雙能CT改進的虛擬單能成像重建算法的門靜脈圖像質量評估

胡 斌 陳靜靜 徐文堅 徐 琦 李曉飛

(青島大學附屬醫院放射科，山東青島 266003)

多排螺旋CT門靜脈成像在臨床上應用廣泛，但門靜脈CT成像由于是靜脈血管成像，血管內對比劑濃度會經過體循環而降低，因此檢查時所需對比劑用量相對較多。如今，使用對比劑造成的腎毒性及外漏風險也日益受到醫學界的關注[1]，因此如何在保證圖像質量的前提下，使用盡量少的對比劑進行成像，是目前臨床關注的熱點[2-3]。雙能CT(dual-energy CT，DECT)同時采集兩組高低不同kVp值的X射線投影數據，可回顧性重建不同keV水平的單能量(monoenergetic，Mono)圖像，傳統的低keV 單能量圖像雖然提高了碘等物質的對比度，增加不同組織結構之間的對比，但卻明顯增加了圖像噪聲，從而限制了低keV 單能量圖像(如40、50 keV)在臨床中的應用[4-5]。新虛擬單能量(monoenergetic plus，Mono+)成像技術將高造影劑信號的低能級的圖像和低噪聲中間能級的圖像融合，得到較高對比度和較低噪聲的新單能量圖像[6-9]。腹部雙能CT門靜脈成像和Mono+算法聯合可顯著提高血管成像效果，使門靜脈與周圍軟組織的對比噪聲比(contrast to noise ratio，CNR)提高，從而獲得高質量的CT門靜脈圖像。本研究通過比較雙能腹部增強門靜脈期單能Mono+重建圖像(40～100 kev)與標準線性融合的M_0.5圖像質量，確定選擇最優的keV。

1 對象與方法

1.1 研究對象

收集2017年11月至2018年3月在青島大學附屬醫院完成上腹部增強掃描的60例研究對象，其中男33例，女27例，年齡22 ～ 75歲，平均年齡(50.1±10.2)歲。60例研究對象中正常健康人25例，肝囊腫患者16例，血管瘤患者8例，脂肪肝患者11例。納入標準：①年齡≥18周歲；②無影響肝臟血供的心、腎及大血管等疾患；③肝功能及相關惡性腫瘤指標正常；④無影響肝供血動脈及引流靜脈的病變。⑤無碘對比劑使用禁忌證。排除標準：碘對比劑過敏患者，嚴重心臟疾病者，甲狀腺功能亢進者，孕產婦。患者進行掃描前均由家屬簽署知情同意書。

1.2 檢查設備與方法

患者檢查前常規空腹4～6 h,口服溫開水200～300 mL 以充盈胃腸道。采用德國西門子第二代雙源CT(SOMATOM Definition Flash with a Stellar detector，Siemens Healthcare，Forchheim，德國)行上腹三期雙能增強掃描(動脈期、門靜脈期、平衡期),在注射對比劑后30、65和180 s行肝臟門靜脈期掃描，掃描范圍自膈頂至髂前上棘水平。使用雙筒高壓注射器(CT Stellant, Medrad, Indianola, Pennsylvania, 美國)于肘靜脈以3.0 mL/s速率團注非離子型對比劑碘普羅胺(Ultravist 370 mgI/mL,Shering,德國)，對比劑用量為1.0 mL/kg,對比劑注射完畢后以同樣的速率注射20 mL 0.9%(質量分數)的氯化鈉注射液。患者的掃描參數：A、B球管電壓分別為100 kV和Sn140 kV，CARE Dose 4D，mAs參考值分別為230和178，準直器寬度2 mm×64 mm×0.6 mm，螺距0.6，旋轉時間0.5 s/ 圈。

1.3 圖像處理及數據分析

僅對雙能量CT掃描門靜脈期數據分析：M_0.5圖像(50%的100 kV和50%Sn140 kV的圖像融合)表示標準120 kV采集，對雙能門靜脈期數據用Mono+算法在40、50、60、70、80、90和100 keV重建；在Siemens Syngo via后處理工作站上，分析1 mm層厚的門靜脈期圖像，測量門靜脈主干和肝實質的CT 值及標準差。使用20 ～40 mm2大小的感興趣區域(region of interest,ROI)在肝門水平測量門靜脈主干的CT值,用100 mm2大小的ROI測量遠離血管的正常肝臟組織的CT 值。

圖像的客觀評價：由兩位放射科技師測量門靜脈主干的CT值、肝實質的CT 值及標準差(SD)值。選取肝門水平門靜脈主干連續3個層面進行測量取平均值,ROI大小為20～40 mm2；選取肝門水平肝實質連續3個層面測量肝實質的CT值并取其平均值,ROI大小為(100±10)mm2。用正常肝組織的標準差SD表示圖像噪聲。用公式計算出門靜脈主干的CNR和信噪比(signal to noise ratio，SNR):

圖像的主觀評價:將M_0.5圖像和40、50、60、70、80、90和100 keV的Mono+算法重建圖像由兩位有5年腹部讀片經驗且對具體實驗方法不知情的放射科醫師對不同實驗方案所得門靜脈期圖像進行綜合評分。評估內容包括門靜脈邊緣銳利度、門靜脈與周圍肝實質的對比度、顯示門靜脈分支的級別。采用5分制的圖像質量的評價方法。1分,門靜脈邊緣模糊,與肝實質對比差,僅顯示門靜脈主干；2分,門靜脈邊緣不清楚,與肝實質對比較差,僅顯示門靜脈主干第1級分支；3分,門靜脈邊緣較清楚,與肝實質對比中等,顯示門靜脈主干第2 級分支；4分,門靜脈邊緣較銳利,與肝實質對比良好,顯示門靜脈主干第3 級分支；5 分,門靜脈邊緣銳利,與肝實質對比佳,可顯示門靜脈主干第4 級或以上分支。

1.4 統計學方法

2 結果

2.1 患者掃描條件和輻射劑量

100 kVp和Sn140 kVp管電壓的有效管電流分別為(149.3±43.4)mA和(117.7±29.3)mA，平均容積劑量指數(CT dose index volume，CTDIvol)為(11.9±2.8)mGy，相應的劑量長度乘積(dose length product，DLP)為(542.4±95.4)mGy*cm。

2.2 圖像客觀評價

門靜脈主干的40～70 keV Mono+重建圖像CNR值均比M_0.5圖像高，差異有統計學意義(P<0.05)。Mono+40 keV門靜脈主干的CNR(8.2±2.1)達到峰值，是M_0.5圖像CNR(2.3±0.7)的3.57 倍(表1,圖1)。

表1 M_0.5和Mono+算法(40～100 keV)重建的門靜脈主干圖像的客觀評價Tab.1 Objective image quality of the main stem of portal veins in series reconstructed with standard linear blending (M_0.5) and Mono+ algorithm (keV)(n=60)

圖1 門靜脈主干CNR的箱線(Box-and-whisker)圖Fig.1 Box-and-whisker plots of CNR values of the main stem of portal veins

與M_0.5圖像相比，門靜脈主干40～80 keV重建圖像的SNR高，差異有統計學意義(P<0.05)。Mono+40 keV門靜脈主干的SNR(13.2±2.2)達到峰值，是M_0.5圖像SNR(8.6±1.3)的1.53倍(表1，圖2)。

圖2 門靜脈主干SNR的箱線(Box-and-whisker)圖Fig.2 Box-and-whisker plots of SNR values of the main stem of portal veins

2.3 圖像主觀評價

Mono+40～70 keV重建圖像質量評分明顯優于M_0.5組，差異有統計學意義(P<0.05)(表2，圖3)。兩位醫師評價一致性較高，Kappa值為0.793。

表2 M_0.5和Mono+算法(40～100 keV)重建的門靜脈主干圖像的主觀評價Tab.2 Subjective image quality of the main stem of portal veins in series reconstructed with standard linear blending (M_0.5) and Mono+ algorithm (keV)(n=60)

3 討論

雙能CT 單能量成像技術(Mono)使用采集的雙能數據，針對特定組織或病變，選取最佳能量水平觀察圖像[10]。Mono圖像重建過程中根據物質與X射線相互作用規律，把物質分解為以康普頓散射和光電吸收為主的基質對，最終得到虛擬的單能量圖像。理論上，Mono圖像消除了復合能量X射線固有的射束硬化效應，可顯著降低偽增強效應(pseudo-enhancement)而有利于細節顯示[11]。曾有報道[12-13]顯示，雙能CT門靜脈-肝實質的CNR曲線的最佳單能量顯示能量水平集中在40～75keV 的低能量區域。Mono在腹部雙能血管研究中，60～70 keV可獲得較佳SNR和CNR的圖像，40～60 keV圖像雖然目標血管對比劑碘的CT值增加，但在低keV 圖像上高密度物質也會產生較大偽影，明顯增加了圖像噪聲[14]。因此，低keV 單能量圖像雖然提高了碘等物質CT值，卻由于噪聲的增加而無法提高感興趣區的CNR和SNR，使得圖像質量下降。

圖3 不同重建算法的門靜脈期圖像Fig.3 Different reconstruction algorithm in portal venous phase images

Mono+是一種改進的重建算法，能夠有效改善圖像質量。Grant 等[15]用Mono+新單能重建技術評估低對比度病變，發現Mono+算法通過增加低能量的有用信號和抑制中等能量的噪聲進行區域空間頻率重組可提高低keV的圖像質量。本研究表明，Mono+40 keV組重建圖像在門靜脈主干、肝實質的CT值及其差值均高于其他各組圖像，門靜脈主干的CNR和SNR 分別為8.2±2.1和13.2±2.2,線性融合的M_0.5重建圖像門靜脈主干(表示標準的120 kV)的CNR和SNR 分別為2.3±0.7和8.6±1.3,Mono+40 keV重建圖像門靜脈主干的CNR和SNR 分別是M_0.5重建圖像的3.57 倍及1.53 倍。圖像質量評分是影像診斷醫師對于總體圖像質量的主觀評分，是圖像質量評判的不可或缺的組成部分。本研究結果顯示M_0.5和Mono+40～80 keV重建圖像的主觀評分均≥3 分，說明除90和100 keV重建組外所研究的其他組均在可接受的范圍之內。在門靜脈邊緣的銳利程度，門靜脈與肝實質對比及門靜脈分支的顯示方面，Mono+ 40 keV重建圖像明顯優于M_0.5組。因此,不論是門靜脈圖像的CNR和SNR，還是門靜脈圖像的主觀評分,其Mono+40 keV的門靜脈成像的質量較常規螺旋CT圖像均有大幅度的提升。Mono+算法能夠將傳統低keV 圖像(包含較高的碘對比度)和中間能量級keV圖像(70 keV左右包含較低的圖像噪聲)相結合并取二者優勢—增加圖像對比度和降低圖像噪聲。

局限性: 本研究僅評估了圖像質量參數，沒有評估診斷性能的差異。同時，雖然傳統的單能重建算法(Mono)在較低的keV圖像質量較差，但筆者沒有對傳統的Mono重建算法進行評價。

總之，Mono+突破Mono的局限，門靜脈的CNR、SNR隨著keV的降低而上升，Mono+40 keV組重建圖像質量與M_0.5線性融合組相比有明顯的優勢，選擇成像新技術為門靜脈CT成像提供了更多的方法，Mono+算法改善了門靜脈圖像質量，提高了診斷的信心。