FBP、iDose4和IMR重建算法对低剂量双下肢CTA图像质量的影响

钱伟亮，丰 川，周丹静，许建铭，王 宏，张继斌，吴晓霞，钱 鑫

(南京医科大学附属苏州医院放射科，江苏 苏州 215002)

FBP、iDose4和IMR重建算法对低剂量双下肢CTA图像质量的影响

钱伟亮，丰 川，周丹静，许建铭*，王 宏，张继斌，吴晓霞，钱 鑫

(南京医科大学附属苏州医院放射科，江苏 苏州 215002)

目的 探讨滤波反投影(FBP)、混合迭代重建(iDose4)和基于模型的迭代重建(IMR)技术对低剂量双下肢CTA图像质量的影响。方法 对56例成年患者行双下肢CTA扫描，分别用FBP、iDose4和IMR方法重建，测量下肢各段血管(腹主动脉分叉处、髂总动脉分叉处、股动脉近端、股动脉中段和腘动脉近端)的CT值、图像噪声及对比噪声比(CNR)，并采用4分法对3组图像质量分别进行主观评分。结果 FBP、iDose4和IMR重建图像的下肢各段血管平均CT值分别为(511.07±195.05)HU、(492.63±178.74)HU、(487.63±197.20)HU，三者间差异无统计学意义(F=1.175，P>0.05)。图像噪声分别为(76.24±20.85)HU、(39.16±11.75)HU、(13.09±2.55)HU，三者间差异有统计学意义(F=1 460.000，P<0.05)。CNR分别为6.35±3.14、12.97±5.10、33.83±15.85，三者间差异有统计学意义(F=646.122，P<0.05)。图像质量主观评分IMR(3.75±0.46)、FBP(1.39±0.51)、iDose4(2.61±0.81)差异有统计学意义(χ2=476.79，P<0.05)，膝关节以上、下段动脉可诊断率IMR(98.66%)明显高于FBP(1.34%)、iDose4(56.70%)，差异均有统计学意义(χ2=427.9，P<0.05)。结论 行低辐射剂量双下肢CTA扫描时，相比FBP和iDose4，IMR可以显著降低图像噪声，提高图像质量，且能满足诊断要求。

体层摄影术，X线计算机；基于模型的迭代重建；血管造影术；下肢；辐射剂量

随着CT检查在临床工作中的广泛运用，如何在降低辐射剂量的同时获取高质量的图像一直是人们关注的问题[1]。以往在双下肢CTA低剂量成像方面的研究更多关注扫描参数的优化及部分迭代算法的使用[2-3]。基于模型的迭代重建(iterative model reconstruction, IMR)是一种全新重建算法，在胸部CT[4]、冠状动脉CTA[5]等方面已展现出一定的优势。目前该技术在双下肢CTA方面的应用鲜有报道，本研究基于低剂量双下肢CTA成像条件，初步评估滤波反投影(filtered back projection, FBP)、混合迭代重建(hybrid iterative reconstruction, iDose4)和IMR这3种重建算法对图像质量的影响。

1 资料与方法

1.1一般资料 连续收集2015年9月—2016年7月因怀疑下肢动脉病变于我院接受双下肢CTA患者的临床及影像资料。排除标准：①血管内支架术后或骨折内固定金属支架术后；②身体质量指数(body mass index, BMI)<18 kg/m2或>25 kg/m2。最终入组56例，男43例，女13例，年龄33～92岁，平均(71.7±12.8)岁。该研究经本院伦理委员会同意，所有患者均签署知情同意书。

1.2仪器与方法 采用Philips Brilliance iCT行双下肢CTA扫描。患者取仰卧位，扫描范围均从腹主动脉至足底。扫描参数：管电压80 kVp，自动管电流调制技术(DoseRight, Philips Healthcare)，图像质量指数设为1，准直64×0.625 mm，球管旋转速度0.75 s/rot，矩阵512×512，螺距0.7。采用对比剂推注跟踪技术确定扫描时间，将ROI置于主动脉分叉处，阈值150 HU，达到阈值后延迟15 s开始扫描。经外周静脉注射优维显(370 mgI/ml)80 ml，前40 ml注射速率为4.0 ml/s，后40 ml为3.5 ml/s，再以4.0 ml/s注入生理盐水50 ml冲洗。CT扫描结束后，分别采用FBP、iDose4和IMR 3种重建算法对原始数据进行重建，层厚0.9 mm，层间距0.45 mm。

1.3图像评价

1.3.1客观评价 将下肢动脉CTA所有原始数据均传入IntelliSpace工作站，应用MIP和CPR等进行图像重组。由1名具有5年以上双下肢CTA阅片经验且不知晓图像重建方法的放射科医师在3组不同重建算法的图像上，分别测量腹主动脉分叉处、髂总动脉分叉处、股动脉近端、股动脉中段和腘动脉近端血管的CT值，并测量相应层面肌肉的CT值和标准差(standard deviation, SD)值，以肌肉的SD值作为图像噪声。各参数均在连续层面上重复测量3次，取平均值作为最终结果。计算对比噪声比(contrast noise ratio， CNR)，CNR=(CT血管-CT肌肉)/SD肌肉。

1.3.2主观评价 由2名具有5年以上双下肢CTA阅片经验的放射科医师采用盲法以4分制对各组图像进行评分，存在分歧时，一同重新阅片达成一致。将双下肢动脉分4个节段进行评价：左/右膝关节以上/下段动脉。评分标准[6]：1分(差)，背景噪声非常明显，血管不清，无法诊断；2分(中等)，背景噪声明显，血管轮廓明显毛糙，影响诊断；3分(良好)，背景噪声较轻，对比良好，血管轮廓稍毛糙但不影响诊断；4分(优异)，背景无明显噪声，对比优异，血管轮廓清晰。评分≥3分为满足诊断需要的图像，可诊断率为评分≥3分的血管节段数占总双下肢动脉节段数的比例。

1.4辐射剂量 采用有效吸收剂量(effective dose, ED)评价患者的辐射剂量。记录每例患者的容积CT剂量指数(computed tomography dose index volume, CTDIvol)，并测量扫描起始部至股骨小转子长度，即腹盆部和髋部扫描长度。因下肢CTA扫描中下肢部分有效剂量转换因子k并不适用[7]，故本研究有效辐射剂量仅计算腹盆部及髋部ED，k取0.015 mSv·mGy-1·cm-1，计算方法参考相关文献[3]。

2 结果

所有患者成功完成检查，54例诊断为下肢动脉硬化，2例无阳性表现。患者的平均CTDIvol为(0.65±0.08)mGy，平均ED为(0.51±0.08)mSv。

2.1客观评价结果 采用FBP、iDose4和IMR 重建算法得到的3组图像的各段血管CT值、SD值及CNR见表1～3。三者间各段血管CT值差异均无统计学意义(F=1.175，P>0.05)。图像噪声：FBP>iDose4>IMR，差异具有统计学意义(P均<0.05)，IMR较FBP和iDose4的图像噪声分别降低82.83%、66.57%。CNR：IMR>iDose4>FBP，差异有统计学意义(P均<0.05)，IMR的CNR较FBP和iDose4分别提高432.76%、160.83%。见图1、2。

2.2主观评价结果 总体图像质量主观评分：IMR>iDose4>FBP，差异具有统计学意义(P均<0.05)。IMR的膝关节上、下段动脉可诊断率显著高于iDose4、FBP(P均<0.05)。见表4、5。

3 讨论

双下肢CTA检查中常见的降低辐射剂量的方法包括降低管电压、管电流，提高螺距及利用迭代算法等[3，8]。本研究采用低管电压及自动管电流调节技术行双下肢CTA扫描，入组患者的平均ED为(0.51±0.08)mSv，达到了亚mSv级的扫描状态。

3.1不同重建算法对于图像质量的影响 本组中FBP重建图像的平均噪声为(76.24±20.85)HU，各节段的图像噪声均明显高于iDose4和IMR，考虑与其采集数据时的理想化，忽略焦点、体素和探测器的实际几何大小等原因有关[9]。

迭代重建算法是基于噪声的统计模型，选择性识别并去除图像噪声，在每次迭代中提高图像质量，降低图像噪声和伪影。iDose4综合了FBP及迭代重建两种算法，本研究选用降噪比较温和的4级，FBP和迭代重建各占50%[10]。Hou等[11]在冠状动脉CTA研究中对比FBP和iDose4，认为iDose4在降低55%辐射剂量情况下仍可获得噪声较小的高质量图像。本研究中，在低剂量条件下，iDose4与FBP相比，图像噪声降低约48.64%，CNR提高104.25%，主观评分提高2倍。相比FBP而言，iDose4可以降低噪声，提高图像质量，但由于该算法基于解剖模型，所以在迭代重建过程中具有一定的局限性[12]。

IMR是目前最新的迭代算法，是基于统计和系统模型精确测定的数据和图像的统计模型，考虑到了焦点尺寸、X线束宽度、体素大小、探测器像素尺寸和光束及探测器间的相互作用等因素，是全面的在数据空间和图像空间上对统计和系统模型进行优化从而更精确地还原扫描信息[13]。相比FBP、iDose4，IMR在降低噪声和降低剂量方面的优势明显[10-13]。本研究发现，IMR较FBP和iDose4的图像噪声分别降低82.83%、66.57%，CNR分别提高了432.76%、160.83%，主观图像评分方面IMR(3.75±0.46)亦显著高于FBP(1.39±0.51)、iDose4(2.61± 0.81)，差异具有统计学意义(P均<0.05)。而在CT值方面，3种方法间的差异无统计学意义(P>0.05)，与Yuki等[13]在低kV冠状动脉CTA方面的研究结果类似。

3.2不同重建算法对于可诊断率的影响 在行CT检查时，对于辐射剂量的控制应遵循ALARA(as low as reasonably as achievable)原则，即在降低剂量的同时也要满足临床诊断需求。本研究显示，FBP、iDose4和IMR的双下肢CTA图像的可诊断率分别为1.34%、56.70%和98.66%，即在低辐射剂量扫描背景下，利用IMR可基本满足临床诊断，而FBP和iDose4无法满足，这主要与IMR更强的去噪声能力有关。与蒋骏等[10，13]在低剂量冠状动脉CTA方面的研究结果类似。

3.3本研究的局限性 本研究不足之处：①纳入的研究对象均为标准BMI指数患者，未来将探索对高BMI患者行低剂量双下肢CTA的可行性方案；②可诊断率以主观评分为标准，今后将进一步与金标准DSA行对比分析。

总之，行低辐射剂量双下肢CTA扫描时，相比FBP和iDose4，IMR可以进一步降低图像噪声，提高图像质量，且能满足临床诊断要求。

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Impact of reconstruction algorithms on low dose lower extremity CTA image quality： Comparison of FBP, iDose4and IMR

QIANWeiliang,FENGChuan,ZHOUDanjing,XUJianming*,WANGHong,ZHANGJibin,WUXiaoxia,QIANXin

(DepartmentofRadiology,NanjingMedicalUniversityAffiliatedSuzhouHospital,Suzhou215002，China)

Objective To investigate the effect of different reconstruction algorithms, including filtered back projection (FBP), hybrid iterative reconstruction (iDose4) and iterative model reconstruction (IMR) on image quality of low dose lower extremity CTA. Methods Fifty-six patients underwent lower extremity CTA, and the images were reconstructed with FBP, iDose4and IMR algorithms respectively. CT attenuation, image noise and contrast noise ratio (CNR) of 5 positions including aortic bifurcation, iliac bifurcation, proximal femoral artery, middle femoral artery, proximal popliteal artery were calculated. Subjective image quality of lower extremity arteries were assessed on a 4-point scale. Results CT attenuation of FBP, iDose4, IMR in lower extremity arteries were (511.07±195.05)HU, (492.63±178.74)HU, (487.63±197.20)HU, and there was no statistically significant difference among them (F=1.175,P>0.05). The mean image noise of FBP, iDose4and IMR images were (76.24±20.85)HU, (39.16±11.75)HU, (13.09±2.55)HU, and the CNR of FBP, iDose4 and IMR images were 6.35±3.14, 12.97±5.10, 33.83±15.85, respectively. Image noise and CNR were both found significantly differences among the 3 methods (F=1 460.000, 646.122, bothP<0.05). The visual scores were significantly higher for IMR (3.75±0.46) than those for FBP and iDose4images (1.39±0.51 for FBP, 2.61±0.81 for iDose4,χ2=476.79,P<0.05). There were significant differences in the diagnosis rates of arteries above-the-knee as well as arteries below-the-knee among the 3 methods (FBP 1.34%, iDose456.70%, IMR 98.66%,χ2=427.9,P<0.05). Conclusion IMR may reduce image noise and improve image quality of low radiation dose lower extremity CTA compared with FBP, iDose4without compromising the diagnostic requirements.

Tomography, X-ray computed; Iterative model reconstruction; Angiography; Lower extremity; Radiation dosage

钱伟亮(1991—)，男，江苏苏州人，在读硕士。研究方向：低剂量CT成像。E-mail： 564696370@qq.com

许建铭，南京医科大学附属苏州医院放射科，215002。E-mail： jmxu86@163.com

2016-08-11

2016-12-08

影像技术学

10.13929/j.1003-3289.201608051

R814.42; R658.3

A

1003-3289(2017)02-0290-05