雙源雙能CT使用單能量或雙能量掃描及不同重建方法在肝動脈相成像中的優化

杜美美，陳博，嚴志漢，陳拓榮，田雨生

雙源雙能CT使用單能量或雙能量掃描及不同重建方法在肝動脈相成像中的優化

杜美美1，陳博1，嚴志漢1，陳拓榮2，田雨生2

（1.溫州醫科大學附屬第二醫院 放射科，浙江 溫州 325027；2.臺灣中山醫學大學，臺灣 臺中 40201）

目的：比較雙源雙能CT雙能量掃描標準融合圖像與單能量掃描圖像的圖像質量和輻射劑量，對比 濾波反投影（FBP）法和迭代（IR）法進行圖像重建后的圖像質量，為臨床選擇最佳的掃描和重建方式提供依 據。方法：使用2種體型含高、低密度病灶的動脈期肝臟假體，采用第二代雙源雙能CT分別行單能量（120 kVp） 和雙能量（100 kVp/Sn 140 kVp）掃描，隨后均采用FBP和IR方法進行圖像重建。記錄單能量和雙能量掃描的輻射劑量。對圖像進行感興趣區圈選、定量分析，計算病灶的對比噪聲比（CNR）和質量因數（FOM）。結果：在瘦體型假體，FBP法和IR法高密度病灶雙能量掃描圖像的CNR較單能量掃描高，差異有統計學意義（P＜ 0.05），而低密度病灶雙能量掃描和單能量掃描圖像的CNR差異無統計學意義（P＞0.05）。在肥胖體型假體，FBP法和IR法所有病灶雙能量掃描圖像的CNR均較單能量掃描高，差異有統計學意義（P＜0.05）。雙能量CT掃描劑量較單能量掃描劑量高。在瘦體型假體IR法低密度病灶雙能量掃描的FOM較單能量掃描低，差異有統計學意義（P＜0.05）。其余病灶IR法和FBP法單能量和雙能量掃描圖像間FOM差異無統計學意義（P＞0.05）。IR圖像的CNR均較FBP圖像佳（P＜0.05）。結論：綜合考慮圖像質量和掃描輻射劑量，雙能量CT掃描標準融合圖像與單能量掃描圖像無明顯差異，IR圖像比FBP圖像CNR高，建議肝動脈相掃描圖像以IR重建影像，根據是否需要物質分離信息選擇是否進行雙能量掃描。

雙源雙能CT；放射攝影術，腹部；輻射劑量；影像質量

雙源雙能計算機斷層掃描儀（dual source dual energy CT，DSCT）于2006年投入臨床使用，這使得通過采集2組不同能量下的CT數據進而獲得物質組成信息成為可能[1-2]。近年來DSCT在腹部的臨床應用逐漸增多，如泌尿道結石成分區分[3-4]，虛擬的平掃圖像和碘分布圖[5-7]，虛擬的單能量圖像用于圖像的優化及偽影的消除[8]等。但是除了以上基于物質鑒別信息的圖像，DSCT采集的圖像也需滿足日常診斷的需求，因此DSCT會使用掃描獲得的2組高低能量數據進行融合，重組出可用于常規診斷的圖像。目前最常用的融合方法為線性融合方法，融合圖像的質量類似于常規單能量掃描獲得的圖像。然而目前關于腹部DSCT檢查的掃描劑量和融合圖像的質量的研究甚少。有研究[9]顯示迭代（iterative reconstruction，IR）法重建影像可以通過提高空間 分辨率、降低圖像噪聲克服傳統濾波反投影（filtered back projection，FBP）法圖像噪聲大的問 題。本研究旨在明確IR法在單能量圖像及雙能量融合圖像質量的提升效果。本研究運用第二代DSCT對動脈期肝臟假體進行單能量及雙能量掃描，同時采用IR法和FBP法重建圖像，對比2種掃描方案和重建方法的掃描劑量和圖像質量，找出最優的方案供臨床參考。

1 材料和方法

1.1 材料 使用擬人肝臟假體（QRM-Liver-Phantom，德國QRM公司），大小為300 mm×200 mm× 100 mm，一個等效軟組織密度的體環（QRM-Extension-rings，德國QRM公司），分別模擬瘦體型和肥胖體型成人腹部。腹部假體由三部分組成：包含脊柱的成人腹部、肝臟插件、脾臟插件。肝臟插件肝實質模擬動脈期肝臟密度，內含兩層分別為高、低密度的病灶，每一層面內病灶的大小、位置不同。見圖1。

1.2 方法

1.2.1 圖像采集：使用西門子第二代DSCT（德國西門子公司）進行圖像采集。將假體置于掃描機器中央，分別使用單能量掃描（管電壓120 kVp，參考管電流210 mAs）和雙能量掃描（管電壓Sn 140 kVp/ 80 kVp，參考管電流230/178 mAs）。單能量掃描和雙能量掃描準直器寬度分別采用128×0.6 mm、128× 0.6 mm/32×0.6 mm。掃描均使用單一后前位定位像，使用管電流自動調控（CAREDose4D，德國西門子公司）。雙能掃描數據使用線性融合（權重系數0.5）獲得融合圖像。單能量和雙能量數據均使用FBP法和IR法進行重建，層厚5 mm，層間距5 mm，重建函數（Kernel）分別為B30f和I30f。

1.2.2 圖像分析：使用Image J 1.51d進行圖像的分析測量。瘦體型假體和肥胖體型假體分別進行單能量和雙能量掃描，掃描后均進行FBP和IR重建，每個假體含高密度和低密度兩層病灶，最終產生16幅圖像。選用病灶中心層面進行感興趣區（region of interest，ROI）的圈選，并在每一個病灶下方圈選肝實質作為背景（見圖1C-D）。為了減少測量誤差，由8名放射科醫師分別進行大小、位置一致的測量，將8人測量結果取平均值作為最終結果。計算每個病灶的對比噪聲比（contrast to noise ratio， CNR）[10]。記錄CT掃描儀劑量報告中的容積CT劑量指數（volume CT dose index，CTDIvol）、劑量長度乘積（dose length product，DLP）作為掃描輻射劑量的評估依據。最后算出質量因數（figure of merit，FOM）[11]用于評估最佳的掃描及重建方案。CNR和FOM的計算公式如下。

圖1 肝臟假體、體環及假體CT掃描圖像

注：CT值ROI,lesion、CT值ROI,liver分別為病灶及肝臟內所圈選ROI的CT值均值；σROI,lesion、σROI,liver分別為病灶及肝臟內所圈選ROI的CT值標準差

1.3 統計學處理方法 采用SPSS22.0軟件進行統計分析。計量資料以±s表示，組間比較采用配對 t檢驗。P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

單能量和雙能量掃描圖像的CNR結果顯示，在瘦體型假體，FBP法和IR法高密度病灶雙能量掃描的CNR較單能量掃描高，差異有統計學意義（P＜0.05），而低密度病灶雙能量掃描和單能量掃描的CNR差異無統計學意義（P＞0.05）。在肥胖體型假體，FBP法和IR法所有病灶雙能量掃描的CNR均較單能量掃描高，差異有統計學意義（P＜0.05）。見表1。單能量和雙能量掃描圖像的FOM結果顯示，在瘦體型假體，IR法低密度病灶雙能量掃描的FOM較單能量掃描低，差異有統計學意義（P＜0.05）。其余病灶IR法和FBP法單能量和雙能量掃描間FOM差異無統計學意義（P＞0.05）。不管是單能量掃描圖像還是雙能量掃描圖像，IR圖像的CNR均較FBP圖像佳，差異有統計學意義（P＜0.05）；肥胖體型高密度病灶CNR較低密度病灶高，差異有統計學意義（P＜ 0.05）。見表2。2種掃描方式不同體型假體掃描輻射劑量結果顯示雙能量掃描輻射劑量較單能量掃描高，見表3。

3 討論

近年來DSCT逐漸成為研究熱門，一系列研究證實DSCT在腹部檢查中可以提供更多的信息[2，7]，這些研究大多聚焦在DSCT物質分離能力，通過后處理技術獲得的這些信息可以提高病灶的檢出率且有助于病灶定性，最常應用在動脈期或門脈期的掃描以獲得碘分離的信息，因此本研究選用動脈期肝臟假體模擬臨床使用雙能量掃描的情況。在實際臨床中除了這些額外的信息，更重要的是保證常規診斷圖像的質量，目前第二代DSCT用于常規診斷的圖像為2組不同能量下掃描數據的融合圖像，在腹部檢查中融合圖像的質量和輻射劑量到底如何尚無定論。前期關于胸部雙能CT掃描融合圖像的研究[12-14]顯示不管是第一代還是第二代DSCT掃描都可以獲得和單能量掃描圖像類似的圖像，但是他們都沒有涉及腹部的檢查。因此本研究使用第二代DSCT建議的高低能量組合（100 kVp/Sn 140 kVp）進行腹部動脈期的掃描，用以評估腹部DSCT掃描標準融合圖像質±s）量和輻射劑量。

表1 單能量、雙能量掃描圖像CNR比較（n=8，±s）

表2 單能量、雙能量掃描圖像FOM比較（n=8，

表3 2種體型假體單、雙能量掃描的輻射劑量比較

DSCT標準融合圖像的數據來源于2組高、低能量的掃描數據，高能量的數據可以降低噪聲，但是對比度差，低能量的數據對比度佳，但是噪聲大。融合圖像可以融合2個能量下數據的優點而得到更好的對比和更低的噪聲。本研究顯示肥胖體型假體雙能量CT掃描標準融合圖像的CNR較單能量掃描圖像高，而在瘦體型假體低密度病灶差異無統計學意義，這可能與融合圖像部分信息來源于高能量條件掃描相關。研究還顯示在肥胖體型高密度病灶CNR較低密度病灶高，這與高密度病灶含高密度碘相關，因為在低能量掃描高密度碘的對比度會增加。有研究顯示非線性的融合方法較線性融合方法能提供更好的圖像質量[15]，是否非線性融合方法可代替線性融這需要進一步研究。

電離輻射有致癌的危險性，因而CT檢查的普及使CT輻射成為大家關注的焦點，臨床工作中選擇掃描方式時必須考慮輻射劑量，評估一種檢查的優劣如果只考慮圖像質量而不考慮輻射劑量是不適宜的，因此本研究將輻射劑量也納入考量。我們發現雙能量CT掃描的輻射劑量要大于單能量掃描的輻射劑量，這與既往的研究[10-11，14]不相符，究其原因可能與掃描參數設置相關。本研究中雙能量CT融合圖像的圖像質量優于單能量掃描圖像也有可能是高管電壓引起，這需要進一步的研究證實。

FOM可用于定量評價一種機器、系統或方法的能力。本研究以質量因數綜合考慮雙能量CT掃描和單能量CT掃描的優劣，我們發現兩者的質量因數除瘦體型假體IR法低密度病灶外，差異沒有統計學意義。因此當需要雙能CT提供更多的臨床信息時，建議雙能CT掃描，而不需要時建議單能量CT掃描以減少輻射劑量。

IR圖像雖然一直宣稱能提供更好的圖像質量，但由于大家認識不夠，普及率并不高。IR法并不改變病灶的對比度，而是通過降低噪聲進而達到提高CNR的目的[16]。本研究顯示不管是單能量掃描圖像還是雙能量掃描圖像，IR圖像的CNR較FBP圖像更好，這與既往的研究相一致。因此建議不管單能量掃描還是雙能量掃描均使用IR法進行圖像重建。

本研究也存在一些不足，其一我們只用了一種DSCT，不同的DSCT獲得的結果可能不一樣；其二本研究只選擇了2種體型的假體研究，且沒有用于實際患者；其三本研究只針對動脈期圖像進行研究，對于門脈期或平掃圖像的情況并未涉及；其四DSCT的融合方法很多；但我們只使用了標準的線性融合方法；最后8個病灶除了位置不同，大小也不同，我們沒有考慮大小對本研究的影響。

綜上所述，綜合考慮圖像質量和掃描輻射劑量，雙能量CT掃描標準融合圖像與單能量掃描圖像無明顯差異，IR圖像比FBP圖像CNR高，建議肝動脈相掃描圖像以IR重建影像，根據是否需要物質分離信息選擇是否進行雙能量掃描。

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（本文編輯：賈建敏）

Optimization of the scan protocol of single energy or dual energy and reconstruction method in hepatic arterial phase

DU Meimei1, CHEN Bo1, YAN Zhihan1, CHEN Tuorong2, TYAN Yeusheng2.
1.Department of Radiology, the Second Affiliated Hospital of Wenzhou Medical University, Wenzhou, 325027; 2.Chung Shan Medical University, Taichung, 40201.

Objective: To Compare the image quality and radiation dose of image acquired from a dual energy CT scan with image obtained from a single energy scan in the second dual-source generation system abdominal CT combined with iterative reconstruction. To determine the optimal scan methods and reconstruction methods for clinical work. Methods: Two size arterial phase liver phantoms containing two density lesions (low and high) was scanned using a second generation dual source dual energy CT (DSCT) scanner in the single energy mode (120 kVp) and the dual energy mode (100 kVp/Sn 140 kVp). Images were reconstructed with both filtered back-projection (FBP) and iterative reconstruction (IR) algorithms. Volume CT dose index (CTDIvol) and the dose length product (DLP) recorded from all protocols were used to dose evaluation. For quantitative analyses of the phantom, the contrast-to-noise ratio (CNR) and figure of merit (FOM) were measured. Results: For small size phantom, CNR of high density lesions in the mixed images derived from a dual energy CT scan was significantly higher than that in images acquired with a single-energy scan (P＜0.05), while there was no statistically significant difference existed in low density lesions (P＞0.05). For big size phantom, CNR of both high and low density lesions in dual-energy mixed images showed a higher CNR in comparison to single-energy images (P＜0.05). Dose of dual energy CT scan was higher than that of single energy scan. As to FOM, except in the low density lesions group IR images of small size phantom, there was no significant difference between all lesions of the dual energy scanning standard fusion image and single energy scanning image (P＞0.05). Compared with FBPimages, CNR of IR images was significantly better than that of FBP images (P＜0.05). Conclusion: Take both the image quality and radiation dose to consider, there is no obvious difference between the dual energy scanning standard fusion image and single energy scanning image. IR images always have higher CNR than FBP images. Above all, IR image reconstruction is suggested in hepatic artery phase scanning image both in dual or singleenergy images, and dual energy scan should be choosed according to whether need material-specific information.

dual source dualenergy CT; radiography, abdominal; radiation dosage; image quality

R814

A

10.3969/j.issn.2095-9400.2017.08.006

2017-03-22

杜美美（1987-），女，浙江蒼南人，住院醫師，在職碩士生。

嚴志漢，教授，主任醫師，Email：yanzhihanwz@163.com。