重建算法对CT图像空间和密度分辨率的影响

王诗鸣 金 瑞 何 谐 陆云峰

CT技术自诞生以来，一直呈现飞速发展的趋势，特别是在医学应用方向表现突出。CT技术在各种疾病诊疗过程中应用的不断增多以及临床新要求的不断提出，更进一步助推其技术的更新换代，而其中图像重建新算法的引入是一个重要的发展方向。

无论是患者还是临床医技人员，关注最多的是CT图像重建新算法所带来的图像质量和辐射剂量的变化。近年来，不断有新的CT图像重建算法陆续出现，如迭代重建（sinogram affirmed iterative reconstruction，SAFIRE）［1-2］、交互降金属伪 影（iterative metal artifact reduction，IMAR）［3-5］、像素闪烁（pixel shine，PS）［6-7］等，与其相关的临床研究也紧随而至，但主要是集中在新算法对图像质量中的噪声、信噪比、CT值的影响和在低剂量扫描中的应用方面［1-7］，而有关其对密度分辨率（低对比度分辨率）和空间分辨率（高对比度分辨率）这2个CT图像质量评价的重要参数的影响方面却罕有文献报道。

本研究以Catphan 500中的CTP515模块和CTP528模块作为检测载体，观察不同重建算法对CT图像密度分辨率和空间分辨率的影响，并探讨容积CT剂量指数（volume computed tomography dose index，CTDIvol）和密度分辨率、空间分辨率之间的关系，为今后临床的相关应用提供依据。

方 法

1. 材料及设备

Catphan500体模CTP515测试模块：直径15 cm，厚度4 mm；外层孔阵为0.3%、0.5%、1.0%对比度，直径为2、3、4、5、6、7、8、9、15 mm；内层孔阵为0.3%、0.5%、1.0%对比度，直径为3、5、7、9 mm。

Catphan500体模CTP528测试模块：直径15 cm，厚度2 mm；可检测空间分辨力为1～21线对/厘米（lp/cm），最大误差为21 lp/cm检测中的0.5 lp/cm。

设备：Siemens SOMATOM Perverse 128层VCT机。

2. 测试方法

全部采用头部模体中心剂量指数的测量方法［8-9］。因针对CT机的检定规程［9］规定密度分辨率和空间分辨率是CT机在每次扫描的CTDIvol≤50 mGy时所能达到的最佳值，所以在此调整kV和mA，分别取CTDIvol为5、10、20、30、40、50 mGy，对Catphan500模体进行扫描，再分别应用目前滤波反投影（filtered back projection，FBP）算法、SAFIRE（等级1～5）算法、PS（等级1～9）算法对原始数据进行重建，除算法外的其他参数如层厚和FOV等均保持一致，同时记录整体阅片效果最佳的窗宽和窗位。由2名具有5年以上工作经验的放射技师共同完成对各重建图像的密度分辨率和空间分辨率测试结果的观察和记录工作，取二者意见一致的结果（不一致时协商解决）。对每个观察对象先后进行10次观察、记录，取其均值作为该重建图像的测试结果。

3. 统计学分析

采用IBM SPSS 22.0统计学软件进行数据分析。对50 mGy CTDIvol下不同算法重建图像之间的密度分辨率和空间分辨率进行比较时，数据为正态分布且方差齐时采用方差分析，组间两两比较采用SNK法，数据为非正态分布或方差不齐时采用Kruskal-Wallis检验进行多重比较，P＜0.05认为差异具有统计学意义。

结 果

取整体观察效果最佳的窗宽（54）、窗位（57）测试各算法下的密度分辨率。结果（图1A～C）显示，在CT机常用的FBP算法、SAFIRE3算法和PS-5算法下，随着CTDIvol的降低，测量模块中能清晰识别的0.3%、0.5%和1.0%对比度孔阵的最小直径整体上均呈增大的趋势，密度分辨率均呈现降低的趋势。其中，对1%对比度孔阵的密度分辨率在20～50 mGy CTDIvol下均没有明显差异，在20 mGy以下呈降低的趋势；对0.5%和0.3%对比度孔阵的密度分辨率均随着CTDIvol从50 mGy到5 mGy的降低而快速降低，0.3%对比度孔阵在5 mGy时甚至完全无法被清晰识别。

取整体观察效果最佳的窗宽（93）、窗位（520）来测试各算法下的图像空间分辨率。结果（图1D）显示，FBP算法下的图像空间分辨率随着CTDIvol的下降（从50 mGy降至5 mGy）而呈轻微降低的趋势（由7.5 lp/cm降至7.0 lp/cm），但仍保持在≥7.0 lp/cm的范围内；SAFIRE-3算法下的图像空间分辨率在CTDIvol为5～50 mGy时均稳定保持在7.0 lp/cm，无变化；PS-5算法下的图像空间分辨率则随着CTDIvol的下降而降低，当CTDIvol降至30 mGy时，空间分辨率维持在7.0 lp/cm的水平，不再随CTDIvol的继续下降而变化。

图1 不同CT剂量指数下FBP、SAFIRE-3和PS-5算法重建图像的密度分辨率和空间分辨率测试结果

以CT机的检定规程规定的密度分辨率和空间分辨率测定方法中的扫描CTDIvol值50 mGy作为检测标准参数，检测结果如表1所示。不同算法重建出的图像中测量模块在观察效果最佳的窗宽54、窗位57时能清晰识别的某对比度孔阵的最小直径是一致的（图2），即各算法重建出的图像密度分辨率是相同的；不同算法重建出的图像中测量模块在观察效果最佳的窗宽93、窗位520时能清晰识别的线对限值是不同的（图3），其中，FBP和PS算法得出的线对限值均为7.5 lp/cm，而SAFIRE算法所得线对限值均为7.0 lp/cm，要低于前两者，即SAFIRE算法重建出的图像空间分辨率要低于FBP和PS算法所得，且与前二者之间的差异具有统计学意义（P＜0.05）。

讨 论

之前已有很多学者［10-12］开展了SAFIRE算法在CT图像重建中的应用研究，结果均显示SAFIRE算法能够显著降低图像噪声，从而提高其图像质量，但是却往往忽略了SAFIRE算法的应用可能会导致空间分辨率变化这一问题。在本研究中扫描CTDIvol为50 mGy时，FBP和PS系列算法重建所得图像的空间分辨率均可达7.5 lp/cm，高于SAFIRE系列算法重建图像的测得值7.0 lp/cm，后者显著低于前二者（P＜0.05）。之后，随着扫描CTDIvol的降低，SAFIRE-3算法重建图像的空间分辨率保持不变，FBP和PS-5算法重建图像的空间分辨率才开始逐渐降低，直至与SAFIRE-3所得图像的测得值相同。SAFIRE算法的应用带来空间分辨率的降低，这可能会影响某些疾病的病灶特征显示［13］，从而导致漏诊、误诊的发生。因此，在对图像空间分辨率要求较高的部分病症的图像重建中，应谨慎使用SAFIRE算法。

表1 CT剂量指数为50 mGy时不同算法重建图像的密度分辨率和空间分辨率测试结果

图2 CT剂量指数为50 mGy时算法FBP（A）、SAFIRE-3（B）和PS-5（C）重建图像的密度分辨率测试结果

图3 CT剂量指数为50 mGy时算法FBP（A）、SAFIRE-3（B）和PS-5（C）重建图像的空间分辨率测试结果

降低CTDIvol能降低受检者辐射剂量［14-15］。本研究结果显示，降低CTDIvol对图像空间分辨率的影响较轻微。在CTDIvol从50 mGy降至5 mGy过程中，FBP和PS-5算法重建图像的空间分辨率从7.5 lp/cm降至7.0 lp/cm，FBP算法重建图像的空间分辨率则为7.0 lp/cm，无变化。但CTDIvol的降低对图像密度分辨率的影响较大。在CTDIvol从50 mGy降至5 mGy过程中，FBP、SAFIRE-3和PS-5这3种算法重建图像的密度分辨率呈快速降低的趋势，各对比度孔阵的测试结果值均达到倍增及以上程度的变化，甚至0.3%对比度孔阵在CTDIvol为5 mGy时完全无法被清晰识别。密度分辨率的过低会严重影响到对与周围组织密度差异不大的病灶的准确检出。因此，在临床应用中，不应一味地奉行低剂量化扫描方案选择。当检查对象为肺部等与周围其他组织密度差异较大的组织时，低剂量扫描方案尚可适用，但当检查对象为肝脏、肠道等与周围其他组织密度差异相对较小的组织时，则应该谨慎使用低剂量扫描，避免漏诊、误诊情况的出现。