迭代重建算法在80kV低劑量?jī)和怪鵆T的應(yīng)用

孫記航， 于彤， 劉勇， 李昊巖， 王東潛， 郭東， 曹雋， 彭蕓

迭代重建技術(shù)(iterative reconstruction，IR)可以通過(guò)對(duì)CT原始數(shù)據(jù)的迭代計(jì)算，降低圖像噪聲，從而提高圖像的成像質(zhì)量[1-4]，應(yīng)用這一技術(shù)，可以使用較低的放射劑量來(lái)獲得滿(mǎn)足臨床應(yīng)用的CT圖像，從而減少X線(xiàn)對(duì)患者的損傷，結(jié)合低kV技術(shù)進(jìn)行掃描，可以同時(shí)獲得低kV技術(shù)帶來(lái)的高對(duì)比度[5,6]，IR的低噪聲，從而得到高對(duì)比度、低噪聲的圖像。這一掃描方案已經(jīng)廣泛應(yīng)用于自然對(duì)比度高的骨骼組織與利用對(duì)比劑提高對(duì)比度的CTA檢查[7]，但是對(duì)于兒童方面的應(yīng)用報(bào)道較少。本研究選取了一組需要短期復(fù)查椎體病情的患兒，采用自身對(duì)照研究，探討常用的自適應(yīng)迭代重建算法(adaptive statistical iterative reconstruction，ASIR)以及更為先進(jìn)的基于模型的迭代重建算法(model-based iterative reconstruction，MBIR)應(yīng)用于80kV低劑量脊柱CT的可行性，以達(dá)到減少患兒受到的放射損傷的目的。

表1 主觀(guān)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

材料與方法

1.一般資料

本研究得到醫(yī)院倫理委員會(huì)的允許，所有患兒檢查前家長(zhǎng)均簽署了知情同意書(shū)。搜集本院2012年12月-2017年2月接受兩次脊柱CT掃描的檢查，所有患兒復(fù)查時(shí)的CT掃描作為觀(guān)察組，治療前的脊柱CT作為對(duì)照組，納入標(biāo)準(zhǔn)：①6～12歲的學(xué)齡兒童；②因病情需要6個(gè)月內(nèi)兩次行脊柱CT檢查的病例；③經(jīng)臨床醫(yī)生確認(rèn)患兒病情無(wú)惡化，僅為常規(guī)復(fù)查觀(guān)察病變范圍有無(wú)好轉(zhuǎn)。排除標(biāo)準(zhǔn)：患兒病情變化明顯，需要觀(guān)察病變有無(wú)進(jìn)展。

2.儀器與方法

全部檢查使用GE Discovery 750 CT寶石探測(cè)器(GE Healthcare，美國(guó))，觀(guān)察組管電壓80 kV，固定管電流50 mA，轉(zhuǎn)速0.4 轉(zhuǎn)/秒，螺距1.375，將所得圖像分別重建為0.625 mm的MBIR、ASIR、FBP圖像；對(duì)照組采用管電壓120 kV，余掃描條件同觀(guān)察組，將所得圖像重建為0.625 mm的FBP圖像。

3.圖像評(píng)價(jià)

將所圖像傳至AW4.5(GE Healthcare，美國(guó))工作站，由2名分別具有8年和10年兒童工作經(jīng)驗(yàn)的影像醫(yī)師進(jìn)行圖像的質(zhì)量評(píng)價(jià)，2名醫(yī)師可根據(jù)個(gè)人習(xí)慣自由調(diào)整圖像窗寬窗位，以及應(yīng)用三維重建、多平面重組等技術(shù)進(jìn)行觀(guān)察，對(duì)圖像做出主觀(guān)評(píng)價(jià)及客觀(guān)評(píng)價(jià)。

主觀(guān)評(píng)價(jià)：主觀(guān)評(píng)價(jià)主要對(duì)所有圖像進(jìn)行圖像噪聲評(píng)分、椎體結(jié)構(gòu)評(píng)分，評(píng)價(jià)圖像整體的噪聲水平以及椎體結(jié)構(gòu)的顯示情況(表1)。所有評(píng)分4分最好，3分可以做出定性、定量診斷，2分僅可以做出椎體形態(tài)觀(guān)察，無(wú)法觀(guān)察骨質(zhì)結(jié)構(gòu)，1分無(wú)法用于診斷。

客觀(guān)評(píng)價(jià)：于L1椎體中央設(shè)置30～100 mm2(為同層面降主動(dòng)脈截面面積的1/2)的類(lèi)圓形感興趣區(qū)(region of interest，ROI)行椎體骨組織的CT值及標(biāo)準(zhǔn)差測(cè)定，測(cè)量時(shí)選取椎體中央密度均勻的骨組織，避開(kāi)椎體靜脈叢，如該椎體存在病變，則向下順序選取椎體測(cè)量。同時(shí)測(cè)量同層面同面積的背部肌肉的CT值及標(biāo)準(zhǔn)差，標(biāo)準(zhǔn)差平均值代表各組織的客觀(guān)噪聲(圖1)。計(jì)算椎體骨組織的信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)和對(duì)比噪聲比(contrast to noise ratio，CNR)，具體計(jì)算公式為SNR=CT值椎體/噪聲值椎體，CNR=(CT值椎體-CT值肌肉)/噪聲值肌肉。

圖1 客觀(guān)噪聲測(cè)量示意圖。a) 80kV低劑量掃描得到的MBIR圖像以及感興趣區(qū)選取方法；b) 80kV低劑量掃描得到的50% ASIR圖像；c) 80kV低劑量掃描得到的FBP圖像；d) 120kV常規(guī)劑量圖像。該層面為L(zhǎng)1椎體層面，患兒腹主動(dòng)脈橫截面積約80.16mm2，設(shè)置感興趣區(qū)面積約38mm2。a、d可以清楚觀(guān)察椎體結(jié)構(gòu)，骨皮質(zhì)、髓質(zhì)分界清晰(箭)。b、c椎體結(jié)構(gòu)觀(guān)察不滿(mǎn)意，與周?chē)浗M織分界清晰。圖b椎體邊緣清晰，圖c椎體邊緣略顯模糊。

評(píng)價(jià)內(nèi)容觀(guān)察組FBPASIRMBIR照組FBP統(tǒng)計(jì)值F值P值主觀(guān)評(píng)分 圖像噪聲1.21±0.412.94±0.244.00±0.00*3.97±0.17*67.36<0.001 椎體結(jié)構(gòu)2.18±0.392.65±0.603.44±0.504.00±0.00453.33<0.001客觀(guān)評(píng)分 椎體CT值201.04±10.80200.43±10.71198.38±9.09186.60±18.0811.85<0.05 椎體噪聲值107.68±15.0174.79±11.8135.38±5.3044.46±2.87384.71<0.001 肌肉CT值61.67±9.61*61.82±9.61*59.36±5.10*60.16±4.400.890.45 肌肉噪聲值74.68±7.1150.89±4.2417.35±2.7028.49±3.251074.79<0.001 SNR1.90±0.282.74±0.415.75±1.054.19±0.43269.74<0.001 CNR1.89±0.332.74±0.388.14±0.914.46±0.86610.11<0.001

注：*使用Dunnett-t檢驗(yàn)評(píng)價(jià)觀(guān)察組圖像與對(duì)照組圖像間以P<0.05水平不存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，余組間均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

4.輻射劑量

記錄所有檢查的容積CT劑量指數(shù)(CT dose index of volume，CTDIvol)與劑量長(zhǎng)度乘積(dose length product，DLP)，該指數(shù)與乘積是由設(shè)備自動(dòng)計(jì)算獲得。

5.統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

結(jié) 果

共有32例患兒入組，男27例，女5例，年齡6～12歲，平均(9.36±2.25)歲，兩次檢查時(shí)間間隔2～6個(gè)月，平均(4.51±1.30)月。主觀(guān)評(píng)分結(jié)果顯示圖像噪聲觀(guān)察組的MBIR圖像與對(duì)照組FBP圖像無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，可以滿(mǎn)足診斷要求(表2)。椎體結(jié)構(gòu)方面觀(guān)察組的MBIR圖像與對(duì)照組FBP圖像均達(dá)到診斷要求，觀(guān)察組ASIR、FBP圖像只可以對(duì)骨性結(jié)構(gòu)邊緣做出評(píng)價(jià)，不能用于診斷(圖2)；主觀(guān)評(píng)分兩位醫(yī)師的一致性較好，Kappa=0.72(P<0.05)；客觀(guān)評(píng)分MBIR圖像最好，與對(duì)照組相比，椎體噪聲降低20.40%，肌肉噪聲降低39.10%，SNR升高37.23%，CNR升高82.51%。均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P<0.05)；放射劑量方面，觀(guān)察組CTDIvol為0.77±0.02較對(duì)照組的2.23±0.01降低了65.47%。觀(guān)察組DLP為51.28±11.67，較對(duì)照組的145.52±30.41降低了64.76%。

圖2 a) 80kV低劑量掃描得到的MBIR圖像以及感興趣區(qū)選取方法； b) 80kV低劑量掃描得到的50% ASIR圖像； c) 80kV低劑量掃描得到的FBP圖像； d) 120kV常規(guī)劑量圖像。圖像噪聲a，d最少，b，c噪聲較多影響診斷；骨質(zhì)結(jié)構(gòu)d最好，a可見(jiàn)骨小梁模糊，但可以滿(mǎn)足診斷要求，能判斷骨破壞情況；b，c骨質(zhì)邊緣模糊，僅可以判斷椎體邊緣及脊柱走形，不能準(zhǔn)確判斷椎體骨質(zhì)情況，對(duì)骨破壞范圍判斷影響不大，但其內(nèi)骨質(zhì)情況觀(guān)察受影響。

討 論

脊柱側(cè)彎、朗格罕氏組織細(xì)胞增生癥等均為兒科常見(jiàn)疾病，需要全脊柱掃描觀(guān)察脊柱椎體形態(tài)、走形以及骨質(zhì)情況，掃描范圍廣，而且覆蓋了對(duì)射線(xiàn)敏感的甲狀腺、乳腺、卵巢等，且無(wú)法遮蓋防護(hù)，低劑量掃描是唯一行之有效的保護(hù)措施，因此，尋找合理的低劑量?jī)和怪鵆T掃描方案意義重大[8]。

IR重建算法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于CT圖像后處理，可以在降低掃描放射劑量的同時(shí)，獲得滿(mǎn)足診斷的圖像。先進(jìn)的MBIR重建算法可以使降低噪聲的效果更為顯著[9,10]，已經(jīng)有應(yīng)用于兒童CT檢查的報(bào)道[11,12]，但是應(yīng)用MBIR進(jìn)行脊柱CT重建的經(jīng)驗(yàn)尚不充分，我們嘗試應(yīng)用80 kV、低放射劑量的掃描方案保證椎體的對(duì)比度，結(jié)合MBIR算法來(lái)降低噪聲，觀(guān)察這種組合是否可以應(yīng)用于兒童。

因?yàn)楸敬卧囼?yàn)屬于前瞻性研究，為了更好的消除體型、病情等混雜因素，我們選擇了需要短期內(nèi)行2次檢查的病例，重點(diǎn)觀(guān)察不同kV對(duì)圖像質(zhì)量的影響。為了不影響臨床診斷工作，選擇病例時(shí)排除了臨床癥狀加重的患兒，以避免由于圖像質(zhì)量不佳而影響診斷。由于本院所接診的脊柱患兒多存在椎體畸形、脊柱側(cè)彎或金屬植入物，所以?huà)呙璺桨赋Ｒ?guī)使用固定管電流，避免了在自動(dòng)管電流調(diào)節(jié)模式下由于體位、彎曲的椎體、金屬植入物等造成的不必要管電流升高。觀(guān)察組電流設(shè)定方案根據(jù)Holmquist等[13]成果在保證放射劑量相等的情況下，80 kV所需要的管電流120 kV時(shí)的3倍左右，所以本研究在保證管電流不變的基礎(chǔ)上降低管電壓至80 kV，等同于將觀(guān)察組放射劑量降低了約66.7%，同時(shí)根據(jù)之前的研究，使用MBIR算法可以使圖像噪聲降低55.2%[11]，因此，我們制定了此掃描方案平衡掃描劑量與圖像噪聲。

本研究發(fā)現(xiàn)主觀(guān)評(píng)分方面，總體圖像質(zhì)量評(píng)分觀(guān)察組的MBIR圖像與對(duì)照組圖像噪聲均很小，能很好的滿(mǎn)足診斷要求，椎體結(jié)構(gòu)評(píng)分觀(guān)察組的MBIR圖像與對(duì)照組也均可以滿(mǎn)足診斷，但是MBIR圖像顯示椎體骨小梁結(jié)構(gòu)模糊，評(píng)分較對(duì)照組降低明顯；觀(guān)察組的ASIR、FBP圖像均不能滿(mǎn)足診斷要求，但是，由于椎體結(jié)構(gòu)與周?chē)浗M織密度差異明顯，所以ASIR圖像可以觀(guān)察椎體的形態(tài)、邊緣，但不能用于診斷骨質(zhì)結(jié)構(gòu)的異常?？陀^(guān)噪聲方面，觀(guān)察組由于使用了低電壓，所以高密度椎體結(jié)構(gòu)的CT值較對(duì)照組增高，但是低密度的肌肉組織增高不明顯，噪聲方面，觀(guān)察組的FBP、ASIR圖像較對(duì)照組明顯增高，但是MBIR圖像的噪聲還要低于觀(guān)察組圖像20.40%～39.10%，由于使用了低kV，觀(guān)察組的MBIR圖像SNR及CNR較對(duì)照組明顯增高37.23%和82.51%，利于顯示椎體骨性結(jié)構(gòu)以及與軟組織相鄰的邊緣。放射劑量方面，CTDIvol觀(guān)察組降低了65.47%，DLP降低64.76%，與預(yù)估的數(shù)值接近。理論上DLP=CTDIvol×掃描范圍，但兩次檢查時(shí)設(shè)定的掃描范圍多少會(huì)有所差異，所以造成CTDIvol與DLP的降低程度不完全匹配。

本次研究存在一些不足之處，需要在今后的研究中改進(jìn)：由于入組條件要求比較嚴(yán)格，所以本研究搜集的病例數(shù)量較少，而且僅僅以6～12歲這一年齡段作為評(píng)價(jià)對(duì)象，對(duì)于小嬰幼兒及青春期兒童沒(méi)有做出評(píng)價(jià)；同時(shí)，受到病例數(shù)量的限制，沒(méi)有根據(jù)患兒年齡、體型進(jìn)行放射劑量的細(xì)微分組調(diào)整；最后，由于本次研究降低放射劑量幅度較大，雖然MBIR可以在CTDIvol=0.77 mGy水平應(yīng)用于臨床，但是常規(guī)的ASIR重建，僅能顯示椎體的外形與脊柱的走形，不能用于骨質(zhì)結(jié)構(gòu)診斷，臨床應(yīng)用受到限制，需要進(jìn)一步調(diào)整掃描方案來(lái)應(yīng)用常規(guī)IR算法。

總之，兒童脊柱CT應(yīng)用80 kV，0.77 mGy 的CT掃描，結(jié)合先進(jìn)的MBIR可在大幅降低放射劑量的同時(shí)，得到滿(mǎn)足診斷的圖像；在此掃描條件下，結(jié)合常規(guī)的IR算法，可以觀(guān)察椎體的外形與脊柱的走形，但尚不能用于骨質(zhì)結(jié)構(gòu)的診斷。