迭代重建算法在肺动脉CTA低剂量扫描中的应用研究

赵永霞，常津，左紫薇，张畅达， 张天乐，孟博，李丹，张琳琳，朱长月，李盛蓝

（1.天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300000；2.河北大学附属医院，河北 保定 071000；3.天津大学，天津300000；4.河北大学临床医学院，河北 保定 071000）

·临床研究·

迭代重建算法在肺动脉CTA低剂量扫描中的应用研究

赵永霞1，2，常津3，左紫薇2，张畅达2， 张天乐2，孟博4，李丹4，张琳琳4，朱长月4，李盛蓝4

（1.天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300000；2.河北大学附属医院，河北 保定 071000；3.天津大学，天津300000；4.河北大学临床医学院，河北 保定 071000）

目的探讨迭代重建算法在肺动脉CT血管成像（CTPA）低剂量扫描中的临床应用研究。方法将体质量指数为20～25的150例患者随机分成5组进行CTPA扫描，图像重建算法为ASIR（adaptive statistical iterative reconstruction），扫描范围为260～310 mm，第一组扫描条件为机器默认的120 kV、400 mAs，对图像进行重建并计算信噪比（SNR）及对比度噪声比（CNR），请2位影像学家对图像进行5分值主观评价。固定120 kV，用350 mAs 、300 mAs、 250 mAs 及200 mAs对其他组患者进行扫描，记录不同mAs的CTDIvol及DLP，并转换为有效剂量ED。对上述扫描条件下图像进行重建，计算图像的SNR及CNR，并进行主观评价。结果对120 kV，不同电流（400 mAs ，350 mAs ，300 mAs，250 mAs ，200 mAs）扫描产生的图像进行SNR及CNR评价，其值分别为：22.95、22.90、21.82、20.80、20.83和23.61、22.88、22.86、21.93、21.97。2位影像学家对120 kV下400～200 mAs主观评价分值分别为：4.59±0.32，4.48±0.30，4.82±0.28，4.28±0.36,4.15±0.38；其CTDIvol、DLP平均值分别为： 13.84 mGy、11.18 mGy、9.31 mGy、8.25 mGy、7.38 mGy和351.21 mGy 、312.32 mGy 、286.26 mGy 、233.52 mGy 、206.08 mGy，并将DLP转换为ED为5.27 mSv 、4.68 mSv、4.29 mSv、3.50 mSv、3.09 mSv。对上述数据进行单因素方差分析，200 mAs、250 mAs、300 mAs、350 mAs与400 mAs产生的影像质量没有明显差异（F＝5.285，P＞0.05），但200 mAs的CTDIvol、DLP及ED较400 mAs分别低46.7%、41.3%及41.3%。结论体质量指数为20～25的被检者进行CTPA检查时最佳扫描条件为120 kV，200 mAs。对于体型较小（肌肉较少）或有肺气肿等疾病可以选用180～200 mAs进行扫描。

迭代重建；肺动脉CTA；辐射剂量；影像质量

本文引用：赵永霞,常津,左紫薇,等.迭代重建算法在肺动脉CTA低剂量扫描中的应用研究[J].医学研究与教育,2015,32(3): 16-21.

近几年迭代重建算法（Iterative Reconstruction，IR）在临床应用越来越广泛，较之以往的滤波反投影，IR能降低图像的噪声，提高图像的对比度，因此受到广泛关注[1-3]。CT肺动脉成像（CT pulmonary angiography,CTPA）是诊断肺动脉栓塞的主要影像学检查方法，但进行CTPA检查时辐射剂量较大，因此降低CTPA检查时的辐射剂量非常重要。本研究旨在探讨迭代重建算法在CTPA低剂量扫描中的应用。

1 材料与方法

1.1 临床资料

选取2013年1至10月在河北大学附属医院用能谱CT进行CTPA检查患者150例，主要症状为呼吸困难、发绀，临床怀疑为肺动脉栓塞。其中男79例，女71例，年龄为18～83岁，平均年龄（56±6）岁。将上述患者采用随机数字表法分为5组，每组30人。

入选条件：患者神志清楚，无碘过敏史，无心、肝、肾等重要脏器衰竭，150例患者的体质量指数为20～25。本研究经医院伦理道德委员会批准并在其监督下进行。所有患者均被告知并签署知情同意书。

1.2 检查方法

1.2.1 检查设备

美国HD 750 CT扫描仪及工作站。美国EZEM双筒高压注射器。

1.2.2 检查方法及扫描条件

对150例患者进行肺动脉血管造影扫描，扫描范围自主动脉弓顶部至横隔部，扫描范围为260～310 mm。第1组患者扫描管电压为120 kV，管电流机器默认的400 mAs；螺距为0.85，机架旋转时间为0.33秒/周，层厚和层间距均为0.625 mm， FOV （50 ±50）cm，使用60%ASIR对图像进行重建并计算信噪比（SNR）及对比度噪声比（CNR），请2位影像学家对图像进行5分值主观评价。第2-5组患者扫描管电压为120 kV，管电流依次为350 mAs 、300 mAs、 250 mAs 及200 mAs。强使用对比剂为碘佛醇（320 mgI/mL），注射总量为0.5 mL/kg，注射总量随别人不同体重而不同，注射速率4.5 mL/s，注射完毕后追加注射50 mL生理盐水。扫描采用触发方式，将30 mm2感兴趣区（ROI）设置在肺动脉主干处，当ROI内的CT值达到50HU时进行触发扫描。

1.3 图像重建与影像质量分析

扫描结束将上述扫描条件下的0.625 mm肺动脉期原始图像传至工作站，用此薄层图像进行肺动脉的容积再现（VR）重建，最大密度投影（MIP）及多平面重组（MPR）重组。

1.3.1 SNR及CNR计算

将0.625 mm的肺动脉图像传送到工作站VIEWER界面中，将图像位置放置在显示肺动脉最佳层面上，用（20±2） mm2的ROI测量肺动脉和相同层面竖脊肌及胸壁脂肪的平均CT值及标准差（图1），计算其SNR及CNR，SNR=CT肺动脉/SD肺动脉，CNR= （CT肺动脉-CT竖脊肌）/SD胸壁脂肪，其中CT肺动脉是肺动脉的CT值，SD肺动脉为肺动脉CT值的标准差，CT竖脊肌为竖脊肌的CT值，SD胸壁脂肪为胸壁脂肪CT值的标准差。

图1 将（20±2）mm2的ROI放置在肺动脉和相同层面竖脊肌及胸壁脂肪处

1.3.2 主观评价

请2位高年资医师对不同扫描条件所得肺动脉的VR、MIP及MPR图像进行评价，评价采用双盲5分值评价法[4]：5分，肺动脉清晰锐利，与周围组织界限清晰可辨，可显示肺动脉第4级属支；4分，肺动脉边缘较锐利，显示清晰，与周围组织对比明显，能显示肺动脉第3级属支；3分，肺动脉较清晰，与周围组织分辨较锐利，能显示肺动脉第2级属支；2分，肺动脉显示较差，与周围组织对比较差，仅显示肺动脉第1级属支；1分，肺动脉显示模糊，与周围组织分界不清，仅能显示肺动脉主干。

1.4 辐射剂量测量及计算

记录不同扫描条件下的CT剂量指数（CTDIvol）和剂量长度乘积（dose length product,DLP）。根据DLP计算有效剂量（effective dose,ED），ED=k±DLP，k值采用欧盟委员会（Commission of the European Communities,CEC）给的躯干值0.015。

1.5 统计学分析

使用SPSS 17.0统计软件，对5组患者年龄、性别、体质量指数以及SNR、CNR数值和2位专家评分值进行单因素方差分析（one-way ANOVA），P＜0.05为差异有统计学意义。2名医师对不同扫描条件所得图像评价的一致性程度评估采用Kappa检验。Kappa值＞0.75为一致性较好；Kappa值在0.40～0.75为一致性一般；Kappa值＜0.40为一致性较差。

2 结果

2.1 患者一般资料

5组患者年龄、性别、体质量指数、扫描范围的差异均无统计学意义（F=4.631，P＞0.05）。

2.2 图像质量

2.2.1 图像客观评价指标

管电流为200 mAs、250 mAs、300 mAs、350 mAs与400 mAs产生的影像质量没有明显差异(F=5.156，P＞0.05)，说明管电流为200 mAs产生的图像质量同样能达到诊断要求（表1）。

2.2.2 图像质量主观评分值

5组不同扫描条件所得肺动脉图像的清晰度、锐利度及分支显示清晰、诊断明确。2位影像学家对不同扫描条件下所得图像的评分值之间统计学无差异（F=3.321，P＞0.05）（表1，图2—6）。

表1 不同扫描条件所得图像的SNR、CNR、辐射剂量及2位专家对图像评分值

图2 120kV 400mAs扫描所得肺动脉VR图像

图3 120kV 350mAs扫描所得肺动脉VR图像

图4 120kV 300mAs扫描所得肺动脉VR图像

图5 120kV 250mAs扫描所得肺动脉VR图像

图6 120kV 200mAs扫描所得肺动脉VR图像

2.2.3 2名影像学家对不同扫描条件所得图像评价的一致性程度评估

2名影像学家对在120 kV下，200 mAs、250 mAs、300 mAs、350 mAs与400 mAs产生肺动脉图像质量评价的一致性好(Kappa=0.86)。

2.3 辐射剂量

不同扫描条件下的辐射剂量见表1。

3 讨论

随着螺旋CT在临床的广泛应用，其引起的电离辐射越来越受到人们的关注[5-6]。因此，降低被检者的辐射剂量是人们追求的目标[7-8]，但是降低辐射剂量必然会加大图像噪声。在CT图像重建算法中滤波反投影（Filtering Back-Projection，FBP）被视为CT图像重建的基础和“金标准”[9-10]，但FBP算法要求进行图像重建的投影数据完整且必须定量精确，而且该算法易受由X线量子统计涨落造成噪声的影响，并将此噪声数据在重建图像时进行计算造成图像质量下降，所以该算法要求进行CT扫描时，为减少噪声的影响，扫描条件较大，电离辐射较高。随着计算机技术的发展，迭代重建算法得到广泛应用，其克服了FBP的缺点，通过模拟X线光子穿过被检体到达探测器，并对X线光子与被检体的相互作用及对探测器单元大小和形状建立模型，来降低图像噪声优化图像质量，并可减少辐射剂量。

本研究显示，使用迭代重建算法可以有效的降低由于减少X线光子数而引起的图像噪声，提高图像质量。在120 kV不变的情况下，200 mAs和400 mAs的肺动脉图像质量差别没有区别，使用200 mAs扫描时由于X线光子数目减少而容易产生噪声，但是使用迭代重建算法，将产生的噪声在图像重建时排出，所以重建图像噪声不大，没有影响肺动脉的图像质量。但是200 mAs的辐射剂量却较400 mAs降低很多，其CTDIvol、DLP及ED较400 mAs分别低46.7%、41.3%及41.3%。

综上，在进行CTPA检查时使用迭代重建算法可以降低辐射剂量，且不影响图像质量。

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（责任编辑：裘永强）

Application with adaptive statistical iterative reconstruction and low radiation in the pulmonary angiography

ZHAO Yongxia1,2,CHANG Jin3,ZUO Ziwei2,ZHANG Changda2,ZHANG Tianle2,MENG Bo4,LI Dan4,ZHANG Linlin4,ZHU Changyue4,LI Shenglan4
（1.School of Precision Instrument and Opto-Electronics Engineering,Tianjin University,Tianjin 300000,China；2.Department of Radiology,Affliated Hospital of Hebei University，Baoding 071000,China; 3.Tianjin University,Tianjin 300000,China; 4.College of Clinical Medicine,Hebei University,Baoding 071000,China）

Abstract: ObjectiveTo investigate the effect of adaptive statistical iterative reconstruction and low radiation on the image quality of CT pulmonary angiography.Methods150 patients whose body mass index was from 20 to 25 were divided into 5 groups underwent pulmonary angiography on a GE HD 750 CT scanners.The scanning range was from 260mm to 310mm,the frst group of scan parameters were 120kV,400mAs,it was the acquiescent parameters of the CT scanner.Reconstruction was performed with ASIR,then the signal to noise ratio (SNR) and contrast to noise ratio(CNR) were calculated.The images of different strength of ASIR were read by 2 independent radiologists with 5-point-scale,then based 120kV,the other group patients were scaned with 350 mAs,300 mAs,250 mAs,200 mAs,recorded the CTDIvol and DLP in different mAs.The effective dose (ED) was calculated based on the DLP,The SNR and CNR were calculated and the image quality were assessed by the two experienced readers.ResultsThe images were assessed under different mAs (400 mAs,350 mAs,300 mAs,250 mAs,200 mAs) and the 120kV at the strength of 3,the values of the SNR and CNR were 22.95,22.90,21.82,20.80,20.83 and 23.61,22.88,22.86,21.93,21.97.The values of from 400 mAs to 200 mAs by two independent radiologists were 4.59±0.32,4.48±0.30,4.82±0.28,4.28±0.36,4.15±0.38.The CTDIvol and DLP of different mAs (400 mAs,350 mAs,300 mAs,250 mAs,200 mAs) were 13.84 mGy,11.18 mGy,9.31 mGy,8.25 mGy,7.38 mGy and 351.21 mGy,312.32 mGy,286.26 mGy,233.52 mGy,206.08 mGy.the ED were 5.27 mSv,4.68 mSv,4.29 mSv,3.50 mSv,3.09 mSv.Statistical analysis was performed using analysis of variance,and the date was not statistically signifcant(F=5.285,P＞0.05) at the exposure factors of 200 mAs,250 mAs,300mAs,350mAs than 400 mAs,but the CTDIvol and DLP of 200mAs were reduced 46.7% and 41.3%,the ED was reduced 41.3%.respectively than the 400 mAs.ConclusionThe best mAs is from 200 mAs for the average person whose BMI is from 20 to 25 in CTPA.For smaller (less muscle) or emphysema and other diseases it can be choosen from 180 mAs to 200 mAs.

iterative reconstruction; CT pulmonary angiography; radiation dose; image quality

10.3969/j.issn.1674-490X.2015.03.004

R81

A

1674-490X(2015)03-0016-06

2014-08-03

大学生创新创业训练计划项目（201510075026）

赵永霞（1974—），男，河北石家庄人，副主任技师，硕士，硕士生导师，主要从事医学影像成像参数的优化研究。

常津（1963—），男，河北石家庄人，教授，博士，博士生导师，主要从事生物医学工程研究。

E-mail: jinchang@tju.edu.cn