自适应统计迭代重建技术对泌尿系结石低剂量CT图像质量的影响

束宏敏SHU Hongmin李小虎LI Xiaohu宋　建SONG Jian杜俊华DU Junhua刘　斌LIU Bin余长亮YU Changliang钱银锋QIAN Yinfeng李晓舒LI Xiaoshu张　辉ZHANG Hui余永强YU Yongqiang

作者单位1.安徽医科大学第一附属医院放射科安徽合肥 2300222.安徽医科大学第一附属医院泌尿外科安徽合肥 230022



自适应统计迭代重建技术对泌尿系结石低剂量CT图像质量的影响

束宏敏1SHU Hongmin
李小虎1LI Xiaohu
宋建1SONG Jian
杜俊华2DU Junhua
刘斌1LIU Bin
余长亮1YU Changliang
钱银锋1QIAN Yinfeng
李晓舒1LI Xiaoshu
张辉1ZHANG Hui
余永强1YU Yongqiang

作者单位
1.安徽医科大学第一附属医院放射科安徽合肥 230022
2.安徽医科大学第一附属医院泌尿外科安徽合肥 230022

【摘要】目的 CT检查是诊断泌尿系结石的重要方法，但是低剂量CT在降低辐射剂量的同时也降低了图像质量，影响诊断效能。本研究比较自适应统计迭代重建（ASIR）技术在低剂量条件下对泌尿系结石图像质量的影响，探讨低剂量CT在泌尿系结石诊断中的价值。资料与方法 采用自动管电流调节技术将临床怀疑泌尿系结石的56例患者随机分为常规组和低剂量组，每组各28例。常规组行常规剂量扫描，噪声指数为13；低剂量组行低剂量扫描，噪声指数为25。运用滤过反投影技术（FBP）及不同权重ASIR（20%、40%、60%、80%）对图像进行重建，分析病灶数目、部位和大小，比较两组图像质量评分、诊断可信度评分、图像噪声、CT容积剂量指数（CTDIvol）、剂量长度乘积（DLP）及有效剂量（ED）。结果 低剂量组与常规组的敏感度和特异度分别为100.0%与97.0%、100.0%与100.0%。常规组FBP图像质量评分、诊断可信度评分高于低剂量组（P<0.05）。低剂量组20%ASIR、40%ASIR图像质量评分、诊断可信度评分低于常规组FBP图像（P<0.05），低剂量组60%ASIR、80%ASIR图像质量评分、诊断可信度评分与常规组FBP图像比较，差异均无统计学意义（P>0.05）。低剂量组FBP图像脂肪、肝右叶及腰大肌噪声明显高于常规组（P<0.05），常规组FBP图像脂肪、肝右叶及腰大肌噪声与低剂量组80%ASIR比较，差异无统计学意义（P>0.05）。两组CTDIvol、DLP、ED比较差异均有统计学意义（P<0.05）。两组患者体重指数 <24 kg/m2患者CTDIvol、DLP、ED明显低于本组体重指数≥24 kg/m2患者（P<0.05）。结论 在泌尿系结石患者中行低剂量CT扫描可明显降低辐射剂量，使用ASIR技术可明显改善图像质量，满足临床诊断，具有较好的临床可行性。

【关键词】尿路结石；体层摄影术，X线计算机；图像处理，计算机辅助；迭代重建技术；辐射剂量；质量控制

Department of Radiology, the First Affiliated Hospital of Anhui Medical University, Hefei 230022, China

Address Correspondence to: YU Yongqiang

E-mail: yuyongqiang@hotmail.com

国家自然科学基金青年科学基金项目（81301224）；安徽省高校省级自然科学研究重点项目

（KJ2013A144）；安徽医科大学第一附属医院青年科学基金培养计划项目（2012KJ02）。

R814.42；R445.3

修回日期：2015-11-26

中国医学影像学杂志

2016年 第24卷 第2期：148-152

尿石症是泌尿外科常见的疾病。CT扫描对泌尿系结石的诊断具有较高的敏感度及准确度，且在诊断的同时可区分结石的化学成分[1-2]，是临床诊断结石的重要方法。但由于CT扫描的辐射剂量较大，对患者具有一定的危害，如何降低患者的辐射剂量成为CT临床应用的热点问题。目前在一些泌尿系低剂量CT研究[3-5]中，降低管电流是最常见的降低辐射剂量的方法，而既往研究多采用设定固定的管电流。本研究采用自动管电流调节技术（automatic tube current modulation，ATCM）降低辐射剂量，通过预设噪声指数调节辐射剂量，噪声指数升高，图像噪声水平升高，辐射剂量降低。在扫描过程中，管电流会根据受检者的体型在Z轴上自动调节，使得图像噪声保持在预设水平，同时降低辐射剂量[6]。低剂量CT扫描降低辐射剂量的同时，增加了图像的噪声，影响了图像质量，为临床诊断部分疾病（如肾囊肿、肾盂积水等）带来一定的困惑。自适应统计迭代重建（adaptive statistical iterative reconstruction，ASIR）技术是利用迭代的方法在原始数据空间对噪声加以抑制，在不损害空间分辨率的前提下降低图像噪声，获得清晰的图像[7]。本文结合使用ASIR技术及ATCM探讨ASIR技术对泌尿系结石低剂量CT图像质量的影响。

1　资料与方法

1.1研究对象选取2014年9月－2015年1月安徽医科大学第一附属医院因临床怀疑泌尿系结石行CT检查的56例患者，将其随机分为常规组和低剂量组，每组各28例。常规组男16例，女12例；年龄25～76岁，平均（53.6±12.1）岁；体重指数（BMI）19.1～33.2 kg/m2，平均（24.54±3.52）kg/m2。低剂量组男16例，女12例；年龄21～71岁，平均（49.5±13.4）岁；BMI 20.0～34.0 kg/m2，平均（24.22±3.47）kg/m2。根据2001年中国肥胖问题工作组推荐的中国成年人肥胖诊断标准[3]，BMI <18.5 kg/m2为瘦体型，18.5 kg/m2≤BMI <24 kg/m2为中等体型，BMI≥24 kg/m2为肥胖体型，两组各有14例中等体型，14例肥胖体型。本研究经本院医学伦理委员会同意，所有患者均签署知情同意书。

1.2仪器与方法采用Discovery CT750 HD（GE Healthcare，Milwaukee，WI，USA）能谱CT机，患者扫描前0.5 h饮用300 ml饮用水。患者取仰卧位，扫描范围自T12水平至耻骨联合下缘，扫描过程中嘱患者屏住呼吸。扫描参数：常规组管电压120 kV，管电流范围10～400 mA，旋转时间0.5 s/r，螺距1.375∶1，噪声指数为13；低剂量组管电压120 kV，管电流范围10～400 mA，旋转时间0.5 s/r，螺距1.375∶1，噪声指数为25。

1.3图像后处理采用滤过反投影技术（filtered back projection，FBP）及ASIR技术对两组图像进行1.25 mm层厚重建，其中ASIR的权重依次设定为20%、40%、60% 及80%，获得10组图像，并在GE ADW4.3工作站完成图像的测量工作。由2名具有5年以上腹部影像诊断经验的主治医师分别对各组图像进行观察，观察内容包括结石的数目、大小、部位及相关伴随病变、主观评分（图像质量、诊断可信度）及客观评价（噪声）等。

1.4图像主观评价①图像质量：采用5分制评分，1分：图像噪声大，伪影重，结构显示不清，完全不能满足临床诊断；2分：图像噪声较大，大部分结构显示不清，不能满足临床诊断；3分：图像噪声一般，部分结构显示欠佳，基本满足诊断；4分：图像噪声尚可，组织结构显示清晰，可以满足诊断要求；5分：图像噪声小，结构显示清晰，完全满足临床诊断要求[8]。②诊断可信度：采用3分制评分，1分：无可信度；2分：基本可信；3分：完全可信[8]。

1.5噪声水平测定选择肝右叶、体表脂肪层及腰大肌（L5水平）作为感兴趣区（ROI），大小约70～110 mm2，记录ROI CT值的标准差，作为图像的噪声水平。

1.6辐射剂量分别记录两组患者的CT容积剂量指数（CT dose index of volume，CTDIvol）、剂量长度乘积（dose length product，DLP），根据公式（1）计算有效剂量（effective dose，ED）。

其中W表示转换因子，根据欧洲CT质量标准指南规定，腹部的转换因子为0.015[9]。

1.7手术与临床治疗临床根据结石的大小、数目、位置及成分选择合适的治疗方案，其中对于直径<5 mm的结石选择药物保守治疗，对于5 mm≤直径<20 mm的结石选择体外冲击波碎石，对于直径≥20 mm的结石根据结石位置可选择经皮肾镜碎石取石术、输尿管镜取石术、腹腔镜输尿管取石术及开放性手术治疗等。以外科手术取石或临床治疗后经尿道排石作为参考标准。

1.8统计学方法采用SPSS 16.0软件，两组辐射剂量及噪声水平的比较采用t检验，两组主观评分（图像质量、诊断可信度）比较采用Mann-Whitney U秩和检验，对观察者间的一致性采用Kappa检验，Kappa≤0.19为差，0.20≤Kappa≤0.39为较差，0.40≤Kappa≤0.59为中等，0.60≤Kappa≤0.79为较好，0.80≤Kappa≤1.00为好，P<0.05表示差异有统计学意义。

2　结果

2.1手术与临床结果常规组中，18例行经皮肾镜碎石取石术，6例行输尿管镜取石术，1例行腹腔镜输尿管取石术，3例行保守药物治疗。低剂量组中，21例行经皮肾镜碎石取石术，5例行输尿管镜取石术，1例行单侧肾切除术（肾结石合并患肾无功能），1例行保守药物治疗。

2.2CT诊断结果常规组28例患者共检出结石127枚，大小约1.0～44.8 mm，平均（7.4±6.8）mm；其中20例继发肾盂及输尿管扩张积水，3例伴肾囊肿，1例伴肾周脓肿，2例合并肾萎缩。低剂量组28例患者共检出结石103枚，大小约1.0～32.0 mm，平均（8.5±6.5）mm；其中22例继发肾盂及输尿管扩张积水，3例伴肾囊肿，1例合并肾萎缩。两组结石的数目、大小及位置见表1。低剂量组中1例微小静脉石误诊为小结石，后经手术证实，低剂量组诊断的敏感度为100.0%，特异度为97.0%；常规组诊断的敏感度与特异度均为100.0%。2名医师在结石数目及位置的检出率一致性较好（Kappa=0.68 ～ 0.73）。

表1　两组结石的数目、大小及位置情况（个）

2.3两组图像质量主观评分与噪声比较2名医师对两组图像质量评分的一致性较好（Kappa=0.622、0.741）。常规组FBP图像质量评分、诊断可信度评分高于低剂量组，差异有统计学意义（Z=-6.124、-5.631，P<0.05）。低剂量组20%ASIR、40%ASIR图像质量评分、诊断可信度评分与常规组FBP图像比较，差异均有统计学意义（Z20%=-5.622、-3.371，P<0.05；Z40%=-4.879、-2.322，P<0.05）；低剂量组60%ASIR、80%ASIR图像质量评分、诊断可信度评分与常规组FBP图像比较，差异均无统计学意义（Z60%=-0.912、-1.427，P>0.05；Z80%=-0.575、-1.000，P>0.05）。见表2及图1～3。

低剂量组FBP图像脂肪、肝右叶及腰大肌噪声明显高于常规组，差异均有统计学意义（t脂肪=-11.462，P<0.05；t肝右叶=-14.310，P<0.05；t腰大肌=-12.548，P<0.05）。低剂量组80%ASIR图像脂肪、肝右叶及腰大肌噪声与常规组FBP图像比较，差异无统计学意义（t脂肪=0.069，P>0.05；t肝右叶=1.291，P>0.05；t腰大肌=1.568，P>0.05）。见表2。

表2　两组图像质量主观评分及图像噪声评分比较

图1 女，62岁，右肾囊肿（箭），低剂量扫描（噪声指数=25）图像。FBP重建图像颗粒感较粗，结构显示欠佳，病灶边界不清（箭，A）；当使用60%ASIR（B）及80%ASIR（C）处理时，病灶结构清晰，能较好地满足临床诊断（箭）

图2 男，24岁，左肾结石（箭），低剂量扫描图像（噪声指数=25）。FBP重建图像示结石边缘稍毛糙，周围软组织结构显示欠佳，边界不清（箭，A）；60%ASIR重建（B）及80%ASIR重建（C）图像示结石边界清晰，周围软组织结构显示分明（箭）

图3　女，65岁，左肾及左输尿管上段结石，常规剂量扫描（噪声指数=13）。FBP重建图像示结构显示清晰，边缘光整（A）；40%ASIR重建（B）、60%ASIR重建（C）及80% ASIR重建（D）图像示结构更加清晰，能很好地满足临床诊断

2.4辐射剂量低剂量组CTDIvol、DLP、ED较常规组分别降低了69.29%、69.00%、68.96%，两组比较差异均有统计学意义（t=13.83、12.81、12.81，P<0.05）。常规组BMI <24 kg/m2患者的CTDIvol、DLP、ED与本组BMI ≥24 kg/m2患者比较，差异均有统计学意义（t=3.24、3.27、3.26，P<0.05）；低剂量组BMI <24 kg/m2患者的CTDIvol、DLP、ED与本组BMI ≥24 kg/m2患者比较，差异均有统计学意义（t=3.02、2.94、2.94，P<0.05）。见表3。

表3　两组辐射剂量比较

3　讨论

3.1自动管电流调节技术降低辐射剂量随着CT技术的发展，低剂量CT扫描成为可能。常用降低辐射剂量的方法有增大螺距或降低管电流，增大螺距可降低辐射剂量，但造成图像在Z轴上的空间分辨力下降，遗漏小病灶的几率增大[10]，减低管电流成为降低ED的最常用手段[11]。本研究采用ATCM技术进行剂量调控，低剂量组患者接受的辐射剂量为（2.03±1.26）mSv，较常规组的（6.54±1.37）mSv下降约68.96%。既往研究[4-5]表明使用低剂量扫描辐射剂量下降76%～77%，与以往研究相比，本研究的辐射剂量下降程度稍低。研究中，对于BMI <24 kg/m2的患者，ED下降约75.8%，与以往研究结果相似；而对于BMI≥24 kg/m2的患者，ED下降约63.5%，这是因为BMI较大的患者，扫描过程中管电流往往达到预设最大值，患者接受辐射剂量较多，提示辐射剂量的降低程度可能与管电压、噪声指数值及BMI有一定的关系。

3.2ASIR技术改善图像质量降低辐射剂量的同时，会增加图像噪声，导致图像质量明显下降。常用的降低图像噪声的重建方法有FBP及ASIR技术。FBP法由于其重建速度快，成为CT图像重建的“金标准”[12]，但易产生各种噪声及伪影，不能较大幅度地降低辐射剂量。本研究采用ASIR技术降低图像噪声，研究结果发现ASIR技术对降低图像噪声、改善图像质量有显著效果。贾楠等[13]在ASIR的初步临床研究中发现，与传统重建方法相比，ASIR算法可以使剂量减低50%以上，而图像噪声无明显提高。低剂量图像对大多数结石均能清晰显示，但对软组织结构的显示有不同程度的影响。本研究低剂量组中有22例继发肾盂及输尿管扩张积水，3例合并肾囊肿，在低剂量扫描FBP处理时结构显示欠佳，病变边界模糊不清，随着ASIR权重的增加，图像质量提高，当ASIR权重设定为80%时，标准差值降至最低，图像质量评分最高，可较好地满足临床诊断需求。Mclaughlin等[14]在使用不同权重ASIR（40%、70%、90%）对腹部图像进行处理时，认为ASIR可明显改善图像质量，70%ASIR时图像质量最好，本研究结果与之相似。

3.3本研究的局限性本研究的局限性在于研究样本量较小，在今后的研究中将进一步扩大样本量；研究中设定的噪声指数及管电压较为单一，能否在满足临床诊断的前提下设定更佳的扫描参数，进一步降低辐射剂量，有待进一步研究及探索。

总之，结合使用ATCM技术，在泌尿系结石患者中行低剂量CT扫描，可使辐射剂量下降约70%，使用ASIR技术，可明显改善图像质量，具有较好的临床可行性。

参考文献

[1]李小虎, 余永强, 王万勤, 等. CT能谱成像对肾结石成分

分析的初步研究. 中华放射学杂志, 2011, 45(12): 1216-1219.

[2]曾宪春, 江杰, 吴莉, 等. 双源CT双能量成像体外分析泌尿系结石成分. 中国医学影像学杂志, 2015, 23(2): 96-99.

[3]金学康, 伏云, 黄丽静, 等. 低剂量MSCT扫描在泌尿系结石诊断中的应用. 现代医用影像学, 2013, 22(1): 34-36.

[4]Kwon JK, Chang IH, Moon YT, et al. Usefulness of lowdose nonenhanced computed tomography with iterative reconstruction for evaluation of urolithiasis: diagnostic performance and agreement between the urologist and the radiologist. Urology, 2015, 85(3): 531-538.

[5]Gervaise A, Naulet P, Beuret F, et al. Low-dose CT with automatic tube current modulation, adaptive statistical iterative reconstruction, and low tube voltage for the diagnosis of renal colic: impact of body mass index. Am J Roentgenol, 2014, 202(3): 553-560.

[6]Rampado O, Marchisio F, Izzo A, et al. Effective dose and image quality evaluations of an automatic CT tube current modulation system with an anthropomorphic phantom. Eur J Radiol, 2009, 72(1): 181-187.

[7]Flicek KT, Hara AK, Silva AC, et al. Reducing the radiation dose for CT colonography using adaptive statistical iterative reconstruction: a pilot study. Am J Roentgenol, 2010, 195(1): 126-131.

[8]Kulkarni NM, Uppot RN, Eisner BH, et al. Radiation dose reduction at multidetector CT with adaptive statistical iterative reconstruction for evaluation of urolithiasis: how low can we go? Radiology, 2012, 265(1): 158-166.

[9]Valentin J. Managing patient dose in multi-detector computed tomography(MDCT). ICRP Publication 102. Ann ICRP, 2007, 37(1): 1-79.

[10]汪素涵, 刘昌盛, 查云飞. 低剂量与常规剂量l6排螺旋CT扫描泌尿系结石的对比研究. 中华放射医学与防护杂志,201l, 31(4): 497-500.

[11]Li X, Yu Y, Liu B, et al. Radiation dose reduction at multidetector CT. Radiology, 2013, 268(3): 925-926.

[12]Thibault JB, Sauer KD, Bouman CA, et al. A three-dimensional statistical approach to improved image quality for multislice helical CT. Med Phys, 2007, 34(11): 4526-4544.

[13]贾楠, 王新江, 惠萍, 等. 适应性统计迭代重建技术降低胸部CT扫描剂量的初步临床研究. 中国医学影像学杂志, 2010, 18(6): 551-553.

[14]Mclaughlin PD, Murphy KP, Hayes SA, et al. Non-contrast CT at comparable dose to an abdominal radiograph in patients with acute renal colic; impact of iterative reconstruction on image quality and diagnostic performance. Insights Imaging, 2014, 5(2): 217-230.

（本文编辑冯婕）

Chinese Journal of Medical Imaging 2016 Volume 24(2): 148-152

Effect of Adaptive Statistical Iterative Reconstruction on Image Quality of Urinary Calculi with Low-dose CT

【Abstract】Purpose CT is an important method to diagnose urinary calculi. Low-dose CT reduces radiation dose, but also reduces image quality and diagnostic efficiency as well. The aim of this study is to evaluate the feasibility of low-dose CT with adaptive statistical iterative reconstruction (ASIR) in diagnosis of urinary calculi. Materials and Methods Fiftysix patients suspected with urolithiasis clinically were randomly divided into conventionaldose group and low-dose group, with 28 patients in each group. Automatic tube current modulation scanning was used, with noise index of 13 in conventional-dose group and 25 in low-dose group. Image were reconstructed with filtered back projection (FBP) and different settings of ASIR (20%, 40%, 60%, 80%). The number, location and size of the calculi were analyzed; image quality, confidence levels for diagnose, image noise, CT dose index of volume (CTDIvol), dose length product (DLP) and effective dose (ED) were compared between the two groups. Results The sensitivity and specificity of the low-dose group and the conventional-dose group were 100.0% and 97.0%, 100.0% and 100.0%, respectively. Image quality and confidence levels of the conventional-dose group were higher than those of lowdose group (P<0.05). Image quality and confidence levels of low-dose group reconstructed with 20% and 40% ASIR were lower than those of conventional-dose group (P<0.05). Image quality and confidence levels of low-dose group reconstructed with 60% and 80% ASIR showed similar to those of conventional-dose group (P>0.05). Image noise of fat, right segment of the liver and psoas muscle on FBP maps in low-dose group were higher than those of conventional-dose group. While image noise of fat, right segment of the liver and psoas muscle in conventional-dose group were similar to those of low-dose group reconstructed with 80% ASIR. CTDIvol, DLP and ED of the two groups revealed statistic differences (P<0.05). Conclusion Low-dose CT scan in evaluating urinary stone would reduce radiation dose. ASIR technology may improve image quality significantly, which is feasible in clinical use.

【Key words】Urinary calculi; Tomography, X-ray computed; Image processing, computer-assisted; Iterative reconstruction technique; Radiation dosage; Quality control

收稿日期：2015-08-08

中图分类号

基金项目

通讯作者余永强

Doi：10.3969/j.issn.1005-5185.2016.02.017