頭顱雙能量CTA掃描參數(shù)組合與重建算法對(duì)圖像質(zhì)量影響的實(shí)驗(yàn)研究*

彭　剛，曾勇明，郁仁強(qiáng)，王　杰

(重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院放射科　400016)

?

頭顱雙能量CTA掃描參數(shù)組合與重建算法對(duì)圖像質(zhì)量影響的實(shí)驗(yàn)研究*

彭剛，曾勇明△，郁仁強(qiáng)，王杰

(重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院放射科400016)

[摘要]目的應(yīng)用不同重建算法行頭顱雙能量CT 血管造影(DECTA)的圖像質(zhì)量，評(píng)價(jià)不同管電壓組合行DECTA的輻射劑量。方法對(duì)置入模擬腦血管的頭顱仿真體模，采用80/140 kV和100/140 kV行雙能量CT掃描后，分別進(jìn)行濾波反投影法(FBP)及迭代重建技術(shù)(SAFIRE)兩種算法重建圖像，測(cè)量CT值及CT值標(biāo)準(zhǔn)差(SD)計(jì)算信噪比(SNR)、對(duì)比噪育化(CNR),記錄劑量長(zhǎng)度乘積(DLP)并計(jì)算有效劑量，評(píng)價(jià)不同成像條件的圖像質(zhì)量及輻射劑量。結(jié)果在相同掃描參數(shù)條件下，SAFIRE重建算法的圖像噪聲明顯低于FBP重建算法；隨著管電流量從100 mAs增加至300 mAs,圖像質(zhì)量呈改善趨勢(shì),260 mAs以上圖像質(zhì)量趨于穩(wěn)定；采用SAFIRE 重建算法，對(duì)兩組管電壓的圖像質(zhì)量進(jìn)行比較，CT 值SD 差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，CNR和SNR差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；80/140 kV組的有效劑量較100/140 kV組明顯降低。結(jié)論雙能量頭顱CTA采用80/140 kV管電壓組合結(jié)合SAFIRE 算法能保證圖像質(zhì)量并顯著降低輻射劑量。

[關(guān)鍵詞]體層攝影術(shù)；X線計(jì)算機(jī)；雙能；迭代重建；圖像質(zhì)量

傳統(tǒng)CT的圖像重建算法主要是濾波反投影法(filtered back projection，F(xiàn)BP)，隨著MSCT不斷發(fā)展，迭代重建技術(shù)成為研究熱點(diǎn)，西門子公司開(kāi)發(fā)了第二代迭代重建技術(shù)(sinogram affirmed iterative reconstruction，SAFIRE)[1-2]。本研究采用仿真頭顱體模，通過(guò)改變不同成像參數(shù)行雙能量CT血管造影(dual energy computer tomography angiography,DECTA)，定量分析雙源CT不同雙能量掃描參數(shù)組合和重建算法對(duì)圖像質(zhì)量及輻射劑量的影響。

1材料與方法

1.1材料采用日本Kyoto Kagaku公司PBU-60 型CT頭部仿真體模，高約33 cm，質(zhì)量約6.5 kg，該體模逼真地模擬了成人男性的頭骨、腦組織、腦室及左半部動(dòng)脈，由與人體軟組織同等X線吸收率的等效材料制成，見(jiàn)圖1。

1.2方法

1.2.1掃描方法使用Siemens Somatom Definition Flash 第二代雙源CT。掃描參數(shù)：采用自動(dòng)管電流調(diào)制(care dose 4D)技術(shù)，準(zhǔn)直128.0 mm×0.6 mm，螺距0.7，層厚5 mm,機(jī)架旋轉(zhuǎn)速度為0.28 秒/圈，分兩組進(jìn)行掃描，A組：管電壓80/140 kV，參考管電流量100～300 mAs,間隔40 mAs。B組：管電壓100/140 kV，參考管電流量100～300 mAs,間隔40 mAs。圖像重建參數(shù)：采用FBP及SAFIRE(等級(jí)3)兩種重建方法對(duì)兩組圖像進(jìn)行重建，重建層厚0.75 mm，間隔0.50 mm，雙能混合比例0.6，卷積核分別為D30f與Q30f。

1.2.2圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)使用MMWP圖像后處理工作站，由兩名有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師分別對(duì)兩管電壓組的FBP和SAFIRE圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)[3]包括：噪聲CT 值標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation，SD)、信噪比(signal to noise，SNR)、對(duì)比噪聲比(contrast to noise ratio，CNR)。具體評(píng)價(jià)方法為：將模擬腦血管分為A頸內(nèi)動(dòng)脈段、B大腦中動(dòng)脈段及C大腦前動(dòng)脈段3段，測(cè)量不同參數(shù)下相同層面的3段腦血管及鄰近腦組織的CT值和噪聲。腦血管測(cè)量面積為(0.04±0.01)cm2，腦實(shí)質(zhì)測(cè)量面積為(1.00±0.05)cm2，每個(gè)層面各測(cè)5個(gè)點(diǎn)求平均值以減小誤差，見(jiàn)圖2。

圖1　仿真頭顱體模

1.2.3輻射劑量評(píng)價(jià)利用CT機(jī)的輻射劑量評(píng)估軟件，記錄每組參數(shù)掃描后的容積CT劑量指數(shù)(CTDIvol)、劑量長(zhǎng)度乘積(DLP)。參考?xì)W洲共同體委員會(huì)(CEC)的劑量轉(zhuǎn)換指數(shù)K值[3]，根據(jù)公式E=DLP×K計(jì)算頭顱CTA檢查所致患者的有效劑量。

2結(jié)果

2.1兩種重建算法在不同管電流量下圖像質(zhì)量比較頭顱CTA雙能量掃描在80/140 kV組或100/140 kV組中，相同管電流量下經(jīng)SAFIRE重建的圖像質(zhì)量均優(yōu)于FBP重建，兩者圖像質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。對(duì)不同管電流量組的圖像質(zhì)量進(jìn)行分析，當(dāng)管電流量小于或等于220 mAs時(shí)，隨著管電流量不斷增加，圖像客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)CT值SD不斷降低，而SNR及CNR呈上升趨勢(shì)。以管電流量300 mAs為對(duì)照，相同重建算法的各組間的圖像質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；當(dāng)管電流量大于或等于260 mAs時(shí)，各組圖像質(zhì)量改善趨于平緩，各組圖像質(zhì)量與對(duì)照組比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，見(jiàn)表1、2。

圖像噪聲：腦實(shí)質(zhì)的CT 值SD；SNR：腦血管平均CT 值/相應(yīng)CT 值SD，CNr=(腦血管CT值-腦實(shí)質(zhì)CT 值)/腦實(shí)質(zhì)CT值SD。

圖2頭顱CTA圖像質(zhì)量指標(biāo)測(cè)量方法

2.2兩組管電壓SAFIRE重建算法圖像質(zhì)量比較在80/140 kV和100/140 kV條件下，隨著管電流量從100～300 mAs不斷增大，CT值SD逐漸減小，SNR和CNR逐漸增加；相同管電流量下，兩組管電壓圖像CT值SD比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，SNR、CNR差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，見(jiàn)表3。

表1　80/140 kV組兩種重建算法圖像質(zhì)量比較

*：P<0.05，與300 mAs比較。

表2　100/140 kV組兩種重建算法圖像質(zhì)量比較

*：P<0.05，與300 mAs比較。

表3　兩種管電壓組合SAFIRE算法圖像質(zhì)量比較±s)

2.3頭顱CTA雙能量掃描兩組管電壓掃描輻射劑量的比較隨著管電流量增大，頭顱CTA雙能量掃描兩管電壓組的有效劑量均呈上升趨勢(shì)，在相同管電流量下，80/140 kV組的有效劑量較100/140 kV組明顯降低，見(jiàn)圖3。

圖3　兩組管電壓掃描輻射劑量比較

3討論

隨著多層螺旋CT技術(shù)的不斷發(fā)展，頭顱CTA成為頭部血管疾病檢查的重要方法，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于臨床。第二代雙源CT提供了雙能量掃描方案，根據(jù)兩種不同能量射線穿透力衰減的差別，利用一次掃描的數(shù)據(jù)，有效區(qū)分并分別顯示各個(gè)組分，行雙能量血管減影成像[4-5]。此技術(shù)比以往單源CT頭顱CTA需要兩次掃描后減影更簡(jiǎn)便快捷[6-7]，同時(shí)具有更低的輻射劑量。

SAFIRE是西門子新一代迭代重建算法，與傳統(tǒng)FBP 算法相比，SAFIRE所需的投影數(shù)少、具有可在數(shù)據(jù)不完全和低信噪比(低劑量)條件下成像等優(yōu)點(diǎn)達(dá)到高質(zhì)量的圖像[8-9]。根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，3次迭代計(jì)算的圖像質(zhì)量更好[10-11]，所以本研究均選擇SAFIRE等級(jí)3重建圖像。

本研究頭顱CTA雙能量掃描在80/140 kV和100/140 kV時(shí)，分別設(shè)定6組參考管電流量對(duì)頭顱仿真體模進(jìn)行掃描。結(jié)果顯示，隨著管電流量從100 mAs增加至220 mAs，圖像質(zhì)量呈明顯上升趨勢(shì)，各組圖像質(zhì)量指標(biāo)與對(duì)照組(360 mAs)比較有顯著性差異。當(dāng)管電流量上升至260 mAs以上，圖像質(zhì)量改善趨于平穩(wěn)，與對(duì)照組比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，而輻射劑量仍不斷增加，提示輻射劑量是在一定范圍內(nèi)與圖像質(zhì)量呈線性相關(guān)，當(dāng)輻射劑量超過(guò)這一范圍，圖像質(zhì)量不再隨著輻射劑量的增加而改善。因此，在本實(shí)驗(yàn)參數(shù)下，管電流量設(shè)定為260 mAs為圖像質(zhì)量和輻射劑量的最佳平衡點(diǎn)，即可以在保證圖像質(zhì)量前提下，接受較低的輻射劑量。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的掃描參數(shù)下，SAFIRE組圖像質(zhì)量指標(biāo)均明顯高于FBP組，由此可見(jiàn)迭代重建技術(shù)可以明顯改善圖像質(zhì)量。經(jīng)SAFIRE重建后，80/140 kV組和100/140 kV組的圖像質(zhì)量指標(biāo)CT值SD差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，SNR、CNR差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量的重要指標(biāo)是SNR值及CNR值[12-16]，通過(guò)公式雖然80/140 kV組由于管電壓的降低造成X線穿透力減弱，使得圖像噪聲(CT值SD)增加，整體圖像質(zhì)量有所降低，但頭顱CTA檢查主要觀察顱腦血管情況，對(duì)腦實(shí)質(zhì)及周圍組織圖像質(zhì)量的要求低于常規(guī)CT檢查。由于低管電壓對(duì)碘對(duì)比劑具有CT值增強(qiáng)效應(yīng)，提升了血管的對(duì)比度，使得兩組圖像的SNR、CNR無(wú)明顯差異。所以在頭顱雙能量CTA檢查中，80/140 kV較100/140 kV具有更低的輻射劑量且圖像質(zhì)量無(wú)明顯差異。

本研究是基于仿真頭顱體模的基礎(chǔ)研究，其優(yōu)勢(shì)在于可以通過(guò)多次重復(fù)掃描來(lái)優(yōu)化掃描參數(shù)，且避免了倫理道德及個(gè)體差異等問(wèn)題，但體模與人體實(shí)際情況存在一定差別，所以實(shí)驗(yàn)得出的最佳技術(shù)參數(shù)還有待臨床驗(yàn)證。

綜上所述，雙能量頭顱CTA采用SAFIRE 算法和80/140 kV管電壓組合能保證圖像質(zhì)量并顯著降低輻射劑量。

參考文獻(xiàn)

[1]Bulla S,Blanke P,Hassepass F,et al.Reducing the radiation dose for low-dose CT of the paranasal sinuses using iterative construction:Feasibility and image quality[J].Eur J Radiol,2012,81(9):2246-2250.

[2]徐超，楊琳，于薇，等.迭代重建在雙源CT冠狀動(dòng)脈CT成像中的應(yīng)用[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，2012,28(1):168-171.

[3]Park EA,Lee W,Kim KW,et al,Iterative reconstruction of dual-sourcecoronary CT angiography:assessment of image quality and radiation dose[J].Int J Cardiovasc Imaging,2012,28(7):1775-1786.

[4]Huda W,Ogen KM,Khorasani MR.Converting dose-length product to effective dose at CT[J].Radiology,2008,248(4):995-1003.

[5]Flohr TG,Bruder H,Stierstorfer K,et al.Image reconstruction and image quality evaluation for a dual source CT scanner[J].Med Phys,2008,35(12):5882-5897.

[6]Pretersilka M,Bruder H,Krauss B,et al.Technical principles of dual source CT[J].Eur J Radiol,2008,68(3):362-368.

[7]李傳明，王健，戴明德，等.雙源CT血管減影成像在顱腦血管檢查中應(yīng)用及技術(shù)研究[J].中華實(shí)用診斷與治療雜志，2010,24(6):563-565.

[8]王萱，薛華丹，劉煒，等.雙源CT頭頸部

雙能量血管成像的圖像質(zhì)量和輻射劑量[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院學(xué)報(bào)，2010,32(6):619-622.

[9]Hu XH,Ding XF,Wu RZ,et al,Radiation dose of non-enhanced chest CT can be reduced 40% by using iterative reconstruction in image space[J].Clin Radiol，2011,66(11):1023-1029.

[10]May MS,Wüst W,Brand M,et al.Dose reduction in abdominal computed tomography:intraindividual comparison of image quality of full-dose standard and half-dose iterative reconstructions with dual-source computed tomography[J].Invest Radiol，2011，46(7):465-470.

[11]Pontana F,Pagniez J,Flohr T,et al.Chest computed tomography using iterative Reconstruction vs filtered back projection(Part 1):Evaluation of image noise reduction in 32 patients[J].Eur Radiol,2011,21(3):627-635.

[12]Yang WJ,Yan FH,Liu B,et al.Can sinogram-affirmed iterative(SAFIRE) reconstruction improve imaging quality on low-dose lung CT screening compared with traditional filtered back projection(FBP) reconstruction[J].J Comput Assist Tomogr,2013,37(2):301-305.

[13]Achenbach S,Goroll T,Seltmann M,et al.Detection of coronary artery stenoses by low-dose,prospectively ECG-triggered,high-pitch spiral coronary CT angiography[J].JACC Cardiovasc Imaging,2011(4):328-337.

[14]Baker ME,Dong F,Primak A,et al.Contrast-to-noise ratio and low-contrast object resolution on full- and low-dose MDCT:SAFIRE versus filtered back projection in a low-contrast object phantom and in the liver[J].AJR,2012，199(1):8-18.

[15]張健，楊明，莫緒明，等.不同管電壓64 層螺旋CT 對(duì)兒童CTA 圖像質(zhì)量和輻射劑量的影響[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，2012,28(6):1213-1217.

[16]Schindera ST,Diedrichsen L,Müller HC,et al.Iterative reconstruction algorithm for abdominal multidetector CT at different tube voltages:assessment of diagnostic accuracy,image quality,and radiation dose in a phantom study[J].Radiology,2011,260(2):454-462.

Impact of image quality with scan parameters and reconstruction algorithms in head dual-energy computed tomography angiography*

Peng Gang,Zeng Yongming△,Yu Renqiang,Wang Jie

(DepartmentofRadiology,theFirstAffiliatedHospitalofChongqingMedicalUniversity,Chongqing400016,China)

[Abstract]ObjectiveTo study the difference of image quality which based on different reconstruction in head dual-energy computed tomography angiography (DECTA) scanning,and evaluate the radiation dose which using different tube voltage in DECTA.MethodsAn anthropomorphic head phantom with simulated arteries was used for DECTA scanning by different scan parameters (tube voltage 80/140 kV and tube voltage 100/140 kV),the data was reconstructed with filtered back projection (FBP) and Sinogram Affirmed Iterative Reconstruction (SAFIRE).The CT values with SD were measured and calculate to SNR and CNR,the dose length product (DLP) was recorded and invert to effective dose.The image quality and radiation dose were evaluated in different imaging condition.ResultsThe image noise of SAFIRE reconstruction was lower than FBP reconstruction in same san parameters.The increase of tube current-time product from 100 mAs to 300 mAs,it shows the characteristics of linear tendency.When it was on 260 mAs,the image quality become stable.The difference between the two groups(80/140 kV,100/140 kV)of SD of CT value by SAFIRE was significant (P<0.05),the difference of SNR and CNR between the two groups was not significant(P>0.05).The effective doses of group A (80/140 kV) was significantly lower than group B(100/140 kV).ConclusionUsing tube voltage of 80/140 kV combine with SAFIRE algorithm in head DECTA can ensure the image quality,which can significantly reduce radiation dose.

[Key words]tomography;X-ray computed;dual energy;iterative reconstruction;image quality

doi:·技術(shù)與方法·10.3969/j.issn.1671-8348.2016.16.024

*基金項(xiàng)目：國(guó)家臨床重點(diǎn)?？平ㄔO(shè)項(xiàng)目([2013]544)。

作者簡(jiǎn)介：彭剛(1984-)，初級(jí)技師，碩士，主要從事CT掃描技術(shù)參數(shù)優(yōu)化工作。△通訊作者，Tel:(023)89012228;E-mail:zeng-ym@vip.sina.com。

[中圖分類號(hào)]R814.42

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1671-8348(2016)16-2236-03

(收稿日期：2016-01-11修回日期：2016-03-03)