多模型自適應統計迭代重建算法對降低腰椎CT輻射劑量的作用

賈慧娟， 魏里， 劉大亮， 李釗， 宋培記， 王玲玲， 付玉存

隨著多排螺旋CT在疾病診斷中的應用，輻射安全問題愈受到人們的關注。目前已有很多降低輻射劑量方法，新材料探測器、自動管電流調節、應用降噪濾線器等[1]。降低管電流是目前應用的減少輻射劑量的主要方法，但管電流降低后應用濾波反投影法(filtered back-projection,FBP)進行圖像重建會增加圖像噪聲，因此在保證圖像質量的前提下，應用該方法減少輻射劑量的幅度是有限的。迭代重建算法可顯著抑制噪聲[2]，近年來相關研究很多。 如果選擇高權重的ASiR-V，自動管電流調節技術(smart mA)將相應的減小掃描時的管電流，而減小管電流帶來的噪聲增加則會通過后重建時使用對應權重的ASiR-V進行補償。因此，在掃描時選擇高權重的ASiR-V能夠有效的降低輻射劑量并降低圖像噪聲，從而使保證圖像質量并降低輻射劑量成為可能。本研究的目的在于探討低劑量腰椎掃描時迭代重建(ASiR-V)的最佳權重的選擇。將此方法應用于臨床，將使一些特殊患者(育齡期婦女及對輻射嚴重敏感的患者)進行腰椎掃描成為可能。

表1 患者體重指數、掃描長度及輻射劑量參數比較

材料與方法

1.一般資料

選用2016年12月-2017年5月期間進行腰椎CT掃描且BMI在25～29之間的患者共60 例，隨機分為A、B、C 3組，分別采用0%、40%、60%ASIR-V掃描和重建。每組20例。男共37例，女共23例，年齡26～67歲，中位45歲。病例剔除標準:年齡>70歲；BMI<25或BMI>29；有椎體金屬植入者；骨質嚴重疏松的患者；腰椎嚴重側彎患者；孕婦或計劃受孕者。

2.檢查方法及圖像重組

采用GE Revolution 256層CT進行掃描。患者仰臥位、屈膝 60°；螺旋掃描，探測器準直0.625×80 mm，矩陣512×512，螺距0.992，層厚2.5 mm，層間距2.5 mm，旋轉時間0.5 s；掃描范圍胸12椎體下緣至骶1上緣。A、B、C 3組管電壓KV均設置為120 kV，噪聲指數NI設置為10。 三組患者在掃描時分別選取0%、40%和60%ASiR-V的后重建權重，自動mA調節(范圍100～700 mA)。圖像采用1.5 mm層厚進行多平面重組。

3.輻射劑量

記錄掃描長度、CT容積劑量指數(CTDose volume index，CTDIvol)、劑量長度乘積(dose length product,DLP)、并計算出有效輻射劑量(effective dose,ED) ，公式：

ED=DLP×k(k=0.011 mSv/mGy·cm)[3]

4.圖像質量客觀評估

對L4-5平面椎間盤、硬膜囊、腰大肌及椎體分別進行CT值(MD)測量，測量3次取平均值。硬膜囊感興趣區(ROI)大小為10 mm2，其余感興趣區大小約為100 mm2，選ROI時避開偽影、血管、以及間盤退變區等。測出感興趣區CT值及SD值[standard deviation，標準差，各數據偏離平均數的距離(離均差)的平均數]。計算信噪比(SNR) 、椎間盤與硬膜囊對比噪聲比(CNR) ，計算公式[4]：

5.圖像質量的主觀評價

由2名高年資醫師雙盲對圖像評價并評分。圖像窗寬、窗位分別為350、50 HU( 軟組織窗) ，2500、800 HU (骨窗) 。評價L4-5層面間盤、椎間孔、黃韌帶、硬膜囊及小關節，評價標準[5]：2分(軟組織結構清晰，其邊緣清楚，無偽影，且診斷明確)； 1分(軟組織結構清晰，邊緣欠清，有輕度偽影，但尚可診斷)；0分(軟組織結構不清，邊緣模糊，偽影較重，不能進行診斷)。

6.統計學方法

結 果

1.患者基本參數及所受輻射劑量(表1)

A、B、C 3組的BMI(體重指數)和掃描長度差異無統計學意義。CTDIvol和DLP依次降低有統計學意義。三組的有效輻射劑量(ED)分別是6.66 mSv，4.47 mSv，3.51 mSv，B組和C組分別較A組顯著降低了33%和47%。

圖1 a) 椎間盤(箭)層面測量示意圖，長箭示椎小關節；b) 椎體(箭)測量示意圖。 圖2 a) ASIR-V迭代率為0%時L4-5間盤圖像； b) ASIR-V迭代率為0%時椎體矢狀面MPR圖像。 圖3 a) ASIR-V迭代率為40%時L4-5間盤圖像； b) ASIR-V迭代率為40%時椎體矢狀面MPR圖像。 圖4 a) ASIR-V迭代率為60%時L4-5間盤圖像； b) ASIR-V迭代率為60%時椎體矢狀面MPR圖像。

部位A組B組C組F值P值A-BA-C椎間盤SNR5.20±1.005.53±0.575.38±0.500.7320.730.86腰大肌SNR3.77±0.693.82±0.413.80±0.560.0430.820.81硬膜囊SNR1.89±0.311.73±0.421.76±0.370.905>0.05>0.05L4椎體SNR5.33±1.075.73±0.80 5.52±1.110.8010.150.54椎間盤與硬膜囊CNR0.16±0.040.15±0.060.15±0.050.440>0.05>0.05

2.客觀圖像質量評價(表2)

B組各感興趣區(L4-5平面椎間盤、硬膜囊、右側腰大肌及L4椎體松質骨)SNR、椎間盤與硬膜囊CNR與A組SNR、CNR無顯著統計學差異(P>0.05)；C組各感興趣區(L4-5平面椎間盤、硬膜囊、右側腰大肌及L4椎體松質骨)SNR、椎間盤與硬膜囊CNR與A組SNR、CNR無顯著統計學差異(P>0.05)。

3.主觀圖像評分(表3)

主觀圖像3組椎間盤、硬膜囊及黃韌帶組織結構均顯示清晰；椎間盤、硬膜囊及黃韌帶A組(圖2a)與 B 組(圖3a)、A組與C組(圖4a)主觀圖像質量評分無明顯差異(P>0.05)。椎小關節間隙A組(圖2b)較 B組(圖3b)、C組(圖4b) 清晰。

表3 主觀圖像評分

注：椎小關節B、C組與A組對照有顯著統計差異(P<0.05)。

討 論

由于腹部脂肪較厚，常規CT腰椎檢查需要較高的穿透力，因此射線劑量較其他部位要高約15%[6]。這使得腰椎低劑量掃描顯的更為重要。腰椎CT 低劑量掃描輻射劑量可減少程度大于其他低組織對比度部位，比如腹部和腦部，相比它們可降低輻射劑量20%～40%[7-8]。這是由于大部分腰椎 CT 掃描的組織界面間有高對比度，比如椎體和椎間盤。以往降低輻射劑量的措施有降低管電壓、降低管電流、增大螺距等，由于噪聲過大，圖像質量明顯降低，影響其臨床應用。這是因為采用慮波反投影重建技術(filtered back projection，FBP)，這種技術具有相對較高的噪聲、條紋偽影和較差的低對比檢測性，并且噪聲在通過濾波反射投影后會被放大。要想保證圖像質量又大幅降低輻射劑量是不可能的[9]。基于模型的迭代重組技術(model-based iterative reconstruction，MBIR)不僅考慮到數據的統計噪聲性質，而且對探測系統的光學性質也在重建中一并加以考慮[10]。主要優勢是在低信噪比下可以迭代得到比FBP 更好的圖像質量，但最大的缺陷是數據量大，重建時間長[11-12]。最早應用的迭代重組技術是自適應統計迭代重組(adaptive statistical interative reconstruction，ASIR )它結合濾波反射投影技術，在降低輻射劑量的同時獲得更優的圖像質量[13，14]。本研究采用的ASIR-V技術是將MBIR降低輻射劑量及提高圖像質量的優點與ASIR系統重組速度快的優點相結合，與FBP及ASIR系統相比，在顯著降低輻射劑量的基礎上，可以降低圖像噪聲、增高圖像對比噪聲比、提高空間分辨率[15]。但ASIR-V技術臨床應用尚不廣泛，應用不同迭代率處理所得圖像質量不同。筆者前期在腰椎掃描后置迭代率的選取上做了些研究，總結出在相同的掃描條件下當迭代率為40%時圖像質量最佳，到80%時圖像出現明顯蠟像。進而制定了本研究方案，目的為了研究前置ASIR-V在腰椎掃描中的優勢以及找出最佳迭代率。

研究結果表明B組有效輻射劑量較A組平均降低約33%；C組有效輻射劑量較A組平均降低約47%，B、C組各感興趣區SNR、CNR與A組SNR、CNR無顯著統計學差異(P>0.05)；除椎小關節，A、B、C組圖像主觀評分無顯著性差異,觀察者間一致性很好。這表明當迭代率為40%、60%時均可以降低輻射劑量，而且可以保證得到較優的圖像；迭代率為60%時輻射劑量更低，因此作為首選。我們采用的是前置ASIR-V，掃描時已經把噪聲指數Ni設置為10，通過自動mA調節技術保證在KV固定的情況下，噪聲指數不提高。又進一步通過ASIV迭代率的改變，機器可以自動計算出通過重建方式的改良能降低mAs，因此，從一開始掃描時我們就用了較低的mAs，降低了輻射劑量，這和后期重建時采用ASIV是有區別的，這樣掃描前就可以根據不同的要求調整噪聲指數，對于一些輻射劑量要求更嚴格的患者，比如育齡期婦女及對輻射嚴重敏感的患者。如果圖像質量沒有要求那么高，只要能滿足基本診斷，不影響臨床治療即可，那么可以進一步通過降低噪聲指數來降低輻射劑量。本研究的意義就在于掌握了ASIR-V迭代率為60%時圖像質量不會下降，在腰椎掃描時就掌握了ASIR-V可以選取多少，然后噪聲指數可以根據需要選取，從而找到了針對患者個體的最佳掃描方案。方案沒有把ASIR-V迭代率80%列出來進行研究，原因是兩個，一個是當ASIR-V迭代率為80%時，圖像會出現明顯的蠟像，影響診斷，這在前期后置ASIR-V腰椎掃描的研究中是已經發現了的。還有一個原因是因為倫理問題，如果采用ASIR-V迭代率80%掃描失敗的話，患者會因此增加一次掃描劑量，這不符合倫理要求。椎小關節C組圖像質量較A組是下降的，這給了我們一個提示，在細微骨結構上ASIR-V有其局限性，這應該和骨密度有關。

本研究不足:由于同一患者不能進行常規與低劑量圖像質量對比，因此對精確差異沒有進行評估；診斷準確性仍需更大的樣本及手術來證實。

總之，與常規劑量掃描相比，低輻射劑量掃描參數結合適當的迭代重建權重可明顯降低輻射劑量的同時不影響圖像質量，使臨床一些特殊患者(育齡期婦女及對輻射嚴重敏感的患者)進行腰椎掃描成為可能。