不同重建算法對低劑量頭頸部CTA掃描圖像質量的影響

齊天白侯珺琳

不同重建算法對低劑量頭頸部CTA掃描圖像質量的影響

齊天白①侯珺琳①

目的：在頭頸部低劑量血管造影(CTA)掃描后對得到的原始圖像運用不同重建方法，即濾波反射投影(FBP)、自適應統計迭代(ASIR)和基于模型迭代重建(MBIR)獲得的圖像進行比較，探討不同重建方法對頭頸低劑量CTA掃描圖像質量的影響。方法：選取30例行頭頸部CTA檢查的患者，應用寶石能譜CT進行頭頸掃描，將管電壓設置為低劑量80 kVp，于肘靜脈以4 ml/s速度注射60～80 ml對比劑(350 mg I/ml)，其余參數選擇常規參數。對所得原始圖像分別使用FBP、60%ASIR和MBIR進行重建，對三組重建獲得的圖像質量進行評分和比較，并做相應的統計學分析。結果：運用不同重建方法FBP、60%ASIR和MBIR，得到的圖像噪聲、對比噪聲比以及圖像質量主觀得分結果顯示：①圖像噪聲，MBIR組＜60%ASIR組＜FBP，且差異顯著；②對比噪聲比，MBIR組＞60%ASIR組＞FBP，且差異顯著；③圖像主觀評分，MBIR組＞60%ASIR組＞FBP，且差異明顯。結論：在寶石CT下的頭頸部CTA使用低劑量結合三組不同重建算法獲得的圖像中，MBIR重建獲得的圖像噪聲最低，圖像質量最好，具有臨床診斷意義。

寶石能譜CT；低劑量；頭頸部血管成像；圖像質量；重建方式

目前，腦血管疾病已經是威脅人類健康安全的第一大殺手，頭頸部X射線計算機斷層成像(computed tomography，CT)血管造影(computed tomographic angiography，CTA)是篩查頸腦血管性疾病的重要檢查方法，具有時間和空間分辨率高、掃描速度快、覆蓋容積范圍大、檢查時間短和易于臨床診斷等優點[1-3]。據有關報道，CT照射劑量當量每增加1 Sv，致癌風險增加超過3.5%[4]。因此，在CT檢查過程中，有效降低射線劑量是醫療研究的難題[5]。以往放射技師會通過優化掃描參數、加強防護措施來保護受檢患者，較少出現在降低劑量后通過重建方式的改變而不影響圖像質量的情況。本研究應用寶石CT行頭頸部CTA低劑量掃描中分別采用濾波反射投影技術(filtered back projection，FBP)、自適應統計迭代重建(adaptive statistical iterative reconstruction，ASIR)[6]和基于模型的迭代重建(model-based iterative reconstruction，MBIR)[7]三種不同重建算法得到圖像，并對比三組圖像噪聲、對比噪聲比以及圖像質量，探討上述三種重建算法在低劑量掃描下對頭頸CTA圖像質量的影響，從而研究低劑量頭頸CTA的可行性。

1 資料與方法

1.1 一般資料

選取2014年5-12月湖州市第三人民醫院30例行頭頸部CTA檢查的患者，其中男性19例，女性11例；平均年齡(57.2±4.1)歲；體質量指數(23.1±4.1)kg/m2。30例患者中腦梗塞6例，腦出血8例，腦供血異常2例，不明原因頭暈14例。本研究經醫院倫理委員會批準，所有患者均簽署知情同意書。

1.2 納入與排除標準

(1)納入標準：病情較輕，均需進行頭頸部CTA診斷，且無其他嚴重并發癥。

(2)排除標準：腎功能障礙、對碘對比劑過敏反應者。

1.3 儀器與材料

采用Discovery 750HD型寶石能譜CT(美國GE公司)對30例患者行頭頸部CTA檢查。

1.4 檢查方法

檢查前患者需禁食，并于檢查前、后大量飲水。低血糖癥狀患者可大量飲用牛奶。

將管電壓設置為80 kVp，分別于肘靜脈以4 ml/s速度注射60～80 ml對比劑(歐乃派克350 mgI/ml)；管電流設置為250 mA，噪聲指數NI=12，準直寬度40 mm，機架轉速0.4 s/r，螺距0.984∶1。采用CT進行掃描，對所得原始圖像分別使用FBP、60%ASIR[8]和MBIR進行重建，得到3組圖像質量參數。

1.5 觀察與評價指標

由客觀數據結合主觀評分法共同完成。

(1)客觀數據獲得：將所有試驗的圖像傳至AW4.5工作站，分別以曲面重建(curved plannar reconstruction，CPR)、容積再現(volume rendering，VR)、多平面重組(multi-planar-reformatting，MPR)顯示。對比噪聲比采用水平頸總動脈與頸部軟組織作為記錄，在每例圖像的頸總動脈和頸部軟組織密度均勻區域分別設置感興趣區域(region of interest，ROI)，以被測密度的標準差(standard deviation，SD)作為圖像噪聲(以下用SD＋部位表示)。然后在同樣ROI區域，獲得兩者的CT值(以下用CT+部位表示)。通過公式對比噪聲比(contrast to noise，CNR)進行計算。其計算為公式1：

然后再設置一個ROI：大腦中動脈，得到CT腦動脈和SD腦動脈。算出3個ROI的圖像噪聲平均值為SD。

(2)主觀評價法：對圖像質量作出評分。主觀評價法由2位5年以上放射經驗的主治醫師采用4分制進行評估[9]。其標準為CT值350～500 HU、圖像清晰無陰影、血管分支4級以上，全程血管強化均勻：①4分，完全符合診斷要求，圖像細膩，血管密度高、邊緣平滑，血管顯示4級以上分支；②3分，基本符合診斷要求，圖像清晰，血管密度較高、邊緣平滑，血管顯示3級以上分支；③2分，可診斷，但較困難，血管密度較淡、邊緣較平滑，主干可顯示，血管顯示3級分支；④1分，不能達到診斷要求，血管密度淡、邊緣毛糙，血管顯示3級以下分支。

1.6 統計學方法

所有30例患者收集的數據錄入Excel 2003，采用SPSS 10.0統計學軟件對3組圖像質量參數分別進行雙樣本t檢驗，以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

運用不同重建方法FBP、60%ASIR和MBIR可得到圖像噪聲、對比噪聲比以及圖像質量主觀得分。其中：①FBP組和60%ASIR組圖像平均噪聲、對比噪聲比以及圖像主觀評分相比，差異有統計學意義(t=10.23，t=7.58，t=14.41；P＜0.05)；②FBP組和MBIR組圖像平均噪聲、對比噪聲比以及圖像主觀評分相比，差異有統計學意義(t=12.65，t=11.32，t=17.29；P＜0.05)；③60%ASIR組和MBIR組圖像平均噪聲、對比噪聲比以及圖像主觀評分相比，差異有統計學意義(t=5.51，t=7.33，t=8.98；P＜0.05)。綜上得出：噪聲水平比較MBIR組＜60%ASIR組＜FBP，對比噪聲比比較MBIR組＞60%ASIR組＞FBP，主觀評分比較MBIR組＞60%ASIR組＞FBP(見表1、表2和表3)。

表1 不同重建方法FBP和60%ASIR所得圖像質量參數比較(x-±s)

表2 不同重建方法FBP和MBIR所得圖像質量參數比較(x-±s)

表3 不同重建方法60%ASIR和MBIR所得圖像質量參數比較(x-±s)

本研究從入選的30例患者中隨機抽取1例患者，從圖像質量上直觀對比下，如圖1所示。圖1A、1B、1C為同一患者的冠狀重建圖，其中A為使用了MBIR重建；B為使用了60%ASIR重建；C為使用了FBP重建。其中圖1A完全符合診斷要求，圖像細膩，邊緣平滑；圖1B基本符合診斷要求，圖像較清晰；圖1C診斷較困難，血管密度較淡、邊緣較平滑，噪聲較圖1A和B要高很多，三者圖像質量差異顯著。圖2A、2B、2C均為同一患者的頭顱血管圖，如圖2所示，其中圖2A為使用了MBIR重建；圖2B為使用了60%ASIR重建；圖2C為使用了FBP重建。其中圖2A完全符合診斷要求，圖像細膩，邊緣平滑；圖2B基本符合診斷要求，圖像較清晰，但存在偽影；圖2C診斷較困難，血管密度較淡、邊緣較平滑，噪聲較圖2A和圖2B要高很多。三者圖像質量差異顯著。

圖1 同一患者運用不同重建方法得到的冠狀重建圖

圖2 同一患者運用不同重建方法得到的頭顱血管圖

3 討論

頭頸部CTA在臨床上使用十分普遍，隨著新的重建算法的發展，低輻射劑量掃描已成為可能[10]。目前，臨床上主流重建算法是FBP[11-12]。FBP重建速度很快，但對于原始數據的處理設計過于簡單，其通過對掃描過程中所接受的X光子的數量來進行圖像噪聲計算。對于低劑量掃描圖像來說，FBP接受從任意角度投影的X光子數據，并均認為其有效。這一算法忽略了掃描中的一些無效的量子噪聲及電子噪聲對圖像的影響，使圖像噪聲值均勻擴展至各個部位的圖像噪聲中，噪聲明顯增高。

本研究采用的GE Discovery 750HD型寶石能譜CT配置了ASIR平臺，目前ASIR算法在國內外有著廣泛應用，且在人體各個器官均有不同的進展。首先通過建立噪聲性質和被掃描物體的模型，在原始數據空間通過精確模型進行運算，引入統計信息，在噪聲強度一致的情況下可以盡可能的降低掃描強度[13]。ASIR將光學原理理想化，假設相近兩組織之間估算的噪聲較小時的差異是有效的，以逐步迭代的方式產生一個理論上無噪聲的圖像。隨后將FBP和ASIR重建數據加權融合，從而減少圖像噪聲。ASIR權重比可以選擇，選取不同的ASIR權重比，對圖像噪聲的抑制水平也各不相同。因此，ASIR可在降低劑量的情況下通過降低噪聲而不改變圖像質量。

而MBIR是最新的一種迭代重建算法，其無需與FBP圖像相混合，比ASIR算法更加復雜和先進，因而也不存在選取權重比的步驟[14]。該項技術不但結合了數據收集系統內光子和電子噪聲統計模型，而且考慮了光學系統模型[15]。MBIR分析焦點以及通過受檢者身體和達到探測器的X射線束，并權重每一個點的數據資料，以進一步減少噪聲對最終結果的影響，從而產生更加準確的重建圖像[16]。吳瑤媛[17]等研究結果表明，FBP、ASIR和MBIR三種不同的重建算法在完全相同的掃描參數下得到的圖像質量有很大區別。

而本研究的結果顯示，MBIR重建圖像的噪聲顯著＜60%ASIR重建圖像的噪聲，而60%ASIR重建圖像的噪聲又顯著小于FBP重建圖像的噪聲。MBIR重建圖像質量和空間分辨率明顯高于60%ASIR重建圖像和FBP重建圖像。經過三組圖像的主觀評分對比，本研究得到了60%ASIR和MBIR重建技術在頭頸部CTA中低劑量掃描的可能性。本研究在CT管電壓數值上選擇了80 kV的超低劑量，遠低于120 kV的常規管電壓，這無疑可以極大降低患者所受的輻射劑量。而由于降低了管電壓，FBP組獲得的圖像噪聲增加，圖像質量分數很低，毫無疑問會給診斷帶來極大的不良影響。因此，使用FBP重建技術結合低劑量掃描方式在頭頸部CTA中是行不通的。而MBIR和60%ASIR重建獲得的圖像均顯著優于FBP重建獲得的圖像，但是，MBIR重建和60%ASIR相比更能降低圖像的噪聲和偽影，最利于臨床診斷，值得推廣。然而，MBIR也具有一定的局限性，由于重建時間過長，在臨床上目前沒有ASIR重建受歡迎，應用也沒有ASIR重建廣泛。迭代重建技術發展至今，隨著計算機技術的日益發展，迭代技術在不斷完善，CT檢查將給人體帶來的危害會越來越小[18-19]。CT也不會因為輻射劑量問題而限制其應用范圍，可以更廣泛的應用于婦女、兒童以及體檢當中去。

4 結論

在寶石CT的低劑量頭頸部CTA的3組不同重建算法圖像中，FBP組圖像噪聲最大，60%ASIR組圖像其次，MBIR組圖像最低。3組圖像中水平頸總動脈CNR和主觀圖像質量評分，均顯示MBIR最高，60%ASIR其次，FBP最差。MBIR和60%ASIR重建獲得的圖像均顯著優于FBP重建獲得的圖像，其中MBIR重建獲得的圖像噪聲最低，圖像質量最好，且完全符合臨床診斷要求。因此，在寶石CT下使用低劑量在頭頸部CTA中可通過改變重建算法而不降低圖像質量，從而達到診斷目的，具有一定的臨床意義。

本研究的不足之處在于樣本量較少、未計算出低劑量CTA掃描中具體的輻射劑量并與常規劑量CTA進行比較。在日后的臨床研究中，將繼續增加樣本量并完善研究。

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Effects of different reconstruction algorithms on the image quality of CTA with low dose on head and neck/

QI Tian-bai, HOU Jun-lin//China Medical Equipment,2017,14(6):14-17.

Objective: To discuss the effect of different reconstruction algorithms for the image quality of the computed tomographic angiography (CTA) with low dose on head and neck through comparing the images obtained from different reconstruction algorithms, which included filtering and reflection projection technique (FBP), adaptive statistical iterative (ASIR) model and based on iterative reconstruction (MBIR) after CTA with low dose was applied on head and neck. Methods: 30 patients who were implemented the CTA on head and neck were enrolled in this study. The gem energy spectrum CT was applied to scan their head and neck, and the tube voltage was set in low dose (80 kVp), and 60-80 mL contrast agent (350 mg I/mL) was injected in elbow vein as 4mL/s. The other parameters were chosen as routine requirement. The obtained original images were reconstructed by using FBP, 60% ASIR and MBIR, and then the three kinds images were compared and scored by using relative statistical analysis. Results: For the using of different reconstruction algorithms (FBP, 60% ASIR and MBIR), the results of image noise showed MBIR＜60% ASIR＜FBP, and their differences were significant. The results of contrast noise ratio showed MBIR＞60% ASIR＞FBP, and the differences among them were significant. Finally, about the subjective score of image, the results showed MBIR＞60% ASIR＞FBP, and their differences also were significant. Conclusion: Under gem energy spectrum CT, the image noise of MBIR is lowest and its image quality is best, and it has diagnosis value and meaning in clinical practice.

Energy spectrum CT; Low dose; Head and neck vascular imaging; Quality of image; Reconstruction method

Department of Equipment, The Third People's Hospital of Huzhou, Huzhou 313000, China.

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.06.005

1672-8270(2017)06-0014-04

R816.1

A

齊天白,男,(1984- ),碩士，工程師。湖州市第三人民醫院設備科，研究方向：生物醫學工程。

2017-02-20

①湖州市第三人民醫院設備科 浙江 湖州 313000