濾波反投影法與自適應迭代法關于雙低兒童胸部CT增強體模的圖像質量評估

胡立偉，朱亞新，劉阿利，杜雋，曹少平，鐘玉敏

1. 上海交通大學醫學院附屬上海兒童醫學中心 a. 放射科；b. 設備科，上海 200127；2. 佳能醫療系統 臨床研究部，北京 100015

引言

低劑量掃描方案和圖像質量是長期臨床CT研究中的熱點和難點。近年來兒童的CT輻射劑量受到了廣泛關注。有報道顯示在0～19歲非輻射暴露人群與接收CT檢查的人群比較，CT掃描人群10年后的患癌比例升高[1]。隨著影像技術的發展，絕大多數的檢查已采用低輻射劑量掃描條件結合迭代重建技術（Adaptive Iterative Dose Reduction，AIDR）對圖像進行處理，降低CT圖像噪聲優化圖像質量。國外也有通過胸圍和BMI值設計低劑量掃描參數的報道[2]。然而兒童患者的體型差異大，對于嬰幼兒的輻射劑量優化是臨床上一直忽視的問題。本研究使用3D打印的方法構建1歲兒童胸廓體模，探討低濃度造影劑，低劑量掃描參數結合迭代算法對于評估雙低胸部增強CT的可行性研究。

1 材料與方法

1.1 一般材料

采用聚氨酯和磷酸三（2-氯乙烯）混合材料（T600Pro，三維創導，中國）設計并打印了一個擬人化的1歲3D打印兒童胸部模型，直徑為50 mm體模，體模包括心臟組件、胸部組件、脊柱組件和血管組件[3]。胸廓模型本體的內壁面沿胸圍方向閉合的周面且圍成仿真胸腔；脊柱模型安裝于所述仿真胸腔內，血管組件是模擬心臟內配備6組含有不同碘濃度的試管（圖1）。其軟組織的X線衰減性能與人體組織等效。將盛有不同濃度稀釋碘造影劑270 mgI/mL（威視派克）和生理鹽水混合成不同濃度碘造影劑，通過5.29 mg/mL配置常規的CT值后，按比例注入生理鹽水配置低濃度的造影劑溶液。從 0.89到 5.29 mg/mL（0.89、1.78、2.67、3.55、4.42、5.29 mgI/mL）的塑料試管（10 mL 封閉后置于上述體模內的圓孔里，用來模擬增強時的心臟血管結構。

圖1 設計并打印擬人化1歲兒童胸部模型

1.2 儀器與方法

將模型在320排CT掃描儀（Aquilion One Vision，Canon，Japan）選用低管電壓（80 kV）和固定管電流（13、16、19、22、24、27 mAs）下進行volume掃描，掃描范圍由胸廓入口至膈肌水平。球管旋轉速度0.275 s/周，層厚1 mm，層間隔為0。對于兒童體模，設定三種不同的后重建算法濾波反投影法（Filter Back Projection，FBP），AIDR 3D，AIDR 3D Strong。

1.3 圖像處理與分析

使用Canon工作站分別測量6組不同造影劑濃度試管內中造影劑的噪聲、CT值和對比噪聲比（Contrast to Noise Ratio，CNR）。具體方法為在6組不同濃度造影劑圖像中，選定相同層面，分別測量試管的CT值，測量時設置感興趣區面積為35 mm2。重復測量3次取平均值。背景噪聲的平均值為該體模中接近軟組織CT值噪聲。CNR的計算公式為CNR=|試管內CT值-背景組織CT值|/SD，其中CT值指6個試管內的CT值，背景的CT值是接近軟組織CT值噪聲，SD指背景的標準差（圖2）。

圖2 不同算法測量不同碘濃度的管狀體和模型肌肉

1.4 圖像評分

由兩個影像科醫生探討3種不同后重建方法的圖像進行雙盲評分。主觀評價由縱隔窗所顯示的試管結構的對比度、清晰度及噪聲1分為圖像質量差（噪聲大，偽影重，組織結構顯示不清），完全不能用于診斷；2分為圖像質量較差（噪聲較大，組織結構顯示欠清），不能完全達到診斷要求；3分為圖像質量中等（噪聲較小，組織結構顯示尚清），基本達到診斷要求；4分為圖像質量良好（噪聲小，組織結構顯示較清楚）可以達到診斷要求；5分為圖像質量優（噪聲極小，組織結構顯示清晰），滿足診斷要求。

1.5 統計學分析

采用Graphpad 5.0軟件進行統計學分析。計算試管內CT值以及噪聲的平均值和標準差，并且計算三種不同圖像處理方法的CNR。P<0.05表示有統計學意義。

2 結果

相對于FBP法，AIDR 3D在相同劑量水平下有效降低圖像噪聲。采用AIDR 3D Strong算法對80 kV和13、16、19、22 mAs兒童胸部模型圖像提高明顯（圖3）。在低輻射劑量不同碘濃度的試管主觀評分中，AIDR 3D Strong優于其他兩種后重建算法（AIDR 3D Strong：3.85±0.39，AIDR 3D：3.54±0.46，FBP：3.17±0.68）。同時，兩個觀察者對數據有很好的一致性（r=0.81）。與相同的低劑量方案相比，使用AIDR 3D Strong重建碘化造影劑（4.42 mgI/mL）的CNR值高于FBP重建碘化造影劑（5.29 mgI/mL）（圖3）。

3 討論

兒童的輻射劑量是臨床CT檢查中值得關注的問題。近年來，通過降低管電壓、管電流已逐步降低了檢查的輻射劑量，但隨著噪聲的增加，導致圖像質量已影響到臨床診斷[4]。迭代重建算法可有效降低圖像噪聲和偽影并且提高對比度，但目前對于兒童胸部CT增強迭代算法比例的選擇還沒有統一的標準[5-6]。本研究通過設計接近兒童X線衰減性能的3D打印胸部模型，通過比較3種不同圖像重建算法。評價其在CT胸部增強掃描中，優化圖像質量和臨床應用的潛在價值。

圖3 用差分算法比較不同濃度的CNR

目前，3D打印技術在醫院模型的構建和手術規劃中已有廣泛的應用，并且定制的解剖結構模型有很好的準確性和可重復性[7]。Jahnke等[8]首次提出3D打印標準化的成人增強CT腹部模型。國外學者研究發現嬰兒體模在CT圖像質量和劑量優化有重要的研究價值[9]。本研究中，我們發現在低劑量掃描方法下，使用AIDR 3D Strong的圖像質量明顯優于其他兩種圖像重建算法[10]。同時，在此方法下4.42 mgI/mL試管的CNR高于FBP重建碘化造影劑，意味著相同造影劑濃度下使用AIDR 3D Strong算法可以有效降低16%的造影劑濃度。這為未來針對兒童胸部增強CT掃描提供了可行的預掃描方案[11-13]。

本研究存在一些局限性：① 由于本模型是一個造影劑增強模型，目的是模擬仿真兒童增強胸部CT衰減程度，本研究沒有和標準兒童物理體模（Model 704-D）進行對比[14-16]；② 由于3D打印直寫成型技術的局限性，兒童腹部模型沒有打印CT圖像提取的肋骨部分，這對于模型圖像的CT值和對比噪聲比計算會存在差異；③ 3D打印CT增強胸部體模還不能完全代替臨床研究，需要收集臨床病例使AIDR更凸顯優化圖像質量和低劑量的潛在價值[17-19]。

4 結論

相比FBP，AIDR 3D Strong顯著降低了圖像噪聲，提高圖像質量。對于兒童CT掃描在低輻射劑量下，有進一步降低造影劑的濃度的可能。兒科胸部模型驗證可嘗試多種低濃度碘化造影劑和低劑量掃描，優化CT掃描方案。