寶石能譜單能量成像及自適應統計迭代重建技術在腹部低劑量CT掃描中的可行性研究

朱正， 趙心明， 周純武

·腹部影像學·

寶石能譜單能量成像及自適應統計迭代重建技術在腹部低劑量CT掃描中的可行性研究

朱正， 趙心明， 周純武

目的：探討在腹部低劑量CT掃描中使用寶石能譜單能量成像(GSI)結合自適應統計迭代重建技術的成像質量。方法：90例患者使用GE Discovery CT750 HD 64排CT機行腹部CT平掃及雙期增強掃描。實驗組A(30例)采用GSI 技術(60 keV+ASIR 50%)+對比劑碘劑量450 mg I/kg；實驗組B(30例)采用常規掃描(120 kVp)+對比劑碘劑量300 mg I/kg；對照組(30例)行常規掃描(120 kVp)+對比劑碘劑量450 mg I/kg。每組均測量腹部大血管(動脈期/靜脈期)、臟器和肌肉(三期)共26個ROI的CT值并計算相應的SNR，使用5分法(Likert分級)對各部位的圖像質量進行主觀評價。結果：三組患者的年齡、身高、體重及身體質量指數(BMI)間的差異均無統計學意義(P>0.05)。A組中26個ROI的CT值均高于對照組，除平掃和動脈期肝臟CT值和平掃肌肉CT值外，其它23個ROI的CT值在兩組間的差異均有統計學意義(P<0.05)。B組各ROI的CT值均低于對照組，但差異無統計學意義(P>0.05)。A組中(除SMA外)各ROI的SNR均高于對照組，僅門脈左支、動脈期肝和脾、平掃和靜脈期胰腺的SNR在兩組間的差異無統計學意義(P>0.05)。B組的SNR均低于對照組，但差異無統計學意義(P>0.05)。主觀評價方面，三組間圖像質量評分的差異無統計學意義(P>0.05)。A組與對照組間輻射劑量的差異有統計學意義(P<0.001)；B組對比劑劑量與對照組間的差異有統計學意義(P<0.001)。結論：在能譜CT 成像結合ASIR技術的幫助下，使用低管電壓能得到較好的腹部CT圖像質量。

體層攝影術，X線計算機； 寶石能譜成像； 自適應統計迭代重建； 低輻射量； 腹部； 圖像質量

表1 三組患者的基本臨床資料

目前多排CT增強掃描已成為腹部檢查的常規檢查手段，如何在盡可能低的輻射劑量條件下獲得可供臨床診斷的圖像質量一直是相關領域研究的重點和熱點。CT寶石能譜單能量成像(gemstone spectral imaging，GSI)及自適應統計迭代重建(adaptive statistical iterative reconstruction，ASIR)技術具有重要的臨床意義，因其可以處理電子噪聲和其它物理因素所導致的圖像偽影，在低對比劑劑量及低電壓的條件下就可能獲得滿足診斷要求的CT圖像，降低患者因輻射或對比劑帶來的潛在風險[1]。因此本研究對GSI及低劑量對比劑在腹部三期CT成像中的效果進行前瞻性研究。

材料與方法

1．臨床資料

將2015年10月-2016年12月擬行腹盆部CT增強掃描的患者納入觀察，將有嚴重心肝腎功能不全、對比劑禁忌證、年齡小于18歲或大于80歲的患者及孕婦等剔除。最終有90例患者納入研究，其中男48例，女42例，年齡24～77歲，平均55歲。將患者隨機分為3組(實驗組A、B和對照組C)，分別采用3種掃描方案。三組患者的基本臨床資料見表1，三組間患者一般情況的差異無統計學意義(P>0.05)。

2.檢查方法

使用GE Discovery CT750 HD多排螺旋CT機。患者檢查前空腹4～6 h，將60%泛影葡胺20 mL加入1000 mL水中讓患者在檢查前1 h口服使膀胱充盈。所有患者行CT平掃(plain，P)及動脈期(arterial-phase，AP)和門靜脈期( portal-phase，PP)增強掃描，掃描范圍自肝頂水平至坐骨結節水平。將患者隨機分為3組，分別采用3種掃描方案(表2)。

表2 三組的掃描方案

三組的其它掃描條件相同：層厚5 mm、層距5 mm，視野50 cm×50 cm，矩陣512 ×512，螺距0.984，重建層厚1.25 mm、層間距0.8 mm。掃描前在肘前靜脈置入20G的靜脈套管針。使用非離子型碘對比劑碘普羅胺(300 mg I/mL)，3組中對比劑推注時間均為30 s，動脈期及門脈期掃描延遲時間分別30和65 s。

3．分析內容

所有CT圖像傳入PACS工作站，由2位放射科醫師(分別有26年及12年腹部影像診斷經驗)采用獨立、隨機、無序、盲法的方式對所有圖像進行閱片分析，在閱片前均接受關于評分標準的統一規范化培訓。圖像質量主觀評分(兩者討論后達成一致)依據Likert量表5分法進行評價[1]：1分(很差)，噪聲很明顯；2分(較差)，噪聲、偽影明顯；3分(中等)，噪聲可接受，器官組織邊界欠清；4分(良好)，圖像尚清晰，小的解剖結構顯示邊界尚清晰；5分(優異)，圖像清晰，噪聲不明顯，小的解剖結構清晰。評分≥3分為符合臨床診斷要求，評分≤2分為不符合診斷要求。CT值測量是在觀察血管及臟器放置ROI，包括在動脈期圖像上測量腹主動脈腹腔干分叉上方和下方、腹腔動脈干、腸系膜上動脈、脾動脈、左腎動脈、右腎動脈、左髂總動脈和右髂總動脈，靜脈期圖像上測量門脈左支、門脈右支、門靜脈、脾靜脈和腸系膜上靜脈，分別在三期圖像上測量肝臟、胰腺、脾臟和豎脊肌，共26個感興趣部位。測量血管的CT值時，ROI放置在血管近端，大小約為管徑的2/3(20～150 mm2)，避開鈣化、斑塊及狹窄等；測量臟器及肌肉時，則選取密度均勻的區域放置ROI。每個興趣部位測量三次取其平均值。同時測量同層脂肪的CT值，以其標準差(standard deviation，SD)作為背景噪聲值。利用公式(1)計算各興趣部位的信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)：

(1)

記錄掃描時劑量報告中的CT容積劑量指數(volume CT dose index，CTDIvol)，并計算劑量長度乘積(dose length product，DLP)[2]。

4.統計學分析

采用SPSS 13.0統計軟件進行統計分析。采用Kappa檢驗對2位放射科醫師對三組圖像質量評分的一致性進行分析。Kappa值<0.4為一致性差，0.4≤Kappa<0.75為一致性良好，Kappa≥0.75為一致性非常好。對三組患者一般情況和輻射劑量的比較使用單因素方差分析。對實驗組與對照組的CT值、SNR和對比劑劑量的比較采用獨立樣本t檢驗。P<0.05為差異有統計學意義。

結 果

三組中各部位的CT值、SNR及統計學分析結果見表3～4。A組中各部位的的CT值均高于對照組，除平掃和動脈期肝臟CT值和平掃肌肉CT值外，其它23個ROI的CT值在兩組間的差異均有統計學意義(P<0.05)。B組各ROI的CT值均低于對照組，但差異無統計學意義(P>0.05)。

表3 三組中各ROI的CT值及統計分析結果

注：t1值P1值為A組與C組的比較結果；t2和P2值為B組與C組的比較結果。AA1=腹主動脈腹腔干分支上方；AA2=腹主動脈腹腔干分叉下方；CA=腹腔動脈干；SMA=腸系膜上動脈；SA=脾動脈；LRA=左腎動脈；RRA=右腎動脈；LCIA=左髂總動脈；RCIA=右髂總動脈；LPV=門脈左支；RPV=門脈右支；PV=門靜脈主干；SV=脾靜脈；MV=腸系膜上靜脈。

A組中除腸系膜上動脈外，其余各ROI的SNR均高于對照組，僅門脈左支、動脈期肝和脾、平掃和靜脈期胰腺的SNR在兩組間的差異無統計學意義(P>0.05)。B組的SNR均稍低于對照組，但差異無統計學意義(P>0.05)。

90例患者的圖像質量評分都為4～5分，A組中4分14例，5分16例； B組中4分13例，5分17例；對照組中4分10例，5分20例。三組間圖像質量的差異無統計學意義(P>0.05)。兩位醫師對所有圖像的主觀評分間的一致性非常好(Kappa=0.816)。

三組的DLP測量結果見表5。實驗組A中各期掃描的 DLP均顯著低于對照組，差異有統計學意義(P<0.001)。實驗組B與對照組C的對比劑劑量的差異有統計學意義(P<0.001)。

討 論

腹部是CT增強掃描目前應用最為廣泛的部位，較高的管電壓、較大的對比劑劑量不僅會增加患者的輻射劑量、同時也增加了對比劑過敏反應的發生率[3]。因此，在嚴格遵循ALARA原則(as low as reasonably achievable)的前提下[4]，本研究對低管電壓、低對比劑劑量方案在腹部血管、臟器掃描中的可行性進行了探討，結果顯示低劑量方案圖像上血管強化程度及信噪比優于或不差于對照組，且主觀圖像質量評分亦無明顯差異，因此低劑量方案可替代常規劑量方案應用于臨床。

ASIR是指通過自適應技術精確描述和構建探測到的信號的光子統計學，是對原始數據層面的反復迭代運算，可進一步降低噪聲，提高圖像分辨率[5]。目前ASIR技術較多應用于高BMI人群[6]、兒童[7-8]、肝硬化患者[9]和腎功能不全患者[10]的低劑量CT掃描，多用于觀察血管(如冠脈、腹部動脈、門靜脈等)的CTA或CPV成像質量[11-14]，而本研究中對腹部大血管及臟器在不同時相(肝動脈期和門脈期)低劑量CT增強掃描中的成像質量進行了分析。既往研究表明ASIR在40%～60%時的成像效果最佳，因此本研究在低管電壓組(實驗組A)中使用50%ASIR。在掃描范圍一致的情況下，血管及臟器的圖像質量主要與對比劑的碘含量和注射劑量等因素相關，目前對比劑的使用大多根據患者的身體質量指數進行調整[7-9]，且要與掃描時間相匹配。同時在ROI的選擇上，本研究將ROI的大小設置為血管管徑的2/3(ROI=20～150 mm2)，同時避開鈣化、斑塊及狹窄等；在測量肌肉及脂肪時，ROI放置則選取密度均勻的區域，測量結果取三次測量的平均值，這樣所得的數據最有代表性。

表4 三組中各ROI的SNR及統計分析結果

注：t1值P1值為A組與C組的比較結果；t2和P2值為B組與C組的比較結果。

表5 三組中三期掃描的DLP值及比較 (mGy·cm)

實驗組A中除腸系膜上動脈的SNR低于對照組，其它部位的SNR均高于對照組。王亞寧等[15]在研究中亦發現低劑量組部分血管、臟器的SNR值高于對照組。我們分析其原因可能因為腸系膜上動脈的管徑較細且彎曲，使測量過程中容易出現偏差所致，但亦可能與選擇的低管電壓的數值有一定相關性，我們將會在今后的研究中進行進一步研究。而實驗組B因其僅單純的降低對比劑劑量及流率，其它掃描參數與對照組基本一致，因此各部位的CT值及SNR僅略低于對照組，但差異無統計學意義(P>0.05)。

本研究不足之處是病例數略少，且未設置同時使用低管電壓和低對比劑劑量的"雙低"實驗組，僅分別設立低管電壓或低對比劑劑量兩個實驗組；同時，雖然三組間患者的基本臨床資料差異無統計學意義，但如果能按照患者的BMI進行更嚴格的分組，可能研究結果會更精確；其次，尚未進行對比噪聲比及病灶檢出率的研究，需要今后在臨床開展較大樣本的隨機對照研究來完善相關的研究結果。

綜上所述，在使用ASIR及GSI時低管電壓或低對比劑方案較常規方案有一定優勢，可滿足影像診斷要求，可在臨床實踐中推薦使用。

[1] Singh S,Kalra MK,Hsieh J,et al.Abdominal CT:comparison of adaptive statistical iterative and filtered back projection reconstruction techniques[J].Radiology,2010,257(2):373-383.

[2] Maldjian PD,Goldman AR.Reducing radiation dose in body CT:a primer on dose metrics and key CT technical parameters[J].AJR,2013,200(4):741-747.

[3] Katzberg RW,Haller C.Contrast-induced nephrotoxicity:clinical landscape[J].Kidney Int,2006,100(Suppl 1):S3-S7.

[4] Thrall JH.Radiation exposure in CT scanning and risk:where are we[J].Radiology,2012,264(2):325-328.

[5] Xu J,Mahesh M,Tsui BM.Is iterative reconstruction ready for MDCT[J].J Am Coll Radiol,2009,6(4):274-276.

[6] Zhu Z,Zhao XM,Zhao YF,et al.Feasibility study of using gemstone spectral imaging (GSI) and adaptive statistical iterative reconstruction (ASIR) for reducing radiation and iodine contrast dose in abdominal CT patients with high BMI values[J/OL].PLoS One,2015,10(6):e0129201.doi：10.1371/journal.pone.0129201.eCollection 2015.

[7] Berlin SC,Weinert DM,Vasavada PS,et al.Successful dose reduction using reduced tube voltage with hybrid iterative reconstruction in pediatric abdominal CT[J].AJR,2015,205(2):392-399.

[8] Khawaja RD,Singh S,Otrakji A,et al.Dose reduction in pediatric abdominal CT:use of iterative reconstruction techniques across different CT platforms[J].Pediatr Radiol,2015,45(7):1046-1055.

[9] Namimoto T,Oda S,Utsunomiya D,et al.Improvement of image quality at low-radiation dose and low-contrast material dose abdominal CT in patients with cirrhosis:intraindividual comparison of low tube voltage with iterative reconstruction algorithm and standard tube voltage[J].J Comput Assist Tomogr,2012,36(4):495-501.

[10] 林曉珠，福井利佳，沈云，等.腹部增強能譜CT成像在腎功能不全患者低劑量對比劑掃描中的應用價值[J].中華放射學雜志,2014,48(10):816-821.

[11] 馬春玲，陳曉俠，雷雨欣，等.能譜單能量結合低劑量對比劑與常規CT增強掃描在門靜脈成像中的對比研究[J].放射學實踐,2016,31(2):179-182.

[12] Seyal AR,Arslanoglu A,Abboud SF,et al.CT of the abdomen with reduced tube voltage in adults:a practical approach[J].Radiographics,2015,35(7):1922-1939.

[13] Ippolito D,Talei Franzesi C,Fior D,et al.Low kV settings CT angiography (CTA) with low dose contrast medium volume protocol in the assessment of thoracic and abdominal aorta disease:a feasibility study[J/OL].Br J Radiol,2015,88(1049):20140140.doi:10.1259/bjr.20140140.Epub 2015 Mar 18.

[14] Hwang I,Cho JY,Kim SY,et al.Low tube voltage computed tomography urography using low-concentration contrast media:comparison of image quality in conventional computed tomography urography[J].Eur J Radiol,2015,84(12):2454-2463.

[15] 王亞寧，時高峰，杜煜，等.低劑量造影劑結合低管電壓在上腹部雙源CT掃描中的應用[J].中國醫學影像學雜志,2014,22(3):204-207.

Feasibility study of gemstone spectral imaging and adaptive statistical iterative reconstruction technique in low radiation dose abdominal CT scan

ZHU Zheng,ZHAO Xin-ming,ZHOU Chun-wu.

Department of Radiology,National Cancer Center/Cancer Hospital,Chinese Academy of Medical Sciences and Peking Union Medical College,Beijing 100021,China

Objective:The purpose of the present study was to investigate the image quality of low radiation dose abdominal CT scan using gemstone spectral imaging (GSI) and adaptive statistical iterative reconstruction technique (ASIR).Methods:90 patients were enrolled and underwent both plain and dual-phase enhanced abdominal CT scan using GE Discovery 750HD 64-row CT scanner.In experiment group A (30 cases),GSI (60keV and 50% ASIR) with 450mg I/kg contrast material was administrated;in experiment group B (30 cases),conventional scan mode (120kVp) with 300mg I/kg contrast material was used;in control group C (30 cases),conventional scan mode (120kVp) with 450mg I/kg contrast material was dministrated.In each group,CT values of 26 ROIs including abdominal vessels [arterial-phase (AP) or portal-phase (PP)] and organs,muscles and fat tissue (in three phases) were obtained.The corresponding signal-to-noise ratios (SNRs) were calculated and image quality were subjectively evaluated using five point Likert scale.Results:There were no significant differences in age,height,weight and BMI among the three groups (P>0.05).The CT values of 26 ROIs in group A were higher than those in group C.Statistical differences were existed in the CT values of 23 ROIs between the two groups (P<0.05) except three ROIs of liver on plain and AP images and muscles on plain images.The CT value of each ROI in group B was less than that in group C,but no significant difference was showed (P<0.05).The SNRs of 25 ROIs (except SMA) in group A were higher than those in group C,no statistical difference was showed only in the SNRs of left portal vein,liver and spleen in AP,pancreas in plain and PP (P<0.05);and the SNRs in group B were less than those in group C but with no significant difference (P>0.05).As for subjective evaluation, there was no significant difference of image quality scores among the three groups (P>0.05).The dose-length product (DLP) in group A was less than that in group C with significant difference (P<0.001),and the contrast medium dose in group B was less than that in group C with significant difference (P<0.001).Conclusion:With the help of ASIR and GSI,abdominal CT scan using low tube voltage can get high quality images.

Tomography，X-ray computed； Gemstone spectral imaging； Adaptive statistical iterative reconstruction； Low radiation dose； Abdomen； Image quality

100021 北京，國家癌癥中心/中國醫學科學院北京協和醫學院腫瘤醫院影像診斷科

朱正(1981-)，女，北京人，碩士，主治醫師，主要從事腹部影像診斷工作。

周純武，E-mail：cjr.zhouchunwu@vip.163.com

北京協和醫學院2015年研究生創新基金(2015-1002-01-26)

R814.42； R572； R575； R543

A

1000-0313(2017)04-0418-05

10.13609/j.cnki.1000-0313.2017.04.026

2017-01-22

2017-04-01)