新一代基于模型的迭代重建中肺特異性設置在亞mSv胸部CT檢查中的應用

賈永軍，于 勇，張喜榮，楊創(chuàng)勃，段海峰，馬春玲，賀太平

(陜西中醫(yī)藥大學附屬醫(yī)院醫(yī)學影像科，陜西 咸陽 712000)

新一代基于模型的迭代重建中肺特異性設置在亞mSv胸部CT檢查中的應用

賈永軍，于 勇，張喜榮，楊創(chuàng)勃，段海峰，馬春玲，賀太平*

(陜西中醫(yī)藥大學附屬醫(yī)院醫(yī)學影像科，陜西 咸陽 712000)

目的比較自適應統(tǒng)計迭代重建(ASIR)、常規(guī)基于模型的迭代重建(MBIRc)、新一代基于模型的迭代重建(MBIRn)中肺特異性設置(MBIRRP20和MBIRNR40)重建算法對亞mSv胸部CT圖像質(zhì)量的影響。方法收集接受兩次胸部CT平掃的受檢者30例。初檢采用常規(guī)劑量(噪聲指數(shù)=14)ASIR重建。復查采用低輻射劑量方案(噪聲指數(shù)=28)，分別采用標準算法和肺算法ASIR、MBIRc、MBIRRP20和MBIRNR40重建，重建層厚0.625 mm。在標準算法ASIR、MBIRc和MBIRNR40重建圖像上測量胸廓入口層面、氣管隆突下層面和肝門層面背部肌肉、皮下脂肪相同部位ROI的CT值與噪聲(SD)，并計算SNR，采用單因素方差分析比較各重建算法SD和SNR。于肺窗ASIR、MBIRc、MBIRRP20和縱隔窗標準算法ASIR、MBIRc、MBIRNR40進行噪聲和細節(jié)結(jié)構清晰度5分法主觀評分，并采用Wilcoxon符號等級檢驗進行統(tǒng)計學分析。結(jié)果初檢有效劑量為(3.01±1.89)mSv，復查有效劑量為(0.88±0.83)mSv，下降約70.76%。MBIRNR40圖像噪聲明顯低于常規(guī)劑量ASIR、低劑量ASIR和MBIRc(P均<0.05)。MBIRNR40圖像SNR絕對值明顯大于常規(guī)劑量ASIR、低劑量ASIR和MBIRc(P均<0.05)。MBIRNR40的主觀圖像噪聲評分低于常規(guī)劑量ASIR和MBIRc(P均<0.05)；MBIRn可更清晰地顯示肺、縱隔及上腹部細節(jié)結(jié)構，評分高于MBIRc和ASIR(P<0.05)。結(jié)論在胸部CT平掃時，與ASIR、MBIRc相比，MBIRn肺特異性設置中MBIRNR40可顯著降低圖像噪聲并提高SNR，可減少輻射劑量約70%，在低劑量條件下，MBIRRP20可更好地顯示肺內(nèi)、MBIRNR40可更好地顯示縱隔、上腹部細節(jié)結(jié)構。

基于模型的迭代重建；自適應統(tǒng)計迭代重建；輻射劑量；體層攝影術，X線計算機

由于CT成像時間短、適應證廣、可高質(zhì)量多平面三維成像、空間分辨率高等特點，其在臨床的應用越來越多，但輻射劑量也備受關注。傳統(tǒng)濾波反投影法(filtered back projection, FBP)重建忽略焦點、體素和探測器的實際幾何大小，未考慮X線光子的系統(tǒng)光學與統(tǒng)汁學波動，具有較高的噪聲、明顯的條紋偽影且密度分辨率較低[1]，在數(shù)據(jù)采集不足時，噪聲增多，重建的圖像質(zhì)量可能無法滿足診斷需要[2]。迭代重建(iterative reconstruction, IR)在較低輻射劑量下可獲得噪聲較小的高質(zhì)量圖像，在降低X線輻射劑量方面有獨特的優(yōu)勢[3]。本研究以常規(guī)劑量自適應統(tǒng)計迭代重建(adaptive statistical iterative reconstruction, ASIR)為基礎，比較ASIR、常規(guī)基于模型的迭代重建(conventional model-based iterative reconstruction, MBIRc)和基于模型的迭代重建(the new version of model-based iterative reconstruction, MBIRn)中肺特異性設置(MBIRRP20和MBIRNR40，分別代表增加空間分辨率20%和減少40%噪聲)對亞mSv胸部CT圖像質(zhì)量的影響，探討MBIRn肺特異性設置在低劑量胸部CT檢查中的應用價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集2016年7月—10月于我院接受兩次胸部CT平掃的受檢者30例，年齡38～91歲，平均(58.5±15.1)歲；體質(zhì)量指數(shù)(body mass index, BMI)為(22.97±4.28)kg/m2。復查CT擬診為肺結(jié)節(jié)或腫塊17例、肺炎8例、支氣管擴張2例、外傷2例、肺不張1例。

1.2 儀器與方法 采用GE Discovery CT750HD能譜CT機。患者取仰臥位，雙手上舉，吸氣末單次屏氣行全肺掃描，電壓120 kVp，采用自動曝光控制技術(Auto mA)預設噪聲指數(shù)(noise index, NI)控制管電流。層厚5.0 mm，層間距5.0 mm，轉(zhuǎn)速0.6秒/轉(zhuǎn)，螺距1.375∶1，準直器寬度0.625×64，初檢采用常規(guī)輻射劑量(NI=14)ASIR重建。復查采用低輻射劑量方案(NI=28)，分別采用標準算法和肺算法ASIR (NI=28)、MBIRc、MBIRRP20和MBIRNR40重建圖像，重建層厚0.625 mm。

1.3 圖像分析 對同一受檢者兩次掃描，采用各算法重建容積圖像，由1名放射科主治醫(yī)師于AW 4.6工作站，選取胸廓入口層面、氣管隆嵴下層面、肝門平面軸位圖像的同一層面同一部位放置ROI，獲得各重建圖像背部肌肉、皮下脂肪的CT值與噪聲(SD)值，計算SNR=CT值/SD。比較標準算法ASIR(ASIR with standard kernel, ASIRs)及MBIRc、MBIRNR40重建圖像的SD和SNR。于肺窗ASIR肺算法(ASIR with standard lung, ASIRl)及MBIRc、MBIRRP20觀察肺內(nèi)結(jié)構，縱隔窗ASIRs及MBIRc、MBIRNR40觀察縱隔及上腹部結(jié)構。

以常規(guī)劑量ASIR為標準，由2名放射科醫(yī)師盲法、以隨機順序?qū)Σ煌惴ㄖ亟ǖ膱D像進行主觀評分[4]。主觀噪聲的評價采用5分法：1分，明顯差于常規(guī)輻射劑量ASIR；2分，略差于常規(guī)輻射劑量ASIR；3分，基本等同于常規(guī)輻射劑量ASIR；4分，略優(yōu)于常規(guī)輻射劑量ASIR；5分，明顯優(yōu)于常規(guī)輻射劑量ASIR。對支氣管、肺血管、縱隔、肝內(nèi)動靜脈、病變內(nèi)外部等細節(jié)結(jié)構清晰度的評價亦采用5分法：1分，明顯比常規(guī)輻射劑量ASIR模糊；2分，較常規(guī)輻射劑量ASIR圖像稍模糊；3分，基本等同于常規(guī)輻射劑量ASIR；4分，較常規(guī)輻射劑量ASIR稍清晰；5分，明顯較常規(guī)輻射劑量ASIR清晰。

1.4 輻射劑量 記錄劑量長度乘積(dose length product, DLP)，計算有效劑量(effective dose, ED)：ED=DLP×(胸部)轉(zhuǎn)換系數(shù)(0.014 mSv·mGy-1·cm-1)[5]。

1.5 統(tǒng)計學分析 采用SPSS 20.0統(tǒng)計分析軟件，各計量數(shù)據(jù)及主觀評分以±s表示，對不同算法重建圖像的SD和SNR進行單因素方差分析，兩兩比較采用LSD-t檢驗；主觀噪聲和細節(jié)結(jié)構清晰度評分采用Wilcoxon符號等級檢驗。采用Kappa檢驗分析觀察者間評分的一致性，Kappa≤0.4為一致性差；0.40.75為一致性好。以P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

初檢DLP為(215.34±115.30)mGy·cm，ED為(3.01±1.89)mSv；復查DLP為(63.16±59.19) mGy·cm，下降約70.76%，ED為(0.88±0.83)mSv。

MBIRNR40重建圖像噪聲低于常規(guī)劑量ASIR重建、低劑量ASIR和MBIRc重建(P均<0.05)，MBIRNR40重建圖像SNR絕對值大于常規(guī)劑量ASIR重建、低劑量ASIR和MBIRc重建(P均<0.05)，氣管隆突下脂肪在常規(guī)劑量ASIR與MBIRc的噪聲、SNR差異無統(tǒng)計學意義(P=0.31、0.28)，余各部位在不同重建方法下噪聲和SNR兩兩比較差異均有統(tǒng)計學意義(P均<0.05)。兩次掃描各重建算法噪聲和SNR見表1、2和圖1，觀察者評分見圖2。

3 討論

自動曝光控制是前瞻性調(diào)節(jié)管電流以維持各層圖像在預設水平噪聲級別，并可抑制圖像偽影的三維實時劑量調(diào)控技術，隨著NI升高，圖像噪聲加大，輻射劑量降低。本研究低劑量ASIR的ED為(0.88±0.83)mSv，明顯低于常規(guī)劑量的(3.01±1.89)mSv。

迭代重建在保持或提高圖像空間分辨力的同時可抑制偽影和噪聲[6]。ASIR通過反復迭代的方法對投影數(shù)據(jù)空間和圖像數(shù)據(jù)空間進行比對，將噪聲從圖像中去除的同時，最大限度地抑制和校正噪聲并保留圖像的真實組織信號，最終獲得更清晰、準確的圖像，但較大迭代比重時產(chǎn)生蠟狀偽影常影響圖像的視覺效果[7]。MBIR(商品名Veo)僅在投影數(shù)據(jù)空間實現(xiàn)全迭代重建，除建立系統(tǒng)統(tǒng)計模型之外，還建立了系統(tǒng)光學模型，對體素、X線光子初始位置和探測器幾何因素均通過模型進行模擬，還原X線從投射到信號采集的全過程，可明顯降低影像噪聲和提高空間分辨力[8]。與ASIR相比，MBIR可顯著提高圖像噪聲和減少硬化偽影，并在減少輻射劑量時不明顯影響圖像質(zhì)量[9]。Padole等[10]認為MBIRc不能很好地顯示如小葉裂隙、外周血管和亞段支氣管壁等微細肺解剖結(jié)構。MBIRn可提供更多設置，如standard(MBIRStnd)、resolution preference(MBIRRP20/MBIRRP05代表增加空間分辨率20%和5%)、noise reduction (MBIRNR40/MBIRNR05，分別表示減少40%和5%噪聲)，合理選擇后可進一步改善低輻射劑量條件下的圖像質(zhì)量。本研究參考文獻[11]選擇降低噪聲最大的MBIRNR40觀察縱隔和上腹部，選擇提高空間分辨率最高的MBIRRP20觀察雙肺；結(jié)果表明亞mSv胸部CT成像時，MBIRc和MBIRn重建的圖像較常規(guī)劑量ASIR噪聲低、SNR高，MBIRc在肺內(nèi)結(jié)構、縱隔、上腹部結(jié)構的顯示清晰度方面與常規(guī)劑量ASIR主觀評分無差異，提示隨輻射劑量減少約70%，MBIRc可提供常規(guī)劑量ASIR胸部CT等效的病變檢測能力，與Ichikawa等[12]的結(jié)論一致。本研究還發(fā)現(xiàn)與MBIRc比較，MBIRn可明顯降低噪聲并增高SNR，在顯示細節(jié)結(jié)構清晰度方面明顯優(yōu)于MBIRc和常規(guī)劑量ASIR，提示輻射劑量減少約70%時，MBIRn可提供交常規(guī)劑量ASIR胸部CT更優(yōu)的病變檢測能力。

表1 2次掃描各重建算法噪聲比較(±s)

表1 2次掃描各重建算法噪聲比較(±s)

方法胸廓入口層面肌肉脂肪氣管隆突下層面肌肉脂肪肝門層面肌肉脂肪平均肌肉脂肪常規(guī)劑量ASIR24．79±4．4419．67±4．1624．69±4．9418．08±4．1924．17±2．8619．85±3．8724．55±4．1419．20±4．11低劑量ASIR53．47±12．8938．12±7．3352．60±10．9936．14±9．3847．12±7．8138．84±9．6351．06±11．0238．04±8．87低劑量MBIRc15．81±3．7214．99±4．0114．73±3．6616．51±4．5717．38±5．9416．01±4．8915．97±4．6415．84±4．50低劑量MBIRNR409．38±1．149．53±2．259．18±1．9810．71±3．718．81±1．219．42±2．199．12±1．579．89±2．84F值225．40200．36274．68103．26305．63150．89747．89429．20P值<0．01<0．01<0．01<0．01<0．01<0．01<0．01<0．01

表2 2次掃描各重建算法SNR的比較(±s)

表2 2次掃描各重建算法SNR的比較(±s)

方法胸廓入口層面肌肉脂肪氣管隆突下層面肌肉脂肪肝門層面肌肉脂肪平均肌肉脂肪常規(guī)劑量ASIR2．24±0．40-6．18±1．631．99±0．55-6．38±1．511．92±0．40-5．68±1．622．05±0．47-6．08±1．60低劑量ASIR1．07±0．28-3．20±0．830．93±0．37-3．22±0．721．04±0．25-2．87±0．801．01±0．28-3．10±0．79低劑量MBIRc4．05±0．79-8．10±1．903．66±1．20-6．96±1．632．91±0．93-7．23±2．233．54±1．09-7．43±1．97低劑量MBIRNR406．27±1．14-12．68±2．995．66±2．01-11．06±2．955．49±1．52-12．07±3．385．81±1．62-11．94±3．15F值284．69119．1687．8588．14130．0890．56379．78286．25P值<0．01<0．01<0．01<0．01<0．01<0．01<0．01<0．01

圖1 患者女，48歲，右肺上葉中央型肺癌侵犯縱隔，右肺門旁及縱隔淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移 A.常規(guī)劑量ASIRs，脂肪噪聲、SNR分別為13.7和-7.66，背部肌肉噪聲、SNR分別為21.3和2.34; B.低劑量標準算法ASIR，脂肪噪聲、SNR分別為31.1和-3.54，背部肌肉噪聲、SNR分別為37.8和0.96; C.低劑量MBIRc，脂肪噪聲、SNR分別為13.9和-7.79，背部肌肉噪聲、SNR分別為14.4和3.13; D.低劑量MBIRn中MBIRNR40，脂肪噪聲、SNR分別為8.9和-12.19，背部肌肉噪聲、SNR分別為8.2和5.18 (ROI 1和ROI 2分別代表背部肌肉和皮下脂肪組織)

圖2 患者女，68歲，結(jié)腸癌雙肺多發(fā)轉(zhuǎn)移結(jié)節(jié)灶 A.常規(guī)劑量ASIR肺算法重建; B.低劑量ASIR肺算法重建; C.低劑量MBIRc重建; D.低劑量MBIRn中MBIRRP20算法重建。支氣管壁(長箭)、肺氣腫(短箭)、肺結(jié)節(jié)表面(箭頭)清晰度評分存在差異(A：2名觀察者評分均為3分；B：2名觀察者評分均為2分；C：2名觀察者評分分別為4、5分；D：2名觀察者評分分別為4、5分)

本研究的局限性：MBIRc和MBIRn時間長，慢于實時顯示圖像的FBP和ASIR[13-14]；雖然主觀評價采用盲法和隨機化，但各種重建算法圖像存在一定特點，可能導致觀察者評分的偏差；受檢者例數(shù)較少，且入選患者BMI偏低，可能對結(jié)果產(chǎn)生一定影響。

總之，結(jié)合自動曝光控制技術，與ASIR、MBIRc相比，MBIRn肺特異性設置中MBIRNR40可顯著降低胸部CT圖像噪聲和提高信噪比；在減少輻射劑量約70%時，MBIRNR40圖像的主客觀噪聲低于常規(guī)劑量ASIR，MBIRRP20顯示肺內(nèi)和MBIRNR40顯示縱隔、上腹部細節(jié)結(jié)構優(yōu)于常規(guī)劑量ASIR。

[1] Kilic K, Erbas G, Guryildirim M, et al. Lowering the dose in head CT using adaptive statistical iterative reconstruction. AJNR Am J Neuroradiol, 2011,32(9):1578-1582.

[2] 周丹靜,許建銘,姜彥,等.迭代模型重建技術在低劑量胸部CT雙期增強掃描中的可行性.中國醫(yī)學影像技術,2017,33(5):768-772.

[3] Ohno Y, Yaguchi A, Okazaki T, et al. Comparative evaluation of newly developed model-based and commercially available hybrid-type iterative reconstruction methods and filter back projection method in terms of accuracy of computer-aided volumetry (CADv) for low-dose CT protocols in phantom study. Eur J Radiol, 2016,85(8):1375-1382.

[4] Yasaka K, Katsura M, Hanaoka S, et al. High-resolution CT with new model-based iterative reconstruction with resolution preference algorithm in evaluations of lung nodules: Comparison with conventional model-based iterative reconstruction and adaptive statistical iterative reconstruction. Eur J Radiol, 2016,85(3):599-606 .

[5] Dougeni E, Faulkner K, Panayiotakis G. A review of patient dose and optimization methods in adult and pediatric CT scanning. Eur J Radiol, 2012,81(4):665-683.

[6] 顏利輝,陳飛,姚立正,等.前置自適應統(tǒng)計迭代重建技術對胸部CT輻射劑量和圖像質(zhì)量的影響:體模與臨床研究.中國醫(yī)學影像技術,2017,33(3):468-472.

[7] 孫記航,王帆寧,段曉岷,等.自適應迭代重建技術結(jié)合高分辨算法提高兒童低劑量胸部CT肺臟病變顯示的能力.中國醫(yī)學影像技術,2017,33(5):773-777.

[8] Deak Z, Grimm JM, Treitl M, et al. Filtered back projection，adaptive statistical iterative reconstruction, and a model-based iterative reconstruction in abdominal CT: An experimental clinical study. Radiology, 2013,266(1):197-206.

[9] 徐學勤,林曉珠,王明亮,等.MBIR重建算法在改善腹部CT圖像質(zhì)量方面的價值研究.臨床放射學雜志,2014,33(2):276-279.

[10] Padole A, Singh S, Ackman JB, et al. Submillisievert chest CT with filtered back projection and iterative reconstruction techniques. AJR Am J Roentgenol, 2014,203(4):772-781.

[11] Hata A, Yanagawa M, Honda O, et al. Submillisievert CT using model-based iterative reconstruction with lung-specific setting: An initial phantom study. Eur Radiol, 2016,17(3):1-8.

[12] Ichikawa Y, Kitagawa K, Nagasawa N, et al. CT of the chest with model-based, fully iterative reconstruction: Comparison with adaptive statistical iterative reconstruction. BMC Med Imaging, 2013,13(27):1-8.

[13] Marin D, Nelson RC, Schindera ST, et al. Low-tube-voltage, high-tube-current multidetector abdominal CT: Improved image quality and decreased radiation dose with adaptive statistical iterative reconstruction algorithm-initial clinical experience. Radiology, 2010,254(1):145-153.

[14] Katsura M, Matsuda I, Akahane M, et al. Model-based iterative reconstruction technique for radiation dose reduction in chest CT: Comparison with the adaptive statistical iterative reconstruction technique. Eur Radiol, 2012,22(8):1613-1623.

《中國醫(yī)學影像技術》投稿須知(二)

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Applicationofnewmodel-basediterativereconstructionwithlung-specificsettingforradiationdosereductioninsubmillisievertchestCT

JIAYongjun,YUYong,ZHANGXirong,YANGChuangbo,DUANHaifeng,MAChunling,HETaiping*
(DepartmentofRadiology,AffiliatedHospitalofShaanxiChineseMedicineUniversity,Xianyang712000,China)

ObjectiveTo assess image quality of adaptive statistical iterative reconstruction (ASIR), conventional model-based iterative reconstruction (MBIRc) and a new lung-specific setting (MBIRRP20and MBIRNR40) from the new version of model-based iterative reconstruction (MBIRn) in submillisievert chest CT comparing with ASIR in standard-dose.MethodsTwo chest CT examinations were performed with standard-dose and low-dose in 30 patients. Low-dose CT images were reconstructed with ASIR, MBIRc and MBIRn, while standard-dose CT images were reconstructed with ASIR only. Objective image noise and SNR were measured on the same part from the back muscle and subcutaneous fat which located at the level of thoracic entry, trachea carina and hepatic portal. Image quality of lung, mediastinum and upper abdomen structures were evaluated on a 5-point scale. The results were compared with one-wayANOVAandWilcoxonsigned-rank tests.ResultsThe effective dose equivalent for standard-dose CT was (3.01±1.89)mSv, compared with (0.88±0.83)mSv for low-dose CT, which decreased by 70.76%. The mean image noise for low-dose MBIRNR40was significantly lower than that of conventional-dose ASIR, low-dose ASIR and MBIRc (P<0.05). The mean SNR for low-dose MRIRNR40was significantly higher than that of conventional-dose ASIR, low-dose ASIR and MBIRc (P<0.05). The subjective image noise score was significantly lower than that of ASIR and MBIRc, and the score of sharpness of details of the structures score for low-dose MBIRn was significantly better than that of the ASIR and MBIRc (P<0.05).ConclusionMBIRNR40can significantly reduce image noise and improve SNR compared to ASIR and MBIRc in low-dose, even better than ASIR in standard-dose, which reduce radiation dose by about 70%. In low-dose, MBIRPP20can well display lung structures, and MBIRNR40can display mediastinal and the upper abdominal structures.

Model-based iterative reconstruction; Adaptive statistical iterative reconstruction; Radiation dosage; Tomography, X-ray computed

10.13929/j.1003-3289.201701069

R814.42

A

1003-3289(2017)10-1545-05

賈永軍(1985—)，男，陜西興平人，在讀博士，主治醫(yī)師。研究方向：頸胸部影像診斷。E-mail: jiayongjun1985@163.com

賀太平，陜西中醫(yī)藥大學附屬醫(yī)院醫(yī)學影像科，712000。E-mail: htpkeyan@163.com

2017-01-12

2017-08-21