低劑量掃描結合高級建模迭代重建算法在顱腦CT檢查中的應用

王欣宇，李峰坦，郝瑞，張敬

1天津醫科大學總醫院，天津300000；2天津市眼科醫院

隨著CT檢查的普及，關于CT輻射劑量對人體的影響越來越受到重視。有研究認為，未來將有1.5%～2.0%的腫瘤與CT輻射有關[1]。研究顯示，常規頭顱CT平掃的有效輻射劑量約為2.0 mSv[2]，總輻射劑量超過50 mSv可導致癌癥發病率顯著提高[3]。降低CT掃描輻射劑量的方法很多，如根據患者體型采用最佳管電壓、自動管電流調節技術、使用軸掃替代螺旋掃描、自動曝光控制等[4，5]，但隨著掃描劑量不斷降低，圖像噪聲會越來越大，圖像質量不斷下降，無法滿足診斷要求。濾波反投影重建(FBP)算法是目前CT設備普遍采用的重建算法，該算法基于簡單的模型假設，重建速度快，但當掃描劑量降低時，重建圖像的噪聲卻大幅增加，因此為了保證圖像質量而不得不增加輻射劑量[6]。與傳統FBP算法相比，迭代重建算法能更有效地利用原始數據進行迭代重建，達到減低圖像噪聲、去除圖像偽影的效果，從而間接降低輻射劑量。高級建模迭代重建(ADMIRE)算法是第三代迭代重建算法，其進一步降低了圖像噪聲和螺旋偽影，從而降低掃描輻射劑量。本研究應用ADMIRE算法進行顱腦CT低劑量掃描，觀察其成像質量和輻射劑量。

1 資料與方法

1.1 臨床資料 選取2016年2月～2019年2月在我院行顱腦CT檢查者60例，男26例、女34例，年齡32～50(37.0±0.4)歲。納入標準：年齡18～60歲；患者或家屬簽署知情同意書。排除標準：腦腫瘤、顱腦外傷、腦血管畸形及腦出血或腦梗死病史患者；有精神疾病史者；昏迷或意識障礙者。將受試對象隨機分成常規劑量組和低劑量組，兩組性別、年齡具有可比性。本研究經過醫院倫理委員會批準，受試者均簽署知情同意書。

1.2 掃描方案 采用Siemens Somatom Force西門子第三代雙源CT掃描儀。患者仰臥，頭先進，掃描范圍由聽眥線至顱頂。常規劑量組管電壓設置為120 kV，參照管電流420 mA，開啟實時動態曝光劑量調節CARE Dose 4D，準直寬度128×0.6 mm，螺距0.7，球管轉速1.0 s。低劑量組管電壓設置為100 kV，其他參數與常規劑量組相同。

1.3 CT圖像后處理及分組 常規劑量組掃描后機器自動采用濾波反投影法(FBP)對CT圖像數據進行重建，掃描層厚5.0 mm，掃描間距5.0 mm，圖像記為A組；低劑量組掃描后采用FBP對CT圖像數據進行重建，掃描層厚5.0 mm，掃描間距5.0 mm，圖像記為B組；手動添加ADMIRE算法，對低劑量組CT圖像數據進行重建，掃描層厚5.0 mm，掃描間距為5.0 mm，將新圖像記為C組。

1.4 輻射劑量觀察 掃描結束后，機器自動計算出劑量長度乘積(DLP)和CT劑量加權指數(CTDIvo1)。參照最新歐盟委員會CT質量標準指南，計算輻射有效劑量(ED)。ED=K×DLP(頭顱K=0.002 1 mSv·mGy)[7]。

1.5 圖像質量評價

1.5.1 客觀評價 選取面積0.3 mm×0.3 mm的感興趣區(ROI)，統一于基底節層面分別測量側腦室前腳、額葉白質、內囊前肢、枕葉白質、尾狀核頭、豆狀核、背側丘腦、背景無實質區共8處CT值，記錄ROI的CT平均值及標準差，測量時盡量避開腦溝裂及血管。以額葉白質、內囊前肢、枕葉白質三處的平均CT值作為白質CT值；以尾狀核頭、豆狀核、背側丘腦的平均CT值作為灰質CT值；用背景空氣ROI的CT值標準差作為噪聲，比較基底節層面組織CT值、噪聲、灰質信噪比(SNR)、白質SNR及灰白質對比噪聲比(CNR)。灰白質CNR=(灰質CT值-白質CT值)/[(灰質CT值標準差)2+(白質CT值標準差)2]×0.5。

1.5.2 主觀評價 隱藏患者信息及掃描參數，由兩位高年資主治醫師對三組圖像進行雙盲評價。根據大腦半球灰白質分界、腦溝、腦池顯示、圖像銳利度，采取5分制對圖像質量進行評分：解剖結構及灰白質分界模糊，不能用于診斷為1分；解剖結構及灰白質分界依稀可見，但不足以顯示細節為2分；大部分解剖結構可以滿足診斷，細節顯示欠佳，能夠進行評價為3分；解剖結構和細節較清楚，能夠評價為4分；解剖細節清晰，能夠明確評價5分。≥3分視為滿足診療要求。

2 結果

2.1 常規劑量組與低劑量組的輻射劑量比較 低劑量組DLP、CTDIvol、ED均低于常規劑量組(P均<0.05)。見表1。

表1 常規劑量組與低劑量組的輻射劑量比較

注：與常規劑量組比較，*P<0.05。

2.2 圖像質量客觀評價結果 B組灰質SNR、白質SNR均低于A組和C組(P均<0.05)，B組灰白質CNR低于C組(P<0.05)。見表2。

表2 三組圖像的SNR、CNR比較

注：與A組比較，*P<0.05；與B組比較，#P<0.05。

2.3 圖像質量主觀評價結果 A、B、C三組圖像≥3分者分別占96.7%、93.3%、96.7%，三組間比較差異無統計學意義(P均>0.05)，說明評價體系具有一致性。見表3。

表3 三組圖像主觀評價結果比較(例)

3 討論

重建算法是目前低劑量研究最前沿的研究方向。隨著CT更新換代及計算機技術的不斷發展，2009和2011年西門子先后推出了第一代基于圖像域的迭代重建算法(IRIS)和第二代基于原始數據域的迭代重建算法(SAFIRE)。與傳統FBP算法相比，迭代重建算法能更有效地利用原始數據進行迭代重建，達到減低圖像噪聲、去除圖像偽影的效果，從而間接降低輻射劑量。

ADMIRE算法為第三代重建算法，其以IRIS為基礎，在圖像重建過程中引入兩套迭代循環：計算機首先建立一個實際CT成像的模擬機，在原始數據域中將FBP重建的結果正投影到正弦測量數據，用來校正初始重建中出現的瑕疵和偽影，其差值作為模版會在下次FBP重建中使用，根據實際需要循環數次；隨后將原始數據域所得結果應用于圖像域中再進行迭代校正以降低圖像噪聲，同樣循環數次得到最終的圖像。ADMIRE算法基于原始數據，通過重建圖像再投影得到的合成“原始數據”與原始數據數次循環對比，從而達到減少圖像偽影、降低圖像噪聲的目的，圖像質量高，能夠真實還原掃描對象。ADMIRE算法在原始數據空間的所有投影中應用高級統計加權，經過統計加權的探測器相鄰元件的投影信息，與第三代雙源CT的光子探測器共同協作，進一步降低圖像噪聲和螺旋偽影。此外，ADMIRE的降噪在3D空間進行，使得降噪更為徹底和精確，從而進一步降低掃描輻射劑量。

近年來，隨著ADMIRE算法的日臻完善，國外很多學者已將其應用到CT低劑量掃描中。Gordic等[8]報道，在肺結節低劑量檢查中，應用100 kV光譜掃描結合ADMIRE算法可以有效提高圖像質量和診斷自信心，其輻射劑量僅為0.06 mSv。Newell等[9]將ADMIRE用于肺部疾病的CT低劑量(0.15 mGy)檢查中，認為圖像噪聲在可接受范圍內，圖像質量能夠滿足診斷需求。Gassenmaier等[10]報道，ADMIRE算法用于雙能量CT檢查冠狀動脈支架植入后的血管情況，可以將金屬支架的內腔顯示度提高80%，將可吸收性的支架內腔顯示度提高100%。Meyer等[11]在顳骨掃描中應用ADMIRE結合Z軸超高分辨率濾過技術，認為該技術相比于前兩代重建算法可以獲得更高的圖像質量和更低的有效輻射劑量。然而ADMIRE算法在頭顱CT低劑量掃描中的應用報道鮮見。本研究結果顯示，低劑量組DLP、CTDIvol、ED均低于常規劑量組；C組圖像質量與A組相近，能夠滿足診斷需求。表明120 kV常規劑量和100 kV低劑量兩種掃描方式結合ADMIRE算法，在保證圖像質量不變的情況下，能夠顯著降低受檢者的輻射劑量，可用于臨床常規檢查。

本研究存在的不足之處:首先在層面選取方面，只選擇了基底節區層面進行測量，并未采用選取多個層面測量取平均值的方法，可能會對測量結果產生影響；其次本研究僅涉及ADMIRE的第3級(共5級)重建對圖像質量的影響，對于不同噪聲指數、不同權重的重建比例對圖像噪聲的影響以及與輻射劑量的關系仍需進一步研究。