不同强度高级迭代重建算法在不同噪声水平下对图像质量的影响：体模研究

王苑丁，康德强，白 玫，杜祥颖，李宏伟

(1.北京大学国际医院放射科，北京 102206；2.首都医科大学宣武医院放射科，3.医学工程处，北京 100053；4.北京市卫戍区海淀第二十四离职干部休养所门诊部，北京 100039)

图1 CTP528检测模块 图2 CTP515检测模块

滤波反投影法(filtered back projection, FBP)及迭代重建(iterative reconstruction, IR)算法是CT图像重建的两种基本算法。临床及体模实验研究[1-2]表明，IR可弥补X线强度降低时FBP重建图像噪声增加的问题，提高图像质量；但在实际应用中，各厂家均未推荐使用最高级别的迭代强度，针对IR技术对图像空间分辨率及密度分辨率的影响也存在争议[3-5]。本研究对标准Catphan 500体模[6]及模拟人体扫描时X线衰减的套环体模进行CT扫描，探讨不同强度级别高级IR(advanced modeled iterative reconstruction, ADMIRE)算法对图像质量的影响。

1 资料与方法

1.1 体模 采用Catphan 500体模中的CTP528和CTP515两个检测模块，分别测量图像的空间分辨率和密度分辨率。CTP528为空间分辨率检测模块，包括呈放射状分布的21组高密度线对结构，分辨率为1～21 lp/cm(图1)。CTP515为密度分辨率检测模块，由呈放射状分布的内外两层低密度孔阵结构构成，内层孔阵的对比度分别为0.3%、0.5%和1.0%，直径分别为3、5、7和9 mm；外层孔阵的对比度分别为0.3%、0.5%和1.0%，直径分别为2、3、4、5、6、7、8、9和15 mm(图2)。

本研究采用两组体模：标准体模组取标准Catphan 500体模；套环体模组则在Catphan 500体模外围均匀包裹900 ml生理盐水套环，以模拟人体扫描时X线衰减。

1.2 仪器与方法 采用Siemens Somatom Force CT扫描仪分别对标准体模及套环体模进行扫描，管电压分别为80、100、120 kV，管电流为300、350、400、450 mAs，两组共12组扫描条件，螺距1.0，准直宽度192×0.6 mm。重建方式为FBP(用ADMIRE 0表示)和迭代强度为1～5级的ADMIRE算法(ADMIRE 1～5)，分别为ADMIRE 0～5亚组，卷积核Br40s，重建层厚3 mm，层间距3 mm。

1.3 图像处理 将所有图像传至Siemens Syngo MMWP VE 36A后处理工作站，由2名具有3年及以上工作经验的放射科医师进行测量和评价，以随机表法显示图像，隐藏扫描参数，意见不同时经协商后达成一致。指标包括：①CT值，在CTP515模块选取对比度为1%的孔径，测量其CT值和SD值作为目标CT值和SD值，并测量同层面背景的CT值和SD值，ROI均为1 cm2；②SNR，SNR=(目标CT值-背景CT值)/SDmax，SDmax为目标和背景CT值中最大的SD值；③噪声，噪声值为SDmax值；④空间分辨率，同时调节窗宽、窗位，记录未观察到短缺和粘连的线对结构的最高空间分辨率；⑤密度分辨率，窗宽=目标CT值-背景CT值+5SDmax；窗位=(目标CT值+背景CT值)/2；在上述窗宽、窗位下观察CTP515模块图像，标准体模组选取对比度为0.3%的区域进行观察，套环体模组选取对比度为1.0%的区域进行观察，确定所能分辨的最小一级圆孔，记录其孔径作为密度分辨率，孔径越小代表图像密度分辨率越高。

表1 2组不同迭代强度图像噪声、SNR、空间分辨率和密度分辨率比较(±s)

2 结果

2.1 噪声 标准体模组和套环体模组总体图像噪声分别为(5.17±1.82)HU及(12.64±3.59)HU。2组图像噪声均随迭代强度升高而逐渐降低(P均<0.01)，两两比较，相邻迭代强度图像噪声差异均无统计学意义(P均>0.05)，ADMIRE 0与ADMIRE 2～5各亚组间差异均有统计学意义(P均<0.05)，见表1。标准体模组和套环体模组ADMIRE 3亚组较ADMIRE 0亚组图像噪声分别降低了27.11%和28.65%，ADMIRE 5亚组较ADMIRE 0亚组图像噪声分别降低了49.33%及49.22%。

2.2 SNR 2组图像SNR均随迭代强度增高而逐渐升高，标准体模组为11.24±6.41，套环体模组为5.39±2.63。2组不同迭代强度图像间SNR总体差异有统计学意义(F=3.62、4.65，P=0.01、P<0.01)。标准体模组中，ADMIRE 5与ADMIRE 0～3亚组间差异有统计学意义(P均<0.05)，ADMIRE 4与ADMIRE 0亚组差异有统计学意义(P<0.05)，余各亚组间两两比较差异均无统计学意义(P均>0.05)。套环体模组中，ADMIRE 5与ADMIRE 0～3亚组间差异有统计学意义(P均<0.05)，ADMIRE 4与ADMIRE 0、ADMIRE 1亚组间差异有统计学意义(P均<0.05)，余各亚组间两两比较差异均无统计学意义(P均>0.05)。

2.3 空间分辨率 标准体模组中，不同迭代强度图像的空间分辨率总体差异无统计学意义(F=1.04，P=0.40，图3)。

套环体模组中，不同迭代强度图像的空间分辨率总体差异有统计学意义(F=4.97，P=0.01，图4)。ADMIRE 4、5空间分辨率低于ADMIRE 0～2亚组，差异均有统计学意义(P均<0.05)，余各亚组间两两比较差异均无统计学意义(P均>0.05)。

2.4 密度分辨率 标准体模组中，密度分辨率随迭代强度级别升高而增加，总体差异有统计学意义(F=2.59，P=0.03，图5)。ADMIRE 4、5亚组的图像密度分辨率高于ADMIRE 0～2亚组，差异均有统计学意义(P均<0.05)，余各亚组间两两比较差异均无统计学意义(P均>0.05)。

套环体模组中，密度分辨率随迭代强度级别升高而增加，总体差异有统计学意义(F=6.24，P<0.01，图6)，ADMIRE 3～5亚组与ADMIRE 0～2亚组间差异均有统计学意义(P均<0.05)，余各亚组间两两比较差异均无统计学意义(P均>0.05)。

3 讨论

相比传统FBP法，IR算法具有能降低图像噪声、减少伪影、提高图像质量等优点[1,7-9]。ADMIRE是第3代MR技术，将正向投影产生的“虚拟原始数据”和探测器实际采集的投影数据进行多次比较，以消除伪影、减少噪声[1]。迭代强度增高代表迭代运算次数增加，也意味着更低的图像噪声。噪声是评价图像质量的重要指标。空间分辨率即高对比度分辨率，代表图像能够显示的最小细节，能否发现微小病灶取决于此。

图3 标准体模，120 kV、400 mAs扫描条件下不同迭代强度重建图像的空间分辨率(箭) A～F.ADMIRE 0～5图像的空间分辨率均为6 lp/cm 图4 套环体模，120 kV、400 mAs扫描条件下不同迭代强度重建图像的空间分辨率(箭) A～D.ADMIRE 0～3图像的空间分辨率为6 lp/cm; E～F.ADMIRE 4、5为5 lp/cm

图5 标准体模，120 kV、400 mAs扫描条件下，不同迭代强度重建图像 观察对比度为0.3%的圆孔区域， ADMIRE 0～3(A～D)图像的密度分辨率为6 mm(箭)，ADMIRE 4、5(E、F)为5 mm(箭)

密度分辨率即低对比度分辨率，代表图像能够显示的最小密度差别，能否发现近似等密度的病灶取决于此。空间分辨率和密度分辨率对于评价CT图像质量和临床应用具有重要意义[6,10-11]。

本研究结果显示，在标准体模及套环体模组中，IR算法都能降低噪声、提高SNR，且随迭代级别增高，降噪能力逐渐增强。SNR逐渐提高。

本研究标准体模组中，ADMIRE技术对图像空间分辨率无明显影响，不同强度ADMIRE之间差异无统计学意义(P=0.40)，与陆亚光等[4]的研究结果一致；而套环体模组中ADMIRE 4、5图像空间分辨率降低。分析原因，可能在于增加生理盐水套环之后X线衰减增加，CT值降低，同时图像噪声增加，SNR降低；在更高噪声及更低SNR条件下，高强度迭代条件下图像的“模糊”效应更加明显[12]，对空间分辨率的降低作用更为显著，与石清磊等[5]研究结果相似，后者认为当噪声指数和迭代强度均增加到一定级别时，图像空间分辨率开始出现降低。这也可以解释部分研究[13-15]报道的高级别IR技术可能造成图像过度平滑，即“蜡样伪影”现象。

本研究中ADMIRE技术在标准体模组和套环体模组中均可提高密度分辨率，统计学差异分别见于ADMIRE 4及ADMIRE 3以上的迭代强度亚组中，即中高级别迭代强度可提高图像密度分辨率，与陆亚光等[4,16]的结果一致。本研究标准体模组选取对比度为0.3%的图像区域观察密度分辨率，在对比度为1.0%及0.5%的图像区域中能观察到所有圆孔；套环体模组则选取对比度为1.0%的图像区域进行观察，在对比度为0.5%及0.3%的图像区域圆孔显示困难，故标准体模组的密度分辨率整体高于套环体模组。

图6 套环体模，120 kV、400 mAs扫描条件下，不同迭代强度重建图像 观察对比度为1%的圆孔区域，ADMIRE 0～4(A～E)图像的密度分辨率为6 mm(箭)，ADMIRE 5(F)为5 mm(箭)

与套环体模比较，标准体模Catphan 500主体材料对X线的衰减非常低且材料均匀，SNR较高，是理想状态下的模型；而临床，人体的肌肉、脂肪等组织会对X线造成较多且相对不均匀的衰减，同样条件下SNR较低，通常图像噪声约为10～30 HU。本组标准体模组噪声为(5.17±1.82)HU，SNR为11.24±6.41；套环体模组噪声为(12.64±3.59)HU，SNR为5.39±2.63，更接近于人体实际扫描，因而更具有临床指导意义。

本研究的局限性：①只模拟了2组噪声水平，未对人体各个部位的扫描环境进行模拟；②未对管电压、管电流对图像质量的影响进行讨论。

综上所述，标准体模组噪声水平下，ADMIRE技术可不降低空间分辨率而提高密度分辨率；套环体模组噪声水平下，高级别ADMIRE技术可降低空间分辨率、提高密度分辨率。套环体模组在ADMIRE 3时达到中等降噪能力，空间分辨率未明显降低而密度分辨率开始提高，图像质量在此时达到最高。