新一代基于模型的迭代重建在低劑量上腹部CT中的應用

賈永軍，于 勇，賀太平，于 楠，楊創勃，張喜榮，段海峰

(陜西中醫藥大學附屬醫院醫學影像科，陜西 咸陽 712000)

新一代基于模型的迭代重建在低劑量上腹部CT中的應用

賈永軍，于 勇，賀太平*，于 楠，楊創勃，張喜榮，段海峰

(陜西中醫藥大學附屬醫院醫學影像科，陜西 咸陽 712000)

目的比較自適應統計迭代重建(ASIR)、常規基于模型的迭代重建(MBIRc)、新一代基于模型的迭代重建(MBIRn)中優化低密度對比設置的MBIRNR403種算法對低劑量上腹部CT圖像質量的影響。方法采用CT掃描靜止狀態下水模，比較0.625 mm層厚時濾波反投影算法(FBP)、ASIR、MBIRc和MBIRNR40的空間分辨率和密度分辨率。1年內接受2次腹部增強CT掃描受檢者60例，初次檢查采用常規輻射劑量(噪聲指數=10)掃描，FBP重建。復查時采用低輻射劑量方案(噪聲指數=20)掃描，分別采用標準算法ASIR、MBIRc和MBIRNR40三種方法重建為0.625 mm層厚的圖像后進行對比分析。測量皮下脂肪、背部肌肉、肝脾實質CT值和噪聲，計算以皮下脂肪為背景的肝脾實質CNR，采用單因素方差分析比較各重建算法噪聲和CNR。由2名放射科醫師以常規劑量FBP重建為基礎，采用半定量目測評分法盲法進行噪聲和細節結構、病變邊緣清晰度評分，比較主觀評分差異，評價觀察者間一致性。結果體模研究提示MBIRc空間分辨率最高，MBIRNR40密度分辨率最高。臨床研究顯示初次檢查劑量長度乘積(DLP)為(368.03±146.25)mGy·cm，有效劑量(ED)為(5.52±2.19)mSv；復查時DLP為(93.18±41.21)mGy.cm，ED為(1.40±0.62)mSv，分別下降約74.68%和74.64%。MBIRNR40重建圖像肌肉、脂肪噪聲低于MBIRc、ASIR重建和常規劑量FBP重建(P均<0.05)。MBIRNR40重建圖像肝脾CNR大于MBIRc、ASIR重建和常規劑量FBP重建(P均<0.05)。2名放射科醫師主觀評分一致性優良。低劑量MBIRNR40主觀圖像噪聲最低、顯示上腹部細節結構和病變邊緣特征最清晰，優于MBIRc，MBIRc優于常規劑量FBP，低劑量ASIR最差，差異均有統計學意義(P均<0.05)。結論減少輻射劑量約75%低劑量上腹部成像時，MBIR重建圖像質量優于ASIR、MBIRc重建圖像及常規劑量FBP圖像。

迭代重建；輻射劑量；體層攝影術，X線計算機

基于電離輻射的線性非閾值理念，輻射劑量增加將增加受檢者患癌風險，故ALARA(as low as reasonably achievable)原則下低劑量CT(low dose CT，LDCT)已成為影像醫學關注的熱點[1]。相較于濾波反投影算法(filtered back projection, FBP)較高的噪聲、明顯的條紋偽影和較差的空間分辨率[2]，通過改進和優化數據處理以允許輻射劑量減少的同時保持診斷圖像質量[3]的多種迭代重建(iterative reconstruction，IR)，為進一步降低輻射劑量提供了一種新的途徑。本研究以常規劑量FBP重建圖像為基礎，比較自適應統計迭代重建(adaptive statistical iterative reconstruction， ASIR)、常規基于模型的迭代重建(conventional model-based iterative reconstruction， MBIRc)、新一代基于模型的迭代重建(new version of model-based iterative reconstruction， MBIRn)中優化低密度對比設置的MBIRNR40三種重建算法對低劑量上腹部CT圖像質量的影響，探討MBIRn在低輻射劑量上腹部CT中的應用價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集2016年6月—10月于我院接受上腹部增強掃描的惡性腫瘤患者60例，均為復查患者，男44例，女16例，年齡38～82歲，平均(61.0±10.1)歲，體質量39～79 kg，平均(57.70±8.94)kg。所有受檢者1年內均接受上腹部CT增強檢查(初次檢查)。CT擬診：肝占位37例、胰腺癌7例、胃癌6例(2例術后轉移)、膽囊癌4例、壺腹周圍癌4例，食管癌、結腸癌術后轉移各1例。

1.2 儀器與方法 采用GE Discovery CT750 HD寶石能譜CT機。體模研究掃描CT-200B型水模，分別采用標準算法FBP和ASIR、MBIRc、MBIRNR40重建層厚0.625 mm的圖像，對比空間分辨率及密度分辨率。臨床研究時患者取仰臥位，雙手上舉，采取吸氣末單次屏氣掃描，掃描范圍自膈頂至肝下緣水平。層厚、層間距均為5.0 mm，管旋轉時間0.6秒/轉，螺距1.375∶1，準直器寬度64×0.625 mm，電壓120 kVp，自動曝光控制技術(Auto mA)，預設噪聲指數(noise index， NI)控制管電流。初次檢查采用常規輻射劑量(NI=10)掃描，FBP重建；復查采用低輻射劑量方案(NI=20)掃描，分別采用標準算法ASIR、MBIRc，MBIRNR40重建層厚0.625 mm的圖像后進行對比分析。

表1 常規劑量FBP和低劑量ASIR、MBIRc、MBIRNR40的噪聲和CNR比較(±s)

表1 常規劑量FBP和低劑量ASIR、MBIRc、MBIRNR40的噪聲和CNR比較(±s)

方法噪聲肌肉脂肪肝臟脾臟CNR肝臟脾臟FBP(NI=10)23.14±2.7421.27±5.3424.15±2.8425.19±3.791.13±0.511.16±0.53ASIR(NI=20)33.87±4.4931.76±8.2336.73±5.0437.61±5.770.71±0.290.73±0.32MBIRc(NI=20)13.47±2.2214.25±2.6612.98±1.4713.07±1.501.81±0.701.81±0.65MBIRNR40(NI=20)7.94±1.7410.37±2.307.30±0.997.52±1.092.95±1.012.98±1.02F值876.56194.811117.50842.43123.50124.47P值<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001

注：4種重建算法兩兩比較，P均<0.05

表2 低劑量ASIR、MBIRc、MBIRNR40重建圖像質量主觀評分比較(例)

1.3 數據測量及圖像質量評價

1.3.1 體模研究 觀察固定平面各種算法重建水模空間分辨率、密度分辨率部分軸位圖像，根據不同間隔線及大小不等圓形低密度影的顯示效果對各算法空間分辨率和密度分辨率排序。

1.3.2 臨床研究 客觀評價選擇目測密度均勻的肝脾實質放置ROI，避開明顯偽影區的背部肌肉、皮下脂肪，記錄CT值平均值及噪聲，以背部肌肉為基準計算肝脾CNR。比較常規劑量FBP和低劑量ASIR、MBIRc、MBIRNR40圖像噪聲和肝脾CNR。主觀評價方面，由2名分別有7和15年的CT診斷經驗放射科醫師經PACS三維觀察，初始窗寬窗位為240 HU/40 HU，可根據觀察者習慣調整窗寬窗位。以常規劑量FBP為基準，采用7級半定量目測評分法[4]對低劑量各算法重建圖像的主觀噪聲和細節結構、病變邊緣清晰度評分:0分，與常規劑量FBP圖像無明顯差異；-3分，最差并影響判斷，3分，最好，最清晰；-2分，較差并可影響判斷，2分，較好并有利于判斷；-1分，稍差但不影響判斷，1分，稍優但不影響判斷。

1.4 統計學分析 采用SPSS 20.0統計分析軟件。正態分布的計量資料以±s表示。不同算法重建圖像的SD和CNR比較采用單因素方差分析，兩兩比較采用LSD法；主觀評分采用Wilcoxon檢驗；P<0.05為差異有統計學意義。Kappa檢驗評價觀察者間一致性，Kappa≥0.75為優、0.60～0.74為良、0.40～0.59為中等、<0.40為較差。

2 結果

2.1 體模研究 MBIRc空間分辨率最高，MBIRNR40密度分辨率最高。空間分辨率由高到低依次為MBIRc>MBIRNR40>ASIR≈FBP；密度分辨率由高到低依次為MBIRNR40>MBIRc>ASIR≈FBP(圖1)。

2.2 臨床研究 初次檢查劑量長度乘積(dose length product， DLP)為(368.03±146.25)mGy.cm，有效劑量(effective dose， ED)為(5.52±2.19)mSv；復查低劑量DLP為(93.18±41.21)mGy.cm，ED為(1.40±0.62)mSv，分別下降約74.68%和74.64%。

圖1 CT-200B型水模 A～D.空間分辨率層面; E～H.密度分辨率層面 (A、E為FBP重建； B、F為ASIR重建； C、G為MBIRc重建； D、H為MBIRn中MBIRNR40重建 )

圖2 患者女，61歲，軸位圖像示壺腹周圍癌伴肝內外膽管擴張 A.常規劑量FBP圖像，肝臟噪聲、CNR分別為26.80、0.75，脾臟為24.60、1.01； B.低劑量ASIR圖像，肝臟噪聲、CNR分別為38.80、0.62，脾臟為41.40、0.66； C.MBIRc重建，肝臟噪聲、CNR分別為14.40、1.72，脾臟為12.70、1.79； D.MBIRNR40重建，肝臟噪聲、CNR分別為9.50、3.11，脾臟為7.40、3.41

低劑量MBIRNR40圖像背部肌肉、皮下脂肪和肝脾實質噪聲低于MBIRc和ASIR，低劑量MBIRc噪聲低于常規劑量FBP，低劑量ASIR圖像噪聲最大 (P均<0.05)；低劑量MBIRNR40圖像肝脾CNR大于MBIRc和ASIR，低劑量MBIRc圖像肝脾的CNR大于常規劑量FBP，低劑量ASIR圖像CNR最小(P均<0.05)，見表1、圖2。

低劑量MBIRNR40的主觀圖像噪聲評分最高，優于ASIR、MBIRc及常規劑量FBP，低劑量ASIR主觀噪聲評分最低(P均<0.05)；低劑量MBIRNR40更清晰顯示上腹部細節結構和病變邊緣特征，優于ASIR、MBIRc及優于常規劑量FBP，低劑量ASIR最差(P均<0.05)。2名醫師對低劑量各重建圖像評分及一致性檢驗Kappa值見表2、圖3。

3 討論

FBP重建速度快，是CT圖像重建的“金標準”，但劑量降低與圖像質量間存在制衡關系，在數據采集不足時，噪聲增多，重建圖像質量可能無法滿足診斷需要[5]。IR可在較低的輻射劑量下獲得噪聲較小的高質量圖像，在降低X線輻射劑量方面有優勢[6]，近年來逐漸普及[7]。ASIR是在投影數據空間和圖像數據空間中將FBP影像和IR影像以不同比例融合的IR算法[8]。研究[9]表明,ASIR在相同的輻射劑量時可提高圖像質量，在保證圖像質量時可降低32%～65%輻射劑量。本研究根據文獻[10]推薦選用40%ASIR，結果表明聯合Auto mA降低輻射劑量約75%時，ASIR重建上腹部CT圖像不能達到臨床診斷要求。

圖3 患者男，63歲，冠狀位圖像示食管癌術后肝臟多發轉移、淋巴結轉移，MBIRNR40重建的主觀圖像噪聲最低，顯示肝臟內轉移瘤、腹腔積液等最優 A.常規劑量FBP圖像； B.ASIR圖像； C.MBIRc重建； D.MBIRNR40圖像

MBIR僅在投影數據空間對X線光學系統和信號采集過程進行建模，可真實還原射線發射、吸收、采集的過程，可明顯降低噪聲和提高空間分辨率[4]，在不影響整體圖像質量的前提下，可減少60%～80%的輻射劑量[11]。本研究表明MBIR可顯著降低圖像噪聲、提高信噪比，更清晰顯示掃描范圍內的細節結構和病變邊緣特征，在減少約75%輻射劑量條件下圖像質量優于常規劑量FBP圖像。但MBIRc圖像存在隨機斑紋狀偽影[12]，可導致部分細小結構邊界模糊。本研究也發現MBIRc圖像雖然空間分辨率較高，但斑紋狀偽影降低了其主觀評分。MBIRn增添了紋理增強設置，用以在整個采集空間內重新平衡噪聲分布，使噪聲和空間分辨率分布更均勻，可有效解決斑紋狀偽影;通過提供重建0.625、1.25、2.5、3.75和5.0 mm層厚和更多設置后具有與MBIRc相同的物理特性，進一步改善低劑量條件下圖像質量。本研究體模部分提示MBIRc空間分辨率最高，MBIRNR40密度分辨率最高，原因在于MBIRc本質是0.625 mm層厚的標準MBIR重建，可兼顧空間分辨率和密度分辨率，雖存在斑紋狀偽影，但其空間分辨率最高。MBIRNR40為MBIRn中降噪能力最強的設置，但卻可輕度降低空間分辨率。然而腹部CT對密度分辨率要求高[13]，且輻射劑量主要影響圖像噪聲[14]。故本研究選擇其代表MBIRn，MBIRNR40在低劑量成像時的降噪能力、對小病灶和腹部小結構清晰度方面優于MBIRc，且肝臟噪聲小于10 HU，保證了重建圖像質量的穩定。相比寧培鋼等[11]認為MBIRc可減少約60%的掃描劑量，采用MBIRn可降低約75%輻射劑量，且圖像質量更優。

本研究的局限性：①由于MBIR重建時間長，遠慢于FBP和ASIR[15]，尚不能實現實時顯像；②對于ASIR，參考文獻[10]推薦的40%混合因子一個迭代強度的圖像進行比較，但更高的ASIR百分比可進一步降低圖像噪聲；③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程度特點，可能導致觀察者評分偏差；④本研究尚未比較各組圖像病變檢出率和診斷信心的差異，將在今后分析討論。

總之，減少輻射劑量約75%低劑量上腹部成像時，MBIR重建圖像質量優于常規劑量FBP。與ASIR、MBIRc比較，MBIRn中MBIRNR40可顯著降低圖像噪聲并提高信噪比，可降低主觀噪聲，更清晰地顯示細節結構和病變邊緣特征。

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Applicationofnewmodel-basediterativereconstructioninlow-doseupperabdominalCT

JIAYongjun,YUYong,HETaiping*,YUNan,YANGChuangbo,ZHANGXirong,DUANHaifeng

(DepartmentofRadiology,AffiliatedHospitalofShaanxiChineseMedicineUniversity,Xianyang712000,China)

ObjectiveTo compare the effect on image quality of low-dose upper abdominal CT reconstructed with the new version of model-based iterative reconstruction (MBIRn) focused on low-contrast resolution (MBIRNR40), conventional model-based iterative reconstruction (MBIRc), adaptive statistical iterative reconstruction (ASIR) and routine-dose CT reconstructed with filtered back projection (FBP).MethodsWater plantom at rest was scanned with CT, and spatial resolution and density resolution were compared among FBP, ASIR, MBIRc, and MBIRNR40. Sixty patients with 2 times CT in the upper abdomen within a year were enrolled. The initial examination was acquired at a standard radiation dose (noise index [NI] of 10 HU) and reconstructed with the conventional FBP algorithm. The follow-up scan was acquired at a low-dose (NI=20 HU) and reconstructed with the standard ASIR, MBIRc and MBIRNR40. All images were obtained with 0.625 mm slice thickness. CT values and noise of fat, muscle as well as the liver and kidney parenchyma were measured and CNR of liver and kidney parenchyma using the fat SD as background image noise were calculated. Two radiologists independently graded images for noise, sharpness of details of structures and lesion. The quantitative image quality scores of different reconstructions were analyzed with one-wayANOVAusing FBP reconstruction as reference of standard. The degree of interobserver consistency was evaluated usingKappatest.ResultsThe phantom study revealed the highest spatial resolution with MBIRc and highest density resolution with MBIRNR40among all reconstructions. The dose-length product and radiation dose for the first inspection was (93.18±41.21)mGy·cm, (1.40±0.62)mSv, respectively, and were (368.03±146.25)mGy·cm, (5.52±2.19)mSv for the second inspection， representing an approximate overall dose reduction of 74.68% and 74.64%. The mean image noise of muscle and fat for MBIRNR40was significantly lower than that of MBIR, ASIR and FBP(P<0.05). The mean CNR values of liver and spleen for MBIRNR40were significantly higher than that of ASIR, MBIRc and FBP (P<0.05). Two radiologists had a good subjective score consistency. Low-dose MBIRNR40subjective image noise was the lowest, showing the most detailed on the upper abdominal detail structure and lesion edge, better than MBIRc, MBIRc was superior to routine-dose FBP, low dose ASIR was worst, the difference was statistically significant (P<0.05).ConclusionWith 75% dose reduction in upper abdominal CT, the MBIRNR40can provide well objective and subjective image quality than MBIRc and ASIR40， and the routine-dose FBP.

Iterative reconstruction; Radiation dosage; Tomography, X-ray computed

R735; R814.42

A

1003-3289(2017)12-1882-06

陜西中醫藥大學科研基金(2016QN20)。

賈永軍(1985—)，男，陜西咸陽人，在讀博士，主治醫師。研究方向：頸胸部影像診斷及影像新技術臨床應用。E-mail: jiayongjun1985@163.com

賀太平，陜西中醫藥大學附屬醫院醫學影像科，712000。E-mail: htp89956@163.com

2017-03-21

2017-07-20

10.13929/j.1003-3289.201703108