16層CT低管電壓聯(lián)合迭代重建技術(shù)在胸部檢查中的應用*

彭德華 楊勤順 周 鵬 丁凱俊 葉錫勇 孫利娟 江時淦*

CT檢查與X射線胸片相比明顯提高了早期肺癌的檢出能力，但其X射線輻射劑量也明顯高于胸片，限制了CT在普通人群和肺癌高危人群篩查中的廣泛應用。在不影響疾病診斷的前提下盡可能減少放射劑量，是CT檢查安全性的關注重點。自1990年Naidich等[1]提出低劑量CT概念以來，胸部低管電流CT掃描技術(shù)應用廣泛，而降低管電壓一直未被推廣[2]。有研究表明，迭代重建算法在低劑量CT中能明顯降低圖像噪聲，提高圖像質(zhì)量[3-4]。本研究旨在探討16層螺旋CT低管電壓聯(lián)合Karl 3DTM迭代技術(shù)在胸部檢查中的應用價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2017年12月至2018年12月江西醫(yī)學高等專科學校第一附屬醫(yī)院120名胸部CT健康體檢者，按照胸部CT檢查時管電壓的不同將其分為120 kV組和80 kV組，每組60名。120 kV組中男性36名，女性24名；年齡19～88歲，平均年齡(54.42±12.2)歲；80 kV組中男性37名，女性23名；年齡24～83歲，平均年齡50.92±11.5)歲。本研究經(jīng)學校和醫(yī)院倫理委員會批準并在其監(jiān)督下執(zhí)行，所有檢查者均簽署知情同意書。

1.2 儀器設備

采用uCT 510型16層螺旋CT掃描儀(上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司)。

1.3 檢查方法

所有檢查者取仰臥位，雙臂上舉頭部先進，120 kV組采用常規(guī)管電壓(120 kV)，80 kV組采用低管電壓(80 kV)；兩組掃描條件一致，管電流160 mA，準直器16×1.2 mm，機架旋轉(zhuǎn)速度0.6 s/r，螺距0.9375，矩陣512×512。掃描范圍自胸廓入口至膈肌水平。

1.4 圖像重建

兩組原始圖像數(shù)據(jù)分別用Karl 3DTM迭代算法和濾波反投影(filter back projection，F(xiàn)BP)算法進行圖像重建，獲得兩組的Karl 3DTM迭代重建圖像和FBP重建圖像；Karl迭代重建水平為5級，層厚為5 mm，層間距為5 mm，肺窗的窗寬為1200 HU，窗位-600 HU，縱膈窗的窗寬為400 HU，窗位為40 HU。

1.5 圖像質(zhì)量評價

1.5.1 客觀評價

繪制圓形感興趣區(qū)域(region of interest，ROI)，面積約為100～110 mm2，選取主動脈弓層面、氣管分叉層面分別測主動脈CT值及其標準差(standard deviation，SD)，并測量腋窩或胸背部皮下脂肪的CT值作為背景噪聲，計算信噪比(signal noise ratio，SNR)為公式1：

計算對比噪聲比(contrast noise ratio，CNR)為公式2：

圖像噪聲為主動脈標準差(SD)。

1.5.2 主觀評價

由2名醫(yī)生雙盲閱片法評價兩組Karl迭代重建圖像和FBP重建圖像質(zhì)量，意見不一致時商量決定。肺窗圖像通過中心肺動脈血管及支氣管、周圍肺血管及支氣管、主氣管以及肺裂的顯示進行評價，其中周圍肺血管支氣管定義為距離臟層胸膜面＜2 cm的血管支氣管；縱膈窗通過觀察主動脈、胸壁骨和肌肉邊緣的銳利程度及縱膈內(nèi)部結(jié)構(gòu)與周圍組織的對比程度來評價。評分標準為0～5分：①5分，解剖結(jié)構(gòu)邊緣清晰，無偽影；②4分，解剖結(jié)構(gòu)邊緣略模糊，無偽影；③3分，解剖結(jié)構(gòu)邊緣略模糊，有少量偽影；④2分，解剖結(jié)構(gòu)邊緣模糊，中量偽影；⑤1分，大量偽影，正常結(jié)構(gòu)中斷?！?分的圖像為臨床可以接受。

1.5.3 輻射劑量評價

記錄每次CT掃描的CT容積劑量指數(shù)(volume CT dose index，CTDIvol)和劑量-長度乘積(dose length product，DLP)。

1.6 統(tǒng)計學方法

(1)采用SPSS20.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析，客觀圖像質(zhì)量評價數(shù)據(jù)以均數(shù)±標準差(±s)表示，圖像噪聲、SNR和CNR的比較采用方差，同一劑量水平不同重建方法采用配對t檢驗，主觀圖像質(zhì)量評價采用Wilcoxon符號秩檢驗分析，以P＜0.05為有差異統(tǒng)計學意義。

(2)由兩位放射科醫(yī)師對圖像質(zhì)量評分一致性用非參數(shù)檢驗Kappa分析，Kappa值≥0.81為幾乎完全一致性，0.61～0.8為高度一致性，0.41～0.6為中等一致性，0.21～0.4為一般一致性，Kappa值≤0.20為極差一致性。

2 結(jié)果

2.1 兩組不同重建方法圖像噪聲、SNR和CNR比較

(1)120 kV組60名受檢者Karl 3DTM重建與FBP重建的主動脈弓層面、氣管分叉層面圖像的噪聲、SNR和CNR比較，差異有統(tǒng)計學意義(t主動脈弓=14.274，t=12.134，t=14.249；t氣管分叉=15.778，t=15.953，t=10.974；P＜0.05)，見表1。

(2)80 kV組60名受檢者Karl 3DTM重建與FBP重建的主動脈弓層面、氣管分叉層面圖像的噪聲、SNR及CNR比較，差異有統(tǒng)計學意義(t主動脈弓=18.676，t=20.916，t=24.142；t氣管分叉=10.658，t=12.335，t=19.945；P＜0.05)，見表2。

表1 120 kV組兩種重建方法圖像噪聲、SNR和CNR值比較(±s)

表1 120 kV組兩種重建方法圖像噪聲、SNR和CNR值比較(±s)

注：表中SNR為信噪比；CNR為噪聲比

2.2 兩組不同重建方法主動脈弓層面圖像噪聲、SNR和CNR值比較

兩組受檢者Karl 3DTM重建與FBP重建的主動脈弓層面圖像的噪聲、SNR及CNR比較，差異有統(tǒng)計學意義(tKarl3D=8.548，t=4.243，t=4.012；tFBP=10.370，t=4.950，t=5.649；P＜0.05)，見表3。

2.3 兩組不同重建方法氣管分叉層面圖像噪聲、SNR和CNR值比較

兩組受檢者Karl 3DTM重建與FBP重建的氣管分叉層面圖像的噪聲、SNR及CNR比較，差異有統(tǒng)計學意義(tKarl3D=10.337，t=6.304，t=6.259；tFBP=9.368，t=6.983，t=6.257；P＜0.05)，見表4。

2.4 圖像質(zhì)量主觀評價

由2位閱片醫(yī)師對圖像質(zhì)量的評價具有高度一致性(Kappa系數(shù)≈0.71)。兩組Karl 3DTM迭代重建和FBP重建圖像質(zhì)量等級評價見圖1。

圖1 兩組Karl迭代重建和FBP重建主動脈弓及氣管分叉層面圖像對比

2.5 兩組輻射劑量比較

120 kV組60名檢查者的平均CTDlovl和DLP分別為10.76 mGy和338.62 mGy·cm；80 kV組60名檢查者的平均CTDlovl和DLP分別為3.17 mGy和93.01 mGy·cm；80 kV組與120 kV組對比，CTDlovl和DLP分別下降70.54%和72.53%。

表2 80 kV組兩種重建方法圖像噪聲、SNR和CNR值比較(±s)

表2 80 kV組兩種重建方法圖像噪聲、SNR和CNR值比較(±s)

注：表中SNR為信噪比；CNR為噪聲比

表3 兩組不同重建方法主動脈弓層面圖像噪聲、SNR和CNR比較(±s)

表3 兩組不同重建方法主動脈弓層面圖像噪聲、SNR和CNR比較(±s)

注：表中SNR為信噪比；CNR為噪聲比；FBP為濾波反投影

表4 兩組不同重建方法氣管分叉層面圖像噪聲、SNR和CNR比較(±s)

表4 兩組不同重建方法氣管分叉層面圖像噪聲、SNR和CNR比較(±s)

注：表中SNR為信噪比；CNR為噪聲比；FBP為濾波反投影

3 討論

低劑量CT的圖像重建的本質(zhì)是噪聲抑制問題。傳統(tǒng)的FBP算法盡管重建速度快，可以滿足實時性，但對于噪聲和偽影較為敏感。吳巖等[5]用去噪能力較強的迭代重建技術(shù)彌補低管電壓的高噪聲，獲得了較好的圖像質(zhì)量。迭代重建算法是指在圖像處理過程中多次迭代，每次迭代所采集到的數(shù)據(jù)與計算機投影數(shù)據(jù)進行比較，從而改善圖像質(zhì)量[6-7]。為了減少低劑量CT的圖像噪聲，許多CT制造商都在推出各自的迭代重建技術(shù)，如GE公司的適應性統(tǒng)計迭代重建技術(shù)、Philips ICT的iDose4以及上海聯(lián)影公司的Karl 3DTM等。Karl 3DTM迭代重建技術(shù)是通過人體形態(tài)結(jié)構(gòu)學修正，分別在投影域、圖像域進行廣義梯度收斂迭代降低圖像噪聲，提高圖像信噪比。因此，研發(fā)新的重建算法來彌補低劑量CT掃描所致的圖像高噪聲，確保圖像質(zhì)量符合診斷要求，將是科研工作者的研究課題[8-9]。

本研究中，同一管電壓的CT原始數(shù)據(jù)采用Karl迭代算法和FBP算法重建圖像的噪聲、SNR及CNR均有顯著性統(tǒng)計學差異。120 kV組Karl 3DTM迭代重建圖像較FBP重建圖像的噪聲下降18.02%～19.29%，SNR、CNR分別提高23.86%～25.29%和22.75%～24.88%；80 kV組Karl 3DTM迭代重建圖像較FBP重建圖像的噪聲平均下降約為25.17%～25.82%，SNR、CNR分別提高31.60%～34.73%和31.16%～33.50%，與彭薇等[10]的實驗結(jié)果相近。本研究結(jié)果顯示，Karl迭代算法重建圖像在80 kV組中比120 kV組中降噪效果更為有效。

由于CT輻射劑量與管電流呈線性關系，與管電壓呈指數(shù)關系[11]。因此，降低管電壓比降低管電流更為有效的減少受檢者的輻射劑量，但是降低管電壓可使X射線的穿透力減弱，到達探測器的X射線光子數(shù)量減少，導致圖像的噪聲增加，在鄰近組織密度差異較大的肺尖部和肩背部會形成橫行線樣偽影。本研究結(jié)果顯示，當管電壓從120 kV降至80 kV時，輻射劑量CTDlovl和DLP分別下降70.54%和72.53%，圖像噪聲增加44.49%～64.89%。本研究結(jié)果顯示，Karl迭代算法重建圖像明顯優(yōu)于FBP算法重建圖像，80 kV組中60名受檢者迭代算法重建圖像均＞3級，符合臨床診斷要求，而FBP算法重建圖像中有1名為2級。

本研究存在一定的局限性：①未進行個體性差異(身體質(zhì)量指數(shù)、年齡、性別等)對圖像質(zhì)量和輻射劑量的相關性研究；②Karl迭代算法分9級，本組研究設定Karl迭代算法為5級，未進行與其他等級的迭代重建圖像對比，將有待于今后的進一步研究。

4 結(jié)論

采用80 kV管電壓聯(lián)合Karl 3DTM迭代重建技術(shù)能確保圖像質(zhì)量的同時，有效的降低輻射劑量。迭代重建算法需要CT機具有強大的運算能力，目前多數(shù)CT制造商只在64排以上高端CT機中配置。而上海聯(lián)影公司將Karl 3DTM迭代重建技術(shù)運用于普及型的16排CT機，本研究成果對于低管電壓聯(lián)合迭代重建技術(shù)在臨床上的應用具有重要意義。