多模型迭代重建對胸部體模CT圖像質量的影響

劉小琴，李小虎，束宏敏，趙 韌，束晶葦，胡 翀，宋 健，劉 斌，余永強

CT掃描技術自問世以來，降低掃描輻射劑量與提高圖像質量一直是研究進展過程中備受關注的兩個重點。通常，降低管電壓及管電流可以在一定程度上降低掃描輻射劑量[1-2]，但是往往會導致圖像質量的下降[3]。迭代重建通過對圖像原始投影、圖像切片投影或兩者同時進行多次迭代數據重建，在保持圖像細節的同時降低圖像噪聲，改善圖像質量。與傳統的解析算法如濾波反投影法(filtered back projection，FBP)相比，迭代算法突破了解析算法在降低劑量輻射方面的限制。隨著計算機處理技術的發展，迭代算法正在逐步取代解析算法。2014年GE公司推出了基于多模型的迭代重建技術(adaptive statistical iterative reconstruction Veo，ASiR-V)，其在運算時同時運用了系統噪聲模型、物體和物理模型，目的在于降低噪聲、提高密度分辨率、抑制偽影。現通過噪聲及主觀評分探討ASiR-V對于胸部CT圖像質量的影響。

1 材料與方法

1.1 儀器與方法采用GE revolution 256排CT對仿真體模(成都華科)進行掃描，體模內部仿真材料X線衰減性能等效于真實人體軟組織及骨骼組織。掃描參數如下：管電壓120 kV，管電流采用自動毫安秒計數，螺距：0.992 ∶1，噪聲指數(noise index，NI)值14，前置ASiR-V權重分別設置為0%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%。在對不同權重前置ASiR-V圖像質量進行評估后，分別在前置關閉(ASiR-V權重為0%)，縱膈窗及肺窗主觀評分均達到最佳(ASiR-V權重為30%)，縱膈窗及肺窗均能滿足診斷的最高前置權重(ASiR-V權重為60%)基礎上，依次重建后置ASiR-V權重間隔為10%(0%～100%)的圖像。不同百分比代表迭代重建所占比例，0%代表完全采用FBP算法，100%代表完全采用ASiR-V算法。圖像重建類型選擇標準算法，重建層厚1.25 mm。

1.2 圖像質量評價

1.2.1客觀測量 將胸部體模圖像傳至AW4.6工作站進行觀察，在軸位CT圖像上選取上、中、下3個層面，分別為胸鎖關節層面、肺靜脈層面、近膈肌層面，每個層面上分別于雙側肺野、主動脈、脊柱旁軟組織及椎體各放置一個感興趣區(region of interest，ROI)(100 mm2)，每個圖像對應的所有ROI位置保持一致，記錄各ROI的CT值及SD值。肺組織、主動脈、脊柱旁軟組織及椎體的CT值及SD值結果取3個層面的平均值。所有數據測量均由同一名放射科醫師完成。

1.2.2主觀評估 由2名具有5年以上工作經驗的放射科醫師對圖像進行主觀評價，分別在縱膈窗(窗寬350、窗位40)及肺窗(窗寬1000、窗位-600)觀察，得出主觀評分。評分標注如下：1分：圖像質量差，完全不能用于臨床診斷；2分：圖像質量較差，不能完全達到臨床診斷要求；3分：圖像質量中等，基本達到臨床診斷要求；4分：圖像質量良好，可以達到臨床診斷要求；5分：圖像質量優，完全滿足在臨床診斷要求。≥3分的圖像才可以應用于臨床診斷。當2名醫師意見不一致時共同商討決定。

2 結果

2.1 前置ASiR-V權重對于圖像質量的影響隨著前置ASiR-V權重的變化，圖像的主觀評分有所改變。在前置ASiR-V權重為0%～80%之間時，肺窗的圖像主觀評分≥3分，而縱膈窗圖像在0%～60%之間。肺窗及縱膈窗的圖像主觀評分均在前置ASiR-V權重為30%時達到最佳狀態(5分)。隨著前置ASiR-V權重的變化，不同組織CT值及SD值未見明顯差異。見圖1、2。圖像的主觀評分見表1。前置ASiR-V權重分別為0%、30%、60% 時縱膈窗顯示軟組織圖像清晰，肺窗顯示肺紋理脈絡分明，見圖3A～C、3E～G。當前置ASiR-V權重為100%時縱膈窗出現明顯蠟條樣偽影，肺窗顯示胸膜下細小結構邊緣模糊，圖像質量明顯變差，見圖3D、3H。

2.2 后置ASiR-V權重對于圖像質量的影響對前置ASiR-V權重為0%、30%、60%的3組原始數據進行后置ASiR-V的重建。隨著后置ASiR-V的增加，脊旁軟組織、椎體及主動脈的SD值均呈明顯下降趨勢，肺組織的SD值及各組織CT值均未呈現明顯變化趨勢。見表2、3。以前置ASiR-V權重為0%組為例，各組織SD值隨后置ASiR-V增加的變化趨勢見圖4。在前置ASiR-V為0%組，當后置ASiR-V設置為50%、100%時，相比于后置ASiR-V為0%的圖像，脊旁軟組織的SD值分別下降0.41、0.80，椎體的SD值分別下降0.37、0.69，主動脈的SD值分別下降0.41、0.78。類似的，在前置ASiR-V為30%組，脊旁軟組織的SD值分別下降0.41、0.78，椎體的SD值分別下降0.34、0.65，主動脈的SD值分別下降0.41、0.78。在前置ASiR-V為60%組，脊旁軟組織的SD值分別下降0.51、0.77，椎體的SD值分別下降0.35、0.68，主動脈的SD值分別下降0.49、0.80。在前置ASiR-V為0%及30%的2組圖像中，當后置ASiR-V權重在0%～80%時，圖像的縱膈窗及肺窗的主觀評分較好，能滿足診斷需求。在前置ASiR-V為60%組， 后置ASiR-V權重在60%～80%時，圖像的縱膈窗及肺窗的主觀評分較好，能滿足診斷需求。

圖1 CT值隨前置ASiR-V權重增加變化的趨勢

圖2 SD值隨前置ASiR-V權重增加變化的趨勢

表1 不同權重前置ASiR-V下縱膈窗及肺窗的主觀評分比較(分)

圖3 不同前置權重下縱膈窗和肺窗的影像

表2 不同前置ASiR-V條件下各組織隨后置變化的SD值

表3 不同前置ASiR-V條件下各組織隨后置變化的CT值

3 討論

在CT成像的過程中，干擾有效信號的噪聲無法避免。迭代重建運用的噪聲模型通過采用多種數學方法對噪聲的特性進行描述和表達，從而實現對噪聲的控制，并在圖像噪聲一定的情況下降低輻射劑量，盡可能生成可以接受的圖像[4-6]。早期的自適應統計迭代重建(adaptive statistical iterative reconstruction，ASiR)運算時僅納入系統噪聲模型。基于模型的迭代算法(model based iterative reconstruc-

圖4 不同組織SD值變化趨勢

tion，MBIR，商品名Veo)在噪聲模型之外，納入了光學、物體及物理模型[7]。其中，系統光學模型作用在于提高空間分辨率，但增加了運算的時長，限制了MBIR在臨床的投入使用。與ASiR和MBIR相比，ASIR-V包含改進的噪聲和對象建模[8]，改善了高權重ASIR時容易出現的蠟條樣偽影，在降低噪音和提高對比度方面作用優于ASiR[9]，同時由于在建模過程中排除了復雜的系統光學，使得ASIR-V可以以接近ASIR的重建速度獲得接近MBIR的的重建圖像。作為一種新的迭代重建技術，GE revolution CT的多模型迭代重建有前置和后置兩種模式，前置可以在維持圖像質量條件下直接降低輻射劑量，后置雖然不能直接降低輻射劑量，但是可以在不影響圖像質量的前提下，可聯合高的NI值以降低一定輻射劑量[10-11]。

CT圖像質量評估包括主觀和客觀2個方面。本研究的結果表明，胸部CT圖像的客觀指標隨著前置ASiR-V權重的增加并沒有明顯變化，但是當前置權重增加到一定程度時圖像主觀評分開始下降，部分不能滿足診斷，考慮是因為過高的ASiR-V權重會導致臘條樣偽影及模糊效應[7]。 顏利輝 等[12]的一項針對體模及120例患者的同類型研究的結果顯示，縱隔窗圖像在前置ASiR-V權重為40%之前，肺窗圖像在80%之前圖像主觀評分均≥3分，并推薦胸部ASIR-V掃描的權重設置在40%。此外，顏利輝等[12]指出，肺窗的合適權重范圍較縱膈窗寬，對于體檢病人或者以肺組織病變檢出為主要目的的病人，ASIR-V前置權重可以設置到80%。從本研究結果來看，雖然肺窗及縱膈窗的主觀評分在30%達到最佳，但是考慮到前置ASiR-V會降低掃描的輻射劑量，為了兼顧質量及劑量2個要素，胸部CT掃描ASiR-V適宜前置的權重建議在60%，與前者的結果接近。

在前置條件固定的前提下，后置ASiR-V權重的增加會改善圖像客觀指標，即除肺組織以外其他組織SD值均呈明顯下降趨勢。然而當后置ASiR-V的權重過高或過低時，所得圖像的主觀評分會有所下降，無法用于臨床診斷。本研究在前置為0%組中，當后置ASiR-V權重高于80%時，圖像質量的主觀評分不再滿足于臨床診斷需求，對比與楊利莉 等[13]的體模研究指出的在NI值預設為10，HD-LUNG重建方式下，20%～70%圖像肺窗才能滿足診斷的結果存在的差異，考慮是因為重建類型及預設NI值也會影響圖像質量。另外，本研究結果中關于肺組織的SD值隨后置權重的增加呈穩定狀態，與腹部及胸部的同類研究中的結果存在差異[10, 13]，可能是因為在本研究中，重建圖像的噪聲對測得肺組織SD值貢獻較小，尚存在其它更顯著因素，比如ROI內包含的肺間質及紋理過少，肺組織本身的不均質性，不同實驗采用的體模材質的差異有關。

本研究尚存在一些不足之處：① 數據量少，僅限于體模研究，未涉及臨床患者；② NI值固定，不能體現后置ASiR-V的優勢，即結合高NI值在降低輻射劑量的同時提高圖像質量。在后面的研究中需要進一步擴充樣本量，此外，可以預設不同的管電壓及NI值，探究ASiR-V技術下胸部CT圖像質量與輻射劑量的最佳平衡點。綜上，過高的ASiR-V權重設定，無論是前置還是后置模式，都會損害圖像質量，合適的權重選擇對于ASiR-V重建技術下的圖像質量至關重要。