迭代重建算法在80kV低剂量儿童脊柱CT的应用

孙记航， 于彤， 刘勇， 李昊岩， 王东潜， 郭东， 曹隽， 彭芸

迭代重建技术(iterative reconstruction，IR)可以通过对CT原始数据的迭代计算，降低图像噪声，从而提高图像的成像质量[1-4]，应用这一技术，可以使用较低的放射剂量来获得满足临床应用的CT图像，从而减少X线对患者的损伤，结合低kV技术进行扫描，可以同时获得低kV技术带来的高对比度[5,6]，IR的低噪声，从而得到高对比度、低噪声的图像。这一扫描方案已经广泛应用于自然对比度高的骨骼组织与利用对比剂提高对比度的CTA检查[7]，但是对于儿童方面的应用报道较少。本研究选取了一组需要短期复查椎体病情的患儿，采用自身对照研究，探讨常用的自适应迭代重建算法(adaptive statistical iterative reconstruction，ASIR)以及更为先进的基于模型的迭代重建算法(model-based iterative reconstruction，MBIR)应用于80kV低剂量脊柱CT的可行性，以达到减少患儿受到的放射损伤的目的。

表1 主观评分标准

材料与方法

1.一般资料

本研究得到医院伦理委员会的允许，所有患儿检查前家长均签署了知情同意书。搜集本院2012年12月-2017年2月接受两次脊柱CT扫描的检查，所有患儿复查时的CT扫描作为观察组，治疗前的脊柱CT作为对照组，纳入标准：①6～12岁的学龄儿童；②因病情需要6个月内两次行脊柱CT检查的病例；③经临床医生确认患儿病情无恶化，仅为常规复查观察病变范围有无好转。排除标准：患儿病情变化明显，需要观察病变有无进展。

2.仪器与方法

全部检查使用GE Discovery 750 CT宝石探测器(GE Healthcare，美国)，观察组管电压80 kV，固定管电流50 mA，转速0.4 转/秒，螺距1.375，将所得图像分别重建为0.625 mm的MBIR、ASIR、FBP图像；对照组采用管电压120 kV，余扫描条件同观察组，将所得图像重建为0.625 mm的FBP图像。

3.图像评价

将所图像传至AW4.5(GE Healthcare，美国)工作站，由2名分别具有8年和10年儿童工作经验的影像医师进行图像的质量评价，2名医师可根据个人习惯自由调整图像窗宽窗位，以及应用三维重建、多平面重组等技术进行观察，对图像做出主观评价及客观评价。

主观评价：主观评价主要对所有图像进行图像噪声评分、椎体结构评分，评价图像整体的噪声水平以及椎体结构的显示情况(表1)。所有评分4分最好，3分可以做出定性、定量诊断，2分仅可以做出椎体形态观察，无法观察骨质结构，1分无法用于诊断。

客观评价：于L1椎体中央设置30～100 mm2(为同层面降主动脉截面面积的1/2)的类圆形感兴趣区(region of interest，ROI)行椎体骨组织的CT值及标准差测定，测量时选取椎体中央密度均匀的骨组织，避开椎体静脉丛，如该椎体存在病变，则向下顺序选取椎体测量。同时测量同层面同面积的背部肌肉的CT值及标准差，标准差平均值代表各组织的客观噪声(图1)。计算椎体骨组织的信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)和对比噪声比(contrast to noise ratio，CNR)，具体计算公式为SNR=CT值椎体/噪声值椎体，CNR=(CT值椎体-CT值肌肉)/噪声值肌肉。

图1 客观噪声测量示意图。a) 80kV低剂量扫描得到的MBIR图像以及感兴趣区选取方法；b) 80kV低剂量扫描得到的50% ASIR图像；c) 80kV低剂量扫描得到的FBP图像；d) 120kV常规剂量图像。该层面为L1椎体层面，患儿腹主动脉横截面积约80.16mm2，设置感兴趣区面积约38mm2。a、d可以清楚观察椎体结构，骨皮质、髓质分界清晰(箭)。b、c椎体结构观察不满意，与周围软组织分界清晰。图b椎体边缘清晰，图c椎体边缘略显模糊。

评价内容观察组FBPASIRMBIR照组FBP统计值F值P值主观评分 图像噪声1.21±0.412.94±0.244.00±0.00*3.97±0.17*67.36<0.001 椎体结构2.18±0.392.65±0.603.44±0.504.00±0.00453.33<0.001客观评分 椎体CT值201.04±10.80200.43±10.71198.38±9.09186.60±18.0811.85<0.05 椎体噪声值107.68±15.0174.79±11.8135.38±5.3044.46±2.87384.71<0.001 肌肉CT值61.67±9.61*61.82±9.61*59.36±5.10*60.16±4.400.890.45 肌肉噪声值74.68±7.1150.89±4.2417.35±2.7028.49±3.251074.79<0.001 SNR1.90±0.282.74±0.415.75±1.054.19±0.43269.74<0.001 CNR1.89±0.332.74±0.388.14±0.914.46±0.86610.11<0.001

注：*使用Dunnett-t检验评价观察组图像与对照组图像间以P<0.05水平不存在统计学差异，余组间均有统计学差异。

4.辐射剂量

记录所有检查的容积CT剂量指数(CT dose index of volume，CTDIvol)与剂量长度乘积(dose length product，DLP)，该指数与乘积是由设备自动计算获得。

5.统计学分析

结 果

共有32例患儿入组，男27例，女5例，年龄6～12岁，平均(9.36±2.25)岁，两次检查时间间隔2～6个月，平均(4.51±1.30)月。主观评分结果显示图像噪声观察组的MBIR图像与对照组FBP图像无统计学差异，可以满足诊断要求(表2)。椎体结构方面观察组的MBIR图像与对照组FBP图像均达到诊断要求，观察组ASIR、FBP图像只可以对骨性结构边缘做出评价，不能用于诊断(图2)；主观评分两位医师的一致性较好，Kappa=0.72(P<0.05)；客观评分MBIR图像最好，与对照组相比，椎体噪声降低20.40%，肌肉噪声降低39.10%，SNR升高37.23%，CNR升高82.51%。均具有统计学差异(P<0.05)；放射剂量方面，观察组CTDIvol为0.77±0.02较对照组的2.23±0.01降低了65.47%。观察组DLP为51.28±11.67，较对照组的145.52±30.41降低了64.76%。

图2 a) 80kV低剂量扫描得到的MBIR图像以及感兴趣区选取方法； b) 80kV低剂量扫描得到的50% ASIR图像； c) 80kV低剂量扫描得到的FBP图像； d) 120kV常规剂量图像。图像噪声a，d最少，b，c噪声较多影响诊断；骨质结构d最好，a可见骨小梁模糊，但可以满足诊断要求，能判断骨破坏情况；b，c骨质边缘模糊，仅可以判断椎体边缘及脊柱走形，不能准确判断椎体骨质情况，对骨破坏范围判断影响不大，但其内骨质情况观察受影响。

讨 论

脊柱侧弯、朗格罕氏组织细胞增生症等均为儿科常见疾病，需要全脊柱扫描观察脊柱椎体形态、走形以及骨质情况，扫描范围广，而且覆盖了对射线敏感的甲状腺、乳腺、卵巢等，且无法遮盖防护，低剂量扫描是唯一行之有效的保护措施，因此，寻找合理的低剂量儿童脊柱CT扫描方案意义重大[8]。

IR重建算法已经广泛应用于CT图像后处理，可以在降低扫描放射剂量的同时，获得满足诊断的图像。先进的MBIR重建算法可以使降低噪声的效果更为显著[9,10]，已经有应用于儿童CT检查的报道[11,12]，但是应用MBIR进行脊柱CT重建的经验尚不充分，我们尝试应用80 kV、低放射剂量的扫描方案保证椎体的对比度，结合MBIR算法来降低噪声，观察这种组合是否可以应用于儿童。

因为本次试验属于前瞻性研究，为了更好的消除体型、病情等混杂因素，我们选择了需要短期内行2次检查的病例，重点观察不同kV对图像质量的影响。为了不影响临床诊断工作，选择病例时排除了临床症状加重的患儿，以避免由于图像质量不佳而影响诊断。由于本院所接诊的脊柱患儿多存在椎体畸形、脊柱侧弯或金属植入物，所以扫描方案常规使用固定管电流，避免了在自动管电流调节模式下由于体位、弯曲的椎体、金属植入物等造成的不必要管电流升高。观察组电流设定方案根据Holmquist等[13]成果在保证放射剂量相等的情况下，80 kV所需要的管电流120 kV时的3倍左右，所以本研究在保证管电流不变的基础上降低管电压至80 kV，等同于将观察组放射剂量降低了约66.7%，同时根据之前的研究，使用MBIR算法可以使图像噪声降低55.2%[11]，因此，我们制定了此扫描方案平衡扫描剂量与图像噪声。

本研究发现主观评分方面，总体图像质量评分观察组的MBIR图像与对照组图像噪声均很小，能很好的满足诊断要求，椎体结构评分观察组的MBIR图像与对照组也均可以满足诊断，但是MBIR图像显示椎体骨小梁结构模糊，评分较对照组降低明显；观察组的ASIR、FBP图像均不能满足诊断要求，但是，由于椎体结构与周围软组织密度差异明显，所以ASIR图像可以观察椎体的形态、边缘，但不能用于诊断骨质结构的异常。客观噪声方面，观察组由于使用了低电压，所以高密度椎体结构的CT值较对照组增高，但是低密度的肌肉组织增高不明显，噪声方面，观察组的FBP、ASIR图像较对照组明显增高，但是MBIR图像的噪声还要低于观察组图像20.40%～39.10%，由于使用了低kV，观察组的MBIR图像SNR及CNR较对照组明显增高37.23%和82.51%，利于显示椎体骨性结构以及与软组织相邻的边缘。放射剂量方面，CTDIvol观察组降低了65.47%，DLP降低64.76%，与预估的数值接近。理论上DLP=CTDIvol×扫描范围，但两次检查时设定的扫描范围多少会有所差异，所以造成CTDIvol与DLP的降低程度不完全匹配。

本次研究存在一些不足之处，需要在今后的研究中改进：由于入组条件要求比较严格，所以本研究搜集的病例数量较少，而且仅仅以6～12岁这一年龄段作为评价对象，对于小婴幼儿及青春期儿童没有做出评价；同时，受到病例数量的限制，没有根据患儿年龄、体型进行放射剂量的细微分组调整；最后，由于本次研究降低放射剂量幅度较大，虽然MBIR可以在CTDIvol=0.77 mGy水平应用于临床，但是常规的ASIR重建，仅能显示椎体的外形与脊柱的走形，不能用于骨质结构诊断，临床应用受到限制，需要进一步调整扫描方案来应用常规IR算法。

总之，儿童脊柱CT应用80 kV，0.77 mGy 的CT扫描，结合先进的MBIR可在大幅降低放射剂量的同时，得到满足诊断的图像；在此扫描条件下，结合常规的IR算法，可以观察椎体的外形与脊柱的走形，但尚不能用于骨质结构的诊断。