不同管电压、管电流扫描方案联合KARL迭代重建在新型冠状病毒肺炎疫情期间胸部CT 筛查中的应用研究

常 蕊，杨琰昭，孔德艳，徐嘉旭，曹琪琪，杨文洁，严福华，董海鹏

（上海交通大学医学院附属瑞金医院放射科，上海 200025）

新型冠状病毒具有较高的传染性，且可导致多数感染患者发生新型冠状病毒肺炎（简称新冠肺炎）。新冠肺炎患者的胸部CT 表现具有一定特征性，影像学检查和诊断尤其是胸部CT 检查是新冠肺炎诊疗中的重要一环[1-2]。然而，频繁进行CT检查会增加X 线辐射剂量，因此在图像满足诊断要求的前提下，如何使受检者接受尽可能低的辐射剂量，是CT 设备改进和临床探求的目标之一。

降低胸部CT 检查辐射剂量的技术多种多样，包括降低管电压、自动管电流调制、减小扫描范围等，但降低管电压、管电流会增加图像的噪声，降低图像质量，从而影响临床诊断[3]。与传统的滤波反投影（filtered back projection，FBP）重建算法相比，迭代重建可以进一步降低图像噪声，优化低剂量胸部CT 的图像质量。KARL 迭代重建是一个基于统计模型的双域迭代降噪声算法，既在原始数据域降噪声，亦在图像域迭代降噪声。本研究探讨采用胸部CT 筛查新冠肺炎过程中，在保证图像质量的前提下，用不同管电压-管电流扫描方案联合KARL 迭代重建来降低受检者所接受辐射剂量的可行性。

资料与方法

一、资料

前瞻性收集2020 年2 月10 日至2020 年2 月15 日期间在我院发热门诊因新冠肺炎筛查需要行胸部CT 平扫的受检者，随机分为A、B、C、D 4 组，按照不同扫描方案进行胸部CT 检查。排除呼吸运动伪影等导致图像质量差的不能用于分析的受检者，最终共有120例受检者被纳入本研究。本组男性56例，女性64例；年龄为15～84岁，平均年龄为（44±17）岁；体重为43～90 kg，平均体重为（63±11） kg。1例患者后经核酸检测确诊为新冠肺炎，36例为其他类型的肺部感染，41例存在肺占位、肺气肿、肺结节等其他阳性发现，42例受检者的胸部CT 检查结果无阳性发现（见表1）。

二、分组及CT 扫描方案

采用国产联影40 排CT uCT528 进行图像采集。扫描方案如下，A 组扫描时的管电压为120 kV，有效管电流为60 mAs，激活管电流为自动调制；B 组扫描时的管电压为120 kV，固定管电流为30 mA；C 组扫描时的管电压为100 kV，有效管电流为60 mAs，激活管电流为自动调制；D 组扫描时的管电压为100 kV，固定管电流30 mA。准直器参数均为20 排×1.1 mm，螺距均为1.15。扫描完成后，对各组均进行传统的FBP 算法和KARL 迭代重建2 种方法的图像重建，重建层厚1.5 mm，层间距1.5 mm，均采用肺窗重建。

三、图像分析

将所有图像以DICOM 格式上传至本院医学影像存储与传输系统进行统一分析。

表1 不同扫描方案组的辐射剂量及一般资料

1.图像噪声测定： 由1名观察者对A、B、C、D 4 组不同扫描方案以及2 种图像重建方法所得的8 种胸部CT 图像进行图像噪声测定，以主动脉根部感兴趣区（面积约200 mm2）CT 值的标准差为图像噪声值。感兴趣区放置于管腔中央，避开血管壁及钙化灶。

2.图像主观质量评分：由2名具有3 年以上放射诊断经验的医师基于以下标准分别基于图像噪声、图像伪影及总体图像质量进行主观评分，以2名医师协商一致的最终结果用于统计学分析。①图像噪声被定义为肺实质的颗粒和斑点，并被分为5个等级，1 级为噪声最低；2 级为低于平均噪声；3 级为可接受的图像平均噪声；4 级为高于平均噪声；5 级则为不能接受的图像噪声。②图像伪影包括线束硬化伪影、斑点像素化表现，并分为4个等级，1 级为无伪影；2 级为不影响诊断的轻微伪影；3 级为影响结构显示但不影响诊断的明显伪影；4 级为影响诊断的严重伪影。③图像总体质量亦被分为5个等级，1 级为肺野不清晰，肺纹理显示模糊，无法用于图像诊断；2 级为肺野欠清晰，肺纹理显示稍模糊，图像质量较差，医师诊断信心较低；3 级为肺野显示尚可，肺纹理结构显示尚可，恰能满足诊断要求的图像质量；4 级为肺野显示清晰，肺纹理结构清晰，图像质量较好，医师诊断信心较强；5 级为肺野显示清晰，肺纹理结构清晰，为极佳的图像质量。

3.辐射有效剂量（effective dose，ED）：记录受检者胸部CT 扫描完成后设备自动生成的扫描剂量长度乘积（dose-length product，DLP），计算扫描平均辐射ED，公式为ED=DLP×k，其中k 为胸部转换系数，取0.014 mSv·mGy-1·cm-1。

四、统计学处理

采用SPSS 22.0 软件进行统计分析。Kolmogorov-Smirnov 检验计量资料是否符合正态分布，符合正态分布的计量资料用表示，偏态分布数据及等级资料用中位数（四分位间距）表示。采用单因素方差分析对A、B、C、D 4 组受检者间的一般资料、同一图像重建方法所得图像噪声值及辐射ED进行比较分析，采用Bonferroni 法进行组内两两比较。采用配对t 检验对同组不同图像重建方法所得图像噪声值进行比较分析；采用Kruskal-Wallis 检验对不同组同一图像重建方法所得图像的主观质量评分进行比较分析；采用Wilcoxon 检验对同组不同图像重建方法所得图像的主观质量评分进行比较分析。

结果

一、图像噪声测量

A、B、C、D 4 组CT 扫描方案以及2 种图像重建方法所得的8 种图像噪声测量值见表2。同一扫描方案下，KARL 迭代重建组的图像噪声均明显低于FBP 重建图像（P＜0.001）。KARL 迭代重建方法中，除A 组与B 组（P=0.154）间、C 组与D 组（P=1.000）间图像噪声差异无统计学意义外，其余组间两两比较，差异均有统计学意义（P＜0.05）（见图1）。

二、图像主观质量评分

A、B、C、D 4 组CT 扫描方案以及2 种图像重建方法所得的8 种图像主观质量评分见表3。同一扫描方案下，KARL 迭代重建图像噪声、伪影、图像总体质量主观评分均优于FBP 重建图像 （P 均＜0.01）。KARL 迭代重建方法中的图像噪声、图像伪影及图像总体质量主观评分，A 组均优于D 组（P均＜0.05），A 组与B 组间、B 组与C 组间差异均无统计学意义。

三、辐射ED

在A、B、C、D 组的CT 扫描方案下，胸部CT 辐射ED 分别为（2.5±0.4） mSv、（1.2±0.1） mSv、（1.6±0.2） mSv 及（0.8±0.1） mSv。胸部CT 扫描通过降低管电压和管电流均能显著降低受检者在检查中所接受的辐射剂量 （F=256.316，P＜0.001）（见表1）。

表2 不同扫描方案及图像重建方法图像噪声值

图1 不同扫描方案及图像重建方法的主动脉根部层面肺窗图像

表3 不同扫描方案及重建方法的图像噪声、伪影及图像总体质量主观评分

讨论

放射学检查和诊断尤其是胸部CT 检查，是新冠肺炎诊疗中的重要一环。在获得满足诊断要求的图像的前提下，使受检者接受尽可能低的辐射剂量，对于受检者的安全防护具有重要意义。

一、迭代重建在低剂量胸部CT 检查中的应用

降低胸部CT 检查辐射ED 的技术多种多样，包括降低管电压、管电流自动调制、减少扫描范围等。但降低管电压、管电流会增加图像的噪声，降低图像质量，从而影响临床诊断[3]。迭代重建与传统的FBP算法相比，可以进一步降低图像噪声，优化低剂量胸部CT 的图像质量。KARL 迭代重建是一个基于统计模型的双域迭代降噪声算法,其首先是在原始数据域上进行迭代降噪，大大降低了各个方向上数据的噪声不均匀性，使得伪影及整体噪声大幅度降低，而在伪影及整体噪声被修正以后，数据则被放到图像域进行迭代降噪声。KARL 迭代重建在降噪声的同时，在图像中解剖结构边缘等高分辨率位置做了有效的保持，所以经KARL 迭代重建后的图像，可以保持其空间分辨率，这对于肺部病变的诊断相当重要。与既往研究结果相仿[7]，本研究结果显示，与传统FBP 重建图像比较，相应的扫描方案中KARL迭代重建的图像噪声值更低，图像噪声、伪影及图像总体质量主观评分更优。

二、不同管电压、管电流扫描方案在低剂量胸部CT 中的应用

尽管使用低剂量胸部CT 来进行肺部疾病筛查越来越普遍，但目前仍没有公认的技术参数，包括管电压和管电流。本研究一方面采用120 kV 和100 kV 2 种扫描管电压，120 kV 是日常工作中常规胸部扫描所采用的管电压，采用100 kV 的目的是以降低管电压的方式来降低辐射ED；另一方面，将管电流设为固定30 mA 和预设有效管电流60 mAs 并开启管电流自动调制技术。管电流自动调制技术，即在扫描前设定一个有效的毫安秒，扫描时以此毫安秒为标准，根据受检者的实际情况进行调节，取代固定管电流，该方法也有助于有效地降低辐射ED[8-9]。本研究以管电流固定30 mA为对照，较预设有效管电流60 mAs 并开启管电流自动调制技术，管电流进一步降低，可大幅降低辐射ED。

采用KARL 迭代重建时，B 组（管电压120 kV、管电流固定30 mA）的图像噪声值及图像主观质量评分与A 组（管电压120 kV、管电流自动调制技术）间的差异均无统计学意义，但受检者所接受的辐射有效剂量为（1.2±0.1） mSv，较A 组扫描方案辐射ED 为（2.5±0.4） mSv 减少52%，且低于目前报道的低剂量胸部CT 辐射ED（1.4～1.5） mSv[10-11]。A 组图像噪声值及图像主观质量评分优于C 组 （管电压100 kV、管电流自动调制技术），且辐射ED 低于C 组扫描方案[（1.6±0.2） mSv]。在KARL 迭代重建下，D 组（管电压100 kV、管电流固定30 mA）图像噪声值及图像主观质量评分低于A 组、B 组，但D 组图像噪声主观评分为2.0（四份位间距1.0），图像伪影主观评分为2.0（四份位间距1.0），总体图像质量评分为4.0（四份位间距0），均能满足肺炎筛查影像学诊断要求，而D 组的辐射ED 仅为（0.8±0.1） mSv，较A 组减少了68%。4 组不同CT 扫描方案下，胸部CT 扫描图像在临床案例中应用如图2 所示，4 组图像分别显示不同类型肺炎胸部CT 中肺磨玻璃影、肺组织实变、肺结节、肺气肿等影像学改变，且图像噪声、伪影均不影响征象识别，能够满足不同类型肺炎影像学诊断要求。

三、本研究的局限性和展望

本研究还有一定的局限性。第一，本研究主要针对新冠肺炎疫情期间胸部CT 筛查图像，只对肺窗图像进行了分析，未对纵隔窗图像进行分析。第二，本研究未纳入病变征象评估内容，有待进一步完善探讨。

总之，与传统FBP 重建相比，KARL 迭代重建技术能够降低胸部CT 图像噪声，提高图像质量。在管电压为120 kV、管电流固定在30 mA 下，KARL迭代重建能够提供优质的图像，并能有效减低受检者所接受的辐射ED；而管电压100 kV、管电流固定30 mA 联合KARL 迭代重建，能够提供满足肺炎筛查影像学诊断要求的图像，并进一步减低受检者所接受的辐射ED，推荐在新冠肺炎胸部CT 筛查中使用。

图2 A、B、C、D 4 种扫描方案联合KARL 迭代重建的临床应用案例图像