CT高級建模迭代重建算法對圖像質量的影響初步研究*

陸亞光 莊靜文 吳天棋 白 玫*

CT高級建模迭代重建算法對圖像質量的影響初步研究*

陸亞光①莊靜文①吳天棋①白 玫①*

目的：研究西門子多排螺旋CT的高級建模迭代重建(ADMIRE)算法對重建圖像質量的影響。方法：在同一掃描條件下，使用西門子SOMATOM Force CT對Catphan500體模的CTP515和CTP528模塊進行螺旋掃描，未用或使用不同強度的ADMIRE算法對圖像進行重建，對不同重建條件下的圖像進行主觀和客觀評價。結果：當圖像低對比度為0.3%、0.5%和1.0%時，未用ADMIRE對圖像進行重建，其噪聲分別為4.90、4.50和5.23；使用ADMIRE2和ADMIRE5重建圖像時其噪聲分別減少18.35%和53.23%、18.82%和52.32%以及20.33%和53.79%。用ADMIRE0、ADMIRE2和ADMIRE5分別對CTP528模塊圖像進行重建，對其圖像進行主觀觀察，可觀察到的最小細節相同，均為7.0 LP/cm。結論：使用ADMIRE對圖像進行重建可以在不影響圖像清晰度的同時有效降低噪聲，提高CT圖像的低對比度分辨率，以幫助臨床醫師更好的觀察組織密度相近的病灶，為臨床醫師診斷病情提供幫助。

多排螺旋CT；低對比度分辨率；高級建模迭代重建算法；主觀評價；圖像質量

目前，多排螺旋CT被廣泛應用于臨床診斷。據美國相關機構2006年的科學統計，美國每年CT檢查次數6200萬次左右，而1980年美國的CT檢查次數僅為300萬次左右，不到30年的時間，CT的使用頻率增加了近20倍。CT檢查可能使受照者受到相對高的輻射劑量，因而在充分利用CT造福于人類的同時，必須合理控制其輻射劑量[1]。

CT的圖像質量與輻射劑量密切相關，因此需結合臨床實際，在保證圖像質量符合臨床診斷要求的前提下，優化掃描及重建參數，降低受照者所受輻射劑量[2-3]。有研究已對CT輻射劑量與圖像質量之間的關系進行了論證，優化掃描參數(如降低管電壓、管電流以及增大螺距等)可降低輻射劑量，然而過多地降低輻射劑量會導致CT圖像質量下降，從而影響臨床診斷[4]。本研究通過實驗使用西門子SOMATOM Force CT掃描Catphan500體模的CTP515模塊和CTP528模塊，未用或使用不同強度的高級建模迭代重建(advanced modeled iterative reconstruction，ADMIRE)[5]算法對圖像進行重建，對圖像的低對比度分辨率和高對比度分辨率進行主觀和客觀評價，以評估ADMIRE算法對螺旋CT低對比度分辨率和高對比度分辨率的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究采用Catphan500體模中的CTP515和CTP528兩個檢測模塊。

(1)CTP515模塊為低對比度檢測模塊[6]。CTP515模塊直徑為15 cm，厚4 cm，內外兩組低密度孔經結構呈放射狀分布。內層孔徑對比度分別為0.3%、0.5%和1.0%，內層孔徑直徑分別為3 mm、5 mm、7 mm和9 mm；外層孔徑對比度分別為0.3%、0.5%和1.0%，外層孔徑直徑分別為2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm、7 mm、8 mm、9 mm和15 mm(如圖1所示)。

圖1 CTP515模塊實際圖像

(2)CTP528模塊為高對比度檢測模塊，直徑為15 cm，厚度為4 cm，有21組高密度線對結構呈放射狀分布，分辨率為1～21 Line Pair/cm(如圖2所示)。

圖2 CTP528模塊實際圖像

1.2 掃描方法

(1)對CTP515模塊進行掃描。使用Force CT(德國 西門子SOMATOM)在螺旋掃描模式下對Catphan500體模的CTP515模塊進行掃描，掃描條件為管電流160 mA，管電壓120 kV，螺距1.0，標稱準直寬度192 mm×0.6 mm。未使用ADMIRE算法則以ADMIRE0表示，使用ADMIRE算法的強度2和5，分別以ADMIRE2和ADMIRE5表示，并分別對圖像進行重建，重建層厚5.0 mm，卷積核[7](Convolution kernel)為Br40 s。

(2)對CTP528模塊進行掃描。使用Force CT在螺旋掃描模式下對Catphan 500體模的CTP528模塊進行掃描，掃描條件為管電流160 mA，管電壓120 kV，螺距1.0，標稱準直寬度192 mm×0.6 mm。未使用及使用強度分別為2和5的ADMIRE算法分別對圖像進行重建，重建層厚5.0 mm，卷積核(Convolution kernel)為Br40 s。

(3)數據處理方法。對使用不同重建方法重建的圖像進行讀取，觀察圖像的低對比度分辨率。為了觀察不同對比度的孔徑，選擇適當的窗寬和窗位，畫定不同感興趣區(region of interest，ROI)并測量掃描圖像背景信號的CT值、背景CT值和標準差。窗寬和窗位的計算如公式1和公式2：

式中SDmax為目標和背景CT值中的最大標準差。

調節窗寬和窗位到測量所得的窗寬和窗位值，觀察CTP515模塊的掃描圖像，確定所能分辨的最小一級低信號目標。圖像對比度噪聲比計算為公式3：

對使用不同重建方法重建的圖像進行讀取，觀察圖像的高對比度分辨率。計算高對比度分辨率的MTF頻率值[8]。Force CT掃描如圖3所示。

2 結果

2.1 圖像低對比度分辨率主觀評價

針對對比度為1.0%孔徑調節窗寬窗位后[9]ADMIRE0、ADMIRE2和ADMIRE5的重建圖像，通過主觀觀察顯示，ADMIRE0重建中對比度為1.0%的區域，可觀察到的最小細節為外層孔徑區直徑為3 mm的孔徑；ADMIRE2重建可觀察到的最小細節為外層孔區直徑為3 mm的孔徑；ADMIRE5重建可觀察到的最小細節為外層孔徑區直徑為3 mm的孔徑，對比度1.0%孔徑調節窗寬窗位后ADMIRE0、ADMIRE2和ADMIRE5的重建圖像如圖4所示。主觀評價最小細節統計見表1。

圖3 SOMATOM Force CT工作示圖

圖4 對比度1.0%孔徑調節窗寬窗位后重建圖像

表1 主觀評價最小細節統計(mm)

2.2 圖像低對比度分辨率客觀評價

根據公式(3)計算得到圖像噪聲和對比度噪聲比等相關參數的數值見表2。

表2 圖像噪聲和對比度噪聲比

表1和表2的數據表明，當ADMIRE的強度增大時，其對比度噪聲比的值增大。使用ADMIRE重建圖像的對比度噪聲比較未使用ADMIRE重建圖像的對比度噪聲比要大。當ADMIRE的強度增大時，其噪聲值減小。使用ADMIRE重建圖像的噪聲比未使用ADMIRE重建圖像的噪聲要小。

2.3 圖像高對比度分辨率主觀評價

CTP528模塊經ADMIRE0、ADMIRE2和ADMIRE5重建后的掃描圖像通過主觀觀察顯示，未用ADMIRE0可觀察到的最小細節為7.0 LP/cm；ADMIRE2重建可觀察到的最小細節為7.0 LP/cm；ADMIRE5可觀察到的最小細節為7.0 Line Pair/cm(如圖5所示)。

圖5 CTP528模塊重建后的掃描圖像

2.4 圖像高對比度分辨率客觀評價

當ADMIRE強度增大時，調制傳遞函數(MTF)值略有增加，表明ADMIRE不會降低圖像高對比度分辨率，見表3。

表3 評價圖像高對比度分辨率的MTF值(lp/cm)

3 討論

本研究結果顯示，使用ADMIRE重建圖像的低對比度分辨率比未用ADMIRE的低對比度分辨率水平要好，ADMIRE級別越大時重建圖像的低對比度分辨率越好。使用ADMIRE對圖像進行重建時，其強度越大，噪聲減小越多。由此可知，ADMIRE重建算法在降低噪聲方面有顯著作用。噪聲越小，其圖像的低對比度分辨率越好，無論孔徑對比度為1.0%、0.5%和0.3%時，ADMIRE算法均可提高其對比度分辨率水平。結合數據對圖像高對比度分辨率進行主觀評價，ADMIRE算法對圖像高對比度無顯著的影響。由MTF參數值可知，ADMIRE算法對MIF的數值影響不明顯。ADMIRE算法在降低圖像噪聲的同時，并未對圖像的高對比度分辨率產生很大的影響。

目前，有研究將ADMIRE算法和濾波反投影(FBP)[10]在提高主觀圖像質量與客觀圖像質量進行對比研究發現，分別使用ADMIRE5和FBP重建圖像，ADMIRE5噪聲最大可降低47%，使用ADMIRE5對圖像進行重建時圖像信息并未缺失，而ADMIRE在提高客觀圖像質量[11]和降低圖像噪音方面都得到了證明[12]。本研究初步驗證了ADMIRE在提高主觀圖像質量方面有顯著作用。

4 結論

本研究結果表明，使用ADMIRE算法對CT圖像進行重建，在有效提高圖像的低對比度分辨率的同時，并未對圖像的高對比度分辨率產生不利影響，這可以幫助臨床醫師更好的觀察組織密度相近的病灶，為臨床醫師診斷病情提供幫助，且對臨床醫師的診斷大有裨益[13-14]。同時，ADMIRE算法在減小圖像噪聲方面，以及對圖像對比度噪聲比等相關參數也有明顯的影響[15]。如何利用ADMIRE算法優化掃描和重建條件，以降低掃描輻射劑量還有待進一步研究，而ADMIRE在提高圖像質量和降低CT輻射劑量方面具有很大的潛力[16]。

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Preliminary study on the effect of advanced modeled iterative reconstruction algorithm for image quality/LU Ya-guang, ZHUANG Jing-wen, WU Tian-qi, et al//China Medical Equipment,2017,14(7):68-71.

Objective: To research the effect of advanced modeled iterative reconstruction (ADMIRE) algorithm for images quality of multi-slice spiral CT scanner of SIEMENS. Methods: Under the same scanning condition, the CTP515 and CTP528 of Catphan500 were scanned by using spiral method of SOMATOM Force CT (SIEMENS). The images were reconstructed by two conditions (didn't use ADMIRE algorithm, or used different intensity of ADMIRE algorithm). And then, these images from different conditions were evaluated by subjective method and objective method, respectively. Results: When the low contrasts were 0.3%, 0.5% or 1.0%, the image noises were 4.90, 4.50 and 5.23, respectively, under didn't use ADMIRE algorithm. In the same contrast, the noises were reduced 18,35%, 53.23% and 18.82%, respectively, under ADMIRE2. And the noises were reduced 52.32%, 20.33% and 53.79%, respectively, under ADMIRE5. When ADMIRE0, ADMIRE2 and ADMIRE5 were used to reconstruct the image of CTP528 module, respectively, the smallest details that could be observed were identical that was 7.0 Line Pairs/cm under subjective observation for images. Conclusion: Using ADMIRE to reconstruct images can effectively reduce the noise while the image resolution don't be affected. And to enhance the resolution power of low contrast for CT image can more accurately help clinician to observe lesion with similar tissue density and contribute to diagnose disease.

Multislice spiral CT (MSCT); Low contrast resolution; Advanced modeled iterative reconstruction (ADMIRE); Subjective evaluation; Image quality

Department of Medical Engineering, Xuanwu Hospital Capital Medical University, Beijing 100053, China.

陸亞光,男,(1990- ),碩士研究生。首都醫科大學宣武醫院醫學工程處，研究方向：醫學影像設備輻射劑量測量及圖像質量評價。

2017-04-17

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.07.017

1672-8270(2017)07-0068-04

R814.42

A

國家自然科學基金(81372923)“寬探測器螺旋CT所致輻射劑量評價方法研究”

①首都醫科大學宣武醫院醫學工程處 北京 100053

*通訊作者：jswei65@163.com