剂量指数结合全模型迭代重建技术在降低儿童胸部CT扫描辐射剂量中的应用研究

王 梅，边传振，张 见，刘 鹏

（南京医科大学附属儿童医院，南京210008）

0 引言

胸部CT 检查是儿童常用的影像学检查方法，对感染、外伤、占位性病变及发育异常都有良好的显示能力[1]，但少年儿童对射线辐射损伤敏感，如何降低儿童受到的辐射剂量并得到满足诊断需求的图像质量已成为社会关注的焦点[2]。为了降低患儿的辐射剂量，通常采用自动曝光控制技术及迭代重建技术来降低输出剂量。混合迭代重建（iDose4）是一种混合型迭代重建技术，在成人中的运用已相当成熟[3]，大量的临床研究已证实其在有效降低图像噪声、提高图像质量的同时能够减少辐射剂量；全模型迭代重建（iterative model reconstruction，IMR）是一种较新型的完全迭代重建技术，现已在全身各个器官的检查中得到应用，并取得了良好的效果[4]。有报道称在超低剂量条件下IMR 技术较iDose4技术具有更好的降低噪声、改善图像质量的能力[5]，但少见这2 种技术在儿童胸部CT 检查中的对比研究。另外，这些研究中对于剂量指数（DoseRight index，DRI）的设置常常仅凭经验进行[6]，尽管最近已经有关于学龄前儿童及成人胸部CT 检查DRI 设置的研究[7]，但对于其他年龄段DRI 的设置及IMR 技术对图像质量的影响尚未见报道。因此，本研究的主要目的是找出各年龄段儿童胸部CT 扫描时DRI 的临界值（图像满足诊断需求时DRI 的最小值），并对比分析IMR 技术和iDose4技术在低DRI 条件下对图像质量的改善能力。

1 资料与方法

1.1 一般资料

本研究经南京医科大学附属儿童医院伦理委员会审批同意后进行。研究分两步，先进行临床预实验组的数据收集，在此基础上再进行临床实验组的数据收集。临床预实验组：搜集2018 年1—12 月行胸部CT 平扫的6～16 岁患儿341 例，其中6～9 岁组119 例，男62 例、女57 例，平均年龄（7.6±1.1）岁；10～13 岁组109 例，男57 例、女52 例，平均年龄（11.6±1.2）岁；14～16 岁组113 例，男60 例、女53例，平均年龄（14.7±1.4）岁。临床实验组：搜集2019年1—5 月行胸部CT 平扫的6～16 岁患儿137 例，其中6～9 岁组44 例，男23 例、女21 例，平均年龄（7.9±1.1）岁；10～13 岁组46 例，男24 例、女22 例，平均年龄（11.9±1.3）岁；14～16 岁组47 例，男26 例、女21 例，平均年龄（14.8±1.5）岁。入组标准：符合年龄要求的患儿；患儿家长同意进行此次研究。排除标准：体型过于瘦小或者肥胖的患儿；体内外有无法去除金属异物的患儿；胸部有较大占位性病变的患儿；胸部发育严重畸形的患儿；由于某种原因无法完成检查的患儿。同一年龄组不同扫描条件的患儿有效直径（effective diameter，ED）差异均无统计学意义（P＞0.05），研究具有可比性。

1.2 检查方法

1.2.1 临床预实验组

采用荷兰飞利浦128 排Brilliance iCT 进行数据采集，扫描前不配合患儿行水合氯醛镇定（1 ml/kg），检查前去除患儿身上能产生伪影的异物，并用铅衣遮挡患儿其他非投照部位。选用128×0.625 mm 探测器，扫描螺距为0.763，球管旋转一周用时0.33 s，视野（field of view，FOV）为200 mm×200 mm，扫描管电压为100 kV，采用自动曝光控制技术（DoseRight 技术）进行扫描。扫描时患儿仰卧，双上肢上举，采用胸部正位定位像，扫描范围从肺尖至肋膈角。各年龄组患儿以每20 例为一组（最后一组为剩余患儿），依次选取18、16、14、12、10、8 等6 个DRI 进行扫描，直到图像质量无法满足诊断要求，采用iDose4技术进行图像重建。

1.2.2 临床实验组

临床实验组采用的扫描设备及扫描前期准备与临床预实验组相同，扫描时6～9 岁、10～13 岁、14～16岁组患儿DRI 分别设置为临床预实验组中对应年龄组获得的临界值，采用iDose4技术和IMR 技术进行图像重建。

1.3 辐射剂量的测量

患儿CT 检查时的容积CT 剂量指数（volume CT dose index，CTDIvol）以及剂量长度乘积（dose length product，DLP）均从CT 后处理工作站上获得。

1.4 图像质量客观评价

计算CT 图像的客观噪声值和信噪比：选取胸锁关节层面右侧胸大肌处、支气管分叉层面主动脉处30～60 mm2区域为感兴趣区（region of interest，ROI），获得ROI 的平均CT 值，每个ROI 连续测量3 次，取3次测量的平均值作为胸部CT 图像的信号值；选取同层扫描区域内无物体的30～60 mm2背景区域为ROI，测得该区域CT 值的标准差，每个ROI 连续测量3 次，取3 次测量的平均值作为噪声值，计算信号值与噪声值的比值，即信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）[8]。

1.5 图像质量主观评价

由放射科1 位副主任医师及1 位主治医师作为观察者在同一影像归档和通信系统（picture archiving and communication systems，PACS）上对所得图像进行评价，若两观察者评分不一致由观察者间商定或请第三位观察者介入后给出最终评分。在肺窗和纵隔窗图像上，根据小气管、肺血管、纵隔组织的对比度及病变的显示程度，对纵隔窗和肺窗噪声水平及伪影的情况进行5 分制评分，具体如下：图像组织结构显示非常清晰，对比度好，质地细腻，噪声很少，完全满足诊断要求者为5 分；图像组织结构显示清晰，噪声较少，质地较细腻，能够满足临床诊断者为4 分；图像质地一般，噪声稍多，部分组织结构显示欠佳，基本满足诊断要求者为3 分；图像噪声多，质地差，组织结构显示不清，不能满足诊断要求者为2分；图像噪声很多，质地非常差，组织结构无法显示，完全没有诊断价值者为1 分[9]。≥3 分的图像被认为可以满足诊断要求。

1.6 统计学分析

采用SPSS 18.0 软件进行统计学分析，计量资料以±s表示。同一年龄组患儿在不同DRI 条件下，其SNR、辐射剂量采用单因素方差分析进行比较，若差异有统计学意义再采用Bonferroni 统计法行多重比较，主观评分采用秩和检验进行分析；同一年龄组不同重建技术的图像质量客观评分采用配对t检验进行比较，主观评分采用秩和检验进行比较；P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 临床预实验组

2.1.1 图像质量主观评价

6～9 岁组：当DRI 设置为10～18 时，图像质量主观评分均≥3分，都能满足诊断需求；当DRI 设置为8 时，图像质量只有部分满足诊断需求，因此本研究没有再使用8 以下的DRI进行研究。可以得出，6～9 岁患儿在其他扫描条件相同的情况下，DRI 的临界值是10。10～13 岁组：当DRI 设置为12～18 时，图像质量主观评分均≥3 分，都能满足诊断需求；当DRI 设置为10 时，图像质量只有部分满足诊断需求，因此本研究没有再使用10 以下的DRI 进行研究。可以得出，10～13 岁患儿在其他扫描条件相同的情况下，DRI 的临界值是12。14～16 岁组：当DRI 设置为14～18 时，图像质量主观评分均≥3 分，都能满足诊断需求；当DRI 设置为12 时，图像质量只有部分满足诊断需求，因此本研究没有再使用12 以下的DRI 进行研究。可以得出，14～16 岁在其他扫描条件相同的情况下，DRI 的临界值是14。图像质量主观评价结果见表1。2 名患儿胸部肺窗图像如图1 所示。

表1 临床预实验组图像质量主观评价结果（±s）分

表1 临床预实验组图像质量主观评价结果（±s）分

DRI 为18 DRI 为16 DRI 为14 DRI 为12 DRI 为10 DRI 为8 6～9 岁组 5.00±0.00 4.81±0.29 4.53±0.39 4.11±0.37 3.37±0.44 2.77±0.56 9.67 ＜0.01 10～13 岁组 5.00±0.00 4.51±0.42 3.89±0.52 3.41±0.48 2.59±0.62 — 10.78 ＜0.01 14～16 岁组 5.00±0.00 4.49±0.62 3.53±0.52 2.77±0.69 — — 14.35 ＜0.01组别 F P

图1 临床预实验组胸部肺窗图像

2.1.2 图像质量客观评价

3 组患儿的SNR 在胸大肌处及主动脉处均随着DRI 值的增加而增加，差异有统计学意义（P＜0.05）。图像质量客观评价结果见表2。

表2 临床预实验组图像质量客观评价（SNR）结果（±s）

表2 临床预实验组图像质量客观评价（SNR）结果（±s）

DRI 为18 DRI 为16 DRI 为14 DRI 为12 DRI 为10 DRI 为8 6～9岁组组别 ROI F P＜0.01＜0.01 10～13岁组胸大肌处主动脉处7.71±0.48 6.69±0.81 6.14±0.76 5.89±0.74 5.67±0.57 5.15±0.61 4.53±0.64 4.07±0.55 3.96±0.78 3.35±0.85 3.32±0.82 2.97±1.14 33.41 28.75＜0.01＜0.01 14～16岁组胸大肌处主动脉处7.19±0.67 6.98±0.57 5.93±0.98 5.47±0.59 4.67±0.58 4.43±0.60 4.01±0.75 3.82±0.68 3.19±0.88 2.88±0.74——20.18 22.49胸大肌处主动脉处7.07±0.67 6.86±0.49 5.29±0.77 5.17±0.63 3.48±0.75 3.31±0.59 2.95±0.71 2.74±0.93————29.36 30.43＜0.01＜0.01

2.1.3 辐射剂量统计结果

3 组患儿的CTDIvol及DLP 均随DRI 的减小而降低，差异有统计学意义（P＜0.01）。辐射剂量统计结果见表3。

表3 临床预实验组辐射剂量统计结果（±s）

表3 临床预实验组辐射剂量统计结果（±s）

组别 CTDIvol/mGy DRI 为18 DRI 为16 DRI 为14 DRI 为12 DRI 为10 DRI 为8 F P 6～9 岁组 1.96±0.10 1.78±0.22 1.67±0.17 1.25±0.14 0.97±0.13 0.86±0.09 16.77 ＜0.01 10～13 岁组 2.89±0.19 2.57±0.21 2.06±0.09 1.85±0.14 1.62±0.18 — 16.18 ＜0.01 14～16 岁组3.95±0.27 2.87±0.18 2.33±0.23 1.97±0.20——15.43＜0.01组别6～9 岁组10～13 岁组14～16 岁组DLP/（mGy·cm）DRI 为18 39.88±2.58 55.67±5.11 79.70±5.77 DRI 为16 31.96±2.91 46.42±5.09 67.38±5.53 DRI 为14 26.55±2.16 39.96±4.91 56.61±6.24 DRI 为12 20.52±2.09 32.55±4.49 45.57±5.91 DRI 为10 18.04±2.34 28.68±5.53—DRI 为8 15.12±2.71 F P— —23.11 10.88 17.71＜0.01＜0.01＜0.01

2.2 临床实验组

2.2.1 图像质量主观评价

肺窗：3 组患儿IMR 图像评分均优于iDose4图像（P＜0.05）；纵隔窗：3 组患儿IMR 图像评分均优于iDose4图像（P＜0.05）。3 组患儿图像主观评价结果见表4。2 名患儿胸部肺窗图像如图2 所示。

表4 临床实验组图像主观评价结果（±s）分

表4 临床实验组图像主观评价结果（±s）分

组别 肺窗 纵隔窗iDose4 IMR Z P iDose4 IMR Z P 6～9 岁组 3.85±0.45 4.78±0.41 -3.23 ＜0.01 3.45±0.51 4.80±0.41 -3.61 ＜0.01 10～13 岁组 3.78±0.31 4.51±0.49 -2.46 0.03 3.35±0.49 4.75±0.44 -3.94 ＜0.01 14～16 岁组 3.56±0.49 4.45±0.51 -3.05 0.02 3.75±0.41 4.65±0.50 -2.71 ＜0.01

图2 临床实验组胸部肺窗图像

2.2.2 图像质量客观评价

3 组患儿胸大肌和主动脉处（ROI）的SNR 均为IMR 图像高于iDose4图像，差异均有统计学意义（P＜0.01）。3 组患儿图像质量客观评价结果见表5。

表5 临床实验组图像质量客观评价结果（±s）

表5 临床实验组图像质量客观评价结果（±s）

组别 胸大肌处SNR 主动脉处SNR IMR iDose4 t P IMR iDose4 t P 6～9 岁组 8.14±0.21 6.47±0.36 6.75 ＜0.01 11.88±3.07 8.65±0.46 9.98 ＜0.01 10～13 岁组 8.31±0.41 6.58±0.24 7.82 ＜0.01 12.34±3.32 8.82±0.21 10.76 ＜0.01 14～16 岁组 8.29±0.33 6.62±0.55 5.43 ＜0.01 11.93±3.41 8.45±0.31 6.74 ＜0.01

3 讨论

研究表明，DRI 是飞利浦公司128 排Brilliance iCT 控制输出剂量的重要参数，在合理范围内DRI越大输出剂量就越高，图像质量相对会更好[10]。对于对辐射敏感的儿童来讲，能在较低的DRI 条件下获得满足诊断的图像即可[5]，没必要追求完美的图像质量。目前，唐世龙等[6]对学龄前儿童DRI 的研究已有明确的定论，因此本研究将6～16 岁患儿入组。

本研究中，临床预实验组扫描时DRI 值预设为18、16、14、12、10、8，最大值设置为18 是因为本科室提供的胸部CT 检查经验值为18，且笔者在长期工作过程中总结经验发现，6～16 岁患儿在本科室行胸部CT 检查时，采用DRI 为18 时都得到了优质的图像质量，但并没有对不同年龄段的DRI 进行个性化设置。因此，本研究以18 为DRI 最高值，采用依次递减的方法进行研究，直至只能得到部分满足临床诊断的图像，最终得出6～9 岁患儿DRI 为10、10～13 岁患儿DRI 为12、14～16 岁患儿DRI 为14 为对应年龄组在iDose4技术条件下DRI 的临界值，如果DRI 再小就无法得到满足诊断需求的图像。

iDose4技术属于部分迭代重建技术，在投影空间和图像空间进行基于双模型（噪声模型、解剖模型）的迭代运算，其中噪声模型主要用来提高图像质量，解剖模型主要用来提高重建速度；该算法能消除低光子伪影，大幅度提高重建图像的空间分辨力及密度分辨力，最大限度降低图像噪声的同时能保证较快的运算速度[11-12]。因此iDose4能很好地弥补因降低管电流所带来的一系列负面影响。但iDose4的重组模型大都基于比较简单的统计学原理，缺少与多模型系统的全面对比校正。另外，iDose4技术仍基于滤波反投影（filtering back projection，FBP）算法迭代计算，不可避免地具有FBP算法的局限性，这都限制了其对图像质量的改善效能[13]。IMR 技术是使用多模型的完全迭代重建技术，是基于统计和系统模型精确测定的数据和图像的统计模型，考虑到了焦点尺寸、X 射线束宽度、体素大小、探测器像素尺寸和光束及探测器间的相互作用等因素，能全面地在数据空间和图像空间上对统计和系统模型进行优化从而更精确地还原扫描信息，在抑制噪声的同时能提高图像分辨力[14]。有研究也表明在行低剂量胸部CT扫描时，无论肺窗还是纵隔窗图像IMR 技术均优于iDose4技术，特别是对于噪声的抑制[15]。本研究的临床实验组中，6～9 岁组DRI 为10、10～13 岁组DRI 为12、14～16 岁组DRI 为14，是在临床预实验组的基础上进行设置的，且采用了IMR和iDose4 2 种重建技术，保证了图像质量。3 组患儿的IMR 图像客观评价结果和主观得分均高于iDose4图像，与Yuki 等[16]的报道一致，说明IMR 技术较iDose4技术更能改善低剂量条件下儿童胸部CT 图像质量。

本研究的不足之处在于：（1）没有对患儿的实际辐射剂量进行测量，CTDIvol取自机器自动生成的剂量报表，可能与实际不符；（2）图像质量主观评分与观察者的读片喜好与倾向有关，评分结果可能存在争议；（3）样本量太小，DRI 的设置以2 递减，得到的结果可能并不精确；（4）最高DRI 值的设定仅参考了本科室的经验，缺乏多中心的横向研究；（5）没有对患儿体质量指数进行测量（体质量指数会对研究结果产生重要影响），而只是参考相关文献，采用ED间接反映儿童的体质量差异[17]。

虽然存在上述不足，但本研究初步明确了儿童胸部CT 扫描的DRI 阈值，以及IMR 技术改善低剂量条件下图像质量的效能，对儿童胸部CT 低剂量扫描具有指导意义，对不同年龄段儿童胸部CT 个性化扫描方案的制订具有重要参考价值。