大螺距联合自适应迭代重建技术对胸部能谱成像影响的体模研究

艾娜娜，宋振，翟艳慧，杨晨晓，耿华，贾守强

能谱CT因其多功能、多参数成像，在临床中应用广泛。以往能谱CT的辐射剂量较常规CT略高[1]，如何在满足临床诊断需求的同时尽量降低辐射剂量是目前的研究热点之一。CT能谱智能匹配技术(GSI assist)可智能匹配患者扫描的最佳参数，产生与常规扫描相当的辐射剂量，避免了一部分患者接受过量辐射，实现了个体化能谱成像[2,3]。大螺距扫描是降低辐射剂量的有效途径，还可缩短扫描时间，但不可避免地会造成一定程度的图像质量的降低[4-6]。应用多模型自适应迭代重建技术(adaptive statistical iterative reconstruction Veo，ASIR-V)可以弥补噪声升高导致的图像质量下降[7-9]。本研究基于能谱智能匹配技术，将大螺距结合不同权重ASIR-V技术与常规螺距结合滤波反投影(filtered back projection，FBP)法进行比较，旨在探讨在胸部能谱扫描中进一步降低辐射剂量的可行性，同时探求大螺距能谱单能量成像的最佳ASIR-V权重。

材料与方法

1.检查方法

采用Revolution CT(Revolution CT,GE Healthcare,Milwaukee,WI,USA)对仿真成年男性胸部体模(Multipurpose Chest Phantom N1"LUNGMAN")进行扫描，该体模由胸壁、纵隔、肺和椎体组成，以组织等效材料制成，各部位几何尺寸及X线衰减性能与人体组织等效(图1)。扫描参数：80 kVp和140 kVp瞬时切换，探测器宽度8 cm，机架旋转时间0.5 s，噪声指数(noise index，NI)12，层厚5 mm，扫描视野40 cm×40 cm，扫描范围自胸廓入口至双侧肋膈角下缘，开启GSI assist。试验组(A组)：采用大螺距1.531，扫描完成后采用ASIR-V技术(0%～100%，间隔10%)重建70 keV能谱单能量图像；对照组(B组)：采用常规螺距0.992，扫描完成后采用FBP方法(即0%ASIR-V)重建70 keV能谱单能量图像。肺窗图像采用骨算法进行重建，纵隔窗图像采用标准算法进行重建，重建层厚均为5 mm。每组各重复扫描三次。

2.图像分析

客观评价：采用Advanced Workstation 4.6 GE Healthcare工作站，分别在肺窗肺组织[10]及纵隔窗心脏[11]设置圆形兴趣区(region of interest,ROI)，面积为40 mm2，在上下6个层面各勾画一个ROI(各组图像的ROI位置、大小、形状完全一致)，测量其SD值并求得平均值，分别以此值作为肺窗及纵隔窗图像的背景噪声值。

主观评分：不显示扫描参数，由两位工作年限超过6年的影像诊断医师分别对A、B两组的肺窗及纵隔窗图像进行评分，总体图像质量评分采用5分制法，肺窗图像评分标准如下：肺纹理及支气管等解剖细节显示清晰，无明显噪声和伪影为5分(优异)；肺纹理及支气管等解剖细节显示较清晰，噪声和伪影稍增加为4分(良好)；肺纹理及支气管等解剖细节欠清晰，噪声和伪影较明显但可接受为3分(中等)；肺纹理及支气管等解剖细节辨识困难，噪声和伪影很明显为2分(较差)；肺纹理及支气管等解剖细节无法辨识，噪声和伪影极明显为1分(极差)。纵隔窗图像评分标准如下：图像解剖细节清晰，边缘锐利，无明显噪声和伪影为5分(优异)；图像解剖细节显示尚清晰，噪声和伪影稍增加为4分(良好)；图像大部分解剖细节可满足诊断要求，噪声和伪影较明显但可接受为3分(中等)；图像解剖细节模糊，辨识困难，噪声和伪影明显为2分(较差)；图像不能诊断，噪声和伪影极明显为1分(极差)。3分及以上评分可满足临床诊断需求。

表1 大螺距A组不同ASIR-V比例与常规螺距B组FBP法重建图像的噪声比较 (HU)

表2 大螺距A组不同ASIR-V比例与常规螺距B组FBP法重建图像的主观评分 (分)

3.扫描剂量

记录试验组和对照组能谱扫描的CT容积剂量指数(CT dose index volume，CTDIvol)和剂量长度乘积(dose length product,DLP)，并计算有效辐射剂量(effective dose,ED)，计算公式为ED(mSv)=DLP(mGy·cm)×k，k为转换系数，胸部扫描时k=0.014 mSv/(mGy·cm)。

4.统计学处理

结 果

1.图像质量评价

A、B两组图像中，肺窗肺组织噪声两两间差异均无统计学意义(P值均>0.05)。A组中纵隔窗心脏噪声两两间差异均有统计学意义(P值均<0.05)，噪声随ASIR-V升高而降低；B组纵隔窗心脏噪声低于A组0%ASIR-V，差异有统计学意义(P<0.05)；B组纵隔窗心脏噪声高于A组20%～100% ASIR-V，差异均有统计学意义(P值均<0.05，表1、图2、3)；B组纵隔窗心脏噪声与A组10%ASIR-V差异无统计学意义(P>0.05)。

两位医师间的主观评分一致性适中(K=0.747)，A、B两组的主观评分见表2。A、B两组肺窗图像主观评分均为5分。A组10%～60%ASIR-V与B组的纵隔窗图像主观评分均为5分，A组图像中ASIR-V权重超过60%后，随ASIR-V权重升高纵隔窗图像的主观评分逐渐降低。综合主客观评价，60%为大螺距70 keV能谱单能量成像(A组)的最佳ASIR-V权重。

2.辐射剂量

大螺距A组CTDIvol 值为379.29 mGy·cm，ED值为5.31 mSv；常规螺距B组CTDIvol值为488.57 mGy·cm，ED值为6.84 mSv，大螺距A组与常规螺距B组比较，ED值降低了22.37%。

讨 论

能谱CT代表了目前CT发展的趋势，可以提供多种定量分析方法、多参数成像，如基物质图像、单能量图像、能谱曲线等，为影像诊断提供多重助力，为疾病的早期发现及诊断、定量及定性评估提供可靠依据，有很高的临床应用价值[12]，已经在全身各系统病变的诊断中得到了广泛应用。能谱CT目前在胸部中的应用主要包括：胸部肿瘤的诊断及鉴别诊断、慢阻肺或肺移植疾病的肺功能评价、心脏及大血管成像、肺动脉栓塞的检出和肺实质血流灌注的评估、脊椎及小血管成像、肺癌治疗后疗效评价、食管癌或乳腺癌的诊断及分期评估等。

图2 肺窗大螺距不同ASIR-V及常规螺距FBP 70KeV能谱单能量图像。a)大螺距0%ASIR-V图像; b)大螺距10%ASIR-V图像; c)大螺距60%ASIR-V图像; d)大螺距100%ASIR-V图像; e)常规螺距FBP图像。 图3 纵隔窗大螺距不同

如何在保证图像质量的同时尽量降低CT扫描的辐射剂量是目前的关注热点。CT辐射剂量主要与管电压、管电流、管球旋转或曝光时间、扫描层厚和螺距等扫描参数有关，CT图像噪声与扫描参数和重建算法都有密切关系。能谱CT所具备的能谱智能匹配技术参考常规扫描的噪声指数，基于患者体型及所设定的扫描参数，智能匹配最佳扫描参数，获得与常规扫描相当的辐射剂量，使得能谱扫描可以常规化、个体化应用，避免了部分患者接受过多辐射剂量[1,2]。此外，能谱CT扫描可以通过适当加大NI指数设定或适当增加螺距，同时选择合适权重的ASIR-V后重建技术来达到保持一定图像质量的前提下降低辐射剂量的目的，这也是目前的研究热点之一。

本研究结果显示，当NI固定为12，在能谱智能匹配技术下，螺距由0.992增加到1.531，辐射剂量ED值降低了22.37%，其对肺窗图像质量无显著影响，分析原因可能是由于肺组织主要由大量气体组成，对X线吸收非常少，一定范围内扫描参数的调整导致的肺组织噪声值变化不明显；ASIR-V后重建技术对肺窗肺组织图像质量也无显著影响。螺距由0.992增加到1.531，纵隔窗图像噪声略有升高，主观评分仍较高，没有明显影响图像质量的伪影存在，可满足诊断要求；大螺距组纵隔窗图像噪声随ASIR-V权重升高逐渐降低，当ASIR-V权重过高(超过60%)时，纵隔窗图像开始出现蜡像样伪影，且随ASIR-V权重增加，蜡像样伪影逐渐加重，主观评分逐渐降低，这与张卓璐等[13]及Ren等[14]的研究结果基本相符。综合评估结果显示，在能谱智能匹配技术下，大螺距组70keV单能量成像无论采用FBP(即0%ASIR-V)算法还是10%～60%ASIR-V后重建技术，图像质量都很好，都能满足临床诊断需求；采用ASIR-V后重建技术可进一步提高图像质量，60%ASIR-V效果最佳。

本研究全部数据来自胸部模型，性能模型不能完全模拟人体的多样性和复杂性，需要进一步进行临床研究。

综上所述，在能谱CT智能匹配技术下，大螺距能谱成像较常规螺距能谱成像的辐射剂量降低；联合10%～60%ASIR-V后重建技术，可以降低大螺距能谱单能量图像的噪声，提高综合成像质量，获得与常规螺距FBP相当或更优的图像；60%为大螺距能谱单能量成像的最佳ASIR-V权重。