Karl迭代技术降低16层CT胸部扫描辐射剂量的水模和临床研究

彭薇， 李琛玮， 杨利霞， 许永华



Karl迭代技术降低16层CT胸部扫描辐射剂量的水模和临床研究

彭薇， 李琛玮， 杨利霞， 许永华

目的：探讨Karl迭代重建技术在16层CT胸部检查中的应用价值。方法：水模研究：采用标准模体，管电压120 kV，管电流分别为150、136、123、109、95、83、68、55和41 mAs，使用滤波反投影(FBP)或Karl迭代技术进行图像重建，测量和比较不同条件下图像噪声和对比噪声比(CNR)。临床研究：将100例进行胸部CT体检者随机分为2组，对照组(A组)采用标准剂量(120 kV、150 mAs)进行扫描并采用FBP法进行重建；低剂量组采用120 kV、83 mAs进行图像采集，并分别采用Karl技术(B组)和FBP法(C组)进行图像重建。对三组中的图像噪声、信号噪声比(SNR)、对比噪声比、图像质量主观评分、容积CT剂量指数(CTDIvol)和有效剂量(ED)等指标进行比较。结果：在水模研究中，当管电流为95和83 mAs时，辐射剂量分别为标准剂量的60%和50%，且使用Karl重建技术时图像噪声、CNR与使用标准剂量、FBP法重建的图像间差异无统计学意义(P>0.05)。在临床研究中，低剂量组的有效剂量为(2.38±0.26) mSv，较标准剂量组的(4.87±0.37) mSv减少51.1%(P<0.05)。B组的图像噪声、CNR、SNR、主观评分与A组比较，差异均无统计学意义(P>0.05)；而B组的SNR、CNR及主观评分均高于C组，两组间差异有统计学意义(P<0.05)。结论：在胸部CT平扫中，使用Karl迭代重建技术能在降低辐射剂量后有效地保证图像质量，优于FBP技术，具有较好的临床应用价值。

体层摄影术，X线计算机； 辐射量； 胸部； 迭代重建技术

近年来肺癌的发病率逐年上升，胸部CT是发现早期肺癌的重要手段，但是CT的广泛使用增加了辐射相关的致癌风险[1]。因此，如何降低CT辐射剂量和保证图像质量是目前研究的热点。滤波反投影(filtered back projection，FBP)技术是普通CT机型所采用的标准CT重建技术，但它在降低辐射剂量的同时也导致图像伪影和图像质量下降[2-5]。本研究通过在16层CT机上使用一种新的重建技术——Karl重建技术，旨在探讨这一技术在降低胸部CT扫描的辐射剂量和保证图像质量方面的临床价值。

材料与方法

1.水模研究

使用上海联影医疗科技有限公司生产的uCTS-160 16层螺旋CT机，检测水模由亚克力密封器和水构成。扫描参数：120 kV，16i×1.2 mm，0.5 s/r，螺距1，层厚2 mm，矩阵512×512，软组织算法，每次扫描范围相同，分别采用9种管电流(150、136、123、109、95、83、68、55和41 mAs，依次为2～9组)，使辐射剂量从标准剂量(100%)逐渐降低至90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%和20%。每次扫描均采用FBP和Karl两种方法进行图像重建。标准剂量(即管电流为150 mAs)采用FBP重建的图像定义为1组，其它剂量采用Karl迭代重建算法(水平选5)进行重建的图像依次定义为2～9组。

选取3个固定层面，分别测量不同剂量水平和重建方法下水模内的CT值及其标准差(SD值，代表图像噪声)，ROI大小为100 mm2。按照公式(1)计算图像的对比噪声比(CNR)：

(1)

其中，CTa为水模的CT值，CTb为背景组织(空气)的CT值，SD为空气背景标准差。

2.临床病例研究

将2014年7月-8月在我院进行胸部CT检查的100例体检者纳入研究，其中男61例，女39例，年龄32～75岁。将研究对象随机分为两组，每组各50例，记录患者的身高、体重。排除标准：①身体质量指数<20或>25kg/m2；②孕妇；③不能配合屏气者。

受试者仰卧位，双臂上举，头先进，扫描期间保持屏气，扫描范围为胸廓入口至肋膈角水平。扫描参数：层厚5 mm，0.8 r/s ，150和83 mAs，其余参数与水模研究相同。对照组采用120 kV、150 mAs(标准剂量)和FBP法重建(A组)；低剂量组采用120 kV、83 mAs(50%标准剂量)进行图像采集，分别采用Karl迭代技术(B组)和FBP法重建(C组)。

记录每次扫描的CT容积剂量指数(volume CT dose index，CTDIvol)、剂量长度乘积(dose length product，DLP)及扫描范围(L)，计算有效辐射剂量(effective dose，ED)，转换系数k=0.014。选取主动脉弓层面、气管分叉层面分别测量主动脉CT值及其标准差(SD)，取平均值，并测量腋下或胸背部皮下脂肪的CT值作为背景噪声，感兴趣区(ROI)大小为100 mm2。B组和C组在进行数据测量时尽量保证所选取ROI的部位和大小一致。

图像质量的客观评价：按照公式(1)、(2)计算图像的信号噪声比(SNR)和对比噪声比(CNR)：

(2)

(3)

公式中的CTa为主动脉CT值，CTb为脂肪CT值，SD为主动脉标准差。

图像质量主观评价：由两位有8年以上工作经验的放射科医师采用单盲法(即不知道CT扫描剂量和重建方法)进行评价。如有分歧，由第三位高年资放射科医师进行判断。分别采用肺窗(窗宽1200 HU，窗位-600 HU)和纵隔窗(窗宽400 HU，窗位40 HU)进行观察。根据欧盟委员会CT图像质量评价标准进行评分。1分：图像质量优，解剖细节显示清晰；2分：图像质量一般，但不影响诊断；3分：图像质量差，不能诊断。

3.统计分析

采用SPSS 18.0统计软件，所有测量数据以均数±标准差表示。对不同扫描剂量间图像噪声、SNR和CNR的比较采用方差分析或t检验，同一剂量水平不同重建方法的比较采用配对t检验。

图像质量主观评价：采用Manwhitney U检验来分析A组和B组、A组和C组间图像质量的差异。采用两配对样本Wilcoxon符号秩检验来分析B组和C组图像质量的差异。P<0.05为差异有统计学意义。

两位放射科医师对图像质量评分的一致性检验使用Kappa分析，Kappa值≥0.75为一致性较好，0.40～0.74为一致性中等，<0.4为一致性较差。

结　果

1.水模研究

图像质量的客观评价结果显示，CT辐射剂量的降低会增加图像噪声和降低信噪比，使用Karl重建法能降低图像噪声、提高信噪比(图1、2)。同一CT辐射剂量，Karl重建图像噪声要低于FBP约16.8%～24.5%，对比噪声比要高于FBP约21.9%～28.7%。在辐射剂量降为60%、50%标准剂量时，使用Karl重建图像的噪声和信噪比与标准剂量组比较差异无统计学意义(P>0.05)。

2.临床研究

标准剂量组和低剂量组中受试者的基本临床资料及辐射剂量的测量值及统计分析结果见表1。两组中受试者的年龄、性别、BMI及扫描范围的差异均无统计学意义(P>0.05)。两组间CDTIvol、DLP和ED的差异均有统计学意义(P<0.001)，标准剂量组的ED较低剂量组低51.1%。

图1　低剂量组中同一例受试者的CT图像。a) FBP重建主动脉弓层面： b) FBP重建气管分叉层面； c) Karl重建主动脉弓层面； d) Karl重建气管分叉层面。　图2　标准剂量组中同一例受试者的CT图像。a) FBP重建主动脉弓层面： b) FBP重建气管分叉层面。

指标标准剂量组低剂量组t值P值年龄(岁)54.06±5.9353.52±3.690.550.586性别(男/女)32/1829/210.378*0.682扫描长度(cm)31.37±2.430.66±3.311.2260.223BMI23.13±2.5723.11±2.590.0430.966CDTI(mGy)11.09±0.0065.56±0.0064756.7<0.001DLP(mGy·cm)347.89±26.16170.47±18.4039.23<0.001ED(mSv)4.87±0.372.38±0.2638.94<0.001

注：*为卡方值。

图像质量的客观评价及统计分析结果见表2、3。标准剂量FBP重建(A组)与低剂量Karl重建的图像噪声、SNR和CNR的差异均无统计学意义(P>0.05)，B组图像质量略优于A组。A、B组的图像噪声、SNR和CNR与低剂量FBP重建组(C组)比较，差异有统计学意义(P<0.001)，A、B组图像质量明显好于C组。同一辐射剂量水平，Karl重建图像的噪声明显小于FBP重建，而SNR和CNR明显高于后者，同剂量水平Karl重建图像的质量明显优于FBP重建(图3)。

表2　各组图像质量的客观评价结果

表3　各组图像质量比较的统计分析结果

图像质量的主观评价：两位阅片者在图像质量的主观评价中显示了良好的一致性(Kappa=0.76)。A组中评分为1分者共50例，2、3分均为0例；B组中评分为1分者47例，2分3例，3分0例；C组中评分1分为者30例，2分20例，3分0例。A、B、C三组图像质量的评分值均≤2，即图像质量可以诊断。A组、B组图像质量评分的差异无统计学意义(P=0.08>0.05)，A组与C组、B组与C组间图像评分的差异均有统计学意义(P<0.001)。

讨　论

本组研究结果显示，随着辐射剂量的降低，FBP重建图像的噪声明显增加，从而有可能会使某些解剖结构细节显示不够清晰，从而影响医师的诊断。为了克服FBP重建的局限，物理学家们引入了迭代重建的概念。在任何给定的辐射剂量下，迭代技术通过迭代周期来优化图像质量，根据不同的噪声水平来处理信号，从而显著消除了重建图像的噪声和伪影。迭代重建中精确建模的数据采集系统(data acquisition systems，DAS)也可以提高图像质量，尤其是当扫描剂量低、CT系统接受的光子量不足的情况下。Karl迭代重建技术是一种新的重建方法。

为了降低CT辐射剂量，常采用降低管电压、管电流及使用自动曝光剂量调整技术等[6-7]。通过调节管电压来降低辐射容易造成部分辐射被人体吸收，产生射束硬化效应；降低管电流只改变有效能量，并且对X线穿透性影响较小。在增强CT或CTA检查中，降低管电压能增加碘对X线的吸收，因此降低管电压常使用于增强CT或CTA检查中[8-9]。本研究中主要对CT胸部平扫的辐射剂量问题进行分析，经综合考虑采用降低管电流的方法来降低辐射剂量。

本研究中，采用标准管电压120kV和逐渐降低的管电流的方法对水模进行CT扫描，每组辐射剂量都采用FBP和Karl(水平选5)两组方法重建。同一CT辐射剂量，Karl重建图像噪声要低于FBP约16.8%～24.5%，对比噪声比要高于FBP约21.9%～28.7%。通过标准剂量FBP重建(1组)与各低剂量组Karl重建(2～9组)图像质量比较，发现在辐射剂量降为60%、50%标准剂量时，Karl重建(5组、6组)图像质量与标准剂量FBP(1组)相似。根据以合理的方法尽可能达最低值(as low as reasonably achievable，ALARA)原则，在进行临床研究时，我们采用50%标准剂量，对应管电压为120kV、管电流83mAs。

本组临床试验结果表明，辐射剂量降低51.1%时，Karl重建的图像质量与标准剂量FBP重建无明显差别。无论是图像客观评价(包括噪声、SNR和CNR)还是主观评价，A组和B组均无明显差异，B组图像质量略好于A组。同一辐射剂量水平下，无论是图像质量的客观评价还是主观图像，使用Karl重建均明显优于FBP重建。B组图像质量客观评价及主观评价明显好于C组。同一辐射剂量水平使用Karl重建噪声下降25.53%，SNR提高30.77%，CNR提高35.74%。文献报道，在胸部CT扫描中使用迭代重建能降低约35%～40%辐射剂量[10-11]。本组研究结果显示，在胸部CT平扫中Karl重建技术能在辐射剂量降低51.1%的情况下仍能保证图像质量。

迭代重建目前还没有取代传统的FBP，主要原因是其需要CT机具有强大的计算能力，重建速度比较缓慢。但由于迭代重建算法的发展和提高、近几年来硬件技术的发展，使其临床应用逐渐成为现实。Hu等报道，使用迭代重建技术的胸部CT扫描能在1min内完成，仍比FBP重建速度慢[10]。本研究使用Karl技术进行胸部重建的时间大约在40～50s，在实际工作中是可以接受的。

相比较其他CT厂商仅将迭代重建技术使用在64排、128排甚至256排高端CT机型中[10-13]，本研究中Karl技术运用于16排CT机，符合我国医疗资源分布，有利于迭代重建技术能在今后广泛运用于临床工作中。

本研究存在些不足：第一、BMI指数限定在20～25kg/m2，体型瘦或肥胖者未纳入本研究中；第二，Karl重建水平设置为5，未与其他重建水平的图像质量进行对比。总之，在胸部CT平扫中，Karl重建能有效降低辐射剂量，同时保证图像质量，值得临床推广应用。

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Karl iterative reconstruction technique for dose reduction in chest examination using 16-slice CT:a phantom and patient studyPENG Wei,LI Chen-wei,YANG Li-xia,et al.Department of Radiology，Shanghai Xuhui Central Hospital，Shanghai 200031，P.R.China

Objective：To assess the value of Karl iterative reconstruction technique (IRT) for dose reduction in chest examination using 16-slice CT.Methods：A CT water phantom was scanned using a 16-slice CT scanner,120kV and different tube current (150,136,123,109,95,83,68,55 and 41mAs).Except the imaging data using 150mAs were reconstructed with filtered back projection (FBP) method,the other imaging data were reconstructed with Karl IRT.Image noise and contrast-to-noise ratio (CNR) of all images with different parameters were measured and compared.In the clinical study,100 physical examinees were randomly selected into two groups (normal-dose group and low-dose group) and underwent chest CT scanning with two different protocols: for normal-dose group (group A)，standard dose (120kV，150mAs) and FBP technique were used;for low-dose group,120kV and 83mAs were used and the imaging data were reconstructed by Karl IRT (group B) or FBP (group C).The image noise,signal-to-noise ratio (SNR),CNR,subjective score of image quality,volume CT dose index (CTDIvol) and effective dose (ED) in the three groups were measured and compared.Results:In the phantom study,the images obtained with 95 or 83mAs (60% or 50% standard dose) and Karl IRT showed comparable image noise and CNR with the images using standard dose and FBP method (P>0.05).In the clinical study,the ED [(2.38±0.26)mSv] in group B and C was 51.1% lower than that [(4.87±0.37)mSv] in group A.There were no significant differences of the image noise,SNR,CNR and subjective score of image quality between group A and B (P<0.05),but the SNR,CNR and subjective score of image quality of Group B were higher than those of group C with significantly statistic diffe-rence (P<0.05).Conclusion：In chest CT scan,Karl IRT could maintain or improve image quality while saving 51.1% radiation dose,and is superior to FBP.

Tomography，X-ray computed； Radiation dose； Chest； Iterative reconstruction technique

2014-13-30修回日期：2014-02-30)

200031上海，上海市徐汇区中心医院 中科院上海临床中心影像科(彭薇、杨利霞、许永华)；201807上海，上海联影医疗科技有限公司(李琛玮)

彭薇(1981-)，女，江西高安人，硕士，主治医师。主要从事工作CT和MRI影像诊断工作。

杨利霞，E-mail：lxyang@scrc.ac.cn

上海市徐汇区卫生系统青年人才培养计划

·胸部影像学·

R814.42； R811.1； R563

A

1000-0313(2015)04-0328-04

10.13609/j.cnki.1000-0313.2015.04.007