头颅双能量CTA扫描参数组合与重建算法对图像质量影响的实验研究*

彭　刚，曾勇明，郁仁强，王　杰

(重庆医科大学附属第一医院放射科　400016)



头颅双能量CTA扫描参数组合与重建算法对图像质量影响的实验研究*

彭刚，曾勇明△，郁仁强，王杰

(重庆医科大学附属第一医院放射科400016)

[摘要]目的应用不同重建算法行头颅双能量CT 血管造影(DECTA)的图像质量，评价不同管电压组合行DECTA的辐射剂量。方法对置入模拟脑血管的头颅仿真体模，采用80/140 kV和100/140 kV行双能量CT扫描后，分别进行滤波反投影法(FBP)及迭代重建技术(SAFIRE)两种算法重建图像，测量CT值及CT值标准差(SD)计算信噪比(SNR)、对比噪育化(CNR),记录剂量长度乘积(DLP)并计算有效剂量，评价不同成像条件的图像质量及辐射剂量。结果在相同扫描参数条件下，SAFIRE重建算法的图像噪声明显低于FBP重建算法；随着管电流量从100 mAs增加至300 mAs,图像质量呈改善趋势,260 mAs以上图像质量趋于稳定；采用SAFIRE 重建算法，对两组管电压的图像质量进行比较，CT 值SD 差异有统计学意义(P<0.05)，CNR和SNR差异无统计学意义(P>0.05)；80/140 kV组的有效剂量较100/140 kV组明显降低。结论双能量头颅CTA采用80/140 kV管电压组合结合SAFIRE 算法能保证图像质量并显著降低辐射剂量。

[关键词]体层摄影术；X线计算机；双能；迭代重建；图像质量

传统CT的图像重建算法主要是滤波反投影法(filtered back projection，FBP)，随着MSCT不断发展，迭代重建技术成为研究热点，西门子公司开发了第二代迭代重建技术(sinogram affirmed iterative reconstruction，SAFIRE)[1-2]。本研究采用仿真头颅体模，通过改变不同成像参数行双能量CT血管造影(dual energy computer tomography angiography,DECTA)，定量分析双源CT不同双能量扫描参数组合和重建算法对图像质量及辐射剂量的影响。

1材料与方法

1.1材料采用日本Kyoto Kagaku公司PBU-60 型CT头部仿真体模，高约33 cm，质量约6.5 kg，该体模逼真地模拟了成人男性的头骨、脑组织、脑室及左半部动脉，由与人体软组织同等X线吸收率的等效材料制成，见图1。

1.2方法

1.2.1扫描方法使用Siemens Somatom Definition Flash 第二代双源CT。扫描参数：采用自动管电流调制(care dose 4D)技术，准直128.0 mm×0.6 mm，螺距0.7，层厚5 mm,机架旋转速度为0.28 秒/圈，分两组进行扫描，A组：管电压80/140 kV，参考管电流量100～300 mAs,间隔40 mAs。B组：管电压100/140 kV，参考管电流量100～300 mAs,间隔40 mAs。图像重建参数：采用FBP及SAFIRE(等级3)两种重建方法对两组图像进行重建，重建层厚0.75 mm，间隔0.50 mm，双能混合比例0.6，卷积核分别为D30f与Q30f。

1.2.2图像质量评价使用MMWP图像后处理工作站，由两名有经验的医师分别对两管电压组的FBP和SAFIRE图像质量进行评价，客观评价指标[3]包括：噪声CT 值标准差(standard deviation，SD)、信噪比(signal to noise，SNR)、对比噪声比(contrast to noise ratio，CNR)。具体评价方法为：将模拟脑血管分为A颈内动脉段、B大脑中动脉段及C大脑前动脉段3段，测量不同参数下相同层面的3段脑血管及邻近脑组织的CT值和噪声。脑血管测量面积为(0.04±0.01)cm2，脑实质测量面积为(1.00±0.05)cm2，每个层面各测5个点求平均值以减小误差，见图2。

图1　仿真头颅体模

1.2.3辐射剂量评价利用CT机的辐射剂量评估软件，记录每组参数扫描后的容积CT剂量指数(CTDIvol)、剂量长度乘积(DLP)。参考欧洲共同体委员会(CEC)的剂量转换指数K值[3]，根据公式E=DLP×K计算头颅CTA检查所致患者的有效剂量。

2结果

2.1两种重建算法在不同管电流量下图像质量比较头颅CTA双能量扫描在80/140 kV组或100/140 kV组中，相同管电流量下经SAFIRE重建的图像质量均优于FBP重建，两者图像质量客观评价指标之间的差异有统计学意义(P<0.05)。对不同管电流量组的图像质量进行分析，当管电流量小于或等于220 mAs时，随着管电流量不断增加，图像客观评价指标CT值SD不断降低，而SNR及CNR呈上升趋势。以管电流量300 mAs为对照，相同重建算法的各组间的图像质量客观评价指标差异均有统计学意义(P<0.05)；当管电流量大于或等于260 mAs时，各组图像质量改善趋于平缓，各组图像质量与对照组比较，差异无统计学意义(P>0.05)，见表1、2。

图像噪声：脑实质的CT 值SD；SNR：脑血管平均CT 值/相应CT 值SD，CNr=(脑血管CT值-脑实质CT 值)/脑实质CT值SD。

图2头颅CTA图像质量指标测量方法

2.2两组管电压SAFIRE重建算法图像质量比较在80/140 kV和100/140 kV条件下，随着管电流量从100～300 mAs不断增大，CT值SD逐渐减小，SNR和CNR逐渐增加；相同管电流量下，两组管电压图像CT值SD比较，差异有统计学意义(P<0.05)，SNR、CNR差异无统计学意义(P>0.05)，见表3。

表1　80/140 kV组两种重建算法图像质量比较

*：P<0.05，与300 mAs比较。

表2　100/140 kV组两种重建算法图像质量比较

*：P<0.05，与300 mAs比较。

表3　两种管电压组合SAFIRE算法图像质量比较±s)

2.3头颅CTA双能量扫描两组管电压扫描辐射剂量的比较随着管电流量增大，头颅CTA双能量扫描两管电压组的有效剂量均呈上升趋势，在相同管电流量下，80/140 kV组的有效剂量较100/140 kV组明显降低，见图3。

图3　两组管电压扫描辐射剂量比较

3讨论

随着多层螺旋CT技术的不断发展，头颅CTA成为头部血管疾病检查的重要方法，已经广泛应用于临床。第二代双源CT提供了双能量扫描方案，根据两种不同能量射线穿透力衰减的差别，利用一次扫描的数据，有效区分并分别显示各个组分，行双能量血管减影成像[4-5]。此技术比以往单源CT头颅CTA需要两次扫描后减影更简便快捷[6-7]，同时具有更低的辐射剂量。

SAFIRE是西门子新一代迭代重建算法，与传统FBP 算法相比，SAFIRE所需的投影数少、具有可在数据不完全和低信噪比(低剂量)条件下成像等优点达到高质量的图像[8-9]。根据国内外相关文献报道，3次迭代计算的图像质量更好[10-11]，所以本研究均选择SAFIRE等级3重建图像。

本研究头颅CTA双能量扫描在80/140 kV和100/140 kV时，分别设定6组参考管电流量对头颅仿真体模进行扫描。结果显示，随着管电流量从100 mAs增加至220 mAs，图像质量呈明显上升趋势，各组图像质量指标与对照组(360 mAs)比较有显著性差异。当管电流量上升至260 mAs以上，图像质量改善趋于平稳，与对照组比较差异无统计学意义(P>0.05)，而辐射剂量仍不断增加，提示辐射剂量是在一定范围内与图像质量呈线性相关，当辐射剂量超过这一范围，图像质量不再随着辐射剂量的增加而改善。因此，在本实验参数下，管电流量设定为260 mAs为图像质量和辐射剂量的最佳平衡点，即可以在保证图像质量前提下，接受较低的辐射剂量。

实验结果表明，在相同的扫描参数下，SAFIRE组图像质量指标均明显高于FBP组，由此可见迭代重建技术可以明显改善图像质量。经SAFIRE重建后，80/140 kV组和100/140 kV组的图像质量指标CT值SD差异有统计学意义(P<0.05)，SNR、CNR差异无统计学意义(P>0.05)。评价图像质量的重要指标是SNR值及CNR值[12-16]，通过公式虽然80/140 kV组由于管电压的降低造成X线穿透力减弱，使得图像噪声(CT值SD)增加，整体图像质量有所降低，但头颅CTA检查主要观察颅脑血管情况，对脑实质及周围组织图像质量的要求低于常规CT检查。由于低管电压对碘对比剂具有CT值增强效应，提升了血管的对比度，使得两组图像的SNR、CNR无明显差异。所以在头颅双能量CTA检查中，80/140 kV较100/140 kV具有更低的辐射剂量且图像质量无明显差异。

本研究是基于仿真头颅体模的基础研究，其优势在于可以通过多次重复扫描来优化扫描参数，且避免了伦理道德及个体差异等问题，但体模与人体实际情况存在一定差别，所以实验得出的最佳技术参数还有待临床验证。

综上所述，双能量头颅CTA采用SAFIRE 算法和80/140 kV管电压组合能保证图像质量并显著降低辐射剂量。

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Impact of image quality with scan parameters and reconstruction algorithms in head dual-energy computed tomography angiography*

Peng Gang,Zeng Yongming△,Yu Renqiang,Wang Jie

(DepartmentofRadiology,theFirstAffiliatedHospitalofChongqingMedicalUniversity,Chongqing400016,China)

[Abstract]ObjectiveTo study the difference of image quality which based on different reconstruction in head dual-energy computed tomography angiography (DECTA) scanning,and evaluate the radiation dose which using different tube voltage in DECTA.MethodsAn anthropomorphic head phantom with simulated arteries was used for DECTA scanning by different scan parameters (tube voltage 80/140 kV and tube voltage 100/140 kV),the data was reconstructed with filtered back projection (FBP) and Sinogram Affirmed Iterative Reconstruction (SAFIRE).The CT values with SD were measured and calculate to SNR and CNR,the dose length product (DLP) was recorded and invert to effective dose.The image quality and radiation dose were evaluated in different imaging condition.ResultsThe image noise of SAFIRE reconstruction was lower than FBP reconstruction in same san parameters.The increase of tube current-time product from 100 mAs to 300 mAs,it shows the characteristics of linear tendency.When it was on 260 mAs,the image quality become stable.The difference between the two groups(80/140 kV,100/140 kV)of SD of CT value by SAFIRE was significant (P<0.05),the difference of SNR and CNR between the two groups was not significant(P>0.05).The effective doses of group A (80/140 kV) was significantly lower than group B(100/140 kV).ConclusionUsing tube voltage of 80/140 kV combine with SAFIRE algorithm in head DECTA can ensure the image quality,which can significantly reduce radiation dose.

[Key words]tomography;X-ray computed;dual energy;iterative reconstruction;image quality

doi:·技术与方法·10.3969/j.issn.1671-8348.2016.16.024

*基金项目：国家临床重点专科建设项目([2013]544)。

作者简介：彭刚(1984-)，初级技师，硕士，主要从事CT扫描技术参数优化工作。△通讯作者，Tel:(023)89012228;E-mail:zeng-ym@vip.sina.com。

[中图分类号]R814.42

[文献标识码]A

[文章编号]1671-8348(2016)16-2236-03

(收稿日期：2016-01-11修回日期：2016-03-03)