多模型自适应统计迭代重建算法对降低腰椎CT辐射剂量的作用

贾慧娟， 魏里， 刘大亮， 李钊， 宋培记， 王玲玲， 付玉存

随着多排螺旋CT在疾病诊断中的应用，辐射安全问题愈受到人们的关注。目前已有很多降低辐射剂量方法，新材料探测器、自动管电流调节、应用降噪滤线器等[1]。降低管电流是目前应用的减少辐射剂量的主要方法，但管电流降低后应用滤波反投影法(filtered back-projection,FBP)进行图像重建会增加图像噪声，因此在保证图像质量的前提下，应用该方法减少辐射剂量的幅度是有限的。迭代重建算法可显著抑制噪声[2]，近年来相关研究很多。 如果选择高权重的ASiR-V，自动管电流调节技术(smart mA)将相应的减小扫描时的管电流，而减小管电流带来的噪声增加则会通过后重建时使用对应权重的ASiR-V进行补偿。因此，在扫描时选择高权重的ASiR-V能够有效的降低辐射剂量并降低图像噪声，从而使保证图像质量并降低辐射剂量成为可能。本研究的目的在于探讨低剂量腰椎扫描时迭代重建(ASiR-V)的最佳权重的选择。将此方法应用于临床，将使一些特殊患者(育龄期妇女及对辐射严重敏感的患者)进行腰椎扫描成为可能。

表1 患者体重指数、扫描长度及辐射剂量参数比较

材料与方法

1.一般资料

选用2016年12月-2017年5月期间进行腰椎CT扫描且BMI在25～29之间的患者共60 例，随机分为A、B、C 3组，分别采用0%、40%、60%ASIR-V扫描和重建。每组20例。男共37例，女共23例，年龄26～67岁，中位45岁。病例剔除标准:年龄>70岁；BMI<25或BMI>29；有椎体金属植入者；骨质严重疏松的患者；腰椎严重侧弯患者；孕妇或计划受孕者。

2.检查方法及图像重组

采用GE Revolution 256层CT进行扫描。患者仰卧位、屈膝 60°；螺旋扫描，探测器准直0.625×80 mm，矩阵512×512，螺距0.992，层厚2.5 mm，层间距2.5 mm，旋转时间0.5 s；扫描范围胸12椎体下缘至骶1上缘。A、B、C 3组管电压KV均设置为120 kV，噪声指数NI设置为10。 三组患者在扫描时分别选取0%、40%和60%ASiR-V的后重建权重，自动mA调节(范围100～700 mA)。图像采用1.5 mm层厚进行多平面重组。

3.辐射剂量

记录扫描长度、CT容积剂量指数(CTDose volume index，CTDIvol)、剂量长度乘积(dose length product,DLP)、并计算出有效辐射剂量(effective dose,ED) ，公式：

ED=DLP×k(k=0.011 mSv/mGy·cm)[3]

4.图像质量客观评估

对L4-5平面椎间盘、硬膜囊、腰大肌及椎体分别进行CT值(MD)测量，测量3次取平均值。硬膜囊感兴趣区(ROI)大小为10 mm2，其余感兴趣区大小约为100 mm2，选ROI时避开伪影、血管、以及间盘退变区等。测出感兴趣区CT值及SD值[standard deviation，标准差，各数据偏离平均数的距离(离均差)的平均数]。计算信噪比(SNR) 、椎间盘与硬膜囊对比噪声比(CNR) ，计算公式[4]：

5.图像质量的主观评价

由2名高年资医师双盲对图像评价并评分。图像窗宽、窗位分别为350、50 HU( 软组织窗) ，2500、800 HU (骨窗) 。评价L4-5层面间盘、椎间孔、黄韧带、硬膜囊及小关节，评价标准[5]：2分(软组织结构清晰，其边缘清楚，无伪影，且诊断明确)； 1分(软组织结构清晰，边缘欠清，有轻度伪影，但尚可诊断)；0分(软组织结构不清，边缘模糊，伪影较重，不能进行诊断)。

6.统计学方法

结 果

1.患者基本参数及所受辐射剂量(表1)

A、B、C 3组的BMI(体重指数)和扫描长度差异无统计学意义。CTDIvol和DLP依次降低有统计学意义。三组的有效辐射剂量(ED)分别是6.66 mSv，4.47 mSv，3.51 mSv，B组和C组分别较A组显著降低了33%和47%。

图1 a) 椎间盘(箭)层面测量示意图，长箭示椎小关节；b) 椎体(箭)测量示意图。 图2 a) ASIR-V迭代率为0%时L4-5间盘图像； b) ASIR-V迭代率为0%时椎体矢状面MPR图像。 图3 a) ASIR-V迭代率为40%时L4-5间盘图像； b) ASIR-V迭代率为40%时椎体矢状面MPR图像。 图4 a) ASIR-V迭代率为60%时L4-5间盘图像； b) ASIR-V迭代率为60%时椎体矢状面MPR图像。

部位A组B组C组F值P值A-BA-C椎间盘SNR5.20±1.005.53±0.575.38±0.500.7320.730.86腰大肌SNR3.77±0.693.82±0.413.80±0.560.0430.820.81硬膜囊SNR1.89±0.311.73±0.421.76±0.370.905>0.05>0.05L4椎体SNR5.33±1.075.73±0.80 5.52±1.110.8010.150.54椎间盘与硬膜囊CNR0.16±0.040.15±0.060.15±0.050.440>0.05>0.05

2.客观图像质量评价(表2)

B组各感兴趣区(L4-5平面椎间盘、硬膜囊、右侧腰大肌及L4椎体松质骨)SNR、椎间盘与硬膜囊CNR与A组SNR、CNR无显著统计学差异(P>0.05)；C组各感兴趣区(L4-5平面椎间盘、硬膜囊、右侧腰大肌及L4椎体松质骨)SNR、椎间盘与硬膜囊CNR与A组SNR、CNR无显著统计学差异(P>0.05)。

3.主观图像评分(表3)

主观图像3组椎间盘、硬膜囊及黄韧带组织结构均显示清晰；椎间盘、硬膜囊及黄韧带A组(图2a)与 B 组(图3a)、A组与C组(图4a)主观图像质量评分无明显差异(P>0.05)。椎小关节间隙A组(图2b)较 B组(图3b)、C组(图4b) 清晰。

表3 主观图像评分

注：椎小关节B、C组与A组对照有显著统计差异(P<0.05)。

讨 论

由于腹部脂肪较厚，常规CT腰椎检查需要较高的穿透力，因此射线剂量较其他部位要高约15%[6]。这使得腰椎低剂量扫描显的更为重要。腰椎CT 低剂量扫描辐射剂量可减少程度大于其他低组织对比度部位，比如腹部和脑部，相比它们可降低辐射剂量20%～40%[7-8]。这是由于大部分腰椎 CT 扫描的组织界面间有高对比度，比如椎体和椎间盘。以往降低辐射剂量的措施有降低管电压、降低管电流、增大螺距等，由于噪声过大，图像质量明显降低，影响其临床应用。这是因为采用虑波反投影重建技术(filtered back projection，FBP)，这种技术具有相对较高的噪声、条纹伪影和较差的低对比检测性，并且噪声在通过滤波反射投影后会被放大。要想保证图像质量又大幅降低辐射剂量是不可能的[9]。基于模型的迭代重组技术(model-based iterative reconstruction，MBIR)不仅考虑到数据的统计噪声性质，而且对探测系统的光学性质也在重建中一并加以考虑[10]。主要优势是在低信噪比下可以迭代得到比FBP 更好的图像质量，但最大的缺陷是数据量大，重建时间长[11-12]。最早应用的迭代重组技术是自适应统计迭代重组(adaptive statistical interative reconstruction，ASIR )它结合滤波反射投影技术，在降低辐射剂量的同时获得更优的图像质量[13，14]。本研究采用的ASIR-V技术是将MBIR降低辐射剂量及提高图像质量的优点与ASIR系统重组速度快的优点相结合，与FBP及ASIR系统相比，在显著降低辐射剂量的基础上，可以降低图像噪声、增高图像对比噪声比、提高空间分辨率[15]。但ASIR-V技术临床应用尚不广泛，应用不同迭代率处理所得图像质量不同。笔者前期在腰椎扫描后置迭代率的选取上做了些研究，总结出在相同的扫描条件下当迭代率为40%时图像质量最佳，到80%时图像出现明显蜡像。进而制定了本研究方案，目的为了研究前置ASIR-V在腰椎扫描中的优势以及找出最佳迭代率。

研究结果表明B组有效辐射剂量较A组平均降低约33%；C组有效辐射剂量较A组平均降低约47%，B、C组各感兴趣区SNR、CNR与A组SNR、CNR无显著统计学差异(P>0.05)；除椎小关节，A、B、C组图像主观评分无显著性差异,观察者间一致性很好。这表明当迭代率为40%、60%时均可以降低辐射剂量，而且可以保证得到较优的图像；迭代率为60%时辐射剂量更低，因此作为首选。我们采用的是前置ASIR-V，扫描时已经把噪声指数Ni设置为10，通过自动mA调节技术保证在KV固定的情况下，噪声指数不提高。又进一步通过ASIV迭代率的改变，机器可以自动计算出通过重建方式的改良能降低mAs，因此，从一开始扫描时我们就用了较低的mAs，降低了辐射剂量，这和后期重建时采用ASIV是有区别的，这样扫描前就可以根据不同的要求调整噪声指数，对于一些辐射剂量要求更严格的患者，比如育龄期妇女及对辐射严重敏感的患者。如果图像质量没有要求那么高，只要能满足基本诊断，不影响临床治疗即可，那么可以进一步通过降低噪声指数来降低辐射剂量。本研究的意义就在于掌握了ASIR-V迭代率为60%时图像质量不会下降，在腰椎扫描时就掌握了ASIR-V可以选取多少，然后噪声指数可以根据需要选取，从而找到了针对患者个体的最佳扫描方案。方案没有把ASIR-V迭代率80%列出来进行研究，原因是两个，一个是当ASIR-V迭代率为80%时，图像会出现明显的蜡像，影响诊断，这在前期后置ASIR-V腰椎扫描的研究中是已经发现了的。还有一个原因是因为伦理问题，如果采用ASIR-V迭代率80%扫描失败的话，患者会因此增加一次扫描剂量，这不符合伦理要求。椎小关节C组图像质量较A组是下降的，这给了我们一个提示，在细微骨结构上ASIR-V有其局限性，这应该和骨密度有关。

本研究不足:由于同一患者不能进行常规与低剂量图像质量对比，因此对精确差异没有进行评估；诊断准确性仍需更大的样本及手术来证实。

总之，与常规剂量扫描相比，低辐射剂量扫描参数结合适当的迭代重建权重可明显降低辐射剂量的同时不影响图像质量，使临床一些特殊患者(育龄期妇女及对辐射严重敏感的患者)进行腰椎扫描成为可能。