不同重建算法對(duì)低劑量頭頸部CTA掃描圖像質(zhì)量的影響

齊天白侯珺琳

不同重建算法對(duì)低劑量頭頸部CTA掃描圖像質(zhì)量的影響

齊天白①侯珺琳①

目的：在頭頸部低劑量血管造影(CTA)掃描后對(duì)得到的原始圖像運(yùn)用不同重建方法，即濾波反射投影(FBP)、自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)迭代(ASIR)和基于模型迭代重建(MBIR)獲得的圖像進(jìn)行比較，探討不同重建方法對(duì)頭頸低劑量CTA掃描圖像質(zhì)量的影響。方法：選取30例行頭頸部CTA檢查的患者，應(yīng)用寶石能譜CT進(jìn)行頭頸掃描，將管電壓設(shè)置為低劑量80 kVp，于肘靜脈以4 ml/s速度注射60～80 ml對(duì)比劑(350 mg I/ml)，其余參數(shù)選擇常規(guī)參數(shù)。對(duì)所得原始圖像分別使用FBP、60%ASIR和MBIR進(jìn)行重建，對(duì)三組重建獲得的圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)分和比較，并做相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。結(jié)果：運(yùn)用不同重建方法FBP、60%ASIR和MBIR，得到的圖像噪聲、對(duì)比噪聲比以及圖像質(zhì)量主觀得分結(jié)果顯示：①圖像噪聲，MBIR組＜60%ASIR組＜FBP，且差異顯著；②對(duì)比噪聲比，MBIR組＞60%ASIR組＞FBP，且差異顯著；③圖像主觀評(píng)分，MBIR組＞60%ASIR組＞FBP，且差異明顯。結(jié)論：在寶石CT下的頭頸部CTA使用低劑量結(jié)合三組不同重建算法獲得的圖像中，MBIR重建獲得的圖像噪聲最低，圖像質(zhì)量最好，具有臨床診斷意義。

寶石能譜CT；低劑量；頭頸部血管成像；圖像質(zhì)量；重建方式

目前，腦血管疾病已經(jīng)是威脅人類健康安全的第一大殺手，頭頸部X射線計(jì)算機(jī)斷層成像(computed tomography，CT)血管造影(computed tomographic angiography，CTA)是篩查頸腦血管性疾病的重要檢查方法，具有時(shí)間和空間分辨率高、掃描速度快、覆蓋容積范圍大、檢查時(shí)間短和易于臨床診斷等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。據(jù)有關(guān)報(bào)道，CT照射劑量當(dāng)量每增加1 Sv，致癌風(fēng)險(xiǎn)增加超過(guò)3.5%[4]。因此，在CT檢查過(guò)程中，有效降低射線劑量是醫(yī)療研究的難題[5]。以往放射技師會(huì)通過(guò)優(yōu)化掃描參數(shù)、加強(qiáng)防護(hù)措施來(lái)保護(hù)受檢患者，較少出現(xiàn)在降低劑量后通過(guò)重建方式的改變而不影響圖像質(zhì)量的情況。本研究應(yīng)用寶石CT行頭頸部CTA低劑量掃描中分別采用濾波反射投影技術(shù)(filtered back projection，F(xiàn)BP)、自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)迭代重建(adaptive statistical iterative reconstruction，ASIR)[6]和基于模型的迭代重建(model-based iterative reconstruction，MBIR)[7]三種不同重建算法得到圖像，并對(duì)比三組圖像噪聲、對(duì)比噪聲比以及圖像質(zhì)量，探討上述三種重建算法在低劑量掃描下對(duì)頭頸CTA圖像質(zhì)量的影響，從而研究低劑量頭頸CTA的可行性。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2014年5-12月湖州市第三人民醫(yī)院30例行頭頸部CTA檢查的患者，其中男性19例，女性11例；平均年齡(57.2±4.1)歲；體質(zhì)量指數(shù)(23.1±4.1)kg/m2。30例患者中腦梗塞6例，腦出血8例，腦供血異常2例，不明原因頭暈14例。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，所有患者均簽署知情同意書。

1.2 納入與排除標(biāo)準(zhǔn)

(1)納入標(biāo)準(zhǔn)：病情較輕，均需進(jìn)行頭頸部CTA診斷，且無(wú)其他嚴(yán)重并發(fā)癥。

(2)排除標(biāo)準(zhǔn)：腎功能障礙、對(duì)碘對(duì)比劑過(guò)敏反應(yīng)者。

1.3 儀器與材料

采用Discovery 750HD型寶石能譜CT(美國(guó)GE公司)對(duì)30例患者行頭頸部CTA檢查。

1.4 檢查方法

檢查前患者需禁食，并于檢查前、后大量飲水。低血糖癥狀患者可大量飲用牛奶。

將管電壓設(shè)置為80 kVp，分別于肘靜脈以4 ml/s速度注射60～80 ml對(duì)比劑(歐乃派克350 mgI/ml)；管電流設(shè)置為250 mA，噪聲指數(shù)NI=12，準(zhǔn)直寬度40 mm，機(jī)架轉(zhuǎn)速0.4 s/r，螺距0.984∶1。采用CT進(jìn)行掃描，對(duì)所得原始圖像分別使用FBP、60%ASIR[8]和MBIR進(jìn)行重建，得到3組圖像質(zhì)量參數(shù)。

1.5 觀察與評(píng)價(jià)指標(biāo)

由客觀數(shù)據(jù)結(jié)合主觀評(píng)分法共同完成。

(1)客觀數(shù)據(jù)獲得：將所有試驗(yàn)的圖像傳至AW4.5工作站，分別以曲面重建(curved plannar reconstruction，CPR)、容積再現(xiàn)(volume rendering，VR)、多平面重組(multi-planar-reformatting，MPR)顯示。對(duì)比噪聲比采用水平頸總動(dòng)脈與頸部軟組織作為記錄，在每例圖像的頸總動(dòng)脈和頸部軟組織密度均勻區(qū)域分別設(shè)置感興趣區(qū)域(region of interest，ROI)，以被測(cè)密度的標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation，SD)作為圖像噪聲(以下用SD＋部位表示)。然后在同樣ROI區(qū)域，獲得兩者的CT值(以下用CT+部位表示)。通過(guò)公式對(duì)比噪聲比(contrast to noise，CNR)進(jìn)行計(jì)算。其計(jì)算為公式1：

然后再設(shè)置一個(gè)ROI：大腦中動(dòng)脈，得到CT腦動(dòng)脈和SD腦動(dòng)脈。算出3個(gè)ROI的圖像噪聲平均值為SD。

(2)主觀評(píng)價(jià)法：對(duì)圖像質(zhì)量作出評(píng)分。主觀評(píng)價(jià)法由2位5年以上放射經(jīng)驗(yàn)的主治醫(yī)師采用4分制進(jìn)行評(píng)估[9]。其標(biāo)準(zhǔn)為CT值350～500 HU、圖像清晰無(wú)陰影、血管分支4級(jí)以上，全程血管強(qiáng)化均勻：①4分，完全符合診斷要求，圖像細(xì)膩，血管密度高、邊緣平滑，血管顯示4級(jí)以上分支；②3分，基本符合診斷要求，圖像清晰，血管密度較高、邊緣平滑，血管顯示3級(jí)以上分支；③2分，可診斷，但較困難，血管密度較淡、邊緣較平滑，主干可顯示，血管顯示3級(jí)分支；④1分，不能達(dá)到診斷要求，血管密度淡、邊緣毛糙，血管顯示3級(jí)以下分支。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

所有30例患者收集的數(shù)據(jù)錄入Excel 2003，采用SPSS 10.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對(duì)3組圖像質(zhì)量參數(shù)分別進(jìn)行雙樣本t檢驗(yàn)，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

運(yùn)用不同重建方法FBP、60%ASIR和MBIR可得到圖像噪聲、對(duì)比噪聲比以及圖像質(zhì)量主觀得分。其中：①FBP組和60%ASIR組圖像平均噪聲、對(duì)比噪聲比以及圖像主觀評(píng)分相比，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=10.23，t=7.58，t=14.41；P＜0.05)；②FBP組和MBIR組圖像平均噪聲、對(duì)比噪聲比以及圖像主觀評(píng)分相比，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=12.65，t=11.32，t=17.29；P＜0.05)；③60%ASIR組和MBIR組圖像平均噪聲、對(duì)比噪聲比以及圖像主觀評(píng)分相比，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=5.51，t=7.33，t=8.98；P＜0.05)。綜上得出：噪聲水平比較MBIR組＜60%ASIR組＜FBP，對(duì)比噪聲比比較MBIR組＞60%ASIR組＞FBP，主觀評(píng)分比較MBIR組＞60%ASIR組＞FBP(見表1、表2和表3)。

表1 不同重建方法FBP和60%ASIR所得圖像質(zhì)量參數(shù)比較(x-±s)

表2 不同重建方法FBP和MBIR所得圖像質(zhì)量參數(shù)比較(x-±s)

表3 不同重建方法60%ASIR和MBIR所得圖像質(zhì)量參數(shù)比較(x-±s)

本研究從入選的30例患者中隨機(jī)抽取1例患者，從圖像質(zhì)量上直觀對(duì)比下，如圖1所示。圖1A、1B、1C為同一患者的冠狀重建圖，其中A為使用了MBIR重建；B為使用了60%ASIR重建；C為使用了FBP重建。其中圖1A完全符合診斷要求，圖像細(xì)膩，邊緣平滑；圖1B基本符合診斷要求，圖像較清晰；圖1C診斷較困難，血管密度較淡、邊緣較平滑，噪聲較圖1A和B要高很多，三者圖像質(zhì)量差異顯著。圖2A、2B、2C均為同一患者的頭顱血管圖，如圖2所示，其中圖2A為使用了MBIR重建；圖2B為使用了60%ASIR重建；圖2C為使用了FBP重建。其中圖2A完全符合診斷要求，圖像細(xì)膩，邊緣平滑；圖2B基本符合診斷要求，圖像較清晰，但存在偽影；圖2C診斷較困難，血管密度較淡、邊緣較平滑，噪聲較圖2A和圖2B要高很多。三者圖像質(zhì)量差異顯著。

圖1 同一患者運(yùn)用不同重建方法得到的冠狀重建圖

圖2 同一患者運(yùn)用不同重建方法得到的頭顱血管圖

3 討論

頭頸部CTA在臨床上使用十分普遍，隨著新的重建算法的發(fā)展，低輻射劑量掃描已成為可能[10]。目前，臨床上主流重建算法是FBP[11-12]。FBP重建速度很快，但對(duì)于原始數(shù)據(jù)的處理設(shè)計(jì)過(guò)于簡(jiǎn)單，其通過(guò)對(duì)掃描過(guò)程中所接受的X光子的數(shù)量來(lái)進(jìn)行圖像噪聲計(jì)算。對(duì)于低劑量掃描圖像來(lái)說(shuō)，F(xiàn)BP接受從任意角度投影的X光子數(shù)據(jù)，并均認(rèn)為其有效。這一算法忽略了掃描中的一些無(wú)效的量子噪聲及電子噪聲對(duì)圖像的影響，使圖像噪聲值均勻擴(kuò)展至各個(gè)部位的圖像噪聲中，噪聲明顯增高。

本研究采用的GE Discovery 750HD型寶石能譜CT配置了ASIR平臺(tái)，目前ASIR算法在國(guó)內(nèi)外有著廣泛應(yīng)用，且在人體各個(gè)器官均有不同的進(jìn)展。首先通過(guò)建立噪聲性質(zhì)和被掃描物體的模型，在原始數(shù)據(jù)空間通過(guò)精確模型進(jìn)行運(yùn)算，引入統(tǒng)計(jì)信息，在噪聲強(qiáng)度一致的情況下可以盡可能的降低掃描強(qiáng)度[13]。ASIR將光學(xué)原理理想化，假設(shè)相近兩組織之間估算的噪聲較小時(shí)的差異是有效的，以逐步迭代的方式產(chǎn)生一個(gè)理論上無(wú)噪聲的圖像。隨后將FBP和ASIR重建數(shù)據(jù)加權(quán)融合，從而減少圖像噪聲。ASIR權(quán)重比可以選擇，選取不同的ASIR權(quán)重比，對(duì)圖像噪聲的抑制水平也各不相同。因此，ASIR可在降低劑量的情況下通過(guò)降低噪聲而不改變圖像質(zhì)量。

而MBIR是最新的一種迭代重建算法，其無(wú)需與FBP圖像相混合，比ASIR算法更加復(fù)雜和先進(jìn)，因而也不存在選取權(quán)重比的步驟[14]。該項(xiàng)技術(shù)不但結(jié)合了數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)內(nèi)光子和電子噪聲統(tǒng)計(jì)模型，而且考慮了光學(xué)系統(tǒng)模型[15]。MBIR分析焦點(diǎn)以及通過(guò)受檢者身體和達(dá)到探測(cè)器的X射線束，并權(quán)重每一個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)資料，以進(jìn)一步減少噪聲對(duì)最終結(jié)果的影響，從而產(chǎn)生更加準(zhǔn)確的重建圖像[16]。吳瑤媛[17]等研究結(jié)果表明，F(xiàn)BP、ASIR和MBIR三種不同的重建算法在完全相同的掃描參數(shù)下得到的圖像質(zhì)量有很大區(qū)別。

而本研究的結(jié)果顯示，MBIR重建圖像的噪聲顯著＜60%ASIR重建圖像的噪聲，而60%ASIR重建圖像的噪聲又顯著小于FBP重建圖像的噪聲。MBIR重建圖像質(zhì)量和空間分辨率明顯高于60%ASIR重建圖像和FBP重建圖像。經(jīng)過(guò)三組圖像的主觀評(píng)分對(duì)比，本研究得到了60%ASIR和MBIR重建技術(shù)在頭頸部CTA中低劑量掃描的可能性。本研究在CT管電壓數(shù)值上選擇了80 kV的超低劑量，遠(yuǎn)低于120 kV的常規(guī)管電壓，這無(wú)疑可以極大降低患者所受的輻射劑量。而由于降低了管電壓，F(xiàn)BP組獲得的圖像噪聲增加，圖像質(zhì)量分?jǐn)?shù)很低，毫無(wú)疑問(wèn)會(huì)給診斷帶來(lái)極大的不良影響。因此，使用FBP重建技術(shù)結(jié)合低劑量掃描方式在頭頸部CTA中是行不通的。而MBIR和60%ASIR重建獲得的圖像均顯著優(yōu)于FBP重建獲得的圖像，但是，MBIR重建和60%ASIR相比更能降低圖像的噪聲和偽影，最利于臨床診斷，值得推廣。然而，MBIR也具有一定的局限性，由于重建時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，在臨床上目前沒(méi)有ASIR重建受歡迎，應(yīng)用也沒(méi)有ASIR重建廣泛。迭代重建技術(shù)發(fā)展至今，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益發(fā)展，迭代技術(shù)在不斷完善，CT檢查將給人體帶來(lái)的危害會(huì)越來(lái)越小[18-19]。CT也不會(huì)因?yàn)檩椛鋭┝繂?wèn)題而限制其應(yīng)用范圍，可以更廣泛的應(yīng)用于婦女、兒童以及體檢當(dāng)中去。

4 結(jié)論

在寶石CT的低劑量頭頸部CTA的3組不同重建算法圖像中，F(xiàn)BP組圖像噪聲最大，60%ASIR組圖像其次，MBIR組圖像最低。3組圖像中水平頸總動(dòng)脈CNR和主觀圖像質(zhì)量評(píng)分，均顯示MBIR最高，60%ASIR其次，F(xiàn)BP最差。MBIR和60%ASIR重建獲得的圖像均顯著優(yōu)于FBP重建獲得的圖像，其中MBIR重建獲得的圖像噪聲最低，圖像質(zhì)量最好，且完全符合臨床診斷要求。因此，在寶石CT下使用低劑量在頭頸部CTA中可通過(guò)改變重建算法而不降低圖像質(zhì)量，從而達(dá)到診斷目的，具有一定的臨床意義。

本研究的不足之處在于樣本量較少、未計(jì)算出低劑量CTA掃描中具體的輻射劑量并與常規(guī)劑量CTA進(jìn)行比較。在日后的臨床研究中，將繼續(xù)增加樣本量并完善研究。

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Effects of different reconstruction algorithms on the image quality of CTA with low dose on head and neck/

QI Tian-bai, HOU Jun-lin//China Medical Equipment,2017,14(6):14-17.

Objective: To discuss the effect of different reconstruction algorithms for the image quality of the computed tomographic angiography (CTA) with low dose on head and neck through comparing the images obtained from different reconstruction algorithms, which included filtering and reflection projection technique (FBP), adaptive statistical iterative (ASIR) model and based on iterative reconstruction (MBIR) after CTA with low dose was applied on head and neck. Methods: 30 patients who were implemented the CTA on head and neck were enrolled in this study. The gem energy spectrum CT was applied to scan their head and neck, and the tube voltage was set in low dose (80 kVp), and 60-80 mL contrast agent (350 mg I/mL) was injected in elbow vein as 4mL/s. The other parameters were chosen as routine requirement. The obtained original images were reconstructed by using FBP, 60% ASIR and MBIR, and then the three kinds images were compared and scored by using relative statistical analysis. Results: For the using of different reconstruction algorithms (FBP, 60% ASIR and MBIR), the results of image noise showed MBIR＜60% ASIR＜FBP, and their differences were significant. The results of contrast noise ratio showed MBIR＞60% ASIR＞FBP, and the differences among them were significant. Finally, about the subjective score of image, the results showed MBIR＞60% ASIR＞FBP, and their differences also were significant. Conclusion: Under gem energy spectrum CT, the image noise of MBIR is lowest and its image quality is best, and it has diagnosis value and meaning in clinical practice.

Energy spectrum CT; Low dose; Head and neck vascular imaging; Quality of image; Reconstruction method

Department of Equipment, The Third People's Hospital of Huzhou, Huzhou 313000, China.

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.06.005

1672-8270(2017)06-0014-04

R816.1

A

齊天白,男,(1984- ),碩士，工程師。湖州市第三人民醫(yī)院設(shè)備科，研究方向：生物醫(yī)學(xué)工程。

2017-02-20

①湖州市第三人民醫(yī)院設(shè)備科 浙江 湖州 313000