能谱CT虚拟平扫联合多模型迭代重建算法在甲状腺图像质量及辐射剂量中的应用

田兆荣，孙杰，杨建平，倪亚博，石晓萌，沈云，陈泳，王志军*

1.宁夏医科大学总医院放射科，宁夏 银川 750001；2.宁夏医科大学双怡校区，宁夏 银川 750001；3.GE（中国）CT 影像研究中心，北京 100000； 通信作者 王志军 wangzhijun2056@163.com

增强CT检查作为评价甲状腺疾病的重要方法之一，广泛应用于甲状腺疾病的诊断、良恶性鉴别及颈部淋巴结转移等，许多学者将癌症发病率增加与接受CT检查联系起来[1]，尤其对于甲状腺电离辐射敏感器官，人们越来越关注CT检查高辐射对甲状腺造成的不可逆损伤及致癌风险。如何在保证图像质量的情况下有效降低辐射剂量成为研究热点。虚拟平扫（virtual non-contrast scan，VNC）作为能谱CT的重要应用之一，有望省略常规CT平扫（true non-contrast，TNC）检查的环节，通过减少扫描次数降低辐射剂量。多模型迭代重建算法（adaptive statistical iterative reconstruction-V，ASiR-V）理论上更能有效地降低图像噪声，提高密度分辨率，并抑制图像伪影，从而提供更好的解剖细节和更高的诊断可接受性[2]。然而，早期的宝石能谱CT迭代重建算法（ASiR）仅限于在主机上进行重建，不适合在工作站上对不同单能量、VNC等重建和分析，限制了能谱CT VNC结合迭代算法的研究。因此，本研究利用Revolution CT能谱扫描的CT VNC功能，探讨能谱CT VNC联合ASiR-V在颈部甲状腺替代真实平扫的可行性，期望在降低甲状腺增强检查辐射剂量的同时，优化甲状腺图像质量。

1 资料与方法

1.1 研究对象 纳入2021年3—7月于宁夏医科大学总医院需进行颈部CT增强检查的25例患者。排除标准：①具有碘对比剂使用禁忌证；②孕妇；③因心肺功能不全而无法耐受CT检查；④患者检查依从性差等。最终纳入25例，男18例，女7例；年龄35～78岁，平均（61.1±10.4）岁；体质量指数（BMI）18.7～29.8 kg/m2，平均（25.1±3.1）kg/m2。本研究通过宁夏医科大学总医院伦理委员会批准（审批号：KYLL-2021-717），患者均签署知情同意书。

1.2 扫描条件 采用非能谱平扫及80 kVp/140 kVp瞬时切换能谱增强扫描，非能谱平扫和能谱增强扫描均采用自动调制管电流（Smart mA），固定噪声指数9，扫描范围由颅底至胸廓入口。检查结束后，在能谱原始静脉期图像上重建不同权重ASiR-V滤波反投影（FBP）0、20%、40%、60%、80%、100%，层厚、层间距均为1.25 mm，将原始图像及重建图像传至GE ADW 4.7后处理工作站经碘抑制技术（material suppressed iodine，MSI）得到能谱静脉期不同权重ASiR-V的6组VNC图像，分别记作A1、A2、A3、A4、A5、A6。非能谱平扫按照FBP重建记作B1，重建层厚、层间距均为1.25 mm。

1.3 图像客观质量评价 在甲状腺右侧叶最大层面及颈前皮下脂肪勾画感兴趣区（ROI），面积约为最大层面面积的1/2～2/3，ROI采用copy方式确保面积一致，测量CT值及标准差定量计算不同组的图像噪声（SD），以颈前皮下脂肪的图像噪声作为图像背景噪声，记作SD脂肪，计算SNR=CT甲状腺/SD甲状腺。记录每次扫描的剂量长度乘积（dose length product，DLP），根据公式（1）计算有效剂量（effective dose，ED）。

其中k为换算因子，颈部平均值k取0.005 9 mSv/（mGy·cm）。

1.4 图像主观评分 由2名具有5年以上颈部诊断经验的放射科副主任医师采用双盲法对图像总质量进行评估，按照5分法评定[3]。5分：解剖细节清晰，明确评价；4分：解剖结构较清，能够评价；3分：解剖结构基本可满足诊断，但少数图像不能进行评价；2分：解剖结构不清，解剖细节不足；1分：解剖结构模糊，不能诊断。

1.5 统计学方法 采用SPSS 21.0软件，正态分布的定量资料以±s表示，对TNC和VNC图像的客观指标进行配对t检验，采用单因素方差分析比较不同权重ASiR-V VNC的6组图像感兴趣区（ROI）客观指标（CT值、SD、SNR）；2位医师对图像质量的主观质量评分以M（Q1，Q3）表示，组间比较采用Wilcoxon秩和检验；2位观察者间的一致性采用Kappa检验。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 图像客观指标评价 A1、B1两组图像背景噪声SD值、SNR组间差异无统计学意义（P＞0.05），A1图像中甲状腺SD值及CT值低于TNC（P＜0.05），见表1；ASiR-V迭代强度能够影响VNC图像客观评价指标，A1～A6的VNC背景噪声SD、甲状腺SD及SNR组间差异均有统计学意义（P＜0.05），随着迭代强度增大，图像SD值逐渐减小，其中背景噪声SD值的回归方程为Y=-1.629X+29.26（R2=0.60，P＜0.05），SNR逐渐增大；不同权重ASiR-V甲状腺的CT值组间差异无统计学意义（P＞0.05），见表2。

表1 CT常规平扫与静脉期VNC的客观指标比较（±s）

表1 CT常规平扫与静脉期VNC的客观指标比较（±s）

注：VNC为虚拟平扫，TNC为真实平扫

指标VNC TNC t值P值CT（Hu） 54.72±11.92 88.40±15.95 -9.206 ＜0.05＜0.05 SNR 3.00±0.81 3.15±1.06 -0.778 ＞0.05 SD甲状腺18.78±3.36 29.98±7.67-6.970 SD脂肪29.61±5.39 29.94±5.62-0.196＞0.05

表2 静脉期不同权重ASiR-V VNC的客观指标比较（±s）

表2 静脉期不同权重ASiR-V VNC的客观指标比较（±s）

注：ASiR-V为多模型迭代重建算法

ASiR-V CT（Hu）SD甲状腺SNR SD脂肪0 54.72±11.92 18.78±3.36 3.00±0.81 29.61±5.39 26.18±4.56 40% 54.22±12.74 14.32±2.69 3.92±1.17 22.17±5.20 20%54.78±11.81 16.90±3.16 3.36±0.98 19.08±3.99 80% 52.57±15.22 9.39±2.42 5.97±2.34 16.14±4.27 60%52.89±13.86 11.84±2.43 4.65±1.58 13.45±4.07 F值 0.130 63.258 3.987 42.258 100%54.38±11.73 6.60±2.81 8.84±3.79 P值＞0.05＜0.05＜0.01＜0.05

2.2 图像主观评分 不同权重ASiR-V甲状腺静脉期能谱增强图像、VNC图像、TNC图像见图1～3。在FBP重建条件下，2名医师对甲状腺静脉期VNC图像主观评分一致性良好（Kappa=0.940，P＜0.05）；不同权重ASiR-V主观评分总体趋势为ASiR-V 0～60%图像评分呈上升趋势（图2），40%～60%水平段主观评分最佳，在ASiR-V 60%评分一致性较好（Kappa=0.828，P＜0.05）；80%～100%图像评分呈下降趋势，与60%比较，差异有统计学意义（Z=-3.60、-5.47，P＜0.05）；且权重60%的VNC主观评分高于TNC（Z=-4.171，P＜0.05），见表3。

表3 真实平扫与静脉期VNC的主观评分[M（Q1，Q3）]

图1 不同权重ASiR-V 0～100%（间隔20%）的静脉期能谱增强图像。A～F分别为ASiR-V 0、20%、40%、60%、80%和100%的能谱增强图像

图2 不同ASiR-V 0～100%（间隔20%）的静脉期VNC图像。0、20%（A、B）时，图像噪声较明显，但能够满足影像诊断要求；40%、60%（C、D）为图像质量最佳水平段（5分）；80%时图像（E）蜡样伪影明显（≤3分）；100%时图像（F）主观评分（＜3分）不能满足影像诊断要求

图3 FBP的TNC图像

2.3 辐射剂量分析 25例颈部平扫+双期增强检查患者的DLP为（913±131）mGy·cm，ED为（5.39±0.77）mSv，应用能谱VNC替代TNC后25例检查者的ED可降低47.9%；且非能谱与静脉期能谱扫描的ED分别为（1.75±0.24）mSv、（1.66±0.23）mSv，差异有统计学意义（P＜0.05），能谱较非能谱降低了5.2%（表4）。

表4 能谱与非能谱、真实平扫与VNC辐射剂量比较（±s）

表4 能谱与非能谱、真实平扫与VNC辐射剂量比较（±s）

注：MSI为碘抑制技术，CTDIvol为CT容积剂量指数，DLP为剂量长度乘积，ED为有效剂量；a能谱与非能谱比较

方法CTDIvol DLP（mGy·cm）ED（mSv）非能谱平扫 6.76±0.75 296±40 1.75±0.24 1.66±0.23 MSI前 20.83±2.56 913±131 5.39±0.77静脉期（能谱）6.41±0.78 281±39 3.64±0.53 t值a 5.868 5.261 5.261 MSI后14.06±1.78 617±91 P值a ＜0.05＜0.05＜0.05

3 讨论

CT增强扫描作为评价甲状腺疾病、鉴别诊断、术后检查及随访的重要方法之一，具有重要意义。能谱CT VNC技术通过MSI从能谱CT增强图像分离出无碘对比剂的虚拟图像以替代TNC，从而减少扫描次数和辐射剂量，这种扫描方式不仅可以减少辐射剂量，还能提供与TNC影像质量相当的VNC影像[4-5]。甲状腺能谱CT扫描中，VNC成像对甲状腺结节的诊断具有替代TNC成像的潜在能力。本研究利用能谱CT VNC联合ASiR-V分析其在甲状腺临床应用中的可行性。

本研究显示，在传统FBP重建下，VNC与TNC的背景噪声SD值及SNR无显著差异，且主观评分＞4分，提示颈部甲状腺静脉期VNC可替代TNC。而VNC的甲状腺CT值低于TNC，可能与甲状腺自身具有摄碘、储碘功能有关，正常甲状腺自身储碘20%，应用MSI后处理技术无法区分甲状腺自身含碘及造影剂碘，因此导致甲状腺CT值降低。刘力等[6]报道甲状腺良性结节VNC与TNC之间的CT值无显著差异，其原因为甲状腺疾病破坏了滤泡细胞，自身碘含量降低。此外，VNC甲状腺组织的SD值低于TNC图像，可能与常规平扫时，由于甲状腺自身具有储碘功能，碘含量分布欠均匀，而VNC很大程度上去除了碘的影响，因此甲状腺的SD值出现差异。平扫和双期增强扫描总ED为（5.39±0.77）mSv，应用VNC替代TNC ED降低47.90%。另外，本研究还发现能谱扫描较非能谱扫描的ED减少了5.2%，提示能谱扫描可以替代非能谱扫描常规应用于临床检查，且提供更多定量参数信息协助疾病诊断。FBP重建条件下VNC主观评分低于TNC。

ASiR-V是一种纳入噪声、物理、物体3种模型的全新的多模型迭代算法，尤其ASiR-V可以有效降低图像噪声，在全身各部位广泛应用优化图像[7-8]。而不同权重ASiR-V在甲状腺正常腺体及其疾病中的应用甚少，本研究重建不同权重ASiR-V VNC，比较发现ASiR-V的迭代强度能够影响图像质量的评价指标，随着ASiR-V迭代强度增大，背景噪声SD值及甲状腺SD值呈线性降低，其次图像SNR逐渐增加，提示VNC的图像质量改善。不同权重ASiR-V对应的VNC的CT值无显著差异，然而并非迭代强度越大越好，既往研究[9-10]表明当ASiR-V权重超过80%时，图像会产生蜡烛样伪影，图像不能满足诊断要求。本研究ASiR-V迭代水平为0时（即FBP），图像整体颗粒感较粗、噪声较明显，但能满足影像诊断要求；20%～60%主观评分随着迭代强度增大而增加，60%时临床应用价值最高。当ASiR-V增加至80%，主观评分下降出现较明显的蜡样伪影，往后图像不能满足影像诊断要求。Tang等[9]研究表明，60% ASiR-V的肺部CT平扫重建图像质量最高，李志洁[11]研究发现，权重60% ASiR-V头颅平扫图像质量最佳，均验证了此猜想的正确性。

本研究的局限性：①样本量较小；②本研究中ASiR-V迭代间隔20%稍大，将调整迭代水平进一步研究；③本研究仅对正常甲状腺进行主观和客观评价，未对甲状腺疾病进行分类，评价能谱MSI鉴别甲状腺疾病的价值。

总之，能谱CT颈部甲状腺静脉期的VNC能够应用于临床，且联合后置ASiR-V能够改善图像质量，最佳迭代水平为60%。