CT单能量成像在肝图像质量和诊断中的价值

沈慧娟 曾宪智 刘义军 葛 莹 刘爱连

CT是目前临床上发现、诊断肝脏病变最常用的一种影像学检查方法，CT对肝脏病变的检出率主要取决于病灶的大小、病灶与肝实质之间的密度差别，因此CT图像质量对于肝脏病变的检出非常重要。传统CT设备采用混合能量成像，无法根除X线硬化效应，影响图像质量并降低病变检出。能谱CT采用瞬时双kVp技术并在投影数据空间进行双能量解析，从而准确校正硬化效应，获得具有准确CT值的单能量图像，改善图像质量并提高病变检出。能谱成像从原理上可以生成任一能量点下的单能图像，但为了保证较好的密度分辨率，以及能够用于诊断的CT图像，目前临床上常规使用的是40～140keV的单能量图像。本研究对一组肝脏病变患者采用能谱成像模式扫描，比较同一患者常规混合能量成像，50keV和70keV单能量成像两种不同成像模式的图像质量，旨在探讨能谱CT单能量成像对肝脏图像质量和诊断价值的影响。

方 法

1.临床资料

随机选择2012年1月～2012年7月行CT检查发现肝脏病变的患者80例，其中男41例，女39例，年龄28～75岁，平均56.8岁。80例患者中肝癌24例，肝转移瘤25例，肝血管瘤27例，肝局灶结节增生2例，肝孤立性坏死结节2例。多数患者肝脏病灶为单发，少数为多发，对于多发病灶者选择最大病灶进行分析，列入研究范围的所有肝脏病灶直径均超过1cm。

2.检查方法

采用GE 能谱CT Discovery CT 750HD（HDCT）扫描机。所有患者均采用能谱成像扫描模式，分别行平扫、动脉期、门脉期和静脉期增强扫描。扫描范围自膈顶部至双肾下极水平。扫描条件：80kVp和140kVp的瞬时切换，自动毫安技术，0.8s/r，螺距0.984，重建层厚和间隔均为5mm。增强扫描所用对比剂为非离子型碘对比剂（300mgI/ml），注射流量80～100ml，注射流率3～3.5ml/s，于注药后25～30s、60s及120s分别进行动脉期、门脉期和静脉期的扫描，部分病例进行300～360s延迟期扫描。

所有患者均获得动脉期、门脉期和静脉期的混合能量图像，对所有原始数据进行单能处理，获得动脉期、门脉期和静脉期的50keV和70keV水平的单能量图像。

之所以选择50keV和70keV两组图像数据是基于36cm水模研究的结果。通过水模研究，120kVp的常规混合能量的平均能量水平基本在70keV附近，而80kVp的常规混合能量的平均能量水平基本在50keV附近。在研究设计中也就相应选择了50keV和70keV两组图像数据。

3.分析方法

每例患者选取病变显示最好的增强期相（动脉期或门脉期或静脉期）的混合能量图像和70keV和50keV单能量图像，选择肝脏病灶横截面积最大的层面。

主观评分：所有图像均由两名高年资影像医师单独阅读，对肝脏图像质量进行评分，作为评价图像质量的主观标准。采用的评分标准为4分法(4分好，1分差)，在合适的窗宽、窗位下，分别观察两种图像上肝脏病灶-肝实质的对比度、病灶边缘的清晰度、肝实质的噪声和图像伪影，取以上各项的平均分值作为图像质量的主观评分。基于图像的诊断可靠性也采用4分法（4分好，1分差），主要考虑病灶的显示、检出率等。

客观评价：在两种图像上分别于肝脏病灶、肝实质内放置两个椭圆形的感兴趣区（region of interest,ROI），测量CT值和标准差（两种图像上同一组织的ROI的大小、形态和位置要求尽量保持一致）并取其平均值。客观评价指标包括：①图像噪声（noise）：将肝实质ROI标准差的平均值定义为图像噪声；②肝脏病灶的对比噪声比（contrast-to-noise ratio, CNR）：CNR=｜Mean1- Mean2︱/ Noise，其中Mean1为肝脏病灶ROI的平均CT值，Mean2为同层面肝实质ROI的平均CT值，Noise为图像噪声(图1～3)。

4.统计学方法

统计学分析采用SPSS10.0统计学软件，首先对混合能量图像和70keV单能量图像的主观评分进行Wilcoxon秩和检验，其次对两种图像上肝脏病灶的对比噪声比、图像噪声等客观评价指标分别进行配对t检验，P<0.05为差异有统计学意义。采用加权Cohen's Kappa系数评价观察者间可信度和观察者内可重复性。

结 果

1.两种成像模式肝脏图像质量的主观评分和诊断可靠性

结果见表1。

由表1可知，70keV单能量图像的主观评分高于混合能量图像和50keV的图像，表明图像噪声和伪影等指标明显改善，即前者的肝脏图像质量优于后者，主观评分的差异具有统计学意义（图1～3）。但50keV组尽管图像质量评分略低，但诊断可靠性明显提高，意味着病变和周围组织的对比明显增加，更有助于医生对是否有病变做出诊断。

2.两种成像模式肝脏图像质量的客观评价

结果见表2。

由表2可知，70keV单能量图像上肝脏病灶的对比噪声较混合能量图像增高，且图像噪声降低，即70keV单能量图像质量优于混合能量图像，两项客观评价指标的差异均具有统计学意义（图1～3）。50keV组的图像噪声的客观指标增加，反应出其主观评分值较低的原因，但CNR值明显增加，随着能量的改变，病变更容易被凸显出来。

表1 混合能量和50keV及70keV单能量肝脏图像质量的主观评分和诊断可靠性对比

图1 CT增强扫描门脉期。A为常规混合能量图像，B为70keV单能量图像。在B图上病灶显示更加清晰，与肝实质对比度增高，肝实质噪声减低。A、B图的噪声分别为8.61和7.59。

图2 CT增强扫描动脉期。A为常规混合能量图像，B为50keV单能量图像，C为70keV单能量图像。A、B、C图的CNR分别为4.66，12.17和6.89，在50keV图像中病灶与邻近肝实质对比良好，对肝脏病灶的显示佳，有助于明确诊断。

图3 CT增强扫描动脉期。A为常规混合能量图像，B为50keV单能量图像，C为70keV单能量图像。70keV单能量图像的空间分辨率和密度分辨率均有一定的提高，部分病灶在混合能量图像上显示欠清，提示70keV单能量图像质量改善。50keV图像中病灶与邻近肝实质对比良好，对肝脏病灶的显示最佳。

表2 混合能量和70keV单能量肝脏图像质量的客观评价

讨 论

医学图像在现代疾病诊断中占有相当重要的地位，多层螺旋CT具有空间分辨率高、采集层厚薄、数据各向同性以及强大的图像后处理功能等优点，是目前临床上发现、诊断肝脏病变最常用的一种影像学检查方法[1-3]。CT对肝脏病变的检出率主要取决于病灶的大小、病灶与肝实质之间的密度差别，因此CT图像质量对于肝脏病变的检出非常重要。

CT图像质量的主要评价指标包括空间分辨率、密度分辨率和伪影。空间分辨率的主要影响因素包括探测器的几何尺寸、探测器之间的间隙、原始数据量和重建算法，与被测物体间的密度差别也有关。密度分辨率的主要影响因素包括噪声和信噪比，还受到被测物体的大小的影响。伪影可由病人因素（自主或不自主的运动、体内高密度结构和异物等）或CT设备因素（CT设备性能、设备故障或失于调整等）导致。

本研究对一组肝脏病变患者采用能谱成像模式扫描，比较同一患者混合能量图像和单能量图像的图像质量，两种不同成像模式的图像在同一设备、同一次扫描中完成，排除了CT设备、扫描参数及患者等因素的差异，具有更好的可比性。对于同一患者，两种图像上肝脏病灶的大小一致，病灶的检出率更多地取决于病灶与肝实质之间的密度差别，因此本研究将密度分辨率作为评价CT图像质量的客观指标，包括噪声和对比噪声比。在主观评分中，将病灶-肝实质的对比度、病灶边缘的清晰度、肝实质的噪声和图像伪影均作为评价指标，更全面地反映图像质量。

噪声是CT图像质量中重要的特征参数，其数值可用给定区域CT 值的标准偏差来表示，噪声越大，密度分辨率越差[4-6]。噪声的影响因素很多，主要包括曝光条件、层厚、矩阵和重建算法等，曝光条件越大，穿透人体的X线光子数量越多，图像信噪比增大，图像质量得到提高，但患者接收的辐射剂量也相应增加，不仅不利于患者的防护，也增加CT设备的负荷[7-9]。增大层厚、减小矩阵和改变重建算法，可在一定程度上降低噪声，但空间分辨率也同时下降[10-13]。传统CT设备中，在曝光条件不变的条件下，同时提高空间分辨率和密度分辨率是很难实现的。如何能在不增加辐射剂量、不降低空间分辨率的条件下降低噪声改善图像质量，一直是影像界多年来难以解决的问题。

能谱CT的成像模式有别于传统CT设备，它采用瞬时双kVp技术进行能谱成像，高、低能量的瞬时切换实现两组数据的瞬时同时采样，在0.5ms的能量时间分辨率下两组数据采集的位置高度一致，保证能谱成像的准确性，双能量解析过程在投影数据空间完成，准确校正硬化效应，获得真实的图像数据，保证能谱成像的精确性，大大降低图像伪影，改善图像质量[14]。CT能谱成像一次扫描可同时获得混合能量图像、40～140keV的101个不同keV单能量图像以及物质分离图像，其中低keV单能量图像中碘对比剂密度增加，从而增加实质脏器与病灶的对比，提高实质脏器中病灶的检出率。

考虑到120kVp常规混合能量的平均能量水平基本在70keV附近，而80kVp常规混合能量的平均能量水平基本在50keV附近，我们选择50keV和70keV单能量图像与混合能量图像进行比较，结果显示70keV单能量图像的主观评分和客观评价指标均优于混合能量图像。在主观评分时发现，70keV单能量图像的空间分辨率和密度分辨率均有一定的提高，部分病灶在混合能量图像上显示欠清，在70keV单能量图像中却得以清楚显示，提示70keV单能量图像质量改善，这与以往双球管能量CT的报道一致[14]，笔者认为这与能谱CT准确校正硬化效应等因素有关。50keV组尽管主观评分中受到图像噪声等的影响，导致评分不如70keV组，但病灶的对比度进一步增加，病灶的检出率明显提高，诊断可靠性比70keV组更佳。在客观评价指标中，70keV单能量图像上肝脏病灶的对比噪声比提高且图像噪声减低，50keV组噪声有所增加。在以往双球管能量CT的报道中，80kVp系列影像肝脏病灶的对比噪声比虽然提高，但图像噪声也同时增加[15]，从这个角度说明在能量CT成像中多keV成像可以有效克服该问题，通过较高keV组提供低噪声的图像，同时用低keV增加病灶检出率，但结果还有待于更多临床应用来证实。

综上所述，能谱CT70keV单能量图像在提高肝脏病灶对比噪声比的同时降低图像噪声，显著改善肝脏图像质量，同时联合50keV低能量组的应用，有利于肝脏病灶的检出。

[1] Riccardo I, Andrea L, Carlo C. Hepatocellular carcinoma: role of unenhenced and delayed phase multi-detector row helical CT in patients with cirrhosis. Radiology, 2005, 234: 460-467.

[2] Schima W, Hammersting R, Catalano C, et al. Quadruple-phase MDCT of the liver in patients with suspected hepatocellular carcinoma: effect of contrast material flow rate. AJR, 2006, 186:1571-1579.

[3] 江新青，肖湘生，谢 琦，等. 多层螺旋CT双动脉期与门静脉期增强扫描对原发性肝癌检出价值的比较. 中华放射学杂志，2008，42：628-631.

[4] 刘景鑫，杨海山. 螺旋CT图像噪声影响因素的实验分析. 中华放射学杂志，2000，34：9-12.

[5] 于 江，李惠民，袁 正，等. 体部MDCT血管造影中噪声测量点的选择. 中国医学计算机成像杂志，2009，15：186-188.

[6] 姜树勋. CT 噪声的影响因素分析. 中国医学装备，2007，4：36-37.

[7] 周阳泱，韩 萍，冯敢生，等. 鼻窦低剂量CT扫描对图像质量影响的研究. 中华放射学杂志，2005，39：239-243.

[8] 尉可道. CT 剂量的测量及其表达. 中华放射医学与防护杂志，1997，17：347-351.

[9] McNitt-Gray MF. Radiation dose in CT. Radio Graphics，2002，22:1541-1553.

[10] 汪家旺，李宝春，张康良，等. 矩阵曝光量对CT噪声的影响. 中华放射学杂志，1996，30：276-277.

[11] 白 玫，刘 斌，郑钧正. 多排螺旋CT纵轴分辨率和图像噪声影响因素研究. 中国医学影像技术，2008，24：1110-1113.

[12] Flohr TG, Schaller S, Stierstorfer K, et al. Multi-detector row CT systems and image-reconstruction techniques. Radiology, 2005,235: 756-773.

[13] Irie T, Inoue H. Individual modulation of the tube current-seconds to achieve similar levels of image noise in contrast-enhanced abdominal CT. AJR, 2005, 184: 1514-1518.

[14] Fletcher JG, Takahashi N, Hartman R, et al. Dual-energy and dualsource CT: is there a role in the abdomen and pelvis? Radiol Clin N Am, 2009, 47: 41-57.

[15] Marin D, Nelson RC, Samei E, et al. Hypervascular liver tumors:low tube voltage, high tube current multidetector CT during late hepatic arterial phase for detection- initial clinical experience.Radiology, 2009, 251: 771-779.