迭代模型重建技術參數設置對肝臟低劑量增強CT掃描圖像質量的影響

樊榮榮，施曉雷，張天然，錢 懿，陳如譚，范 麗，蕭 毅

(第二軍醫大學長征醫院影像科，上海 200003)

迭代模型重建技術參數設置對肝臟低劑量增強CT掃描圖像質量的影響

樊榮榮，施曉雷，張天然，錢 懿*，陳如譚，范 麗，蕭 毅

(第二軍醫大學長征醫院影像科，上海 200003)

目的探討全模型迭代重建(IMR)技術不同參數設置對肝臟低劑量增強CT掃描圖像質量的影響。方法收集需要接受肝臟增強CT檢查的患者40例，分別行上腹部平掃和3期動態增強掃描，其中延遲期采用低劑量掃描，管電壓80 kV，管電流150 mAs。對原始數據進行濾波反投射(FBP)重建和IMR技術重建，IMR采用不同參數，以獲得不同水平(Level 1～3)的常規和軟組織重建圖像，分別記為R1、R2、R3亞組和S1、S2、S3亞組。對各組圖像進行主觀和客觀評價并比較，主觀評價包括低對比分辨率(LCD)、圖像失真(ID)和診斷信心(DC)評分，客觀評價包括肝臟噪聲、信噪比(SNR)和對比噪聲比(CNR)。結果不同參數組圖像的LCD、ID和DC評分差異均有統計學意義(P均<0.01)。不同參數組圖像間噪聲、SNR及CNR差異均有統計學意義(P均<0.01)；除S1與R2亞組、S2與R3亞組3項指標(P均>0.05)外，余兩兩比較差異均有統計學意義(P均<0.01)。結論全迭代重建IMR技術可提高肝臟低劑量增強CT掃描的圖像質量，推薦參數為軟組織重建、Level 1或常規重建、Level 2。

肝臟；體層攝影術，X線計算機；圖像質量

CT增強掃描是診斷肝臟疾病的主要方法之一，但其輻射劑量較大[1]，對人體健康存在潛在威脅。因此，在不影響圖像質量及診斷準確率的前提下，降低CT掃描的輻射劑量，已成為放射學界關注的熱點。研究[2-4]表明，與傳統濾波反投影算法(filtered back projection， FBP)相比，迭代重建算法能夠在保持圖像質量的前提下，大幅度降低輻射劑量。目前已在臨床應用的迭代重建算法有自適應統計迭代重建(adaptive statistical iterative reconstruction， ASIR；重建時間<1 min)、基于模型的迭代重建(model based iterative reconstruction， MBIR；重建時間<30～50 min)、iDOSE(重建時間<1 min)、自適應模型迭代重建(adaptive model iterative reconstruction， ADMIRE；重建時間<1 min)、正旋圖迭代重建(sinogram affirmed iterative reconstruction， SAFIRE；重建時間<1 min)等，這些迭代重建除MBIR外，均為部分迭代重建，其降低輻射劑量的程度有限。MBIR雖然是全迭代重建，但重建時間較長，臨床推廣困難[5]。全模型迭代重建(knowledge-based iterative model reconstruction， IMR)是FDA認證的新型的全迭代重建技術，其降低輻射劑量的能力在胸部CT及冠狀動脈CTA中已經得到證實[5-7]。IMR有三種圖像重建方式，分別是體部常規重建、體部軟組織重建、體部銳利重建，前兩種對軟組織顯示最佳，最常用于腹部成像，最后一種可增加解剖結構的清晰度，主要用于骨骼及肺部病變的檢出。根據降噪水平不同，每種重建方式下有3種設置(Level 1～3)[8]。本研究旨在探討全迭代重建IMR技術的不同參數設置對肝臟低劑量增強CT掃描圖像質量的影響，以期找出最佳參數設置。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集2016年5月—8月在我院就診、需接受上腹部增強CT檢查的患者40例，其中男20例，女20例，年齡18～88歲，平均(56.7±13.7)歲。排除標準：①嚴重心、腎功能不全患者；②碘過敏患者；③運動或金屬偽影較重，影響觀察者；④肝臟術后或介入治療后患者；⑤體質量指數(body mass index，BMI)>28 kg/m2者。本研究經我院倫理委員會批準，所有入選者檢查前均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法

1.2.1 儀器 采用Philips iCT 256層CT掃描儀行上腹部平掃和肝臟3期增強掃描?；颊呷⊙雠P位行屏氣掃描，范圍從膈頂至肝下緣。掃描參數：所有患者上腹部平掃、動脈期和門靜脈期增強掃描均為常規劑量掃描，管電壓120 kV，管電流根據患者BMI自動生成；延遲期采用低劑量掃描，管電壓80 kV，管電流150 mAs；準直128×0.625 mm，螺距0.914，機架旋轉時間0.4 s/rot，矩陣512×512，FOV 32 cm×32 cm，重建層厚和間隔均為1 mm。增強掃描采用高壓注射器經前臂靜脈以3 ml/s的流率注射對比劑(350 mgI/ml)80 ml，注射后30、60、100 s分別行動脈期、門靜脈期和延遲期掃描。

1.2.2 圖像后處理方法 將延遲期原始數據進行FBP(FBP組)和IMR(IMR組)重建，IMR組根據不同參數，得到不同水平的(Level 1～3)的常規(分別記為R1、R2、R3亞組)和軟組織重建圖像(分別記為S1、S2、S3亞組)。

1.3 圖像分析 采用Philips星云工作站對圖像質量進行主觀、客觀評價。

1.3.1 主觀評價 由從事腹部CT診斷工作的1名主治醫師和1名住院醫師首先采用盲法對圖像進行評分；再由2名醫師共同評分，意見不一致時邀請第3名醫師共同討論，以得到一致意見。評價過程中可適當調節窗寬、窗位。評分標準：①低對比分辨率(low contrast detectability， LCD)，1分，很差或較差；2分，可接受；3分，顯示較好；4分，顯示很好；②圖像失真(image distortion， ID)，1分，失真嚴重，無法診斷；2分，失真較嚴重，影響主要器官觀察，但仍能診斷；3分，輕度失真；4分，無失真；③診斷信心(diagnosis confidence， DC)，1分，完全不能診斷；2分，僅提示病變；3分，可診斷；4分，有信心。

1.3.2 客觀評價 由1名從事腹部CT診斷的主治醫師在門靜脈主干水平層面，避開血管、膽管及病灶，于肝左葉及肝右葉后段、前段分別放置ROI(面積200 mm2)，并在同層面前腹壁中央區域空氣及右側豎脊肌內放置相同大小的ROI，記錄各ROI的平均CT值及其標準差(standard deviation， SD)，以肝實質平均CT值的SD肝臟作為圖像噪聲。計算信噪比(signal noise ratio， SNR)和對比噪聲比(contrast noise ratio， CNR)：SNR=CT肝臟/SD空氣，CNR=(CT肝臟-CT肌肉)/SD空氣。其中CT肝臟為3處肝實質CT值的平均值，CT肌肉為右側豎脊肌CT值，SD空氣為前腹壁中央區域空氣標準差。

1.4 統計學分析 采用SPSS 21.0統計分析軟件。2名觀察者對圖像質量主觀評分的一致性采用Kappa檢驗，其中Kappa值≤0.4為一致性差，0.4

2 結果

2.1 主觀評價 2名醫師對圖像質量主觀評分的一致性均好，2名醫師對7組圖像進行LCD、ID和DC評分的Kappa值范圍分別為0.66～0.92、0.66～0.91和0.66～0.93。S3亞組LCD評分最高，中位數為4分，FBP組最低，中位數為2分；ID評分FBP組最高，中位數為4分，S3亞組最低，中位數為2分；DC評分S1亞組及R2亞組最高，中位數均為4分，FBP組最低，中位數為2分，見表1、圖1。

表1 肝臟低劑量延遲期掃描不同迭代模型重組參數圖像的主觀評分比較(中位數，分)

2.2 客觀評價 與FBP組比較，IMR組各亞組噪聲均明顯降低(P均<0.01)，SNR及CNR均明顯增高(P均<0.01)。S1～S3、R1～R3噪聲依次降低，SNR及CNR依次增高，兩兩比較，S1與R2亞組、S2與R3亞組間3項指標差異無統計學意義(P均>0.05)，其余組間兩兩比較3項指標差異均有統計學意義(P均<0.01)。見表2。

表2 肝臟低劑量延遲期掃描不同迭代模型重建參數圖像的客觀評價比較(±s)

表2 肝臟低劑量延遲期掃描不同迭代模型重建參數圖像的客觀評價比較(±s)

組別SD肝臟(HU)SNRCNRIMR組 S1亞組11.67±1.8521.43±4.2010.32±3.18 S2亞組8.72±1.5131.34±6.5915.29±4.84 S3亞組6.48±1.3251.23±12.8424.99±8.68 R1亞組15.93±2.9714.67±3.177.12±1.95 R2亞組11.89±2.2320.46±4.589.93±2.81 R3亞組8.65±1.8231.43±7.3915.30±4.69FBP組69.82±17.255.90±1.182.82±0.93F值74.8957.4141.15P值<0.01<0.01<0.01

3 討論

3.1 IMR技術在肝臟低劑量增強掃描中的意義 肝臟增強檢查常需要動脈期、門靜脈期及延遲期增強掃描才能診斷，這將導致輻射劑量提高，因此降低肝臟掃描劑量很有必要，尤其對于需長期隨訪的患者。多數腹部病變需采用薄層圖像觀察，但層厚越薄，噪聲越大，密度分辨力會降低[9]，特別是采用以往的算法進行低劑量掃描時薄層圖像質量較差。延遲期肝臟實質強化較均勻，故本研究以延遲期為代表，探討IMR技術對低劑量肝臟增強CT的影響，結果表明采用IMR技術重建的各組圖像較FBP組均可有效降低噪聲，并較大程度地提升CNR及SNR，提高圖像質量，與Patino等[10]的研究結論相符。故可將IMR技術應用于肝臟增強其他期相掃描，進而降低肝臟增強掃描時的輻射劑量。

Suzuki等[11]將管電壓、管電流分別降至120 kV、203 mAs；潘丹等[12-13]將管電壓、管電流分別調至80 kV、500 mAs，并與常規劑量比較，得出IMR能夠在低劑量掃描時圖像質量不受影響的結論。本研究將管電壓、管電流分別降80 kV、150 mAs，平均有效劑量為(1.25±0.01)mSv，較以往研究采用的劑量更低，并且采用1 mm的層厚，獲得了良好的薄層圖像質量。

3.2 IMR參數設置的意義 腹部IMR參數設置分為軟組織、常規模式，Level 1～3水平。每個模式中，隨著Level 1～3水平遞增，LCD增高，噪聲降低，CNR及SNR均提高。相同Level水平時，軟組織模式較常規模式LCD增高，噪聲降低，CNR及SNR均提高。

圖1患者男，43歲，低劑量延遲期掃描圖像 A.FBP算法得到的圖像LCD評分為1分、ID評分為4分，DC評分為1分； B～D.IMR算法軟組織設置Level 1～3各亞組圖像，S1亞組LCD評分為3分，ID評分為3分，DC評分為4分，S2組LCD評分為3分，ID評分為3分，DC評分為3分，S3組LCD評分為4分，ID評分為3分，DC評分為3分； E～G.IMR算法常規設置的Level 1～3各亞組圖像，R1亞組LCD評分為3分，ID評分為2分，DC評分為3分，R2亞組LCD評分為3分，ID評分為3分，DC評分為3分，R3亞組LCD評分為3分，ID評分為3分，DC評分為3分

當降噪程度提高時，圖像會出現失真情況。Yuki等[6]研究表明，迭代重建算法在大幅度降低圖像噪聲的同時，CT 圖像會形成“蠟樣”失真感，從而影響圖像的觀察。本研究表明，對于噪聲水平最低的S3組，其圖像失真最重，雖然降低噪聲能力較高，但也會影響圖像質量。

本研究目的是選擇最優化的設置，使降噪和失真達到平衡，最終獲得最好的圖像質量。Singh等[14]認為CT圖像診斷信心是衡量圖像質量的綜合標準，用于圖像質量的整體評價，其不僅取決于圖像固有噪聲、病灶低密度對比度，還受病灶邊緣、圖像失真感等因素影響。本研究表明，S1及R2亞組圖像噪聲較FBP組明顯減低，CNR及SNR較FBP組明顯提高，同時兩者的診斷信心是最高的，能夠在低劑量CT前提下，保證圖像質量及診斷準確率。因此，綜合主觀評價和客觀評價得出S1及R2圖像整體質量最好。

總之，全迭代重建IMR技術在肝臟低劑量增強CT掃描時可以在客觀上明顯降低圖像噪聲、提高 SNR、CNR，并且在主觀上能夠提高低對比分辨率，加之合理選擇參數可避免過大的圖像失真，最終提高診斷信心。故本研究認為在肝臟低劑量增強CT掃描中IMR推薦參數為軟組織重建、Level 1或常規重建、Level 2。

[1] Das CJ, Paul SB, Madhusudhan KS, et al. Update in liver imaging. Trop Gastroenterol, 2007,28(4):149-155.

[2] Hansmann J, Schoenberg GM, Brix G, et al. CT of urolithiasis: Comparison of image quality and diagnostic confidence using filtered back projection and iterative Reconstruction techniques. Acad Radiol, 2013,20(9):1162-1167.

[3] Kalmar PI, Quehenberger F, Steiner J, et al. The impact of iterative reconstruction on image quality and radiation dose in thoracic and abdominal CT. Eur J Radiol, 2014,83(8):1416-1420.

[4] Kahn J, Grupp U, Rotzinger R,et al. CT for evaluation of potential renal donors—how does iterative reconstruction influence image quality and dose? Eur J Radiol, 2014,83(8):1332-1336.

[5] Yuki H, Oda S, Utsunomiya D, et al. Clinical impact of model-based type iterative reconstruction with fast Reconstruction time on image quality of low-dose screening chest CT. Acta Radiol, 2016,57(3):295-302.

[6] Yuki H, Utsunomiya D, Funama YA, et al. Value of knowledge-based iterative model reconstruction in low-kV 256-slice coronary CT angiography. J Cardiovasc Comput Tomogr, 2014,8(2):115-123.

[7] Oda S, Utsunomiya D, Funama Y, et al. A knowledge-based iterative model reconstruction algorithm: Can super-low-dose cardiac CT be applicable in clinical settings? Acad Radiol, 2014,21(1):104-110.

[8] Khawaja RD, Singh S, Blake MA, et al. Ultra-low dose abdominal MDCT: Using a knowledge-based Iterative Model Reconstruction technique for substantial dose reduction in a prospective clinical study. Eur J Radiol, 2015,84(1):2-10.

[9] 康立麗，洪德明，楊俊杰，等．CT層厚的測量技術及相關影響因素研究．放射學實踐，2000，15(3)：198-200．

[10] Patino M, Fuentes JM, Hayano K, et al.A quantitative comparison of noise reduction across five commercial (hybrid and model-based) iterative reconstruction techniques: An anthropomorphic phantom study. AJR Am J Roentgenol, 2015,204(2):176-183.

[11] Suzuki S, Haruyama T, Morita H, et al. Initial performance evaluation of iterative model reconstruction in abdominal computed tomography. J Comput Assist Tomogr, 2014,38(3):408-414.

[12] 潘丹，陳鑫，姜彥，等．迭代模型重組設置對不同輻射劑量下肝臟增強CT圖像噪聲及質量的影響．中華放射學雜志，2015，49(3)：173-178．

[13] 潘丹，姜彥，陳鑫，等．迭代模型重建技術不同輻射劑量對肝臟CT增強掃描圖像質量的影響．中國醫學影像學雜志，2015，23(1)：10-13,18．

[14] Singh S, Kalra MK, Do S, et al. Comparison of hybrid and pure iterative Reconstruction techniques with conventional filtered back projection:Dose reduction potential in the abdomen. J Comput Assist Tomogr, 2012,36(3):347-353.

Impactofreconstructionparametersettingsofknowledge-basediterativemodeltechniqueonimagequalityoflow-dosehepaticcontrast-enhancedCT

FANRongrong,SHIXiaolei,ZHANGTianran,QIANYi*,CHENRutan,FANLi,XIAOYi

(DepartmentofRadiology，ChangzhengHospital,SecondMilitaryMedicalUniversity,Shanghai200003,China)

ObjectiveTo evaluate the impact of different reconstruction parameter setting of knowledge-based iterative model reconstruction (IMR) technique on image quality of low-dose hepatic contrast-enhanced CT.MethodsForty patients underwent hepatic contrast-enhanced CT scanning were enrolled. Plain CT and triphasic contrast-enhanced CT scans, including hepatic arterial phase, portal-venous phase and delayed phase were performed. Low-dose scan was used in delayed phase, with tube voltage of 80 kV and tube current of 150 mAs. Images of delayed phase were reconstructed with both filtered back projection (FBP) and IMR techniques．Parameter setting applied in IMR reconstructions consisted of body routine and body soft tissue modes with three 1evels (Level 1—3), so 6 subgroups (R1, R2, R3, S1, S2, S3) were included. Subjective and objective evaluations of image quality were compared among those groups. Subjective evaluations included the scores of low contrast detectability (LCD), image distortion (ID) and diagnostic confidence (DC). Objective evaluations included image noise， signal to noise ratio (SNR) and contrast to noise ratio (CNR)．ResultsThere were statistical differences of scores in LCD, ID and DC among all the reconstruction parameter setting groups (allP<0.01). The noise, SNR and CNR among different parameter setting groups had statistically significant differences (allP<0.01). Except for subgroup S1 and subgroup R2, subgroup S2 and subgroup R3 (allP>0.05), the other multiple comparisons showed significant differences (allP<0.01).ConclusionIMR can improve image quality of low-dose hepatic contrast-enhanced CT. IMR reconstruction parameter setting of S1 and R2 are optimal for low-dose hepatic contrast-enhanced CT protocal.

Liver; Tomography, X-ray computed; Image quality

樊榮榮(1992—)，女，安徽阜陽人，在讀碩士，醫師。研究方向：腹部放射學。E-mail: fanrongrong0715@163.com

錢懿，第二軍醫大學附屬長征醫院影像科，200003。E-mail： ufopeanut@163.com

2017-05-08

2017-07-26

R575; R814.42

A

1003-3289(2017)11-1711-05

10.13929/j.1003-3289.201705046