不同重建算法对低剂量头颈部CTA扫描图像质量的影响

齐天白侯珺琳

不同重建算法对低剂量头颈部CTA扫描图像质量的影响

齐天白①侯珺琳①

目的：在头颈部低剂量血管造影(CTA)扫描后对得到的原始图像运用不同重建方法，即滤波反射投影(FBP)、自适应统计迭代(ASIR)和基于模型迭代重建(MBIR)获得的图像进行比较，探讨不同重建方法对头颈低剂量CTA扫描图像质量的影响。方法：选取30例行头颈部CTA检查的患者，应用宝石能谱CT进行头颈扫描，将管电压设置为低剂量80 kVp，于肘静脉以4 ml/s速度注射60～80 ml对比剂(350 mg I/ml)，其余参数选择常规参数。对所得原始图像分别使用FBP、60%ASIR和MBIR进行重建，对三组重建获得的图像质量进行评分和比较，并做相应的统计学分析。结果：运用不同重建方法FBP、60%ASIR和MBIR，得到的图像噪声、对比噪声比以及图像质量主观得分结果显示：①图像噪声，MBIR组＜60%ASIR组＜FBP，且差异显著；②对比噪声比，MBIR组＞60%ASIR组＞FBP，且差异显著；③图像主观评分，MBIR组＞60%ASIR组＞FBP，且差异明显。结论：在宝石CT下的头颈部CTA使用低剂量结合三组不同重建算法获得的图像中，MBIR重建获得的图像噪声最低，图像质量最好，具有临床诊断意义。

宝石能谱CT；低剂量；头颈部血管成像；图像质量；重建方式

目前，脑血管疾病已经是威胁人类健康安全的第一大杀手，头颈部X射线计算机断层成像(computed tomography，CT)血管造影(computed tomographic angiography，CTA)是筛查颈脑血管性疾病的重要检查方法，具有时间和空间分辨率高、扫描速度快、覆盖容积范围大、检查时间短和易于临床诊断等优点[1-3]。据有关报道，CT照射剂量当量每增加1 Sv，致癌风险增加超过3.5%[4]。因此，在CT检查过程中，有效降低射线剂量是医疗研究的难题[5]。以往放射技师会通过优化扫描参数、加强防护措施来保护受检患者，较少出现在降低剂量后通过重建方式的改变而不影响图像质量的情况。本研究应用宝石CT行头颈部CTA低剂量扫描中分别采用滤波反射投影技术(filtered back projection，FBP)、自适应统计迭代重建(adaptive statistical iterative reconstruction，ASIR)[6]和基于模型的迭代重建(model-based iterative reconstruction，MBIR)[7]三种不同重建算法得到图像，并对比三组图像噪声、对比噪声比以及图像质量，探讨上述三种重建算法在低剂量扫描下对头颈CTA图像质量的影响，从而研究低剂量头颈CTA的可行性。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2014年5-12月湖州市第三人民医院30例行头颈部CTA检查的患者，其中男性19例，女性11例；平均年龄(57.2±4.1)岁；体质量指数(23.1±4.1)kg/m2。30例患者中脑梗塞6例，脑出血8例，脑供血异常2例，不明原因头晕14例。本研究经医院伦理委员会批准，所有患者均签署知情同意书。

1.2 纳入与排除标准

(1)纳入标准：病情较轻，均需进行头颈部CTA诊断，且无其他严重并发症。

(2)排除标准：肾功能障碍、对碘对比剂过敏反应者。

1.3 仪器与材料

采用Discovery 750HD型宝石能谱CT(美国GE公司)对30例患者行头颈部CTA检查。

1.4 检查方法

检查前患者需禁食，并于检查前、后大量饮水。低血糖症状患者可大量饮用牛奶。

将管电压设置为80 kVp，分别于肘静脉以4 ml/s速度注射60～80 ml对比剂(欧乃派克350 mgI/ml)；管电流设置为250 mA，噪声指数NI=12，准直宽度40 mm，机架转速0.4 s/r，螺距0.984∶1。采用CT进行扫描，对所得原始图像分别使用FBP、60%ASIR[8]和MBIR进行重建，得到3组图像质量参数。

1.5 观察与评价指标

由客观数据结合主观评分法共同完成。

(1)客观数据获得：将所有试验的图像传至AW4.5工作站，分别以曲面重建(curved plannar reconstruction，CPR)、容积再现(volume rendering，VR)、多平面重组(multi-planar-reformatting，MPR)显示。对比噪声比采用水平颈总动脉与颈部软组织作为记录，在每例图像的颈总动脉和颈部软组织密度均匀区域分别设置感兴趣区域(region of interest，ROI)，以被测密度的标准差(standard deviation，SD)作为图像噪声(以下用SD＋部位表示)。然后在同样ROI区域，获得两者的CT值(以下用CT+部位表示)。通过公式对比噪声比(contrast to noise，CNR)进行计算。其计算为公式1：

然后再设置一个ROI：大脑中动脉，得到CT脑动脉和SD脑动脉。算出3个ROI的图像噪声平均值为SD。

(2)主观评价法：对图像质量作出评分。主观评价法由2位5年以上放射经验的主治医师采用4分制进行评估[9]。其标准为CT值350～500 HU、图像清晰无阴影、血管分支4级以上，全程血管强化均匀：①4分，完全符合诊断要求，图像细腻，血管密度高、边缘平滑，血管显示4级以上分支；②3分，基本符合诊断要求，图像清晰，血管密度较高、边缘平滑，血管显示3级以上分支；③2分，可诊断，但较困难，血管密度较淡、边缘较平滑，主干可显示，血管显示3级分支；④1分，不能达到诊断要求，血管密度淡、边缘毛糙，血管显示3级以下分支。

1.6 统计学方法

所有30例患者收集的数据录入Excel 2003，采用SPSS 10.0统计学软件对3组图像质量参数分别进行双样本t检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

运用不同重建方法FBP、60%ASIR和MBIR可得到图像噪声、对比噪声比以及图像质量主观得分。其中：①FBP组和60%ASIR组图像平均噪声、对比噪声比以及图像主观评分相比，差异有统计学意义(t=10.23，t=7.58，t=14.41；P＜0.05)；②FBP组和MBIR组图像平均噪声、对比噪声比以及图像主观评分相比，差异有统计学意义(t=12.65，t=11.32，t=17.29；P＜0.05)；③60%ASIR组和MBIR组图像平均噪声、对比噪声比以及图像主观评分相比，差异有统计学意义(t=5.51，t=7.33，t=8.98；P＜0.05)。综上得出：噪声水平比较MBIR组＜60%ASIR组＜FBP，对比噪声比比较MBIR组＞60%ASIR组＞FBP，主观评分比较MBIR组＞60%ASIR组＞FBP(见表1、表2和表3)。

表1 不同重建方法FBP和60%ASIR所得图像质量参数比较(x-±s)

表2 不同重建方法FBP和MBIR所得图像质量参数比较(x-±s)

表3 不同重建方法60%ASIR和MBIR所得图像质量参数比较(x-±s)

本研究从入选的30例患者中随机抽取1例患者，从图像质量上直观对比下，如图1所示。图1A、1B、1C为同一患者的冠状重建图，其中A为使用了MBIR重建；B为使用了60%ASIR重建；C为使用了FBP重建。其中图1A完全符合诊断要求，图像细腻，边缘平滑；图1B基本符合诊断要求，图像较清晰；图1C诊断较困难，血管密度较淡、边缘较平滑，噪声较图1A和B要高很多，三者图像质量差异显著。图2A、2B、2C均为同一患者的头颅血管图，如图2所示，其中图2A为使用了MBIR重建；图2B为使用了60%ASIR重建；图2C为使用了FBP重建。其中图2A完全符合诊断要求，图像细腻，边缘平滑；图2B基本符合诊断要求，图像较清晰，但存在伪影；图2C诊断较困难，血管密度较淡、边缘较平滑，噪声较图2A和图2B要高很多。三者图像质量差异显著。

图1 同一患者运用不同重建方法得到的冠状重建图

图2 同一患者运用不同重建方法得到的头颅血管图

3 讨论

头颈部CTA在临床上使用十分普遍，随着新的重建算法的发展，低辐射剂量扫描已成为可能[10]。目前，临床上主流重建算法是FBP[11-12]。FBP重建速度很快，但对于原始数据的处理设计过于简单，其通过对扫描过程中所接受的X光子的数量来进行图像噪声计算。对于低剂量扫描图像来说，FBP接受从任意角度投影的X光子数据，并均认为其有效。这一算法忽略了扫描中的一些无效的量子噪声及电子噪声对图像的影响，使图像噪声值均匀扩展至各个部位的图像噪声中，噪声明显增高。

本研究采用的GE Discovery 750HD型宝石能谱CT配置了ASIR平台，目前ASIR算法在国内外有着广泛应用，且在人体各个器官均有不同的进展。首先通过建立噪声性质和被扫描物体的模型，在原始数据空间通过精确模型进行运算，引入统计信息，在噪声强度一致的情况下可以尽可能的降低扫描强度[13]。ASIR将光学原理理想化，假设相近两组织之间估算的噪声较小时的差异是有效的，以逐步迭代的方式产生一个理论上无噪声的图像。随后将FBP和ASIR重建数据加权融合，从而减少图像噪声。ASIR权重比可以选择，选取不同的ASIR权重比，对图像噪声的抑制水平也各不相同。因此，ASIR可在降低剂量的情况下通过降低噪声而不改变图像质量。

而MBIR是最新的一种迭代重建算法，其无需与FBP图像相混合，比ASIR算法更加复杂和先进，因而也不存在选取权重比的步骤[14]。该项技术不但结合了数据收集系统内光子和电子噪声统计模型，而且考虑了光学系统模型[15]。MBIR分析焦点以及通过受检者身体和达到探测器的X射线束，并权重每一个点的数据资料，以进一步减少噪声对最终结果的影响，从而产生更加准确的重建图像[16]。吴瑶媛[17]等研究结果表明，FBP、ASIR和MBIR三种不同的重建算法在完全相同的扫描参数下得到的图像质量有很大区别。

而本研究的结果显示，MBIR重建图像的噪声显著＜60%ASIR重建图像的噪声，而60%ASIR重建图像的噪声又显著小于FBP重建图像的噪声。MBIR重建图像质量和空间分辨率明显高于60%ASIR重建图像和FBP重建图像。经过三组图像的主观评分对比，本研究得到了60%ASIR和MBIR重建技术在头颈部CTA中低剂量扫描的可能性。本研究在CT管电压数值上选择了80 kV的超低剂量，远低于120 kV的常规管电压，这无疑可以极大降低患者所受的辐射剂量。而由于降低了管电压，FBP组获得的图像噪声增加，图像质量分数很低，毫无疑问会给诊断带来极大的不良影响。因此，使用FBP重建技术结合低剂量扫描方式在头颈部CTA中是行不通的。而MBIR和60%ASIR重建获得的图像均显著优于FBP重建获得的图像，但是，MBIR重建和60%ASIR相比更能降低图像的噪声和伪影，最利于临床诊断，值得推广。然而，MBIR也具有一定的局限性，由于重建时间过长，在临床上目前没有ASIR重建受欢迎，应用也没有ASIR重建广泛。迭代重建技术发展至今，随着计算机技术的日益发展，迭代技术在不断完善，CT检查将给人体带来的危害会越来越小[18-19]。CT也不会因为辐射剂量问题而限制其应用范围，可以更广泛的应用于妇女、儿童以及体检当中去。

4 结论

在宝石CT的低剂量头颈部CTA的3组不同重建算法图像中，FBP组图像噪声最大，60%ASIR组图像其次，MBIR组图像最低。3组图像中水平颈总动脉CNR和主观图像质量评分，均显示MBIR最高，60%ASIR其次，FBP最差。MBIR和60%ASIR重建获得的图像均显著优于FBP重建获得的图像，其中MBIR重建获得的图像噪声最低，图像质量最好，且完全符合临床诊断要求。因此，在宝石CT下使用低剂量在头颈部CTA中可通过改变重建算法而不降低图像质量，从而达到诊断目的，具有一定的临床意义。

本研究的不足之处在于样本量较少、未计算出低剂量CTA扫描中具体的辐射剂量并与常规剂量CTA进行比较。在日后的临床研究中，将继续增加样本量并完善研究。

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Effects of different reconstruction algorithms on the image quality of CTA with low dose on head and neck/

QI Tian-bai, HOU Jun-lin//China Medical Equipment,2017,14(6):14-17.

Objective: To discuss the effect of different reconstruction algorithms for the image quality of the computed tomographic angiography (CTA) with low dose on head and neck through comparing the images obtained from different reconstruction algorithms, which included filtering and reflection projection technique (FBP), adaptive statistical iterative (ASIR) model and based on iterative reconstruction (MBIR) after CTA with low dose was applied on head and neck. Methods: 30 patients who were implemented the CTA on head and neck were enrolled in this study. The gem energy spectrum CT was applied to scan their head and neck, and the tube voltage was set in low dose (80 kVp), and 60-80 mL contrast agent (350 mg I/mL) was injected in elbow vein as 4mL/s. The other parameters were chosen as routine requirement. The obtained original images were reconstructed by using FBP, 60% ASIR and MBIR, and then the three kinds images were compared and scored by using relative statistical analysis. Results: For the using of different reconstruction algorithms (FBP, 60% ASIR and MBIR), the results of image noise showed MBIR＜60% ASIR＜FBP, and their differences were significant. The results of contrast noise ratio showed MBIR＞60% ASIR＞FBP, and the differences among them were significant. Finally, about the subjective score of image, the results showed MBIR＞60% ASIR＞FBP, and their differences also were significant. Conclusion: Under gem energy spectrum CT, the image noise of MBIR is lowest and its image quality is best, and it has diagnosis value and meaning in clinical practice.

Energy spectrum CT; Low dose; Head and neck vascular imaging; Quality of image; Reconstruction method

Department of Equipment, The Third People's Hospital of Huzhou, Huzhou 313000, China.

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.06.005

1672-8270(2017)06-0014-04

R816.1

A

齐天白,男,(1984- ),硕士，工程师。湖州市第三人民医院设备科，研究方向：生物医学工程。

2017-02-20

①湖州市第三人民医院设备科 浙江 湖州 313000