兔脑CTP低剂量扫描联合迭代重建的可行性研究

望云， 萧毅， 刘士远， 李清楚， 孙维虎， 姜彦， 曹鹏



·研究生展版·

兔脑CTP低剂量扫描联合迭代重建的可行性研究

望云， 萧毅， 刘士远， 李清楚， 孙维虎， 姜彦， 曹鹏

目的：评价联合迭代重建技术(iDose4)的低剂量兔脑CT灌注成像参数的准确性及图像质量。方法：将60只成年雄性新西兰白兔随机均分为3组进行CT灌注成像，扫描参数：常规剂量组(RD)为80 kV、100 mAs、FBP，低剂量组(LD)为80 kV、50 mAs、iDose4和层级3)，超低剂量组(ULD)为80kV、25mAs、iDose4和层级5。测量各组兔脑的灌注参数值(包括脑血流量CBF、脑血容量CBV、平均通过时间MTT、达峰时间TTP)并计算有效辐射剂量。对3组灌注图像质量进行评估和比较，包括图像噪声、脑实质信噪比(SNR)和图像质量评分。结果：共有54只兔脑CT灌注扫描成功，其中RD组16只，LD组20只，ULD组18只。三组的有效剂量分别为：RD组3.47 mSv，LD组1.53 mSv，ULD组0.75 mSv；与RD组比较，LD组和ULD组的有效辐射剂量分别下降55.9%和78.3%。各项灌注参数值(CBF、CBV、MTT和TTP)在三组间差异均无统计学意义(P>0.05)。图像噪声和脑实质SNR在三组间差异无统计学意义(P>0.05)。图像质量主观评分：ULD组低于RD组，差异有统计学意义(P=0.006)；LD组与RD组，ULD组与LD组间差异无统计学差异(P>0.05)。两位观察者对图像质量主观评价结果的一致性中等(Kappa=0.471，P<0.01)。结论：通过联合不同层级的迭代重建技术，低剂量和超低剂量兔脑CT灌注成像可获得准确的灌注参数值以及可接受的图像质量。

低辐射量； 迭代重建； 体层摄影术，X线计算机； 脑灌注成像； 实验研究

脑CT灌注成像作为一种功能影像学技术，可提供血流动力学信息，用于评价区域脑组织灌注的变化情况，在急性脑缺血性疾病以及脑肿瘤的诊断中均有较广泛应用[1-2]。然而，CT灌注扫描所致的辐射剂量较高，一直以来成为限制其临床推广的主要缺点[3-4]。近年来，随着CT技术进展，降低管电流联合迭代重建算法的低剂量扫描方法已经在具有高对比特性的器官(如肺脏、骨骼)中得到广泛应用[5]，但降低管电流对低对比特性的脑组织的图像噪声影响较大，应用迭代重建技术能否有效降低噪声从而获得准确的灌注参数和可接受的图像质量成为研究热点。因此本研究应用混合迭代重建技术(iDose4)进行低剂量以及超低剂量兔脑CT灌注成像，通过评估灌注参数的准确性以及图像质量，旨在探讨低剂量联合迭代重建技术脑CT灌注成像的可行性。

材料与方法

1.动物准备

健康成年雄性新西兰白兔60只，由第二军医大学实验动物中心提供，体重2.0～2.9 kg。术前禁食，自由饮水。麻醉方法：3%戊巴比妥钠腹腔注射，剂量1 mL/kg，角膜反射消失提示麻醉成功。自制泡沫头架固定兔子的头部，留置针置于实验动物右大腿外侧静脉并固定备用。实验程序遵照动物实验研究伦理道德规范。

2.CT检查

60只实验动物按数字表法随机分为3组，常规剂量(routine dose，RD)组，低剂量(low dose，LD)组和超低剂量(ultra-low dose，ULD)组，每组20只。使用Philips Brilliance iCT 256层螺旋CT机。实验动物仰卧，先行常规横轴面平扫，扫描参数：80 kV，120 mAs，矩阵512×512，视野25 cm×25 cm，层厚5 mm。平扫完成后行CT灌注扫描，采用高压注射器经实验动物右大腿外侧静脉团注碘克沙醇(270 mg I/mL)5 mL，注射流率1.5 mL/s。注药开始时立即进行灌注扫描，并持续动态扫描60 s，每1.5 s进行一次灌注图像采集，最终获得40个图像序列，每个序列包含15帧图像。扫描参数：管电流RD组100 mAs，LD组50 mAs，ULD组25 mAs；其余扫描参数三组一致，80 kV，64i×1.25 mm、0.4 s/r，矩阵512×512，视野22 cm×22 cm，层厚5 mm，扫描范围8 cm(覆盖颅顶至颅底)。三组的平扫图像均采用滤波反投影算法(filtered back projection，FBP)重建；灌注图像RD组采用FBP重建，LD组采用混合迭代重建算法(iDose4，层级3)重建，ULD组采用混合迭代重建算法(iDose4，层级5)重建。

3.图像后处理

将灌注图像导入Philips IntelliSpace Portal工作站，采用Brain perfusion软件进行图像处理。首先对图像进行自动阈值定义，去除骨及空气的影响。选取基底动脉作为输入动脉，上矢状窦为流出静脉，获得参照血管的时间-密度曲线(time-density curve，TDC)，再经过运算获取反映脑组织血流灌注状态的伪彩灌注参数图，包括脑血流量(cerebral blood flow，CBF)图、脑血容量(cerebral blood volume，CBV)图、平均通过时间(mean transit time，MTT)图、达峰时间(time to peak，TTP)图。选取脑组织最大层面，在一侧但那大脑半球内勾画感兴趣区(ROI)，面积为20～30mm2，ROI尽量置于脑组织中央，避开颅骨和大血管区域，以脑中线为镜面在对侧大脑半球等距离处自动生成对侧的镜像ROI，测量ROI的灌注参数值；然后，在脑组织最大层面的上下相邻层面，以相同的方法选取ROI，测量各ROI的灌注参数值。为避免参数值波动过大，取两侧大脑半球3个层面共计6个ROI的脑灌注参数值的均值作为最终测量结果。

4.图像质量评价

在Philips IntelliSpace Portal工作站采用双盲法对图像质量进行客观评价和主观评价。客观评价指标：由1位神经放射科医师在时间-最大密度投影 (time-maximum intensity projection,tMIP)图像上，于脑实质内及大脑中动脉区放置ROI，记录选定ROI的CT值以及标准差(SD)值。以脑实质CT 值的标准差(SD)作为图像噪声，计算图像的信号噪声比(signal to noise ratio，SNR)：

(1)

由2位具有3 年以上阅片经验的神经放射科医师采用盲法阅片，分别对各组灌注成像的原始图像进行主观评价，有分歧时通过协商达成一致意见。图像质量评分采用4分法：1分为图像噪声伪影严重，脑灰白质对比差，图像均匀性差；2分为图像噪声伪影存在但不影响诊断，脑灰白质对比度及图像均匀性可接受；3分为图像存在轻度噪声或伪影，脑灰白质对比度和图像均匀性高于平均；4分为图像噪声伪影不存在或轻微，脑灰白质对比度和图像均匀性良好。

5.有效辐射剂量

记录CT自动计算的容积剂量指数(CTDIvol)和剂量长度乘积(DLP)，由DLP乘以转换系数k估算有效辐射剂量(effective dose，ED)。参考欧盟关于CT质量标准指南[6]，k=0.0023mSv/(mGy·cm)。

6.统计学分析

采用SPSS 21.0统计软件对数据进行统计学分析。三组间灌注参数值、图像质量客观评价指标及辐射剂量的比较采用单因素方差分析，若有差异则进一步采用Dunnet检验进行两两比较；图像质量主观评价指标的比较采用K-W秩和检验，若有差异采则进一步采用Nemenyi检验进行两两比较。以P<0.05为差异有统计学意义。两位阅片者主观评价结果之间的一致性采用Kappa检验。

注：*CBF的单位为mL/(100g·min)，CBV的单位为mL/100g。

表2　三组图像质量的客观评价结果

结　果

共有54只兔的脑CT灌注扫描成功，其中RD组16只，LD组20只，ULD组18只。三组有效辐射剂量分别为RD组3.47 mSv，LD组1.53 mSv，ULD组0.75 mSv；与RD组相比，LD组和ULD组ED分别下降55.9%和78.4%。

三组间灌注参数值CBF、CBV、MTT和TTP的差异均无统计学意义(表1，图1～3)。三组间图像质量客观评价指标中图像噪声、脑实质SNR的差异均无统计学意义(表2)。

两位观察者对图像质量的主观评分的一致性中等(Kappa=0.471，P<0.01)。三组图像质量的评分结果见图4。其中，ULD组的评分低于RD组，差异有统计学意义(P=0.006)；LD组与RD组，ULD组与LD组间评分的差异均无统计学意义(P>0.05)。

讨　论

本研究结果显示，兔脑CT灌注成像中，低剂量和超低剂量扫描联合不同层级的混合迭代重建技术，与常规剂量联合FBP重建技术相比，灌注参数和图像质量客观评价结果均无明显统计学差异。笔者分析原因如下。

CT灌注成像的理论基础来自核医学的放射性示踪剂稀释原理和中心容积定律，使用的数学模型包括两大类：非去卷积模型和去卷积模型[7]。本研究所用的脑CT灌注分析软件使用的是去卷积模型，该模型将每个像素位置的时程数据转化为相应的脉冲剩余函数(impulse residue function,IRF)，以此反映静脉团注对比剂后随时间的推移对比剂在组织内的数量从而计算出灌注参数值。然而，IRF对噪声敏感，研究表明噪声增加会导致IRF波动，进而导致去卷积模型过高估计脑血流量[8]。而低剂量CT灌注扫描通常会增加图像噪声，降低图像质量，因此可能会影响灌注参数值测量的准确性。本研究结果显示，低剂量和超低剂量扫描联合不同层级的混合迭代重建技术，与常规剂量联合FBP重建技术相比，所测量的灌注参数值无明显统计学差异，充分说明迭代重建技术降低了低剂量甚至是超低剂量扫描图像噪声，保持了IRF的稳定性，从而使得三组扫描图像间所测量的灌注参数值并无明显差异。

目前，低剂量脑灌注CT一般通过降低管电压、管电流，限制扫描层数、延长采样间隔时间和使用迭代重建算法等实现[9-11]。灌注参数值都是通过每一体素的时间-密度曲线(time density curve，TDC)，再利用不同的数据模型计算出来的。也就是说，每个体素的CT值与灌注参数密切相关，而CT值除了与物质本身密度有关之外，也与X射线的能量即管电压和管电流有关。Wintermark等[9]将人脑CT灌注成像的管电压降低至80 kV，研究结果表明与120 kV相比，80 kV可获得更好的图像对比信噪比，且灌注参数值也无明显统计学差异，且辐射剂量明显降低。闻芳等[12]将兔脑CT灌注成像的管电压降低至70 kV，其研究结果表明与80 kV相比，改变管电压不会对灌注参数值产生明显影响，充分说明在一定范围内改变管电压不会影响灌注参数的测量准确性。

本研究将管电压设定为固定值80 kV，采用降低管电流的方法进一步降低辐射剂量，研究结果显示图像噪声和SNR在LD、ULD和RD组之间差异均无统计学意义。理论上讲降低管电流，会增加图像噪声，而本研究所使用的混合迭代重建技术(iDose4)是一种高级迭代重建技术，该技术首先识别并校正 CT 测量值的最大噪声，再通过迭代过程去除噪声数据，获取图像的真实形态[13]。同时，iDose4可根据降噪能力的强弱分为1～7级，本研究中LD组选用层级3，ULD组选用层级5，即管电流越低，迭代重建技术的降噪层级越高，从而使三组间可获得相似的图像噪声水平、信噪比和对比噪声比。Lin等[14]通过降低管电流来降低CT脑灌注成像的辐射剂量，其研究结果显示在固定管电压下，联合iDose4重建的低管电流(80 mAs)组与FBP重建的常规管电流(100 mAs)组相比，灌注参数值和图像信噪比均无明显差异。本研究结果与之相符，亦证实降低管电流联合迭代重建技术可获得与常规剂量扫描相似的图像质量。

研究报道在应用较高层级的混合迭代技术时，往往由于图像噪声的大幅下降，会造成图像边缘过于平滑而兔脑灰白质对比度降低，图像失真，从而影响图像主观质量[13]。本研究中ULD组主观评分显著低于RD组，可能因为ULD组图像噪声较高，实验中为达到较强的噪声抑制效果而采用iDose4较高层级(层级5)进行重建，从而导致图像失真。噪声抑制过多仅仅会导致图像边缘不够锐利，而对CT值的测量准确性影响不大，从而使灌注参数值的稳定性得以保持。

本研究存在一定的局限性：①兔脑与人脑的组织生理学特点存在差异，本研究为动物模型研究，未涉及临床研究；②本研究未涉及病理状态下低剂量CT灌注成像的评估；③样本量较小。

综上所述，通过联合不同层级的混合迭代重建技术，低剂量和超低剂量兔脑灌注成像可获得准确的灌注参数测量结果及可接受的图像质量，提示应用混合迭代重建技术，CT人脑灌注同样可能会有更进一步降低辐射剂量的潜力。

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Feasibility study of low radiation dose brain perfusion with a hybrid iterative reconstruction technique in a rabbit model

WANG Yun,XIAO Yi,LIU Shi-yuan,et al.Department of Radiology and Nuclear Medicine,Changzheng Hospital,the Second Military Medical University,Shanghai 200003,China

Objective:To investigate the image quality and quantitative accuracy of low dose CT brain perfusion imaging in rabbits using hybrid iterative reconstruction technique (iDose4).Methods:60 male New Zealand white rabbits were divided into three groups to undergo brain perfusion imaging at a 256-slice MDCT scanner,scan parameters:80kV,100mAs and filtered back projection technique in routine dose (RD) group;80kV,50mAs,iDose4and level 3 in low dose (LD) group;80kV,25mAs,iDose4and level 5 in ultra-low dose (ULD) group.Effective dose (ED) of three groups were calcula-ted and compared.Perfusion parameters of rabbit brain including cerebral blood flow (CBF),cerebral blood volume (CBV),mean transit time (MTT),and time to peak (TTP) were obtained on image post-processing workstation.Image quality of three groups were evaluated and compared,including image noise,signal-noise ratio (SNR) of parenchyma and image quality score analyzed by two radiologists.Results:Brain CT perfusion scanning was successful in 54 rabbits (64/60),including 16 in RD group,20 in LD group and 18 in ULD group.The ED in RD group was 3.47mSv,in LD group was 1.53mSv and in ULD group was 0.75mSv.Compared to RD group,the value of ED decreased 55.9% in LD group and 78.3% in ULD group.There were no significant differences in brain perfusion parameters and objective index of image quality (image noise and SNR) among all groups (P>0.05).The image quality score was significantly lower in ULD group compared to RD group (P=0.006).There was no significant difference in image quality score between LD group and RD group,also between ULD group and LD group (P>0.05).Interobserver agreement between the two radiologists was medium,Kappa value was 0.471 (P<0.01).Conclusion:Low dose,even ultra-low dose brain perfusion imaging could reach quantitative accuracy and acceptable image quality by using different levels of iDose4in a rabbit model.

Low radiation dose； Iterative reconstruction； Tomography,X-ray computed； Brain perfusion imaging； Experimental study

200003上海，第二军医大学附属长征医院影像医学与核医学科(望云、萧毅、刘士远、李清楚、孙维虎)；200233上海，飞利浦中国影像研究学院(姜彦)；201203上海，GE医疗集团生命科学事业部(曹鹏)

望云(1990-)，女，湖北宜城人，硕士研究生，主要从事神经系统影像诊断工作。

萧毅，E-mail：xiaoyi@188.com

R814.42； R743.3

A

1000-0313(2016)08-0712-05

10.13609/j.cnki.1000-0313.2018.08.009

2016-01-25

2016-04-30)