不同強(qiáng)度高級迭代重建算法在不同噪聲水平下對圖像質(zhì)量的影響：體模研究

王苑丁，康德強(qiáng)，白 玫，杜祥穎，李宏偉

(1.北京大學(xué)國際醫(yī)院放射科，北京 102206；2.首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院放射科，3.醫(yī)學(xué)工程處，北京 100053；4.北京市衛(wèi)戍區(qū)海淀第二十四離職干部休養(yǎng)所門診部，北京 100039)

圖1 CTP528檢測模塊 圖2 CTP515檢測模塊

濾波反投影法(filtered back projection, FBP)及迭代重建(iterative reconstruction, IR)算法是CT圖像重建的兩種基本算法。臨床及體模實(shí)驗(yàn)研究[1-2]表明，IR可彌補(bǔ)X線強(qiáng)度降低時(shí)FBP重建圖像噪聲增加的問題，提高圖像質(zhì)量；但在實(shí)際應(yīng)用中，各廠家均未推薦使用最高級別的迭代強(qiáng)度，針對IR技術(shù)對圖像空間分辨率及密度分辨率的影響也存在爭議[3-5]。本研究對標(biāo)準(zhǔn)Catphan 500體模[6]及模擬人體掃描時(shí)X線衰減的套環(huán)體模進(jìn)行CT掃描，探討不同強(qiáng)度級別高級IR(advanced modeled iterative reconstruction, ADMIRE)算法對圖像質(zhì)量的影響。

1 資料與方法

1.1 體模 采用Catphan 500體模中的CTP528和CTP515兩個(gè)檢測模塊，分別測量圖像的空間分辨率和密度分辨率。CTP528為空間分辨率檢測模塊，包括呈放射狀分布的21組高密度線對結(jié)構(gòu)，分辨率為1～21 lp/cm(圖1)。CTP515為密度分辨率檢測模塊，由呈放射狀分布的內(nèi)外兩層低密度孔陣結(jié)構(gòu)構(gòu)成，內(nèi)層孔陣的對比度分別為0.3%、0.5%和1.0%，直徑分別為3、5、7和9 mm；外層孔陣的對比度分別為0.3%、0.5%和1.0%，直徑分別為2、3、4、5、6、7、8、9和15 mm(圖2)。

本研究采用兩組體模：標(biāo)準(zhǔn)體模組取標(biāo)準(zhǔn)Catphan 500體模；套環(huán)體模組則在Catphan 500體模外圍均勻包裹900 ml生理鹽水套環(huán)，以模擬人體掃描時(shí)X線衰減。

1.2 儀器與方法 采用Siemens Somatom Force CT掃描儀分別對標(biāo)準(zhǔn)體模及套環(huán)體模進(jìn)行掃描，管電壓分別為80、100、120 kV，管電流為300、350、400、450 mAs，兩組共12組掃描條件，螺距1.0，準(zhǔn)直寬度192×0.6 mm。重建方式為FBP(用ADMIRE 0表示)和迭代強(qiáng)度為1～5級的ADMIRE算法(ADMIRE 1～5)，分別為ADMIRE 0～5亞組，卷積核Br40s，重建層厚3 mm，層間距3 mm。

1.3 圖像處理 將所有圖像傳至Siemens Syngo MMWP VE 36A后處理工作站，由2名具有3年及以上工作經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)師進(jìn)行測量和評價(jià)，以隨機(jī)表法顯示圖像，隱藏掃描參數(shù)，意見不同時(shí)經(jīng)協(xié)商后達(dá)成一致。指標(biāo)包括：①CT值，在CTP515模塊選取對比度為1%的孔徑，測量其CT值和SD值作為目標(biāo)CT值和SD值，并測量同層面背景的CT值和SD值，ROI均為1 cm2；②SNR，SNR=(目標(biāo)CT值-背景CT值)/SDmax，SDmax為目標(biāo)和背景CT值中最大的SD值；③噪聲，噪聲值為SDmax值；④空間分辨率，同時(shí)調(diào)節(jié)窗寬、窗位，記錄未觀察到短缺和粘連的線對結(jié)構(gòu)的最高空間分辨率；⑤密度分辨率，窗寬=目標(biāo)CT值-背景CT值+5SDmax；窗位=(目標(biāo)CT值+背景CT值)/2；在上述窗寬、窗位下觀察CTP515模塊圖像，標(biāo)準(zhǔn)體模組選取對比度為0.3%的區(qū)域進(jìn)行觀察，套環(huán)體模組選取對比度為1.0%的區(qū)域進(jìn)行觀察，確定所能分辨的最小一級圓孔，記錄其孔徑作為密度分辨率，孔徑越小代表圖像密度分辨率越高。

表1 2組不同迭代強(qiáng)度圖像噪聲、SNR、空間分辨率和密度分辨率比較(±s)

2 結(jié)果

2.1 噪聲 標(biāo)準(zhǔn)體模組和套環(huán)體模組總體圖像噪聲分別為(5.17±1.82)HU及(12.64±3.59)HU。2組圖像噪聲均隨迭代強(qiáng)度升高而逐漸降低(P均<0.01)，兩兩比較，相鄰迭代強(qiáng)度圖像噪聲差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)，ADMIRE 0與ADMIRE 2～5各亞組間差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)，見表1。標(biāo)準(zhǔn)體模組和套環(huán)體模組ADMIRE 3亞組較ADMIRE 0亞組圖像噪聲分別降低了27.11%和28.65%，ADMIRE 5亞組較ADMIRE 0亞組圖像噪聲分別降低了49.33%及49.22%。

2.2 SNR 2組圖像SNR均隨迭代強(qiáng)度增高而逐漸升高，標(biāo)準(zhǔn)體模組為11.24±6.41，套環(huán)體模組為5.39±2.63。2組不同迭代強(qiáng)度圖像間SNR總體差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=3.62、4.65，P=0.01、P<0.01)。標(biāo)準(zhǔn)體模組中，ADMIRE 5與ADMIRE 0～3亞組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)，ADMIRE 4與ADMIRE 0亞組差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，余各亞組間兩兩比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)。套環(huán)體模組中，ADMIRE 5與ADMIRE 0～3亞組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)，ADMIRE 4與ADMIRE 0、ADMIRE 1亞組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)，余各亞組間兩兩比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)。

2.3 空間分辨率 標(biāo)準(zhǔn)體模組中，不同迭代強(qiáng)度圖像的空間分辨率總體差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=1.04，P=0.40，圖3)。

套環(huán)體模組中，不同迭代強(qiáng)度圖像的空間分辨率總體差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=4.97，P=0.01，圖4)。ADMIRE 4、5空間分辨率低于ADMIRE 0～2亞組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)，余各亞組間兩兩比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)。

2.4 密度分辨率 標(biāo)準(zhǔn)體模組中，密度分辨率隨迭代強(qiáng)度級別升高而增加，總體差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=2.59，P=0.03，圖5)。ADMIRE 4、5亞組的圖像密度分辨率高于ADMIRE 0～2亞組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)，余各亞組間兩兩比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)。

套環(huán)體模組中，密度分辨率隨迭代強(qiáng)度級別升高而增加，總體差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=6.24，P<0.01，圖6)，ADMIRE 3～5亞組與ADMIRE 0～2亞組間差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)，余各亞組間兩兩比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)。

3 討論

相比傳統(tǒng)FBP法，IR算法具有能降低圖像噪聲、減少偽影、提高圖像質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)[1,7-9]。ADMIRE是第3代MR技術(shù)，將正向投影產(chǎn)生的“虛擬原始數(shù)據(jù)”和探測器實(shí)際采集的投影數(shù)據(jù)進(jìn)行多次比較，以消除偽影、減少噪聲[1]。迭代強(qiáng)度增高代表迭代運(yùn)算次數(shù)增加，也意味著更低的圖像噪聲。噪聲是評價(jià)圖像質(zhì)量的重要指標(biāo)。空間分辨率即高對比度分辨率，代表圖像能夠顯示的最小細(xì)節(jié)，能否發(fā)現(xiàn)微小病灶取決于此。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)體模，120 kV、400 mAs掃描條件下不同迭代強(qiáng)度重建圖像的空間分辨率(箭) A～F.ADMIRE 0～5圖像的空間分辨率均為6 lp/cm 圖4 套環(huán)體模，120 kV、400 mAs掃描條件下不同迭代強(qiáng)度重建圖像的空間分辨率(箭) A～D.ADMIRE 0～3圖像的空間分辨率為6 lp/cm; E～F.ADMIRE 4、5為5 lp/cm

圖5 標(biāo)準(zhǔn)體模，120 kV、400 mAs掃描條件下，不同迭代強(qiáng)度重建圖像 觀察對比度為0.3%的圓孔區(qū)域， ADMIRE 0～3(A～D)圖像的密度分辨率為6 mm(箭)，ADMIRE 4、5(E、F)為5 mm(箭)

密度分辨率即低對比度分辨率，代表圖像能夠顯示的最小密度差別，能否發(fā)現(xiàn)近似等密度的病灶取決于此。空間分辨率和密度分辨率對于評價(jià)CT圖像質(zhì)量和臨床應(yīng)用具有重要意義[6,10-11]。

本研究結(jié)果顯示，在標(biāo)準(zhǔn)體模及套環(huán)體模組中，IR算法都能降低噪聲、提高SNR，且隨迭代級別增高，降噪能力逐漸增強(qiáng)。SNR逐漸提高。

本研究標(biāo)準(zhǔn)體模組中，ADMIRE技術(shù)對圖像空間分辨率無明顯影響，不同強(qiáng)度ADMIRE之間差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.40)，與陸亞光等[4]的研究結(jié)果一致；而套環(huán)體模組中ADMIRE 4、5圖像空間分辨率降低。分析原因，可能在于增加生理鹽水套環(huán)之后X線衰減增加，CT值降低，同時(shí)圖像噪聲增加，SNR降低；在更高噪聲及更低SNR條件下，高強(qiáng)度迭代條件下圖像的“模糊”效應(yīng)更加明顯[12]，對空間分辨率的降低作用更為顯著，與石清磊等[5]研究結(jié)果相似，后者認(rèn)為當(dāng)噪聲指數(shù)和迭代強(qiáng)度均增加到一定級別時(shí)，圖像空間分辨率開始出現(xiàn)降低。這也可以解釋部分研究[13-15]報(bào)道的高級別IR技術(shù)可能造成圖像過度平滑，即“蠟樣偽影”現(xiàn)象。

本研究中ADMIRE技術(shù)在標(biāo)準(zhǔn)體模組和套環(huán)體模組中均可提高密度分辨率，統(tǒng)計(jì)學(xué)差異分別見于ADMIRE 4及ADMIRE 3以上的迭代強(qiáng)度亞組中，即中高級別迭代強(qiáng)度可提高圖像密度分辨率，與陸亞光等[4,16]的結(jié)果一致。本研究標(biāo)準(zhǔn)體模組選取對比度為0.3%的圖像區(qū)域觀察密度分辨率，在對比度為1.0%及0.5%的圖像區(qū)域中能觀察到所有圓孔；套環(huán)體模組則選取對比度為1.0%的圖像區(qū)域進(jìn)行觀察，在對比度為0.5%及0.3%的圖像區(qū)域圓孔顯示困難，故標(biāo)準(zhǔn)體模組的密度分辨率整體高于套環(huán)體模組。

圖6 套環(huán)體模，120 kV、400 mAs掃描條件下，不同迭代強(qiáng)度重建圖像 觀察對比度為1%的圓孔區(qū)域，ADMIRE 0～4(A～E)圖像的密度分辨率為6 mm(箭)，ADMIRE 5(F)為5 mm(箭)

與套環(huán)體模比較，標(biāo)準(zhǔn)體模Catphan 500主體材料對X線的衰減非常低且材料均勻，SNR較高，是理想狀態(tài)下的模型；而臨床，人體的肌肉、脂肪等組織會對X線造成較多且相對不均勻的衰減，同樣條件下SNR較低，通常圖像噪聲約為10～30 HU。本組標(biāo)準(zhǔn)體模組噪聲為(5.17±1.82)HU，SNR為11.24±6.41；套環(huán)體模組噪聲為(12.64±3.59)HU，SNR為5.39±2.63，更接近于人體實(shí)際掃描，因而更具有臨床指導(dǎo)意義。

本研究的局限性：①只模擬了2組噪聲水平，未對人體各個(gè)部位的掃描環(huán)境進(jìn)行模擬；②未對管電壓、管電流對圖像質(zhì)量的影響進(jìn)行討論。

綜上所述，標(biāo)準(zhǔn)體模組噪聲水平下，ADMIRE技術(shù)可不降低空間分辨率而提高密度分辨率；套環(huán)體模組噪聲水平下，高級別ADMIRE技術(shù)可降低空間分辨率、提高密度分辨率。套環(huán)體模組在ADMIRE 3時(shí)達(dá)到中等降噪能力，空間分辨率未明顯降低而密度分辨率開始提高，圖像質(zhì)量在此時(shí)達(dá)到最高。