能譜CT單能量聯(lián)合迭代重建對圖像質(zhì)量的影響

陳曉，曹國全，潘勇，林曉敏，王愛敏

（溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院　放射科，浙江　溫州　325015）

·論著·

能譜CT單能量聯(lián)合迭代重建對圖像質(zhì)量的影響

陳曉，曹國全，潘勇，林曉敏，王愛敏

（溫州醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院放射科，浙江溫州325015）

目的：探討能譜CT單能量聯(lián)合迭代重建對圖像空間分辨率、密度分辨率、低對比可探測能力等圖像質(zhì)量指標(biāo)的影響。方法：利用能譜CT對Catphan 500體模進(jìn)行掃描，對掃描后的圖像分別重建45～135 keV 10級(jí)單能量圖像，同時(shí)對每級(jí)單能量圖像進(jìn)行從10%到100%的不同迭代權(quán)重重建。選用Catphan 500體模的CTP528模塊測量圖像的空間分辨率；選用CTP515模塊測量密度分辨率；以CTP515模塊中對比度為1%、直徑為9.0 mm的圓柱體為觀察對象，分析圖像的低對比可探測能力。采用多因素方差分析比較不同單能量及不同迭代重建水平對圖像質(zhì)量的影響。結(jié)果：迭代權(quán)重不變時(shí)，隨著單能量數(shù)值的升高，對空間分辨率可分辨的線對數(shù)為：7、7、6、6、6、6、6、6、6、6 LP/cm；密度分辨率呈下降趨勢，在55 keV、65 keV時(shí)最高；低對比可探測能力呈下降趨勢，在55 keV、65 keV時(shí)最高。不同單能量對空間分辨率、密度分辨率、低對比可探測能力的影響差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。當(dāng)單能量keV不變時(shí)，隨著迭代權(quán)重比例的提高，對空間分辨率的影響差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）；對密度分辨率和低對比可探測能力的影響差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。結(jié)論：以5 mm的層厚做能譜CT掃描時(shí)，45 keV至65 keV較低的單能量圖像聯(lián)合20%權(quán)重迭代算法可以獲得相對較高的圖像質(zhì)量。

體層攝影術(shù)，X線計(jì)算機(jī)；能譜；空間分辨率；密度分辨率；低對比可探測能力

隨著CT能譜成像（gemstone spectral imaging，GSI）在臨床上的推廣和應(yīng)用，單能量成像、能譜曲線、物質(zhì)定量分析等的優(yōu)勢成為研究熱點(diǎn)［1-2］。自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)迭代重建算法（adaptive statisticaliterative recon，ASiR）通過建立噪聲性質(zhì)和被掃描物體的模型，利用迭代的方法對噪聲加以校正和抑制，可以在低劑量掃描的條件下得到清晰的圖像［3］。但是有研究［4］報(bào)道該算法會(huì)降低圖像的空間分辨率。本研究以Catphan 500體模模擬腹部低對比的特點(diǎn)，通過對其進(jìn)行GSI掃描，較客觀地評(píng)價(jià)單能量圖像及ASiR對空間分辨率、密度分辨率、低對比可探測能力（low contrast detestability，LCD）等圖像質(zhì)量指標(biāo)的影響。

1 資料和方法

1.1 掃描設(shè)備及參數(shù) 美國GE公司Discovery CT 750HD能譜CT機(jī)及AW4.6工作站。選用國際公認(rèn)的Catphan 500型CT質(zhì)量評(píng)價(jià)檢測體模。該體模由一個(gè)外徑為30 cm的圓筒和并排填充在圓筒內(nèi)的四個(gè)模塊構(gòu)成，可以模擬標(biāo)準(zhǔn)腹部對X線的吸收［5］。本實(shí)驗(yàn)利用其中的CTP528和CTP515模塊測量圖像的空間分辨率、密度分辨率和LCD。GSI掃描模式（單源瞬時(shí)kVp切換），管電流為375 mA，旋轉(zhuǎn)時(shí)間0.7 s，探測器寬度40 mm，掃描野50 cm，層厚5 mm，螺距0.984，CTDIvol為16.38 mGy。單能量圖像選擇Datafile重建，迭代重建算法從10% ASiR到100% ASiR以10%為間隔分別重建10組圖像。

1.2 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià) 將掃描并重建后的圖像傳至AW4.6工作站，單能量圖像選取45～135 keV以10 keV為間隔的圖像10個(gè)序列，每1序列又有從10% ASiR到100% ASiR以10%為間隔的重建圖像10組，共計(jì)100組圖像。選擇CTP528或CTP515模塊中間固定床位層面，在工作站上適當(dāng)放大，不顯示掃描參數(shù)，由3名高年資的放射科醫(yī)師對圖像進(jìn)行計(jì)算評(píng)價(jià)。

圖像的空間分辨率采用主觀方法來評(píng)估，把高對比分辨率模塊CTP528的重建圖像窗寬調(diào)至最小，調(diào)整窗位，記錄沒有斷缺和粘連的最高一級(jí)線對數(shù)。在低對比度模塊CTP515的圖像中，有呈放射狀分布的內(nèi)外2組低密度孔徑結(jié)構(gòu)。以對比度為1.0%，直徑分別為2、3、4、5、6、7、8、9、15 mm的外層孔徑作為判讀目標(biāo)，識(shí)別所能分辨的最小孔徑尺寸。LCD的主觀評(píng)價(jià)選取對比度為1.0%（即與周圍本底的密度相差10 HU）、直徑為9.0 mm的圓柱體作為觀察對象。參考胡敏霞等［6］LCD評(píng)分采用5分制，其中5分為觀察目標(biāo)的邊緣有3/4周以上清晰可見，并可測量其直徑；4分為觀察目標(biāo)的邊緣有1/2～3/4周清晰可見，并可測量其直徑；3分為觀察目標(biāo)邊緣有1/2周以上顯示不清，其直徑不可測量；2分為觀察目標(biāo)可疑顯示；1分為觀察目標(biāo)未見顯示。評(píng)價(jià)圖像密度分辨率和LCD時(shí)采用的窗寬（WW）、窗位（WL）按如下公式計(jì)算：WL=（目標(biāo)CT+背景CT）/2，WW=（目標(biāo)CT-背景CT）+5 SDmax（SDmax為背景CT值和目標(biāo)CT值中最大的標(biāo)準(zhǔn)差）。

在AW4.6工作站上進(jìn)入GSI Viewer處理能譜掃描數(shù)據(jù)，利用Optimal CNR功能在CT515模塊圖像中找出不同ASiR權(quán)重的最佳對比噪聲比圖像。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理方法 采用SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件。評(píng)分結(jié)果用±s表示，不同單能量及不同迭代重建水平對空間分辨率、密度分辨率和LCD的影響采用多因素方差分析。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。3名醫(yī)師對所得圖像評(píng)價(jià)的一致性程度采用Kappa檢驗(yàn)，Kappa＞0.60認(rèn)為一致性較好。

2 結(jié)果

2.1 空間分辨率 當(dāng)ASiR迭代權(quán)重比例不變時(shí)，不同keV單能量圖像在45 keV和55 keV時(shí)，可分辨的最小線對均為7 LP/cm，隨著keV繼續(xù)升高，空間分辨率下降為6 LP/cm，如圖1所示。不同keV單能量對空間分辨率影響差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（F= 308.978，P＜0.05）。當(dāng)單能量keV不變時(shí)，隨著迭代權(quán)重比例的提高，對空間分辨率的影響差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（F=1.867，P＞0.05）。3名評(píng)價(jià)者的Kappa值分別為0.942、0.911、0.911，一致性較好。

圖1 不同單能量對空間分辨率的影響

2.2 密度分辨率 當(dāng)ASiR迭代權(quán)重比例不變時(shí)，不同keV單能量圖像在45 keV和55 keV時(shí)，可分辨的最小尺寸目標(biāo)孔徑為3～4 mm，隨著keV繼續(xù)升高，密度分辨率逐漸下降，如圖2所示。不同keV單能量對密度分辨率影響差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（F=126.408，P＜0.05）。當(dāng)單能量keV不變時(shí)，隨著迭代權(quán)重比例的提高，密度分辨率在20% ASiR時(shí)能辨別的孔徑直徑最小，如圖3所示。不同迭代權(quán)重對密度分辨率影響差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（F=4.477，P＜0.05）。3名評(píng)價(jià)者的Kappa值分別為0.774、0.636、0.579，一致性較好。

圖2 不同單能量對密度分辨率的影響

圖3 不同迭代權(quán)重對密度分辨率均值的影響

2.3 LCD 當(dāng)ASiR迭代權(quán)重比例不變時(shí)，不同keV單能量圖像在55 keV和65 keV時(shí)，LCD評(píng)分最高，隨著keV繼續(xù)升高，LCD評(píng)分逐漸下降，如圖4所示。不同keV單能量對LCD的影響差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（F= 115.909，P＜0.05）。當(dāng)單能量keV不變時(shí)，LCD在ASiR為20%時(shí)最好，如圖5所示。ASiR對LCD的影響差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（F=8.728，P＜0.05）。3名評(píng)價(jià)者的Kappa值分別為0.823、0.747、0.773，一致性較好。

2.4 最佳對比噪聲比 CTP515模塊中軟件計(jì)算最佳CNR。當(dāng)ASiR等級(jí)從10%到100%時(shí)，該體模測量的最佳CNR落在65 keV左右，如圖6所示（圖示為ASiR為80%時(shí)測量所得）。

圖4 不同單能量對LCD的影響

圖5 不同迭代權(quán)重對LCD均值的影響

3 討論

迭代重建是目前用于降低圖像噪聲的主流圖像重建方法，在低劑量掃描的條件下可以保證較高的圖像質(zhì)量，并得到臨床診斷的認(rèn)可，此類研究，尤其在腹部方面的研究［7-8］已廣泛開展。ASiR是一種全新的基于迭代的圖像重建技術(shù)，具有從0～100%的權(quán)重系數(shù)，以10%為間隔，隨著權(quán)重的增大，權(quán)重中迭代所占的比例也會(huì)越來越大，圖像的噪聲將會(huì)不斷地減少，但重建時(shí)間也會(huì)加長［9］。現(xiàn)在應(yīng)用較多的是ASiR算法和FBP算法進(jìn)行組合重建而得到所需的圖像，組合重建中ASiR值即表示用于重建的迭代算法比例，該值越高最終形成圖像的噪聲就越低，同時(shí)由該算法導(dǎo)致的圖像“模糊”效應(yīng)也越明顯［10］，可能會(huì)導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降。能譜CT在腹部檢查［11］中應(yīng)用最為廣泛，通過80 kVp和140 kVp瞬時(shí)切換技術(shù)，可以獲得40 keV到140 keV連續(xù)的101個(gè)序列的單能量圖像。如何在GSI掃描模式下選取可供臨床診斷的較高圖像質(zhì)量的聯(lián)合迭代重建的單能量圖像具有重要的臨床意義。

圖6 CTP515模塊在ASiR為80%時(shí)的最佳CNR單能量

腹部組織器官之間的密度相近，構(gòu)成一個(gè)相對低對比環(huán)境，尤其當(dāng)腹部臟器的病灶較小、與周圍正常組織密度差不大時(shí)，對圖像的評(píng)價(jià)顯得更為重要。在一些病例中，病灶與周圍正常組織的密度差僅為數(shù)個(gè)CT值。因此，本研究以與周圍本底相差10 HU、直徑為9.0 mm的低對比物模擬腹部低對比環(huán)境，對不同單能量聯(lián)合迭代重建的圖像的LCD進(jìn)行比較。

本研究中，通過體模研究明確了單能量聯(lián)合迭代重建對空間分辨率、密度分辨率、LCD的重要的圖像質(zhì)量指標(biāo)的影響。據(jù)研究結(jié)果，不同的keV對空間分辨率、密度分辨率和LCD的影響差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，由圖1、2、4可以看出，各項(xiàng)指標(biāo)均隨著keV的升高呈下降趨勢，空間分辨率和密度分辨率在45 keV和55 keV時(shí)最高，LCD在55 keV和65 keV時(shí)最高。這與AW4.6工作站中的最佳CNR軟件分析結(jié)果（見圖6）基本一致，即較高CNR落在45 keV～70 keV之間，且在65 keV時(shí)最佳。

本研究中，不同的ASiR權(quán)重比例對空間分辨率的影響差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，如圖2所示，這與Gervaise等［12］的研究結(jié)論相符，即迭代算法對圖像的空間分辨率沒有影響。但迭代算法對密度分辨率和LCD有著較大的影響，由圖3、5可以看出，在20% ASiR時(shí)密度分辨率和LCD的評(píng)分最高，在30%到100%的ASiR比例中，雖然圖像的噪聲降低了，但圖像的“模糊”效應(yīng)也越明顯，使得觀察細(xì)小目標(biāo)的能力反而下降，圖像質(zhì)量整體有下降的趨勢。林曉珠等［13］的研究發(fā)現(xiàn)腹部CT能譜掃描時(shí)，65 keV單能量圖像的噪聲低于120 kVp常規(guī)掃描，與20%～40% ASiR圖像噪聲相當(dāng)，推薦臨床應(yīng)用。Machida等［14］研究了65 keV下ASiR等級(jí)對圖像質(zhì)量的影響，在GSI掃描時(shí)，發(fā)現(xiàn)選定的掃描協(xié)議下使用或不使用ASiR對圖像質(zhì)量的影響較常規(guī)掃描的圖像質(zhì)量沒有意義，但可以通過改變協(xié)議，在低劑量條件掃描下通過使用ASiR來提高圖像質(zhì)量使之與高劑量條件下掃描的圖像質(zhì)量相當(dāng)，這與本研究結(jié)果一致。

本研究也存在一定的局限性：首先，體模跟人體實(shí)際腹部結(jié)構(gòu)有差異，尤其是目標(biāo)的最佳CNR的單能量會(huì)因病灶的種類和特點(diǎn)而不同，使得空間分辨率、密度分辨率和LCD的評(píng)價(jià)略有偏移；其次，本實(shí)驗(yàn)中選用的GSI掃描模式為375 mA，CTDIvol為16.38 mGy，大FOV的協(xié)議，較符合患者常規(guī)掃描條件，但其他多變量的掃描協(xié)議對圖像質(zhì)量的影響與本研究結(jié)論的一致性還需要進(jìn)一步研究。

總之，腹部能譜CT以5 mm的層厚掃描時(shí)，45 keV至65 keV較低的單能量聯(lián)合20%權(quán)重迭代算法可以獲得相對較高的圖像質(zhì)量，推薦在臨床中使用。

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（本文編輯：丁敏嬌）

Infl uence of spectral CT monochromatic imaging in combination with iterative reconstruction algorithm on image quality

CHEN Xiao， CAO Guoquan， PAN Yong， LIN Xiaomin， WANG Aimin. Department of Radiology，

the First Affiliated Hospital of Wenzhou Medical University， Wenzhou， 325015

Objective: To explore the effect of spectral CT monochromatic imaging in combination with adaptive statistical iterative reconstruction （ASiR） algorithm on the spatial resolution， density resolution and low-contrast detectability （LCD） of image in energy spectrum scanning. Methods: Catphan 500 phantoms were scanned using Gemstone Spectral CT. The images were reconstructed for 10 level of single energy from 45 keV to 135 keV， and meanwhile， the ASiR was applied to each keV from 10% to 100%. The CTP528 and CTP515 Catphan phantoms were used to measure the spatial resolution and density resolution， respectively. CTP515 cylinder phantoms with contrast ratio of 1% and diameter of 9.0 mm were chosen as research subjects to analyze low-contrast detectability （LCD） of images. The image quality was compared with multiple factors analysis of variance. Results: In a certain ASiR， as for spatial resolution， the distinguishable line pair per centimeter from 45 keV to 135 keV were 7， 7， 6， 6， 6， 6， 6， 6， 6 and 6 LP/cm， respectively. The density resolution and LCD decreased with the increasing of keV， and reached peaks at 55 and 65 keV. Different single energy was statistically signifi-cant （P＜0.05） on the spatial resolution， density resolution and LCD. When keV was fixed， ASiR was statistically significant （P＜0.05） on the density resolution and LCD， while there was no statistical difference on spatial resolution （P＞0.05）. Conclusion: Low single energy （45 keV to 65 keV） combined with 20% ASiR can achieve relatively high image quality in energy spectrum scanning with 5 mm slice thickness.

tomography， X-ray computer； energy spectrum； spatial resolution； density resolution； low-contrast detectability

R814.42

A

10.3969/j.issn.2095-9400.2016.09.003

2015-11-03

浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（LY15H030016）。

陳曉（1990-），女，浙江溫州人，助理工程師。

曹國全，副主任技師，Email：122257935@qq.com。