低管电压结合迭代重建腹部CT低剂量扫描的体模研究

王新莲， 贺文， 陈疆红， 赵丽琴， 梁宇霆， 王克扬

低管电压结合迭代重建腹部CT低剂量扫描的体模研究

王新莲， 贺文， 陈疆红， 赵丽琴， 梁宇霆， 王克扬

目的：评价低管电压结合适应性统计迭代重建(ASIR)对腹部体模低剂量扫描图像质量的影响，探讨适合临床应用的腹部低剂量扫描方案。方法：采用100 kVp、120 kVp分别对体模进行重复扫描，应用自动管电流调节(ATCM)技术，100 kVp扫描时预设噪声指数(NI)分别为11、12、13、14、15、16、17、18、19、20，每组图像均进行30%、50%、70%、90%ASIR重建。120 kVp组为常规剂量组，扫描时预设NI为11，30%ASIR重建，测量不同扫描条件下肝脏、脊柱的CT值、客观噪声，并计算信噪比(SNR)，记录不同扫描条件下的CT容积剂量指数(CTDIvol)。由两位高年资医师采用盲法对所有序列图像进行主观评价。结果：100 kVp条件下，随着NI增大，CTDIvol明显下降；同一NI条件下随着ASIR比例增加，图像噪声减少，SNR增加；NI≥17时图像质量下降，无法满足临床诊断要求；NI=15、70%ASIR组图像噪声、SNR与120 kVp常规组差异无统计学意义(P>0.05)，主观评分相当，但辐射剂量较常规组下降43.8%。NI=15、90%ASIR组及NI=16、90%ASIR组的图像噪声及信噪比优于常规组(P<0.05)，但图像质量主观评分下降。结论：低管电压结合ASIR可以在降低辐射剂量的同时保证图像质量满足临床诊断要求。辐射剂量明显降低时，需要增加ASIR在图像重建中的权重。

低管电压； 适应性统计迭代重建； 体层摄影术，X线计算机； 辐射剂量； 人体模型

图1 a) 岛津PH-5人体组织等效模体; b) 模体扫描图片。 图2 CTDIvol随着NI的增大而降低。

目前，CT在临床诊断及随访观察中发挥着越来越重要的作用，但同时带来的高电离辐射也越来越引起公众和学者的关注，如何平衡辐射剂量与图像质量之间的关系，获得满足临床诊断要求且辐射剂量较低的图像是国内外关注的焦点。低剂量研究最早在胸部高对比组织中开展[1]，腹盆部因缺乏天然高对比，低剂量扫描应用相对较少。随着重建算法的更新及自动管电流调节(automatic tube current modulation,ATCM)等影像技术的发展，腹部低剂量研究日益增多。相关研究证实通过迭代重建算法可减低因追求辐射剂量下降所产生的噪声，保证图像质量满足临床诊断要求[2-9]。本研究利用ATCM技术对仿真人体模型进行扫描，研究100 kVp不同噪音指数条件下辐射剂量、图像质量的变化情况及不同适应性统计迭代重建(adaptive statistical iterative reconstruction，ASIR)比例对图像噪声的影响，旨在探讨适合于腹部低剂量扫描的方案。

材料与方法

1.实验材料

实验材料采用岛津公司X线腹部模型PH-5(图1)，材质为聚氨酶树脂SZ-50 (比重为1.06)，采用与人体X线吸收率相同的软组织等效材料和骨骼等效材料，能精准模拟上腹部脏器。通过CT扫描，可获得与人体相近的脏器CT值，并产生伪影。人工模型内含有肋骨部分的软骨、肝脏、胆囊、脾脏、肾脏、胰腺、脊柱、肝内及腹腔内血管，骨骼使用人工骨。

2.检查方法

CT扫描采用美国GE公司的宝石能谱CT(Discovery CT750 HD)扫描仪，应用ATCM技术，分别采用100 kVp及120 kVp进行扫描。100 kVp及120 kVp条件下分别以不同的噪声指数(noise index,NI，NI=11、12、13、14、15、16、17、18、19、20)对仿真腹部体模进行重复扫描，并将所得图像按ASIR在图像重建中的比例(分别为30%、50%、70%及90%ASIR)分别进行重建，得到共计40组图像；120 kVp、 NI=11、30%ASIR重建图像采用常规扫描参数。其他固定扫描参数： X线球管旋转时间为0.8 s，螺距0.984，矩阵512×512，层厚5 mm，层间距5 mm，视野35 cm×35 cm，管电流调节范围为50～600 mAs。扫描结束后记录不同NI及管电压条件下的CT容积剂量指数(CT dose index of volumes，CTDIvol)。

3.图像评价

扫描结束后将所有图像传至ADW4.6工作站进行后处理，由两位高年资放射诊断医师采用盲法分别阅片(参考窗宽350 HU，窗位50 HU)，对所有图像(共40组)进行主观评价，参考相关文献[10]的评分方法将图像质量按5分制进行评分：5分，图像质量优，噪声轻微，无伪影，脏器轮廓边缘清晰；4分，图像质量较好，噪声稍多，伪影轻微或不明显，脏器边缘较清晰；3分，图像质量尚可，噪声中等，脏器或组织边缘略模糊，伪影不影响诊断；2分，图像质量较差，噪声多，脏器边缘模糊不清，伪影影响诊断；1分，图像无法接受，噪声重，影响观察。图像质量主观评分≥3分被认为满足临床诊断要求。两位医师通过对40组图像进行评分，确定图像不能满足诊断要求时的NI值，意见不一致时请第3位主任医师共同商讨决定。测量所有能够满足诊断要求的图像的肝脏、脊柱的CT值及CT值的标准差(standard deviation,SD)，SD代表图像的噪声，并计算信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)，SNR=组织CT值/组织噪声。CT值测量时以肝门层面为中心向上、向下每间隔一层测量2～3个感兴趣区，共测量15个感兴趣区(region of interest，ROI)，测量时选择密度均匀的区域，避开大血管，ROI大小为80～100 mm2。测量椎体中心层面的ROI大小为50～80 mm2，共测量9个ROI。

4.统计学分析

结 果

图3 NI=15时，随着ASIR比例增高，图像噪声逐渐降低。a) 30%ASIR图像； b) 50%ASIR图像； c) 70%ASIR图像； d) 90%ASIR图像。

100 kVp扫描时，不同NI(NI=11、12、13、14、15、16、17、18、19、20)条件下，随着NI指数的升高，CTDIvol下降(图2)；NI=11时，CTDIvol=6.94mGy,稍高于120 kVp扫描时的常规剂量(CTDIvol=6.76 mGy)。自NI=12(CTDIvol=5.95 mGy)开始，扫描剂量开始低于常规组。

两位医师最终确定NI≥17时图像质量较差，不能满足临床诊断要求。NI=11时，辐射剂量较常规组高，不满足降低辐射剂量的要求。故最终纳入NI=12、13、14、15、16共5组20个序列的图像进行统计分析。测量不同组织在不同扫描条件下的噪声并计算SNR(表1)，100 kVp时，不同NI组(NI从12～16)不同组织的噪声随ASIR比例的增大而降低，SNR随ASIR比例的增大而增高(图3、4)。综合分析肝脏及脊柱的噪声、SNR结果，其中NI=15时，70%ASIR组肝脏及脊柱的噪声、SNR与常规组差异无统计学意义(P>0.05)；NI=15、16时，90%ASIR组肝脏及脊柱的噪声、SNR优于常规组。NI=15时，与常规组辐射剂量比较，CTDIvol下降约43.8%；NI=16时，与常规组辐射剂量相比，CTDIvol下降约50.4%。

表1 不同扫描条件下肝脏、脊柱的SD及SNR

100 kVp时肝脏、脊柱的CT值较120 kVp常规组增加(表2)，差异均有统计学意义(P值均<0.05，表2)。对两位医师在不同NI、不同比例ASIR条件下图像质量的主观评分进行kappa检验，Kappa值=0.687,表明两位医师间的一致性较好。综合两位医师的主观评价结果，显示当NI≥17时图像评分小于3分，图像质量不能满足诊断要求。

讨 论

调节管电压及管电流是降低辐射剂量最直接的方法，简单方便，在临床中被广泛应用。迭代重建算法及ATCM技术都是近年来临床研究中降低辐射剂量的新方法，但实际应用中往往结合设备条件综合运用多种技术[10-14]，使扫描方案更优化，最大幅度降低辐射剂量。本研究通过调节NI控制管电流，同时降低管电压，提高对比度,并利用迭代重建算法降低因管电压下降及NI增大所产生的噪声，可以保证辐射剂量下降而图像质量不受影响。随着NI增大，辐射剂量逐渐下降，但当NI增大到一定程度时，图像质量不能满足诊断要求。本研究结果显示，当NI≥17时，图像质量下降，不能满足临床诊断要求。

本研究设置了不同的ASIR比例，观察ASIR对噪声的改善效果，相同NI条件下，随着ASIR在图像重建中的比例增加，噪声减少，信噪比增加。综合不同扫描条件下图像的主客观评价结果，当NI=15时，70%ASIR组图像与常规剂量组最接近，不同组织噪声及SNR差异无统计学意义；而当NI=15、16时，90%ASIR组客观评价指标虽然优于常规剂量组，但图像质量主观评分降低，仅为3分，原因可能是ASIR比例太高，图像出现过度模糊现象，过度模糊是ASIR专属伪影，既往文献推荐腹部的ASIR重建比例为20%～40%[15-17]，但在低辐射剂量要求下需要提高ASIR在重建中的比例[15,18]。Singh等[15]研究发现当管电流降低到50 mAs时，如果要获得满足临床诊断要求的图像，需要将ASIR的比例提高到70%。因此我们建议在临床应用中可首选NI=15的70%ASIR重建图像，次选90%ASIR，以免过度模糊伪影太重而影响对病变的观察。

图4 相同NI条件下，随着ASIR比例增大，噪声、SNR的变化趋势，蓝色代表30% ASIR，红色代表50% ASIR，绿色代表70% ASIR，紫色代表 90% ASIR。a) 相同NI条件下，随着ASIR比例增大，噪声减低； b) 相同NI条件下，随ASIR比例增大，SNR增大。

本研究的不足之处：①体模研究不能真正取代真实人体，而且体模形态偏瘦，最终研究结果是否对不同体型条件的人都适用尚不确定,因而尽管当NI=16时，图像主客观评价均能满足诊断要求，但在实际应用中我们还是建议首选相对保守的NI指数(NI=15)；②体模研究无法行增强扫描，而低kVp扫描增加对比度主要在含碘对比剂的增强扫描时明显，将管电压由常规的120 kVp降至100 kVp，碘对比剂的CT衰减值会明显升高[19,20]，因而组织强化后的CT值会提高，增强了与邻近组织的对比。在平扫情况下，管电压降低，组织CT值也有增高，SNR相应提高，本研究结果显示，100 kVp与120 kVp条件下肝脏、脊柱的CT值差异均有统计学意义，100 kVp条件下组织的CT值增高；③本研究结果仅针对宝石CT，是否适用于其他设备类型尚不确定；④未进行更低kVp的对比研究，这也是我们将来研究的方向。

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Phantomstudyoflowtubevoltageincombinationwithadaptivestatisticaliterativereconstructioninlow-doseabdominalCTscan

WANG Xin-lian,HE Wen,CHEN Jiang-hong,et al.

Department of Radiology,Beijing Obstetrics and Gynecology Hospital,Capital Medical University,Beijing 100006,China

Objective：To evaluate the influence of the image quality of low-dose abdominal CT scanning,a phantom was used,and low tube voltage in combination with adaptive statistical iterative reconstruction (ASIR) technique was adapted,in order to investigate the clinical applicable protocol for low-dose abdominal CT scanning.Methods：An abdominal phantom was scanned repeatedly with tube voltage as 100kVp and 120kVp,respectively.Automatic tube current modulation (ATCM) technique was used.For 100kVp groups,the noise index (NI) was set at 11,12,13,14,15,16,17,18,19 and 20;images were reconstructed with 30%ASIR,50%ASIR,70%ASIR and 90%ASIR,respectively.For the 120kVp group (routine standard dose group),NI was set as 11 and images were reconstructed with 30% ASIR.Of the groups using different scanning techniques,the CT value and objective noise level of liver and vertebra were measured,the signal to noise ratio (SNR) was calculated,and the computed tomography dose index volumes (CTDIvol) was recorded.Subjective image score was evaluated by two senior radiologists.Results：AT 100kVp,the CTDIvol decreased significantly with increase of NI.While,with the same N1,as the increase of ASIR,there was reduce of image noise and increase of SNR.The image quality was not acceptable for clinical application as NI≥17.There were no significant difference in the tissue noise level and SNR between the 70% ASIR group (NI=15) and the routine standard group (P>0.05).There was a 43.8% reduction of radiation exposure in the 70% ASIR group (NI=15) compared with the routine group,however,subjective image score was comparable with the routine group.The tissue noise level and SNR of the 90% ASIR group (NI=15 or NI=16) were superior to the routine group,respectively (P<0.05)，yet subjective image score was inferior as compared to the routine group.Conclusion：Low tube voltage in combination with ASIR can ensure comparable image quality with routine standard group while the radiation dosage is significantly reduced.With significant reduce of radiation dosage,increase of ASIR is needed.

Low tube voltage； Adaptive statistical iterative reconstruction; Tomography,X-ray computed; Radiation dose; Manikins

R814.42

A

1000-0313(2017)09-0951-05

2016-09-06

2017-04-03)

100006 北京，首都医科大学附属北京妇产医院放射科

王新莲(1977)，女，山东人，博士，副主任医师，主要从事腹盆腔疾病及胎儿先天发育异常的影像诊断工作。

10.13609/j.cnki.1000-0313.2017.09.012