和腘動(dòng)脈近端)的CT值、圖像噪聲及對(duì)比噪聲比(CNR)，并采用4分法對(duì)3組圖像質(zhì)量分別進(jìn)行主觀評(píng)分。結(jié)果 FBP、iDose4和IMR重建圖像的下肢各段血管平均CT值分別為(511.07±195.05)HU、(492.63±178.74)HU、(487.63±197.20)HU，三者間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=1.175，P>0.05)。圖像噪聲分別為(76.24±20.85)HU、(39.16±11.75)HU、(13.09±2.55)HU，三者間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=1 460.000，P<0.05)。CNR分別為6.35±3.14、12.97±5.10、33.83±15.85，三者間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=646.122，P<0.05)。圖像質(zhì)量主觀評(píng)分IMR(3.75±0.46)、FBP(1.39±0.51)、iDose4(2.61±0.81)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2=476.79，P<0.05)，膝關(guān)節(jié)以上、下段動(dòng)脈可診斷率IMR(98.66%)明顯高于FBP(1.34%)、iDose4(56.70%)，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2=427.9，P<0.05)。結(jié)論 行低輻射劑量雙下肢CTA掃描時(shí)，相比FBP和iDose4，IMR可以顯著降低圖像噪聲，提高圖像質(zhì)量，且能滿足診斷要求。

體層攝影術(shù)，X線計(jì)算機(jī)；基于模型的迭代重建；血管造影術(shù)；下肢；輻射劑量

隨著CT檢查在臨床工作中的廣泛運(yùn)用，如何在降低輻射劑量的同時(shí)獲取高質(zhì)量的圖像一直是人們關(guān)注的問題[1]。以往在雙下肢CTA低劑量成像方面的研究更多關(guān)注掃描參數(shù)的優(yōu)化及部分迭代算法的使用[2-3]。基于模型的迭代重建(iterative model reconstruction, IMR)是一種全新重建算法，在胸部CT[4]、冠狀動(dòng)脈CTA[5]等方面已展現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)。目前該技術(shù)在雙下肢CTA方面的應(yīng)用鮮有報(bào)道，本研究基于低劑量雙下肢CTA成像條件，初步評(píng)估濾波反投影(filtered back projection, FBP)、混合迭代重建(hybrid iterative reconstruction, iDose4)和IMR這3種重建算法對(duì)圖像質(zhì)量的影響。

1 資料與方法

1.1一般資料 連續(xù)收集2015年9月—2016年7月因懷疑下肢動(dòng)脈病變于我院接受雙下肢CTA患者的臨床及影像資料。排除標(biāo)準(zhǔn)：①血管內(nèi)支架術(shù)后或骨折內(nèi)固定金屬支架術(shù)后；②身體質(zhì)量指數(shù)(body mass index, BMI)<18 kg/m2或>25 kg/m2。最終入組56例，男43例，女13例，年齡33～92歲，平均(71.7±12.8)歲。該研究經(jīng)本院倫理委員會(huì)同意，所有患者均簽署知情同意書。

1.2儀器與方法 采用Philips Brilliance iCT行雙下肢CTA掃描。患者取仰臥位，掃描范圍均從腹主動(dòng)脈至足底。掃描參數(shù)：管電壓80 kVp，自動(dòng)管電流調(diào)制技術(shù)(DoseRight, Philips Healthcare)，圖像質(zhì)量指數(shù)設(shè)為1，準(zhǔn)直64×0.625 mm，球管旋轉(zhuǎn)速度0.75 s/rot，矩陣512×512，螺距0.7。采用對(duì)比劑推注跟蹤技術(shù)確定掃描時(shí)間，將ROI置于主動(dòng)脈分叉處，閾值150 HU，達(dá)到閾值后延遲15 s開始掃描。經(jīng)外周靜脈注射優(yōu)維顯(370 mgI/ml)80 ml，前40 ml注射速率為4.0 ml/s，后40 ml為3.5 ml/s，再以4.0 ml/s注入生理鹽水50 ml沖洗。CT掃描結(jié)束后，分別采用FBP、iDose4和IMR 3種重建算法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行重建，層厚0.9 mm，層間距0.45 mm。

1.3圖像評(píng)價(jià)

1.3.1客觀評(píng)價(jià) 將下肢動(dòng)脈CTA所有原始數(shù)據(jù)均傳入IntelliSpace工作站，應(yīng)用MIP和CPR等進(jìn)行圖像重組。由1名具有5年以上雙下肢CTA閱片經(jīng)驗(yàn)且不知曉圖像重建方法的放射科醫(yī)師在3組不同重建算法的圖像上，分別測(cè)量腹主動(dòng)脈分叉處、髂總動(dòng)脈分叉處、股動(dòng)脈近端、股動(dòng)脈中段和腘動(dòng)脈近端血管的CT值，并測(cè)量相應(yīng)層面肌肉的CT值和標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation, SD)值，以肌肉的SD值作為圖像噪聲。各參數(shù)均在連續(xù)層面上重復(fù)測(cè)量3次，取平均值作為最終結(jié)果。計(jì)算對(duì)比噪聲比(contrast noise ratio， CNR)，CNR=(CT血管-CT肌肉)/SD肌肉。

1.3.2主觀評(píng)價(jià) 由2名具有5年以上雙下肢CTA閱片經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)師采用盲法以4分制對(duì)各組圖像進(jìn)行評(píng)分，存在分歧時(shí)，一同重新閱片達(dá)成一致。將雙下肢動(dòng)脈分4個(gè)節(jié)段進(jìn)行評(píng)價(jià)：左/右膝關(guān)節(jié)以上/下段動(dòng)脈。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)[6]：1分(差)，背景噪聲非常明顯，血管不清，無法診斷；2分(中等)，背景噪聲明顯，血管輪廓明顯毛糙，影響診斷；3分(良好)，背景噪聲較輕，對(duì)比良好，血管輪廓稍毛糙但不影響診斷；4分(優(yōu)異)，背景無明顯噪聲，對(duì)比優(yōu)異，血管輪廓清晰。評(píng)分≥3分為滿足診斷需要的圖像，可診斷率為評(píng)分≥3分的血管節(jié)段數(shù)占總雙下肢動(dòng)脈節(jié)段數(shù)的比例。

1.4輻射劑量 采用有效吸收劑量(effective dose, ED)評(píng)價(jià)患者的輻射劑量。記錄每例患者的容積CT劑量指數(shù)(computed tomography dose index volume, CTDIvol)，并測(cè)量掃描起始部至股骨小轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度，即腹盆部和髖部掃描長(zhǎng)度。因下肢CTA掃描中下肢部分有效劑量轉(zhuǎn)換因子k并不適用[7]，故本研究有效輻射劑量?jī)H計(jì)算腹盆部及髖部ED，k取0.015 mSv·mGy-1·cm-1，計(jì)算方法參考相關(guān)文獻(xiàn)[3]。

2 結(jié)果

所有患者成功完成檢查，54例診斷為下肢動(dòng)脈硬化，2例無陽性表現(xiàn)。患者的平均CTDIvol為(0.65±0.08)mGy，平均ED為(0.51±0.08)mSv。

2.1客觀評(píng)價(jià)結(jié)果 采用FBP、iDose4和IMR 重建算法得到的3組圖像的各段血管CT值、SD值及CNR見表1～3。三者間各段血管CT值差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=1.175，P>0.05)。圖像噪聲：FBP>iDose4>IMR，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)，IMR較FBP和iDose4的圖像噪聲分別降低82.83%、66.57%。CNR：IMR>iDose4>FBP，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)，IMR的CNR較FBP和iDose4分別提高432.76%、160.83%。見圖1、2。

2.2主觀評(píng)價(jià)結(jié)果 總體圖像質(zhì)量主觀評(píng)分：IMR>iDose4>FBP，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)。IMR的膝關(guān)節(jié)上、下段動(dòng)脈可診斷率顯著高于iDose4、FBP(P均<0.05)。見表4、5。

3 討論

雙下肢CTA檢查中常見的降低輻射劑量的方法包括降低管電壓、管電流，提高螺距及利用迭代算法等[3，8]。本研究采用低管電壓及自動(dòng)管電流調(diào)節(jié)技術(shù)行雙下肢CTA掃描，入組患者的平均ED為(0.51±0.08)mSv，達(dá)到了亞mSv級(jí)的掃描狀態(tài)。

3.1不同重建算法對(duì)于圖像質(zhì)量的影響 本組中FBP重建圖像的平均噪聲為(76.24±20.85)HU，各節(jié)段的圖像噪聲均明顯高于iDose4和IMR，考慮與其采集數(shù)據(jù)時(shí)的理想化，忽略焦點(diǎn)、體素和探測(cè)器的實(shí)際幾何大小等原因有關(guān)[9]。

迭代重建算法是基于噪聲的統(tǒng)計(jì)模型，選擇性識(shí)別并去除圖像噪聲，在每次迭代中提高圖像質(zhì)量，降低圖像噪聲和偽影。iDose4綜合了FBP及迭代重建兩種算法，本研究選用降噪比較溫和的4級(jí)，F(xiàn)BP和迭代重建各占50%[10]。Hou等[11]在冠狀動(dòng)脈CTA研究中對(duì)比FBP和iDose4，認(rèn)為iDose4在降低55%輻射劑量情況下仍可獲得噪聲較小的高質(zhì)量圖像。本研究中，在低劑量條件下，iDose4與FBP相比，圖像噪聲降低約48.64%，CNR提高104.25%，主觀評(píng)分提高2倍。相比FBP而言，iDose4可以降低噪聲，提高圖像質(zhì)量，但由于該算法基于解剖模型，所以在迭代重建過程中具有一定的局限性[12]。

IMR是目前最新的迭代算法，是基于統(tǒng)計(jì)和系統(tǒng)模型精確測(cè)定的數(shù)據(jù)和圖像的統(tǒng)計(jì)模型，考慮到了焦點(diǎn)尺寸、X線束寬度、體素大小、探測(cè)器像素尺寸和光束及探測(cè)器間的相互作用等因素，是全面的在數(shù)據(jù)空間和圖像空間上對(duì)統(tǒng)計(jì)和系統(tǒng)模型進(jìn)行優(yōu)化從而更精確地還原掃描信息[13]。相比FBP、iDose4，IMR在降低噪聲和降低劑量方面的優(yōu)勢(shì)明顯[10-13]。本研究發(fā)現(xiàn)，IMR較FBP和iDose4的圖像噪聲分別降低82.83%、66.57%，CNR分別提高了432.76%、160.83%，主觀圖像評(píng)分方面IMR(3.75±0.46)亦顯著高于FBP(1.39±0.51)、iDose4(2.61± 0.81)，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)。而在CT值方面，3種方法間的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，與Yuki等[13]在低kV冠狀動(dòng)脈CTA方面的研究結(jié)果類似。

3.2不同重建算法對(duì)于可診斷率的影響 在行CT檢查時(shí)，對(duì)于輻射劑量的控制應(yīng)遵循ALARA(as low as reasonably as achievable)原則，即在降低劑量的同時(shí)也要滿足臨床診斷需求。本研究顯示，F(xiàn)BP、iDose4和IMR的雙下肢CTA圖像的可診斷率分別為1.34%、56.70%和98.66%，即在低輻射劑量掃描背景下，利用IMR可基本滿足臨床診斷，而FBP和iDose4無法滿足，這主要與IMR更強(qiáng)的去噪聲能力有關(guān)。與蔣駿等[10，13]在低劑量冠狀動(dòng)脈CTA方面的研究結(jié)果類似。

3.3本研究的局限性 本研究不足之處：①納入的研究對(duì)象均為標(biāo)準(zhǔn)BMI指數(shù)患者，未來將探索對(duì)高BMI患者行低劑量雙下肢CTA的可行性方案；②可診斷率以主觀評(píng)分為標(biāo)準(zhǔn)，今后將進(jìn)一步與金標(biāo)準(zhǔn)DSA行對(duì)比分析。

總之，行低輻射劑量雙下肢CTA掃描時(shí)，相比FBP和iDose4，IMR可以進(jìn)一步降低圖像噪聲，提高圖像質(zhì)量，且能滿足臨床診斷要求。

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Impact of reconstruction algorithms on low dose lower extremity CTA image quality： Comparison of FBP, iDose4and IMR

QIANWeiliang,FENGChuan,ZHOUDanjing,XUJianming*,WANGHong,ZHANGJibin,WUXiaoxia,QIANXin

(DepartmentofRadiology,NanjingMedicalUniversityAffiliatedSuzhouHospital,Suzhou215002，China)

Objective To investigate the effect of different reconstruction algorithms, including filtered back projection (FBP), hybrid iterative reconstruction (iDose4) and iterative model reconstruction (IMR) on image quality of low dose lower extremity CTA. Methods Fifty-six patients underwent lower extremity CTA, and the images were reconstructed with FBP, iDose4and IMR algorithms respectively. CT attenuation, image noise and contrast noise ratio (CNR) of 5 positions including aortic bifurcation, iliac bifurcation, proximal femoral artery, middle femoral artery, proximal popliteal artery were calculated. Subjective image quality of lower extremity arteries were assessed on a 4-point scale. Results CT attenuation of FBP, iDose4, IMR in lower extremity arteries were (511.07±195.05)HU, (492.63±178.74)HU, (487.63±197.20)HU, and there was no statistically significant difference among them (F=1.175,P>0.05). The mean image noise of FBP, iDose4and IMR images were (76.24±20.85)HU, (39.16±11.75)HU, (13.09±2.55)HU, and the CNR of FBP, iDose4 and IMR images were 6.35±3.14, 12.97±5.10, 33.83±15.85, respectively. Image noise and CNR were both found significantly differences among the 3 methods (F=1 460.000, 646.122, bothP<0.05). The visual scores were significantly higher for IMR (3.75±0.46) than those for FBP and iDose4images (1.39±0.51 for FBP, 2.61±0.81 for iDose4,χ2=476.79,P<0.05). There were significant differences in the diagnosis rates of arteries above-the-knee as well as arteries below-the-knee among the 3 methods (FBP 1.34%, iDose456.70%, IMR 98.66%,χ2=427.9,P<0.05). Conclusion IMR may reduce image noise and improve image quality of low radiation dose lower extremity CTA compared with FBP, iDose4without compromising the diagnostic requirements.

Tomography, X-ray computed; Iterative model reconstruction; Angiography; Lower extremity; Radiation dosage

錢偉亮(1991—)，男，江蘇蘇州人，在讀碩士。研究方向：低劑量CT成像。E-mail： 564696370@qq.com

許建銘，南京醫(yī)科大學(xué)附屬蘇州醫(yī)院放射科，215002。E-mail： jmxu86@163.com

2016-08-11

2016-12-08

影像技術(shù)學(xué)

10.13929/j.1003-3289.201608051

R814.42; R658.3

A

1003-3289(2017)02-0290-05