基于模型及自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)迭代重建優(yōu)化兒童腹部低劑量CT血管造影圖像質(zhì)量

孫記航，張祺豐，李昊巖，彭 蕓

(首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京兒童醫(yī)院 國(guó)家兒童醫(yī)學(xué)中心影像中心，北京 100045)

隨著CT檢查數(shù)量不斷攀升[1]，各種降低輻射劑量掃描技術(shù)快速推廣[1-2]，“雙低”CT掃描理念主張同時(shí)降低CT輻射劑量與對(duì)比劑用量[3]。迭代重建(iterative reconstruction， IR)算法是“雙低”CT方案的重要組成部分，可降低圖像噪聲、提高對(duì)比噪聲比(contrast to noise ratio， CNR)，以使“雙低”CT方案能夠滿足圖像診斷要求[4-6]；基于模型的IR(model based IR， MBIR)可更好地降低圖像噪聲[7-8]。目前關(guān)于兒童“雙低”CT血管造影(CT angiography， CTA)的相關(guān)報(bào)道較少。另一方面，IR算法會(huì)產(chǎn)生邊緣模糊偽影，針對(duì)小血管的報(bào)道亦較少。本研究與濾過(guò)反向投影(filtered back projection， FBP)算法對(duì)比，評(píng)價(jià)MBIR及自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)IR(adaptive statistical IR， ASIR)優(yōu)化100 kV兒童腹部CTA圖像質(zhì)量的價(jià)值。

1 資料與方法

1.1 研究對(duì)象 回顧性分析2015年8月—2015年10月55例于首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京兒童醫(yī)院接受腹部增強(qiáng)CTA檢查患兒，男29例，女26例；年齡3個(gè)月～13歲，中位年齡4歲；其中17例神經(jīng)源性腫瘤，8例腎臟腫瘤，4例肝臟腫瘤，畸胎瘤、胰腺腫瘤及疑診血管炎各1例，11例為術(shù)后復(fù)查，3例外傷，7例腹痛，2例不明原因嘔血。納入標(biāo)準(zhǔn)：①年齡≤14歲；②體質(zhì)量≤35 kg。本研究經(jīng)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(倫理編號(hào)：2016-138)。檢查前患兒家屬均簽署知情同意書(shū)。

1.2 儀器與方法 采用GE Discovery HDCT 750 CT掃描儀，于患兒安靜狀態(tài)下行腹部掃描，予<5歲不能配合者口服10%水合氯醛(0.5 ml/kg體質(zhì)量)鎮(zhèn)靜。經(jīng)上肢靜脈注射碘克沙醇(270 mgI/ml)對(duì)比劑，依照1.2～1.8 ml/kg體質(zhì)量計(jì)算對(duì)比劑總量(≤5 kg：1.8 ml/kg；5 kg<體質(zhì)量≤10 kg：1.6 ml/kg；10 kg<體質(zhì)量≤15 kg：1.4 ml/kg；15 kg<體質(zhì)量≤35 kg：1.2 ml/kg)，≤3歲者注射時(shí)間17 s，>3歲注射時(shí)間21 s，于注射結(jié)束1 s后開(kāi)始CTA掃描。參數(shù)：管電壓100 kV，管電流自動(dòng)調(diào)節(jié)，根據(jù)患兒年齡設(shè)置噪聲指數(shù)(noise index， NI)，<1歲NI=11，1～2歲NI=13，3～13歲NI=15。將原始數(shù)據(jù)以0.625 mm MBIR、100%ASIR、80%ASIR、60%ASIR、40%ASIR及FBP算法重建為6組圖像。

1.3 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)

1.3.1 主觀評(píng)價(jià) 由2名分別具有12年和14年工作經(jīng)驗(yàn)的兒科影像學(xué)醫(yī)師采用雙盲法評(píng)價(jià)圖像，并參照文獻(xiàn)[5，9-10]標(biāo)準(zhǔn)綜合評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量。圖像噪聲：非常少為4分；較少、可滿足診斷要求為3分；較多、僅可確定結(jié)構(gòu)位置及大致范圍為2分；很多，無(wú)法區(qū)分組織結(jié)構(gòu)內(nèi)和/或組織間結(jié)構(gòu)為1分。顯示大動(dòng)脈(large artery， LA)及小動(dòng)脈(small artery， SA)情況評(píng)分：降主動(dòng)脈(descending aorta， DA)及其一級(jí)、二級(jí)分支為L(zhǎng)A，一級(jí)分支包括腹腔干、腸系膜上動(dòng)脈(superior mesenteric artery， SMA)、腸系膜下動(dòng)脈(inferior mesenteric artery， IMA)及腎動(dòng)脈(renal artery， RA)，二級(jí)血管為上述血管的分支，主要為肝固有動(dòng)脈(proper hepatic artery， PHA)及脾動(dòng)脈(splenic artery， SpA)，圖像質(zhì)量佳為4分，可測(cè)量直徑為3分，僅可判斷血管形態(tài)、走行為2分，無(wú)法判斷血管形態(tài)、走行為1分。以2名醫(yī)師評(píng)分的均值作為結(jié)果。

1.3.2 客觀評(píng)價(jià) 由3名具有6年以上工作經(jīng)驗(yàn)的影像科醫(yī)師測(cè)量圖像噪聲，于肝門層面共同勾畫(huà)圓形ROI，測(cè)量DA的CT值及標(biāo)準(zhǔn)差(SD)；于腹腔干、SMA、IMA及RA起始層面勾畫(huà)圓或橢圓形ROI，若起始層面血管切面過(guò)小而無(wú)法測(cè)量，則適當(dāng)調(diào)整層面后進(jìn)行測(cè)量；采用相同方法勾畫(huà)PHA及SpA的ROI，測(cè)量其CT值及SD，同時(shí)測(cè)量肝門層面背部肌肉CT值及SD，計(jì)算信噪比(signal to noise ratio， SNR)及CNR：SNR=CT值/SD，CNR=(血管CT值-肌肉CT值)/肌肉SD[10]。

1.4 輻射劑量 記錄本組容積CT劑量指數(shù)(volume CT dose index， CTDIvol)、劑量長(zhǎng)度乘積(dose-length product， DLP)、對(duì)比劑用量及碘注射量(碘注射量=注射對(duì)比劑體積×對(duì)比劑濃度)。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。以±s表示計(jì)量資料，以方差分析評(píng)價(jià)6組圖像質(zhì)量的差異。采用Kappa檢驗(yàn)評(píng)價(jià)2名醫(yī)師主觀評(píng)分的一致性，≤0.20為較差，0.200.8為好。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

本組平均CTDIvol(1.60±0.72)mGy，DLP(39.49±20.49)mGy·cm。對(duì)比劑用量(21.30±7.37)ml，碘注射量(5.75±1.99)g。

2.1 主觀評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量 各組圖像均可清晰顯示較粗大血管。相比其他5組圖像，MBIR圖像的顆粒狀噪聲偽影明顯減少，密度分辨率提高，顯示血管外結(jié)構(gòu)更為清晰(圖1)。各組圖像均可完整顯示LA形態(tài)及走行，以MBIR圖像顯示LA邊緣最光滑、顯示SA能力最佳；FBP圖像噪聲較多，顯示SA邊緣粗糙，但仍可顯示動(dòng)脈走行；4組ASIR圖像中，隨權(quán)重提高，顯示SA能力逐漸降低，100%ASIR已無(wú)法顯示SA(圖2)。2名醫(yī)師主觀評(píng)分的一致性好(Kappa=0.86，P<0.05)。圖像噪聲評(píng)分及LA評(píng)分以MBIR最佳，100%ASIR次之，F(xiàn)BP最差；SA評(píng)分以MBIR圖像最佳，F(xiàn)BP次之，100%ASIR最差，且80%ASIR及100%ASIR圖像評(píng)分已低于2分，無(wú)法完整觀察SA走行，見(jiàn)表1。

圖1 患兒男，6歲，間斷腹痛3個(gè)月 A～F.分別為以MBIR(A)、100%ASIR(B)、80%ASIR(C)、60%ASIR(D)、40%ASIR(E)及FBP(F)算法的重建腹部冠狀位CTA圖像； G～L.分別為采用MBIR(G)、100%ASIR(H)、80%ASIR(I)、60%ASIR(J)、40%ASIR(K)及FBP(L)算法重建的腹部CTA三維圖像

表1 不同重建算法CTA圖像質(zhì)量主觀評(píng)分結(jié)果(n=55，分，±s)

表1 不同重建算法CTA圖像質(zhì)量主觀評(píng)分結(jié)果(n=55，分，±s)

重建算法主觀評(píng)分圖像噪聲LASAMBIR4.00±0.004.00±0.00?3.82±0.39100%ASIR3.48±0.503.98±0.13?1.65±0.4880%ASIR2.92±0.283.75±0.441.98±0.4160%ASIR2.08±0.28?3.38±0.492.41±0.4940%ASIR2.02±0.13?3.07±0.262.75±0.44?FBP1.00±0.002.87±0.332.77±0.43?F值977.06172.21391.61P值<0.01<0.01<0.01 注:?:60%ASIR與40%ASIR圖像噪聲比較,P>0.05;MBIR與100%ASIRLA評(píng)分比較P>0.05;40%ASIR與FBPSA評(píng)分比較P>0.05

2.2 客觀評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量 不同重建算法下DA、一級(jí)及二級(jí)動(dòng)脈CT值差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)；但綜合測(cè)量全部動(dòng)脈CT值差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，以MBIR圖像CT值最高，100%ASIR圖像CT值最低。MBIR圖像中，全部動(dòng)脈及各級(jí)分支動(dòng)脈的SD值均最低，全部動(dòng)脈的SD較FBP算法降低60.01%；100%ASIR的SD次之；4組ASIR圖像中，隨權(quán)重降低，SD逐漸增高；FBP圖像SD最高。SNR及CNR以MBIR圖像最高、FBP圖像最低；MBIR算法下全部動(dòng)脈SNR較FBP增高188.54%、CNR增高361.33%。見(jiàn)表2～4。

表2 不同重建算法CTA圖像中全部動(dòng)脈及DA參數(shù)比較(n=55，±s)

表2 不同重建算法CTA圖像中全部動(dòng)脈及DA參數(shù)比較(n=55，±s)

重建算法全部動(dòng)脈CT值SDSNRCNRDACT值SDSNRCNRMBIR329.00±48.949.08±4.9649.86±31.7665.97±32.72348.11±46.306.58±2.8263.99±29.7970.62±34.16100%ASIR317.88±49.0610.92±5.5238.29±22.2336.53±20.69346.29±47.377.62±3.3955.92±26.9640.77±23.1680%ASIR320.48±48.9412.79±5.9431.99±18.3028.02±15.52347.00±46.929.52±4.5846.25±23.5631.05±17.3160%ASIR322.72±48.6715.12±6.5026.41±14.3722.83±11.69347.59±46.4312.28±5.6935.65±19.2525.14±13.0440%ASIR324.88±48.6817.85±7.1922.06±11.7918.91±9.71348.23±46.3315.29±7.0028.89±16.3620.71±10.79FBP325.04±48.6622.75±8.6217.28±9.7914.30±7.33348.25±46.4220.77±8.9521.74±13.7815.64±8.06F值2.91124.59104.48345.720.0228.4620.1347.56P值0.02<0.01<0.01<0.010.99<0.01<0.01<0.01

表3 不同重建算法CTA圖像中一級(jí)動(dòng)脈參數(shù)比較(n=55，±s)

表3 不同重建算法CTA圖像中一級(jí)動(dòng)脈參數(shù)比較(n=55，±s)

重建算法腹腔干CT值SDSNRCNRSMACT值SDSNRCNRMBIR344.56±45.118.79±3.7950.96±33.4970.14±34.90349.85±43.118.66±4.5248.72±23.3571.33±35.46100%ASIR332.43±44.4310.92±4.6638.28±22.3638.84±22.58343.32±42.3010.54±5.7540.12±17.1640.14±22.7580%ASIR335.23±44.6112.68±4.6331.10±15.8429.75±16.72343.95±42.0912.44±6.5033.71±14.5030.65±17.2160%ASIR338.41±44.4914.42±5.3227.64±13.7224.30±12.56344.71±42.4014.89±7.5328.14±12.4924.78±12.8740%ASIR340.81±45.0416.90±5.8823.33±11.2320.15±10.56345.38±42.7117.72±8.6123.61±10.9220.42±10.69FBP341.45±45.3521.35±7.2518.40±8.8815.27±8.06343.69±43.0123.00±9.8117.79±8.4315.27±7.91F值0.6122.2714.7248.290.2015.4520.3940.30P值0.65<0.01<0.01<0.010.94<0.01<0.01<0.01重建算法IMACT值SDSNRCNRRACT值SDSNRCNRMBIR295.58±50.0511.09±5.6639.89±35.4357.55±29.32317.54±51.069.95±4.4940.67±23.1763.90±34.25100%ASIR279.94±43.3912.13±6.0132.22±23.7830.74±15.28302.73±50.8012.70±5.4630.49±17.5435.12±21.7480%ASIR286.54±46.4614.63±6.6125.79±16.8923.99±11.67304.88±51.7114.52±5.3025.17±12.8926.99±16.6260%ASIR289.51±44.5417.26±7.3321.39±13.1619.69±8.95307.80±52.6716.58±5.6721.86±10.8822.06±12.7540%ASIR294.27±45.2420.10±8.1718.23±10.6016.48±7.30309.33±52.9719.17±6.1518.67±9.0618.25±10.73FBP294.83±45.3325.72±9.7013.91±7.7512.51±5.48309.87±53.0223.90±7.7014.96±7.7313.87±8.22F值1.0416.228.6854.690.6623.2016.8841.64P值0.39<0.01<0.01<0.010.62<0.01<0.01<0.01

表4 不同重建算法CTA圖像中二級(jí)動(dòng)脈CTA參數(shù)比較(n=55，±s)

表4 不同重建算法CTA圖像中二級(jí)動(dòng)脈CTA參數(shù)比較(n=55，±s)

重建算法PHACT值SDSNRCNRSpACT值SDSNRCNRMBIR319.27±41.439.77±6.3151.39±36.9862.71±28.10328.06±41.698.67±5.2953.43±32.4365.52±31.52100%ASIR308.32±40.0311.64±5.9034.65±19.3734.60±17.79312.10±38.9510.87±5.7736.33±17.5735.53±19.4580%ASIR310.86±39.9813.43±6.5431.4±20.9426.49±13.29314.92±39.9512.30±5.7430.52±13.2027.24±14.4760%ASIR313.25±40.3015.86±6.7524.84±14.3121.58±9.70317.75±41.1314.52±5.9125.33±10.7922.23±10.8540%ASIR315.53±40.7318.58±6.9820.37±10.8717.85±7.87320.64±42.2917.20±6.4021.28±9.0518.48±9.10FBP315.96±40.7522.45±8.8617.92±11.7613.53±5.97321.25±42.5222.03±7.0916.25±6.5914.03±6.97F值0.6015.6315.6061.501.2417.5025.0154.81P值0.66<0.01<0.01<0.010.29<0.01<0.01<0.01

3 討論

采用優(yōu)化掃描程序、降低管電壓、自動(dòng)調(diào)整管電流等多種手段后，CT輻射劑量已較前大幅降低，目前研究重點(diǎn)已從單純降低掃描條件進(jìn)展到改進(jìn)原始數(shù)據(jù)IR算法，以在輻射劑量盡可能低的前提下生成可接受的圖像[6]。

本研究中，MBIR圖像噪聲主觀評(píng)分明顯優(yōu)于ASIR及FBP圖像，尤其對(duì)密度差異較小的組織，MBIR圖像可清晰顯示其邊界，如膽囊壁和脾臟早期強(qiáng)化。ASIR降噪能力低于MBIR，但同樣能大幅度降低圖像噪聲，提高圖像噪聲評(píng)分，且ASIR權(quán)重越高，圖像質(zhì)量越佳。針對(duì)LA，本研究中MBIR圖像質(zhì)量最佳，管壁清晰光滑，利于做出定性及定量診斷；各種權(quán)重ASIR圖像均可滿足診斷要求，低權(quán)重ASIR圖像顯示血管壁略粗糙，但仍能滿足測(cè)量需求；FBP圖像噪聲過(guò)高，影響診斷信心，無(wú)法滿足測(cè)量二級(jí)血管的需要，僅可描述血管走行。針對(duì)SA，仍以MBIR圖像顯示能力最佳，但未達(dá)到滿分，可能因IR算法使圖像頻率譜中心左移，即向低頻方向移動(dòng)，過(guò)度平滑損失高頻信號(hào)，使圖像的空間分辨率降低，導(dǎo)致SA邊緣形成模糊偽影[11]；隨著ASIR權(quán)重提高，圖像顯示SA管徑漸趨細(xì)小、對(duì)比度下降，甚至顯示不清。由于兒童體型小于成人，血管更為纖細(xì)，模糊偽影對(duì)顯示血管的影響更為明顯。為保證重建時(shí)間，IR算法需將模型數(shù)量限制在100個(gè)左右，無(wú)法在降低圖像噪聲的同時(shí)保證圖像空間分辨率。而MBIR采用更多、更復(fù)雜的IR模型，可完美顯示小血管。

本研究的主要不足：①樣本量少，未考慮年齡及性別的影響；②部分病例的血管受病變影響，如腫瘤壓迫造成血管位置偏移或管徑發(fā)生變化。

總之，MBIR用于兒童腹部“雙低”CTA檢查可明顯提高圖像質(zhì)量，清晰顯示血管，尤其是細(xì)小動(dòng)脈。如無(wú)條件采用MBIR，可聯(lián)合觀察100%ASIR及FBP圖像對(duì)血管進(jìn)行評(píng)估。