迭代重建技术与自动毫安控制相结合降低肝脏平扫辐射剂量的效果研究

赵君禄　刘冲　郑立冬　任庆云　王猛

作者单位: 050031石家庄市，河北医科大学第一医院放射科

迭代重建技术与自动毫安控制相结合降低肝脏平扫辐射剂量的效果研究

赵君禄刘冲郑立冬任庆云王猛

作者单位: 050031石家庄市，河北医科大学第一医院放射科

【摘要】目的研究IRIS迭代重建技术与CARE dose 4D自动毫安控制相结合在肝脏平扫中对提高图像质量、降低辐射剂量的影响。方法(1)尸体标本研究:采用130 kV，mAs为250～30(每次递减20)的扫描参数对尸体标本上腹部进行扫描，对扫描后的原始数据分别进行IRIS与FBP重建，经测量分析后选择低剂量扫描IRIS重建后图像的噪声与常规剂量扫描FBP重建噪声相等的扫描条件进行临床研究。(2)临床研究:120例进行肝脏CT平扫的患者随机分为A、B 2组，每组60例。A组采用130 kV、图像质量控制参考毫安秒150 mAs自动毫安控制进行扫描，分别进行IRIS与FBP重建; B组采用130 kV、250 mAs进行扫描，分别进行IRIS与FBP重建。记录2组患者CT容积剂量指数(CTDIvol)及剂量长度乘积(DLP)。由3名医师采用盲法对4组图像进行噪声测量、对比噪声计算等客观评价及主观图像质量评价。结果尸体标本研究得到规律:低剂量扫描IRIS重建后图像的噪声与常规剂量扫描FBP重建噪声相等时mAs可降低至150 mAs。将其应用到临床，临床研究扫描剂量为: A组CTDIvol为2.35～16.3 mGy; DLP为63.4～287.5 mGycm。B组CTDIvol为25.7 mGy; DLP为523.8～586.6 mGycm。A组较B组降低了50%～70%。A1、B1、B2 3组图像质量均满足临床诊断要求。B1图像质量高于B2图像质量，A1图像质量与B2差异无统计学意义(P ＞0.05)，A2图像质量最差，不能满足诊断需要。结论迭代技术与自动毫安控制相结合相同剂量条件下可以提高图像质量，在保证图像质量条件下可以降低肝脏平扫的辐射剂量，值得临床推广。

【关键词】计算机体层摄影;图像域迭代重建;自动毫安控制;辐射剂量;肝脏平扫;个性化

项目来源:河北省医学科学研究重点课题(编号: ZD20140296)

E-mail: Renqingyun@163.com

近年来，随着多排CT的普及，CT的应用越来越广泛，CT所带来的辐射问题也越来越引起人们的关注。虽然CT检查在所有X线检查中只占一小部分，但CT检查的辐射剂量却占到了每年X线检查的一半［1］。如何在保证图像质量的前提下降低CT检查患者的辐射剂量成了人们关注的热点和临床研究的方向［2，3］。迭代技术便是其中之一。IRIS(iterative reconstruction in image space)是西门子公司开发的迭代重建技术，它可在不增加辐射剂量的同时明显优化图像质量，在保证图像质量的同时降低辐射剂量。本研究采用emotion 16层螺旋CT自动毫安控制(CARE dose 4D)与IRIS相结合，研究其降低肝脏平扫辐射剂量的可行性。

1　资料与方法

1.1一般资料

1.1.1扫描尸体标本:采用解剖实验室租借甲醛浸泡过的尸体标本，上腹部完整。

1.1.2临床研究:选择2013年12月至2014年3月行西门子emotion 16层螺旋CT肝脏平扫检查的120例患者，年龄34～82岁，平均年龄(53±4)岁;身高155～185 cm，体重45～85 kg，体重指数(BMI) 17.38～26.52 kg/m2。将患者按就诊顺序随机分为A、B组，每组60例。2组身高、体重及BMI差异无统计学意义(P＞0.05)，具有可比性。

1.2检查方法

1.2.1尸体标本扫描:采用西门子emotion 16层螺旋CT，管电压采用130 kV;螺距0.6;旋转时间0.6 s/圈;重建层厚5 mm;探测器: 16×1.2 mm。分别采用250 mAs、230 mAs、210 mAs、190 mAs、170 mAs、150 mAs、130 mAs、110 mAs、90 mAs、70 mAs、50 mAs、30 mAs扫描剂量对尸体标本上腹部进行扫描。

1.2.2临床扫描:采用西门子emotion 16层螺旋CT进行扫描。扫描前嘱患者饮500～800 ml清水以充盈胃及十二指肠形成阴性对比、去除上腹部金属异物并进行呼吸训练。患者仰卧位，上肢举过头顶，平静呼吸下呼气相进行扫描。扫描范围从膈顶至肝脏下缘。A组采用自动毫安控制技术(CARE dose 4D)，B组采用固定毫安进行扫描;管电压采用130 kV;螺距0.6;旋转时间0.6 s/圈;重建层厚5 mm;探测器: 16× 1.2 mm。A组预设图像质量参考150 mAs，B组采用250 mAs。

1.3图像重建

1.3.1尸体标本扫描重建:采用IRIS与FBP分别对扫描后的原始数据进行重建。

1.3.2临床扫描图像重建: A、B组均分别采用IRIS 与FBP重建。图像分为4组(IRIS重建组分别记为A1组、B1组; FBP重建组分别记为A2组、B2组)。

1.4图像质量客观评价(SD测定及CNR计算)

1.4.1尸体标本扫描图像客观评价:分别对重建后的图像进行SD测量。

1.4.2临床扫描图像客观评价: 4组图像均选择肝门部位进行测量，分别测量肝实质、右侧竖脊肌以及前腹壁皮下脂肪中心区域的CT值及其标准差(SD) ; ROI面积为0.45 cm2。以肝实质CT值的SD为图像噪声计算CNR: CNR=(ROI肝脏－ROI肌肉)/SD背景［4］。其中ROI肝脏为肝实质CT值均值; ROI肌肉为右侧竖脊肌CT值均值; SD背景为前腹壁皮下脂肪SD平均值。

1.5图像质量主观评价由3位放射科医师隐藏扫描参数后分别对4组图像进行评价。采用PACS显示器，同时显示4组图像(A1、A2; B1、B2)，窗宽180 Hu，窗位55 Hu。评价内容包括上腹部组织结构显示情况、病变的显示率、图像主观噪声及图像的总体质量，分别分为5个等级，以5分制对图像质量进行评分: 1 分(差) :图像噪声较大，伪影较重，上腹部组织结构显示不清，完全不能满足诊断要求; 2分(较差) :图像噪声较大，上腹部组织结构显示不清，不能满足诊断要求; 3分(一般) :图像噪声较大，上腹部部分组织结构显示欠佳，但基本能满足诊断要求; 4分(良好) :图像噪声尚可，上腹部组织结构显示清楚，完全能满足诊断要求; 5分(优秀) :图像噪声小，上腹部组织结构显示清晰，对比良好，完全能满足诊断要求。

1.6统计学分析应用SPSS 17.0统计软件，采用随机分组设计的方差分析比较4组图像噪声及CNR;采用秩和检验比较4组图像肝脏组织对比度、病变的显示率、图像主观噪声及图像的总体质量的差异，P＜0.05为差异有统计学意义。

2　结果

2.1尸体标本扫描结果以130 kV、250 mAs FBP重建图像作为对照，比较不同扫描剂量条件对肝脏图像质量的影响。得出IRIS迭代重建后图像的噪声与常规剂量扫描FBP重建噪声相等时mAs可降低至150 mAs。见图1。

图1　尸体标本扫描结果

2.2临床扫描结果120例患者均顺利完成检查。2组共检查出肝内结节性病变16例、巨大肝内肿块6例，检查出肝囊肿25例。A、B组在检出病变数量方面差异无统计学意义(P＞0.05)。

2.2.1辐射剂量分析:以CT剂量容积指数(CTDIvol)及剂量长度乘积(DLP)评价辐射剂量。A组CTDIvol为2.35～16.3 mGY。DLP为63.4～287.5 mGYcm。B组CTDIvol为4.87～25.7 mGY。DLP为110.3～586.6 mGYcm。A组较B组降低了50%～70%，差异有统计学意义(P＜0.05)。

2.2.2客观图像质量(噪声及CNR)分析:图像噪声客观评价常规剂量IRIS重建(B1)组的噪声最小;低剂量FBP重建(A2)组的噪声最大，低剂量IRIS重建(A1)组与常规剂量FBP重建(B2)组比较，差异无统计学意义(P＞0.05)。B1组CNR最高; A2组CNR最低，A1组与B2组比较差异无统计学意义(P＞0.05)。见表1。

表1　4组图像噪声及CNR　n=60，±s

表1　4组图像噪声及CNR　n=60，±s

注:与A1组比较，*P＜0.05;与B2组比较，#P＜0.05

组别　噪声CNR A1组6.57±1.21　1.66±0.67 A2组　9.79±1.20*　1.30±0.70*B1组　4.57±0.77　2.77±1.90 B2组　7.31±1.01#　1.70±0.98#

2.2.3主观图像质量分析:主观评价时B1组图像评分与B2组比较有提高，证明在相同剂量条件下IRIS重建可以提高肝脏平扫的图像质量。A1图像评分明显高于A2图像，且与B2图像质量差异无统计学意义(P＞0.05)，证明在低剂量条件下，IRIS重建优势更明显，IRIS重建可以在辐射剂量降低50%～70%的条件下得到与常规剂量扫描FBP重建相同图像质量的图像。见表2，图1～4。

表2　4组图像的主观评价比较　n=60，±s

表2　4组图像的主观评价比较　n=60，±s

注:与A1组比较，*P＜0.05;与B1组比较，#P＜0.05

组别　图像主观噪声评分　肝脏组织结构显示评分　图像总体质量评分A1组4.29±0.24　4.28±0.25　4.29±0.23 A2组　2.56±0.37*　2.57±0.35*　2.56±0.34*B1组　4.5±0.36　4.49±0.32　4.49±0.34 B2组　4.3±0.21#　4.29±0.36#　4.29±0.32#

图1　常规剂量扫描FBP重建图像

图2　常规剂量扫描IRIS重建图像。

图3　常规剂量扫描FBP重建图像

图4　低剂量扫描IRIS重建图像。

3　讨论

肝癌是最常见的肝脏恶性肿瘤，早期诊断早期治疗是肝癌的最佳治疗方法，有专家统计早期肝癌的生存率显著高于进展期肝癌的生存率［5］。CT检查对于早期诊断肝癌起了重要作用。但是随着CT的广泛应用，其辐射引起的危害也逐渐引起人们的关注［6，7］。如何降低辐射剂量，减少辐射造成的危害日益受到放射学工作者和CT设备制造商的重视。郝佳等［8］研究表明，基于原始数据的迭代重建技术能通过降低噪声、减少伪影等有效降低辐射剂量，而且可以在一定程度上提高图像质量。IRIS迭代重建算法是西门子公司推出的迭代重建算法，其原理是将原始数据进行一次重建后，在图像空间内进行迭代，减少频繁的重建和反重建的运算量，可以在不失图像锐利度的情况下降低噪声，兼顾了处理时间和图像质量［9，10］。Winklehner等［11］通过IRIS和ASIR在腹部扫描上的应用进行比较，证明了IRIS比ASIR具有更高降低辐射剂量的能力。

本研究采用先进行尸体扫描找到IRIS迭代重建技术在保证肝脏图像质量前提下降低辐射剂量的规律，再将其应用于临床。既减少了临床研究中患者所受的辐射剂量又保证了图像质量。采用自动毫安控制(CARE dose 4D)个体化的降低患者的辐射剂量保证每个患者的图像质量。自动毫安控制(CARE dose 4D)比单纯的根据患者体重指数(BMI)调节kV及mAs肝脏CT图像质量更有保证。因为即使患者的BMI相同，腹部所占全身的比重也不相同;即使腹部所占全身比重相同，腹部组织成分的不同也将导致腹部吸收剂量的不同，此时如果单纯依靠BMI来调节mAs则会导致肝脏图像质量受到影响，腹部占全身比重小或腹部组成成分以脂肪为主的患者所受的辐射剂量将会增大而腹部占全身比重大或腹部组成成分以肌肉为主的患者将会因辐射剂量不足而影响肝脏的图像质量。CARE dose 4D则完美的解决了这个问题，其基于单个前后位或侧位定位像即可以确定患者各个层面适当的mAs水平，根据这些球管电流的值，在每次球管旋转过程中，CARE Dose 4D就会根据患者不同角度的衰减分布图自动调整球管电流。这样就可以获得患者长轴以及各个照射角度的最佳剂量分布。利用自动毫安控制技术可以个性化降低患者的辐射剂量。

常规剂量组扫描中，通过IRIS重建的肝脏CT图像(B1组)在客观参数及主观图像质量方面都优于FBP重建图像(B2组)，此结果证明在相同剂量条件下迭代重建可以提高肝脏平扫的图像质量。Hur等［12］进行模体研究也证明了IRIS可以有效的降低图像噪声，与FBP重建相比在相同管电压条件下IRIS可以提高CNR 29%。通过低剂量扫描IRIS重建图像(A1 组)与常规剂量扫描FBP图像(B2组)比较可以发现，在保证图像质量的前提下，IRIS迭代重建与CARE dose 4D自动毫安控制相结合可以降低辐射剂量的50%～70%。这与May等［13］的研究一致，IRIS技术可在辐射剂量降低50%的情况下，图像质量、锐利度和诊断可接受性与常规FBP法无显著差异。本研究采用的对比图像是《X射线计算机断层摄影放射防护要求》(中华人民共和国国家职业卫生标准，GBZ165-2012)规定的辐射剂量进行扫描FBP重建图像。本文认为降低辐射剂量不能损害图像质量;不能影响临床CT诊断;所有的降低辐射剂量的行为必须在保证图像质量的前提下进行。所进行的临床研究中CT图像质量分析必须包括客观参数与主观图像质量两个方面。最终的CT诊断还是主要靠诊断大夫主观判断，所以主观图像质量是不可缺少的因素。通过本研究发现，低剂量扫描FBP重建组(A2)基本无法完成CT诊断。此研究证明在进行肝脏平扫时，如仅降低扫描剂量而不改进算法，存在诊断信息丢失的风险，可能无法得到满足临床诊断的图像［14］。在众多的CT低剂量技术中，放射科医师应该针对不同的受检者条件和检查的临床目的，结合所使用的CT软硬件技术特点，制定出个性化的，符合ALARA原则的低剂量扫描方案［15］。

IRIS迭代重建技术与CARE dose 4D自动毫安控制相结合在相同辐射剂量条件下可以提高肝脏扫描的图像质量，在保证图像质量前提下可以降低肝脏扫描的辐射剂量，能够较好地满足临床诊断需求，值得临床推广。

参考文献

1代丽茹.结节性硬化合并肝肾血管平滑肌脂肪瘤患者CT表现及强化特征分析.河北医药，2014，36: 746-747.

2宁培钢，朱绍成，史大鹏，等.高等迭代重建算法降低腹部CT剂量的潜能:模体研究.中国医学影像技术，2012，28: 2243-2247.

3王艳，史大鹏，朱绍成，等.比较以自适应统计迭代重建技术和滤过反投影重建的低剂量腹部CT的图像质量.中国医学影像技术，2012，28: 1902-1905.

4Kalra MK，Maher MM，Toth TL，et al.Techniques and applications of autonmatic tube current modulation for CT.Radiology，2004，233: 649-657.

5Bruix J，Sherman M.American Association for the Study of Liver Diseases.Management of hepatocellular carcinoma: an update.Hepatology，2011，53: 1020-1022.

6Lee CI，Haims AH，Monico EP，et al.Diagnostic CT scans: assessment of patieng，physician，and radiologist awareness of radiation dose and possible risks.Radiology，2004，231: 393-398.

7张翼，赵斌.低剂量螺旋CT扫描技术.医学影像学杂志，2011，21: 1438-1441.

8郝佳，康克军，张丽，陈志强.基于新型重建算法的低剂量CT成像技术.中国医学影像技术，2013，29: 154-157.

9Hu XH，Ding XF，Wu RZ，et al.Radiation dose of nonenhanced chest CT can be reduced 40% by using iterative reconstruction in image space.Clin Radiol，2011，66: 1023-1029.

10Ghetti C，Ortenzia O，Serreli G.CT iterative reconstruction in image space: A phantom study.Phys Med，2011，28: 161-165.

11Winklehner A，Karlo C，Puippe G，et al.Raw data-based iterative reconstruction in body CTA: evaluation of radiation dose saving potential.Eur Radiol，2011，21: 2521-2526.

12Hur S，Lee JM，Kim SJ，et al.80-kVp CT Using Iterative Reconstruction in Image Space Algorithm for the detection of hypervascular hepatocellular carcinoma: Phantom and initial clinical experience.Korean J Radiol，2012，13: 152-164.

13May MS，Wust W，Brand M，et al.Dose reduction in abdominal computed tomography: intraindlvidual comparison of image quality of full-dose standard an half-dose iterative reconstructions with dual-source computed tomography.Invest Radiol，2011，46: 465-470.

14徐姝，侯阳，郭启勇.应用迭代重建技术的低剂量增强CT评估肝脏肿瘤的可能性.中国医学影像技术，2011，27: 1633-1636.

15潘雪琳，李真林.腹部低剂量CT技术的临床应用.中国医疗设备2012，27: 69-73.

Effect of iterative reconstruction algorithm combined with CARE dose 4D on reducing radiation dose in liver CT

ZHAO Junlu，LIU Chong，ZHENG Lidong，et al.
Department of Radiology，The First Hospital of Hebei Medical University，Shijiazhuang 050031，China

【Abstract】Objective To investigate the influence of iterative reconstruction algorithm (IRIS) combined with CARE dose 4D on reducing radiation dose and improving image quality in liver CT.Methods (1) Human cadaver study : human cadaver was scanned for twelve times by emotion 16-slice CT scanner with same tube voltage 130kV and different tube currents from 30mAs to 250mAs with increment of 20mAs.The images were reconstructed with IRIS and FBP respectively，and the data were analyzed before clinical study.(2) Clinical study:120 patients were randomly divided into two groups，group A and group B，with 60 patients in each group.The patients in group A received liver CT (130kV，CARE dose 4D and reference mAs of 150)，and images were reconstructed with IRIS and FBP，redpectively.The patients in group B were scanned by CT (130kV，reference mAs of 250)，and images were reconstructed with IRIS and FBP respectively.CT dose index volumes(CTDIvol)，dose length product (DLP) were recorded.The image quality was evaluated by three radiologists blindly with objective methods (noise measurement and CNR calculating etc) as well as subjective methods.ResultsCTDIvol and DLP were 2.35～16.3mGy and 63.4～287.5mGycm，respectively，in group A，however，which were 25.7mGy and 523.8～586.6mGycm in group B，respectively，which in group A were decreased by 50%～70%.Image quality in both group A1，group B1，group B2 met diagnostic requirements.The image quality in group B1 was better than that of group B2，however，there was no significant difference in image quality between group A1 and group B2 (P＞0.05).The image quality in group A2 was the worst，which could not meet diagnostic requirements.Conclusion IRIS combined CARE dose 4D can improve the image quality under the condition of the same dose，which can reduce the radiation dose of liver CT under the condition of guaranteeing the image quality，so it is worthy of clinical spreading application.

【Key words】computer tomography; IRIS; CARE dose 4D; radiation dose; liver scanning; individuation

(收稿日期:2014－07－07)

通讯作者:任庆云，050031石家庄市，河北医科大学第一医院放射科;

doi:10.3969/j.issn.1002－7386.2015.07.002

【文章编号】1002－7386(2015) 07－0968－04

【文献标识码】A

【中图分类号】R 814.42