全模型實時迭代重建技術對小豬腹部CT平掃及增強掃描圖像質量和輻射劑量的研究

李露露，趙小英，尚 瑾，宋 建，劉 斌

CT作為一種無創檢查方法，由于其密度分辨率高、成像速度快、操作方便等優點，在臨床中得到了廣泛的應用。然而，CT在臨床應用中的輻射劑量和潛在的致癌作用一直備受關注，兒童對電離輻射較成人敏感，兒童低劑量CT檢查研究一直是臨床和放射科醫師關注的熱點[1-2]。Revolution CT是由GE公司開發的最新一代CT，其獨特的全模型實時迭代重建(adaptive statistical iterative reconstruction-V，ASiR-V)可以在降低輻射劑量的同時提高圖像質量[3]。該研究觀察了ASiR-V對小豬腹部CT平掃和增強掃描圖像質量和輻射劑量的影響，探討了前后置ASiR-V的最佳組合，為臨床上兒童腹部CT掃描降低輻射劑量提供一定的經驗支持。

1 材料與方法

1.1 實驗動物小豬由安徽醫科大學實驗動物中心按照統一的實驗標準提供。經檢疫，10只雄性或雌性廣西巴馬小豬，2～3月齡，體質量20～30 kg，身長60～80 cm，均正常健康，經安徽醫科大學動物實驗倫理委員會批準。

1.2 CT檢查方法采用GE Revolution 256層CT掃描。小豬麻醉后，將小豬以仰臥位置于檢查床上，分別以0%、20%、40%、60%、80%、100%前置ASiR-V進行腹部平掃。掃描參數為管電壓120 kV，管電流自動調制(120～550 mA)，噪聲指數6，球管轉速0.28 s/r，掃描層厚和間距為5 mm。掃描范圍為膈上至恥骨聯合水平。腹部平掃結束后，小豬的腹部增強掃描分別使用100%、80%、60%、40%、20%和0%前置ASiR-V。雙筒高壓注射器以2.5 ml/s速率注射造影劑30 ml，隨即以相同速率跟隨30 ml生理鹽水沖管，掃描過程采用了自動曝光控制技術，ROI設于胸主動脈下段，自動觸發閾值為150 HU，觸發后延遲25 s行腹部增強掃描。共獲得12組圖像。

1.3 圖像分析

1.3.1圖像重建 圖像重建層厚和層間距均為1.25 mm。12組圖像分別加入后置ASiR-V重建，后置ASiR-V只能等于或者高于前置ASiR-V。前置ASiR-V0%時，后置ASiR-V分別使用0%、20%、40%、60%、80%、100%，0%ASiR-V重建即為濾波反投影(filtered back projection，FBP)；前置ASiR-V20%時，后置ASiR-V分別使用20%、40%、60%、80%、100%；前置ASiR-V40%時，后置ASiR-V分別使用40%、60%、80%、100%；前置ASiR-V60%時，后置ASiR-V分別使用60%、80%、100%；前置ASiR-V80%時，后置ASiR-V分別使用80%和100%；前置ASiR-V100%時，后置ASiR-V使用100%。共獲得42組圖像，其中平掃21組，增強掃描21組。

1.3.2客觀圖像質量評價 所有圖像均傳送至GE 4.7后處理工作站。由2名具有5年以上腹部CT閱片經驗、對圖像重建方法不知情的放射科醫師分別定量測量圖像感興趣區(region of interest, ROI)的CT值和客觀噪聲，客觀噪聲即為感興趣區內CT值的標準差(std deviation，SD)。ROI分別放置于腹主動脈、肝臟、背部肌肉、皮下脂肪、腎臟內。ROI的大小盡量保持一致，避開偽影區域。在連續3個相鄰層面中測量數據，取平均值。并計算對比噪聲比(contrast noise ratio, CNR)，CNR=[感興趣區CT值-背部肌肉的CT值]/SD。

1.3.3主觀圖像質量評價 由2名高年資放射醫師采用盲法對圖像質量進行評價，采用5分制評分。1分：圖像質量極差，無法診斷；2分：圖像較差，不符合診斷標準；3分：圖像質量中等，大致符合診斷標準；4分：圖像良好，可以達到診斷的要求；5分：圖像質量優、清晰，完全符合診斷標準。意見不一致時經協商達成統一。

1.4 輻射劑量評估記錄CT輻射劑量指數，包括CT劑量容積指數(CT dose index volume, CTDIvol)和劑量長度乘積(dose length product, DLP)、有效劑量(effective dose, ED)，按DLP計算ED, ED=DLP×k, k為組織權重因子，采用合適的腹部加權系數0.015 mSv/mGy。

2 結果

2.1 小豬腹部CT圖像所有小豬均麻醉成功，完成檢查。不同權重前后置ASiR-V，小豬腹部橫斷層圖像見圖1、2。

2.2 客觀圖像質量比較通過觀察所測ROI的CT值，在同一組前置ASiR-V時，隨著后置ASiR-V權重的增加，CT值沒有變化。隨著前置ASiR-V權重增加，CT值有一定程度的變化，多組間采用單因素方差分析。結果如表1所示。表明在平掃和增強掃描條件下，不同前置ASiR-V組CT值差異無統計學意義(P>0.05)。通過測得的ROC的SD值觀察，同組前置ASiR-V中，隨后置ASiR-V權重增加，SD逐漸減低，而CNR值無變化或增加。以背部肌肉為例，不同前置ASiR-V聯合不同后置ASiR-V重建下的背部肌肉SD值見圖3。

2.3 主觀圖像質量比較平掃主觀評分見圖4，增強主觀評分見圖5，為了更直觀的觀察、對比主觀評分，圖4及圖5中柱狀圖的相同顏色代表同一后置ASiR-V。主觀評分在同組前置ASiR-V(0～60%)下，隨著后置ASiR-V(0～60%)權重增加，主觀評分增加，且均>3分；在同組前置ASiR-V(0～60%)下，當后置ASiR-V(80%～100%)，圖像質量較差，無法滿足診斷；當前置ASiR-V(80%～100%)，圖像質量較差，無法滿足診斷。使用Mann-WhitneyU檢驗比較相應組合的主觀評分差異，結果顯示，平掃時，40%前置ASiR-V結合60%后置ASiR-V主觀評分與0%前置ASiR-V結合60%后置ASiR-V差異沒有統計學差異(Z=-0.457,P=0.648)，60%前置ASiR-V結合60%后置ASiR-V主觀評分低于0%前置ASiR-V結合60%后置ASiR-V，差異有統計學意義(Z=-3.199,P=0.001)。增強掃描時，60%前置ASiR-V結合60%后置ASiR-V主觀評分與0%前置ASiR-V結合60%后置ASiR-V差異無統計學意義(Z=-0.951,P=0.342)。

圖1 平掃時不同前后置ASiR-V下小豬圖像

A：0%前置ASiR-V結合0%后置ASiR-V，即FBP圖像。ROI如1A所示，使用后處理工作站克隆功能，在其他不同前后置ASiR-V圖像上用相同的ROI測CT值及SD值；B：0%前置ASiR-V結合40%后置ASiR-V；C：0%前置ASiR-V結合60%后置ASiR-V；D：40%前置ASiR-V結合40%后置ASiR-V；E：40%前置ASiR-V結合60%后置ASiR-V；F：40%前置ASiR-V結合80%后置ASiR-V；G：60%前置ASiR-V結合60%后置ASiR-V；H：60%前置ASiR-V結合80%后置ASiR-V；I：60%前置ASiR-V結合100%后置ASiR-V

表1 平掃及增強時不同前置ASiR-V組CT值比較

圖2 增強掃描時，不同前后置ASiR-V下小豬圖像

A：0%前置ASiR-V結合0%后置ASiR-V，即FBP圖像；B：0%前置ASiR-V結合40%后置ASiR-V；C：0%前置ASiR-V結合60%后置ASiR-V；D：40%前置ASiR-V結合40%后置ASiR-V；E：40%前置ASiR-V結合60%后置ASiR-V；F：40%前置ASiR-V結合80%后置ASiR-V；G：60%前置ASiR-V結合60%后置ASiR-V；H：60%前置ASiR-V結合80%后置ASiR-V；I：60%前置ASiR-V結合100%后置ASiR-V

圖4 不同前置ASiR-V聯合不同后置ASiR-V重建下平掃主觀得分

2.4 輻射劑量比較通過比較不同組前置ASiR-V的CTDIvol、DLP、ED，隨前置ASiR-V權重增加，小豬所受的輻射劑量逐漸減低，采用Friedman檢驗分析多組間的CTDIvol、DLP、ED值，結果見表2，輻射劑量差異有統計學意義(P<0.05)。平掃時，隨著前置ASiR-V20%、40%、60%、80%、100%權重增加，輻射劑量分別下降約13.96%、31.61%、53.30%、69.09%、75.84%。增強掃描時，隨著前置ASiR-V20%、40%、60%、80%、100%權重增加，輻射劑量分別下降約11.56%、27.96%、48.90%、68.88%、77.09%。

表2 平掃及增強時不同前置ASiR-V下輻射劑量比較

圖5 不同前置ASiR-V聯合不同后置ASiR-V重建下增強主觀評分

3 討論

降低CT輻射劑量的方法有降低管電壓和電流，自動管電流調制和自動千伏選擇，但是這樣會提高圖像噪聲，進而影響圖像質量。FBP重建算法是一種傳統的CT圖像重建方法，由于其速度快、方便等優點，在臨床上得到了廣泛的應用，但其圖像噪聲較大，輻射劑量較高。近年來，一些迭代重建(iterative reconstruction, IR)技術與基于相同CT數據重建圖像時的FBP相比，能夠顯著降低圖像噪聲[4]。自適應統計迭代重建(adaptive statistical iterativere construction, ASiR)是臨床最早可用的IR之一，然而，很大比例的ASiR混合會產生人造紋理或斑點外觀[5]。ASiR-V作為一種新推出的迭代重建技術，具有降噪、消除偽影、減少輻射劑量、增強對比度檢測、計算速度快等優點[6-7]。ASiR-V既可通過前置迭代調節管電流直接降低輻射劑量，又可以通過后置迭代降低圖像噪聲而間接降低輻射劑量。本次研究通過觀察小豬腹部CT平掃及增強掃描中ASiR-V對圖像質量和輻射劑量的影響，從而獲得應用于兒童腹部掃描中前、后置ASiR-V的最優組合方式。由于本實驗設計需要反復進行CT掃描，且總輻射劑量較大，因此選擇了動物模型。小豬的生理機能與人類的相似，尤其與兒童結構相似，巴馬小豬可以用來觀察和評估圖像[8]。增強掃描時，為避免掃描時間延長導致造影劑濃度略有降低對結果的影響，將前置ASiR-V權重設置為100%、80%、60%、40%、20%、0%進行掃描。

本次研究結果顯示，前置ASiR-V一定時，隨后置ASiR-V升高，SD逐漸降低，臟器及血管CNR逐漸升高。觀察主觀評分表，發現當前置ASiR-V(0%-60%)一定時，隨著后置ASiR-V(0-60%)升高，圖像主觀評分無明顯改變或增加，圖像質量較好；而當前置ASiR-V為80%、100%時，或者后置ASiR-V為80%、100%圖像，圖像分辨率較差，圖像主觀評分下降，圖像內臟器及血管過于光滑，實質性臟器顆粒過于細膩，甚至出現臘狀偽影，這與既往的一些研究結果一致[9-10]。隨著前置ASiR-V權重(0～100%)增加，ED降低，小豬所受的輻射劑量降低，且差異有統計學意義(P<0.05)。結合圖像主觀評分及輻射劑量，平掃時，40%前置ASiR-V結合60%后置ASiR-V推薦臨床使用，輻射劑量降低約31.61%；增強掃描時，60%前置ASiR-V結合60%后置ASiR-V推薦臨床使用，輻射劑量降低約48.9%。

在本次實驗中，腹部CT圖像質量的主觀評分是對整體圖像的準確性評價，而不是具體病變的診斷的準確率。在平掃中40%前置ASiR-V結合60%后置ASiR-V，在增強掃描中60%前置ASiR-V結合60%后置ASiR-V，腹腔內臟器及血管結構清晰，分辨率好。目前，ASiR-V被發現可以應用于多種CT檢查，例如，Afadzi et al[11]的研究表明，由于胸部具有天然的高對比度，與FBP重建相比，ASiR-V增強了所有超低劑量測試的定量圖像質量，因此，ASiR-V可能有助于提高超低劑量下胸部CT的成像質量。Lee et al[12]的研究表明，與FBP常規劑量方案相比，ASiR-V低劑量CT在不影響圖像質量的前提下，對評估腹部多器官損傷是有效的。但是關于低劑量CT聯合ASiR-V算法在肝臟疾病診斷中仍存在一些爭議。Jensen et al[13]的研究表明，CT對結直腸癌肝轉移的評估受到適度輻射劑量減少的影響，當輻射劑量減少50%時，使用迭代重建不能維持觀察者的診斷準確率。小的肝臟轉移灶在低劑量CT掃描時容易被忽略。但是，也有研究表明，低劑量CT掃描方案聯合50%ASiR-V迭代重建獲得的門脈期CT圖像與常規劑量聯合40%ASiR重建獲得的門脈期CT圖像具有相似的圖像噪聲、主觀圖像質量評分，并且降低了35%的輻射劑量[14]。有關腹部體模的研究顯示前置40%ASiR-V圖像質量較好，前置40%～60%ASiR-V圖像可滿足基本診斷要求，可以降低輻射劑量[15]。在本實驗中顯示ASiR-V可以在不影響圖像質量的前提下降低輻射劑量，小豬腹部組織清晰，CNR較好。