基于模型的迭代重建中降噪設(shè)置對減小CT血管成像輻射劑量的實(shí)驗(yàn)研究

賈永軍 于 楠 楊創(chuàng)勃 張喜榮 段海峰 于 勇 賀太平

基于模型的迭代重建中降噪設(shè)置對減小CT血管成像輻射劑量的實(shí)驗(yàn)研究

賈永軍 于 楠 楊創(chuàng)勃 張喜榮 段海峰 于 勇 賀太平

目的通過模型實(shí)驗(yàn)探討基于模型的迭代重建(MBIRn)中降噪設(shè)置在降低CT血管造影(CTA)輻射劑量中的應(yīng)用價(jià)值。資料與方法使用能譜CT在固定管電壓120kVp，10、50、150、600mA不同管電流條件下，掃描靜止?fàn)顟B(tài)容納8支試管的血管模型。試管內(nèi)分別填滿純凈水、1、2、5、10、20、30mgI/ml溶液和30 mgCa/ml溶液。原始掃描數(shù)據(jù)分別使用標(biāo)準(zhǔn)算法FBP、ASIR40(40％ASIR與FBP混合)、MBIRc和MBIRn中優(yōu)化空間分辨率設(shè)置MBIRRP20、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置MBIRStnd、降噪設(shè)置MBIRNR406種算法重建層厚0.625mm的圖像后進(jìn)行對比分析。選取3個(gè)固定層面在試管中心及周圍酯性基質(zhì)放置感興趣區(qū)，并測量CT值與標(biāo)準(zhǔn)差(SD)，以代表噪聲。計(jì)算并比較降噪設(shè)置MBIRNR40與其他重建算法圖像各溶液噪聲和對比噪聲比(CNR)的平均值。結(jié)果在不同管電流條件下，與FBP相比，ASIR40、 MBIRc、MBIRRP20、MBIRStnd和MBIRNR40均不同程度減少噪聲和提高CNR；MBIRNR40平均噪聲最低(降低78.33％)，CNR最大(升高241.74％)，優(yōu)于其他重建算法圖像(P＜0.05)；且輻射劑量越低，其優(yōu)勢越明顯。10mA條件下MBIRNR40重建圖像噪聲與600mA條件下FBP和ASIR40相近，其余管電壓條件下CNR明顯大于FBP和ASIR40。結(jié)論MBIRc、MBIRn和ASIR重建算法有助于提高CTA圖像質(zhì)量，降低輻射劑量。MBIRn降噪設(shè)置MBIRNR40噪聲最低，CNR最大，且輻射劑量越小，其優(yōu)勢越明顯。

體層攝影術(shù)，X線計(jì)算機(jī)；血管造影術(shù)；圖像處理，計(jì)算機(jī)輔助；算法；迭代重建技術(shù)；輻射劑量

CT血管造影(CTA)具有成像時(shí)間短、適應(yīng)證廣、高質(zhì)量、多平面、三維成像等優(yōu)點(diǎn)，臨床應(yīng)用前景良好；但其較高的輻射劑量也越來越受到關(guān)注[1]。美國2005年因CT 檢查輻射所致癌癥比例為1.5％～2.0％，X線輻射成為限制CTA進(jìn)一步廣泛應(yīng)用的障礙[2]。近年來，迭代重建技術(shù)(iterative reconstruction，IR)相關(guān)基礎(chǔ)及臨床應(yīng)用研究成為熱點(diǎn)[3-5]。與傳統(tǒng)的濾波反投影技術(shù)( fi ltered back projection，F(xiàn)BP)相比，其可有效降低圖像噪聲，提高圖像的信噪比(SNR)和對比噪聲比(CNR)，彌補(bǔ)由降低輻射劑量造成的噪聲增加和圖像質(zhì)量下降，具有間接降低有效輻射劑量的能力[6]。目前常用的IR算法均為混合迭代重建，降低輻射劑量能力有限?；谀Ｐ偷牡亟?model-based iterative reconstruction，MBIR)僅在投影數(shù)據(jù)空間實(shí)現(xiàn)全迭代重建，能夠進(jìn)一步明顯降低影像噪聲和提高空間分辨力[4]。本研究通過對比MBIRn、常規(guī)基于模型的迭代重建(conventional model-based iterative reconstruction，MBIRc)、自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)迭代重建(adaptive statistical iterative reconstruction，ASIR)和濾波反投影重建( fi ltered back projection reconstruction，F(xiàn)BP)多種算法在體模實(shí)驗(yàn)中對不同管電流下CTA圖像質(zhì)量的影響，探討MBIRn降噪設(shè)置在CTA成像時(shí)降低輻射劑量的應(yīng)用價(jià)值。

1 資料與方法

1.1 體模 血管模型使用日本東京女子醫(yī)科大學(xué)東醫(yī)療中心提供的Quantitative Standard Pulsating Phantom QSP-1(日本Fuyo聯(lián)合北京醫(yī)院、香港養(yǎng)和醫(yī)院共同開發(fā)制造，圖1)：直徑200mm圓形酯性基質(zhì)內(nèi)環(huán)形排布8支長100mm、直徑25mm塑料試管，試管內(nèi)分別填滿純凈水以及1、2、5、10、20、30mgI/ml溶液以及30 mgCa/ml溶液。酯性基質(zhì)中央放置1支30mgI/ml溶液，用以產(chǎn)生硬化偽影干擾。

1.2 掃描及重建方法 使用日本東京女子醫(yī)科大學(xué)東醫(yī)療中心寶石能譜CT(Discovery CT750HD)，掃描范圍覆蓋為體模酯性基質(zhì)。掃描條件：電壓 120kVp，X線管旋轉(zhuǎn)時(shí)間1s/轉(zhuǎn)，螺距 1.375∶1，準(zhǔn)直器寬度為0.625×64，管電流分別設(shè)定為10、50、150和600mA，采集原始數(shù)據(jù)。分別使用標(biāo)準(zhǔn)算法FBP、ASIR40(40％ASIR與FBP混合)、MBIRc和MBIRn中升高空間分辨率設(shè)置MBIRRP20、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置MBIRStnd、降噪設(shè)置MBIRNR406種算法重建層厚0.625mm的圖像后進(jìn)行對比分析。

1.3 數(shù)據(jù)測量分析 選取3個(gè)固定層面在試管中心及周圍酯性基質(zhì)放置76.6mm2感興趣區(qū)(ROI)，測量其CT值與標(biāo)準(zhǔn)差值(SD，SD代表噪聲)。比較各重建算法圖像各支試管內(nèi)溶液噪聲和以酯性基質(zhì)為背景的對比噪聲比CNR，CNR=(CT值a-CT值b)/SDb。以目前廣泛應(yīng)用的FBP為基礎(chǔ)，計(jì)算每種重建算法噪聲及CNR的變化情況。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 使用 SPSS 17.0 軟件。采用單因素方差分析比較不同重建算法在各管電流、溶液平均噪聲、CNR和不同重建算法在不同管電流成像條件下平均噪聲、CNR，組間兩兩比較采用LSD檢驗(yàn)。P＜0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 不同重建算法在各管電流、溶液平均噪聲和CNR比較 與FBP相比，ASIR40平均噪聲下降22.34％，CNR升高30.47％；MBIRc噪聲下降67.12％，CNR升高97.83％；MBIRRP20平均噪聲下降48％，CNR升高23.81％；MBIRStnd噪聲下降66.16％，CNR升高94.43％；MBIRNR40噪聲下降78.33％，CNR升高241.74％。其中MBIRNR40平均噪聲最低，CNR最大，優(yōu)于其他重建算法圖像，且差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.05)。見表1、圖2。

2.2 不同重建算法在各管電流條件下平均噪聲和CNR比較 MBIRNR40在不同溶液各管電流條件下平均噪聲最低，CNR最大，且管電流越低，改善圖像質(zhì)量越明顯，見表2、圖2。10mA和50mA條件下MBIRNR40重建圖像CNR與600mA條件下FBP和ASIR40相近，即在相同圖像質(zhì)量下量明顯減少輻射劑(減少98％和92％)；150mA和600mA條件下MBIRNR40重建圖像CNR明顯大于FBP和ASIR40，即相同輻射條件下可明顯提高圖像質(zhì)量，且輻射劑量越低，其優(yōu)勢越明顯。

圖1 體模CT 掃描圖像。A～C分別為50mA條件下軸位圖像，其中A為ASIR40圖像，B為MBIRc圖像，C為MBIRNR40圖像；D～F分別為600mA條件下軸位圖像，其中D為ASIR40圖像，E為MBIRc圖像，F(xiàn)為MBIRNR40圖像；選取相同層面相同位置放置ROI分別測量背景及各溶液的 CT 值及標(biāo)準(zhǔn)差；50mA條件下MBIRNR40圖像較600mA條件下ASIR40圖像的CNR稍大，主觀評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量相近，且優(yōu)于50mA條件下ASIR40和MBIRc圖像

表1 不同重建算法在各管電流、各溶液平均噪聲和CNR比較(±s)

表1 不同重建算法在各管電流、各溶液平均噪聲和CNR比較(±s)

注：與MBIRNR40比較，*P＜0.05；FBP：濾過反投影技術(shù)；ASIR：自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)迭代重建；MBIRc：常規(guī)基于模型的迭代重建；MBIRn：基于模型的迭代重建

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表2 不同重建算法在不同成像條件下平均噪聲和CNR比較(±s)

表2 不同重建算法在不同成像條件下平均噪聲和CNR比較(±s)

注：與MBIRNR40比較，*P＜0.05；FBP：濾過反投影技術(shù)；ASIR：自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)迭代重建；MBIRc：常規(guī)基于模型的迭代重建；MBIRn：基于模型的迭代重建

10mA 50mA 150mA 600mA噪聲 CNR 噪聲 CNR 噪聲 CNR 噪聲 CNR FBP 81.85±9.11* 5.72±4.22* 35.63±3.25* 15.20±11.31* 22.65±3.69* 23.14±17.24*12.80±4.95* 44.29±32.99*ASIR40 62.69±8.21* 7.37±5.46* 27.78±3.08* 19.81±14.73* 17.91±3.95* 29.69±22.14*10.43±5.33* 58.43±43.53*MBIRc 16.34±4.86* 26.95±19.78* 13.4±3.92* 26.95±19.78* 11.39±4.77* 46.18±34.25* 9.08±6.24 66.03±49.18 MBIRRP20 28.66±5.20* 16.52±12.14* 20.98±2.91* 21.57±16.14* 17.25±3.84* 27.78±20.63*12.28±5.66* 43.54±32.49*MBIRStnd 16.94±4.93* 27.70±20.33* 13.94±3.61* 35.06±27.08* 11.70±4.78* 45.08±33.50* 9.24±6.26 63.98±47.72 MBIRNR40 9.56±4.68 55.16±40.54 9.13±4.20 63.24±46.96 7.90±5.34 80.61±59.85 6.60±2.34 102.97±76.71 F值 167.647 6.016 64.863 3.740 11.882 3.016 1.068 1.548 P值 0.000 0.000 0.000 0.007 0.000 0.021 0.392 0.196重建算法

圖2 不同重建算法在各管電流成像條件下平均噪聲和SNR、CNR比較。A.不同重建算法圖像在不同管電流條件下各溶液平均噪聲；B.不同管電流條件下各溶液平均CNR；MBIRNR40在各濃度溶液中噪聲最低，SNR、CNR最大，且輻射劑量越低，改善圖像質(zhì)量越明顯

3 討論

目前，CTA的臨床價(jià)值主要體現(xiàn)在心血管自身及其他病變累及血管的影像診斷。多排螺旋CT的時(shí)間分辨率及空間分辨率使無創(chuàng)性CTA趨于成熟及完善，已成為診斷和評(píng)估動(dòng)靜脈疾病有效的影像學(xué)檢查手段[7-8]。然而，由于實(shí)際工作中常使用大范圍、小螺距CTA掃描方案，導(dǎo)致患者過量電離輻射暴露進(jìn)而導(dǎo)致患癌風(fēng)險(xiǎn)增加，限制了CTA的進(jìn)一步廣泛應(yīng)用[9]。傳統(tǒng)對噪聲敏感的FBP在降低管電流、管電壓掃描條件與滿足圖像質(zhì)量之間難以協(xié)調(diào)，單純優(yōu)化掃描參數(shù)(管電流、管電壓等)可降低輻射劑量，但會(huì)影響圖像質(zhì)量[10-11]。

ASIR重建將FBP數(shù)據(jù)和ASIR數(shù)據(jù)按不同比例加權(quán)融合，達(dá)到不同程度的降噪效果，其主要問題是圖像視覺上稍異于閱片者傳統(tǒng)習(xí)慣，特別是較大迭代比重時(shí)產(chǎn)生蠟狀偽影，故一般推薦在ASIR40或ASIR60[12]。本研究選用ASIR40，其噪聲下降22.34％，SNR和CNR分別升高28.07％和30.51％，提示相對于FBP，ASIR可提高CTA圖像質(zhì)量，但改善能力有限。MBIR僅在投影數(shù)據(jù)空間實(shí)現(xiàn)全迭代重建，除建立系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)模型外，還建立了系統(tǒng)光學(xué)模型，對體素、X射線光子初始位置和探測器幾何因素均通過模型進(jìn)行模擬，真實(shí)地還原了X射線從投射到信號(hào)采集的全過程，能夠進(jìn)一步明顯降低影像噪聲和提高空間分辨力[13]。Annoni等[14]認(rèn)為MBIRc可在減少90％有效輻射劑量的前提下，不損失左心房和和肺靜脈圖像質(zhì)量。事實(shí)上，作為早期版本的MBIRc僅可提供standard/0.625mm層厚的MBIR(MBIRStnd)，且存在像素化斑點(diǎn)狀外觀的現(xiàn)象。Padole等[15]認(rèn)為MBIRc不能最優(yōu)地顯示小葉裂隙、外周血管和亞段支氣管壁等微細(xì)肺解剖結(jié)構(gòu)。目前最新版本MBIRn(商品名VEO3.0)可提供重建0.625、1.25、2.5、3.75、5.0mm在內(nèi)的5種層厚和更多權(quán)衡密度分辨率和空間分辨率的重建設(shè)置。其中包括與MBIRc相同物理特性的standard(MBIRStnd)設(shè)置、resolution preference 設(shè)置(比較MBIRStnd增加空間分辨率20％和5％但相應(yīng)密度分辨率降低的MBIRRP20/MBIRRP05)、noise reduction 設(shè)置(比較 MBIRStnd減少40％和5％但相應(yīng)空間分辨率降低的MBIRNR40/MBIRNR05)，合理選擇后可進(jìn)一步改善低輻射劑量條件下的圖像質(zhì)量[16]。本研究選用升高空間分辨率設(shè)置MBIRRP20、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置MBIRStnd、降噪設(shè)置MBIRNR40。MBIRn近期在歐美及日本推出，目前尚未在國內(nèi)設(shè)備上配備相關(guān)軟件。本體模實(shí)驗(yàn)提示MBIRc可明顯降低不同濃度對比劑噪聲和提高CNR，其與MBIRStnd效果相當(dāng)，其原因?yàn)镸BIRc本質(zhì)上也為0.625mm標(biāo)準(zhǔn)算法重建，僅增加了特征增強(qiáng)功能使采集空間內(nèi)噪聲分布更均勻。本實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步提示MBIRNR40在各濃度溶液中噪聲最低，SNR、CNR最大，且輻射劑量越低，改善圖像質(zhì)量越明顯，驗(yàn)證了該設(shè)置在降噪中的價(jià)值。在150mA和600mA條件下，MBIRNR40圖像CNR明顯大于ASIR40和MBIRc，即相同輻射條件下可更明顯提高圖像質(zhì)量。在10mA和50mA條件下，MBIRNR40重建圖像CNR與600mA條件下ASIR40相近，即在相同圖像質(zhì)量下可明顯減少輻射劑量。

本研究具有以下局限性：①M(fèi)BIR軟件為GE新開發(fā)迭代重建軟件，缺乏通用性，其重建時(shí)間長，遠(yuǎn)慢于實(shí)時(shí)顯示圖像的FBP和ASIR[17-18]，但相信隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，此不足近期將得到解決。②MBIRn共有25種重建組合方式，其在層厚、噪聲、空間分辨率中互有取舍。本單中心研究由于僅選用了0.625mm中的MBIRRP20、MBIRStnd和MBIRNR40，且僅關(guān)注CTA成像的噪聲和CNR，未對空間分辨力進(jìn)行比較。今后將在可以觀察空間分辨率的體模或在體臨床研究中分析比較。

總之，MBIRc、MBIRn和ASIR重建算法有助于提高CTA圖像質(zhì)量，降低輻射劑量。MBIRn降噪設(shè)置MBIRNR40噪聲最低，CNR最大，且輻射劑量越小，其優(yōu)勢越明顯。

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Noise Reduction Settings Among Model-based Iterative Reconstruction on Decreasing Radiation Dose in CT Angiography:An Experimental Study

JIA Yongjun
YU Nan
YANG Chuangbo
ZHANG Xirong
DUAN Haifeng
YU Yong
HE Taiping

PurposeTo explore the application of noise reduction settings among modelbased iterative reconstruction (MBIRn) on decreasing radiation dose in CTA through experimental study.Materials and MethodsSpectral CT was used to scan vessel model which could accommodate 8 tubes under static condition under 120kVp fi xed tube voltage at 10mA,50mA,150mA and 600mA.The tubes were fi lled with puri fi ed water,1,2,5,10,20 and 30mgI/ml solutions and 30 mgCa/ml solution.Algorithms of FBP (standard),ASIR40 (combined by 40％ ASIR and FBP),MBIRc and MBIRn with optimized spatial resolution setting as MBIRRP20,MBIRStnd(standard setting),and MBIRNR40(noise reduction setting) were adopted for original scanning data to reconstruct images of 0.625mm slice thickness for contrastive analysis.Three fi xed layers were chosen and regions of interest were placed on central tube and surrounding ester matrix,and CT value and standard variation (SD) were measured to represent noise.Noise reduction setting MBIRNR40and solution noise of other reconstruction algorithm images were calculated and compared and average value of contrast noise ratio (CNR) was compared.ResultsCompared to FBP under different tube currents,ASIR40,MBIRc,MBIRRP20,MBIRStndand MBIRNR40reduce noise and increase CNR at different levels.Average noise of MBIRNR40was the lowest(reduced by 78.33％) and CNR the highest (increased by 241.74％),making it superior to other reconstruction algorithm images (P＜0.05).Meanwhile,the lower the radiation dose was,the more obvious its advantage was.Reconstruction image noise of MBIRNR40at 10mA was close to that of FBP and ASIR40 at 600mA.CNR was obvious greater than that of FBP and ASIR40 at other tube voltage.ConclusionReconstruction algorithms of MBIRc,MBIRn and ASIR can help enhance CTA image quality and reduce radiation dose.Noise reduction setting MBIRNR40from MBIRn has the lowest noise and greatest CNR.The lower the radiation dose is,the more obvious its advantage is.

Tomography,X-ray computed; Angiography; Image processing,computerassisted; Algorithms; Iterative reconstruction; Radiation dosage

陜西中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科 陜西咸陽 712000

10.3969/j.issn.1005-5185.2017.11.020

賀太平

Department of Radiology,Af fi liated Hospital of Shaanxi Chinese Medicine University,Xianyang 712000,China

Address Correspondence to:HE Taiping

E-mail: htpkeyan@163.com

R445.3；R818

2017-05-08

2017-08-10

中國醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志2017年 第25卷 第11期：872-875，880

Chinese Journal of Medical Imaging 2017 Volume 25 (11):872-875,880

(本文編輯 聞 浩)