全模型迭代重建技術(shù)在腦部CT圖像中的應(yīng)用研究

付永春，江 濱，陳紅燕，陳緒珠

（1.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院放射科，北京 100070；2.北京市神經(jīng)外科研究所神經(jīng)流行病學(xué)室，北京 100070）

0 引言

CT是臨床上常用的影像學(xué)檢查手段，對諸多疾病均具有較高的診斷價值[1-2]。目前，我國腦梗死的發(fā)病率居全球第一，已成為健康的第一殺手，該病具有高發(fā)病率、高致殘率、高復(fù)發(fā)率和高致死率的特點(diǎn)，而急性腦梗死的診斷主要依靠腦部CT檢查[3]。隨著CT檢查頻率持續(xù)增加，隨之帶來的是患者輻射劑量的增加和致癌風(fēng)險的提高，這些與健康密切相關(guān)的問題越來越受到公眾的普遍關(guān)注[4]。因此，如何優(yōu)化CT檢查的掃描方案，在不影響圖像質(zhì)量的前提下，盡量降低患者的輻射劑量已成為當(dāng)前學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注的問題。

全模型迭代重建（iterative model reconstruction，IMR）技術(shù)可顯著降低圖像噪聲，提高圖像的低對比分辨力，尤其在細(xì)小病灶的檢出方面具有顯著優(yōu)勢[3]。與混合迭代重建iDose4技術(shù)及傳統(tǒng)濾波反投影（filtered back projection，F(xiàn)BP）技術(shù)相比，IMR技術(shù)在降低圖像噪聲、提高圖像質(zhì)量等方面效果顯著[4-5]。IMR-1（level 1）、IMR-2（level 2）和IMR-3（level 3）3種IMR方式的圖像質(zhì)量在理論上均明顯優(yōu)于低劑量和標(biāo)準(zhǔn)劑量的FBP和iDose4。近幾年也有相關(guān)報道[5]，但對于腦部CT圖像質(zhì)量的研究較少，探討IMR密度分辨力以及針對診斷任務(wù)評判圖像質(zhì)量已成為當(dāng)前臨床研究的熱點(diǎn)。本研究旨在探究不同級別IMR技術(shù)對腦部CT圖像質(zhì)量和噪聲的影響，找到在同等攝影條件下能夠取得腦部掃描最佳圖像質(zhì)量的迭代重建級別，為臨床提供高質(zhì)量的圖像。

1 資料與方法

1.1 一般資料

回顧性分析2020年1—4月在首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院就診的接受腦部CT平掃的36例患者的臨床資料，其中男17例、女19例，年齡21～90歲，平均年齡（48.39±21.16）歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：臨床表現(xiàn)為頭暈、頭痛、暈厥等的患者。排除標(biāo)準(zhǔn)：CT診斷為顱內(nèi)腫瘤、腦出血、腦萎縮及其他原因?qū)е履X組織結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形的患者；顱內(nèi)有金屬植入物者；如運(yùn)動等其他原因造成的CT圖像有嚴(yán)重偽影的患者。

1.2 儀器與方法

采用Philips Brilliance 256 iCT螺旋CT掃描儀。掃描參數(shù)：管電壓120kV，管電流310mAs，層厚5 mm，矩陣512×512，掃描野根據(jù)患者頭型進(jìn)行具體選擇。掃描結(jié)束后分別進(jìn)行FBP（重建濾過器：Standard）、iDose4和IMR-1（level 1）、IMR-2（level 2）、IMR-3（level 3）薄層重建，重建層厚和層間距均為1 mm，窗寬均為100 HU，窗位均為35 HU。

1.3 圖像質(zhì)量評價

1.3.1 客觀評價

在上述5組重建圖像上的腦灰質(zhì)和腦白質(zhì)較好的區(qū)域放置形狀和大小一致的3處感興趣區(qū)（region of interest，ROI），測量其CT值及標(biāo)準(zhǔn)差（SD值），每個ROI測量3次，以SD值為圖像噪聲，取其平均值為最后結(jié)果，并分別計算各圖像的信噪比（signal-tonoise ratio，SNR）和對比噪聲比（contrast-to-noise ratio，CNR）。

1.3.2 主觀評價

由2位具有10 a以上神經(jīng)系統(tǒng)影像診斷經(jīng)驗的主治醫(yī)師采用盲法對圖像進(jìn)行分析，并進(jìn)行主觀評價。評定標(biāo)準(zhǔn)：（1）1分，好：腦灰、白質(zhì)顯示好且界限分明，灰質(zhì)核團(tuán)與周圍組織結(jié)構(gòu)對比度好，圖像噪聲微小，圖像質(zhì)量佳。（2）2分，較好：腦灰、白質(zhì)顯示較好且界限較清晰分明，灰質(zhì)核團(tuán)與周圍組織結(jié)構(gòu)對比度一般，圖像噪聲較小，圖像質(zhì)量較好。（3）3分，差：腦灰、白質(zhì)顯示欠清且界限不清，灰質(zhì)核團(tuán)與周圍組織結(jié)構(gòu)對比度欠佳，圖像噪聲較大，圖像質(zhì)量一般，但不影響診斷。（4）4分，無法診斷：腦灰、白質(zhì)界限無法分辨，灰質(zhì)核團(tuán)與周圍組織結(jié)構(gòu)對比度差，圖像噪聲大，圖像質(zhì)量差，無法診斷。取2位醫(yī)師評分的均值進(jìn)行分析。

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法

采用IBM SPSS Statistics 21.0統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。符合正態(tài)分布的計量資料采用表示。以FBP重建圖像為參考標(biāo)準(zhǔn)，采用單因素方差分析比較各重建圖像的客觀評價及主觀評分的差異，兩兩比較采用LSD-t（方差齊）或Dunnett’s T3（方差不齊）方法。以Kappa檢驗分析2名醫(yī)師評估圖像質(zhì)量主觀評分的一致性：Kappa值≤0.40為一致性較差，0.40＜Kappa值≤0.75為一致性中等，Kappa值＞0.75為一致性較好。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 圖像質(zhì)量客觀評價

各重建組ROI的CT值及SD值顯示正態(tài)分布特征，方差不齊（P＜0.05）。其中單因素方差分析顯示各重建組測量點(diǎn)CT值差異無統(tǒng)計學(xué)意義（F=1.01，P=0.41），對SD值進(jìn)行Dunnett’s T3兩兩比較，結(jié)果顯示IMR-1、IMR-2和IMR-3組間差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義（P均<0.05），并且隨著降噪級別的改變，SD值呈逐漸降低趨勢。同時，SNR也呈現(xiàn)正態(tài)分布，方差不齊（P均＜0.05）。其中，單因素方差分析顯示各組測量點(diǎn)SNR差異無統(tǒng)計學(xué)意義（F=0.99，P=0.42）。Dunnett’s T3兩兩比較iDose4與IMR之間差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P均<0.05），且與降噪級別成正比關(guān)系。5組重建圖像SD值差異有統(tǒng)計學(xué)意義（F=237.13，P＜0.01），CT值及SNR差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P均＞0.05），見表1。IMR圖像質(zhì)量評分總體優(yōu)于FBP和iDose4，可以顯著降低圖像噪聲和提高SNR，從而提高圖像質(zhì)量。IMR組各層級小組（IMR-1、IMR-2和IMR-3）間測量 結(jié)果：（1）3組中IMR-1的腦灰、白質(zhì)的SD值最小，SNR和CNR最高。3組SD值差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（F=98.75，P<0.05）。兩兩比較，IMR-1與IMR-2間差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（Z=5.61，P<0.05），IMR-1與IMR-3間差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（Z=8.34，P<0.05），IMR-2與IMR-3間差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（Z=13.82，P<0.05）。（2）用SNR評價圖像質(zhì)量，結(jié)果顯示IMR-1的SNR最大，IMR-3的SNR最小。3個層級組間比較，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（F=13.58，P<0.05）。再進(jìn)一步兩兩比較，IMR-1與IMR-2比較（Z=5.86，P<0.05），IMR-1與IMR-3比較（Z=8.22，P<0.05），IMR-2與IMR-3比較（Z=13.079，P<0.05），差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義。（3）3組間的CNR比較顯示，IMR-1與IMR-2比較（Z=8.26，P<0.05），IMR-1與IMR-3比較（Z=8.12，P<0.05），IMR-2與IMR-3比較（Z=13.77，P<0.05），差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義。綜合比較顯示，IMR-1重建圖像效果最佳。詳見表2。

表1 各重建組CT值、SD值和SNR比較結(jié)果

表1 各重建組CT值、SD值和SNR比較結(jié)果

組別 CT值/HU SD值 SNR FBP 31.45±2.31 4.91±1.13 6.62±1.01 iDose4 31.20±2.21 3.03±0.89 41.45±1.32 IMR-1 39.17±1.61 1.86±0.38 42.25±173.63 IMR-2 31.43±46.80 2.46±0.47 17.53±174.66 IMR-3 32.89±1.60 3.71±0.35 22.59±3.42 F 1.01 237.13 0.99 P 0.41 <0.01 0.42

表2 IMR組各層級組間的圖像質(zhì)量比較結(jié)果

表2 IMR組各層級組間的圖像質(zhì)量比較結(jié)果

組別 腦灰質(zhì)SD值 腦白質(zhì)SD值 腦灰質(zhì)SNR腦白質(zhì)SNR CNR IMR-1 1.21±0.32 1.05±0.26 21.42±4.03 19.57±3.18 9.74±2.05 IMR-2 1.81±0.28 1.69±0.27 15.86±3.87 15.63±2.12 6.90±1.14 IMR-3 2.56±0.38 2.56±0.24 11.43±1.57 11.51±1.36 2.68±0.42

2.2 圖像質(zhì)量主觀評價

2名醫(yī)師對FBP、iDose4、IMR-1、IMR-2、IMR-3 5組重建圖像質(zhì)量的主觀評價一致性中等至較好（Kappa值分別為0.611、0.916、0.889、0.679、0.512，P均＜0.001）。5組重建圖像質(zhì)量主觀評分差異有統(tǒng)計學(xué)意義（F=289.68，P＜0.01），見表3。與常規(guī)FBP和iDose4重建圖像相比，IMR-1圖像質(zhì)量更佳，如圖1所示。通過主觀評分顯示，經(jīng)過IMR重建的圖像質(zhì)量優(yōu)于FBP和iDose4。通過各組數(shù)據(jù)兩兩主、客觀比較顯示：IMR與FBP、iDose4相比，可顯著降低腦組織的圖像噪聲，提高圖像質(zhì)量，以IMR-1效果最佳。

3 討論

隨著計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，迭代重建技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于臨床，尤其在頭頸部成像方面效果顯著[6-7]。IMR可顯著降低腦灰、白質(zhì)和腦組織的圖像噪聲，提高圖像質(zhì)量[8-9]?？筛鶕?jù)患者的個體差異及所患疾病的特點(diǎn)，采用適合于個體的最優(yōu)化組合參數(shù)，兼顧患者的防護(hù)準(zhǔn)則，重建出更加符合臨床疾病診斷需求的圖像。傳統(tǒng)的重建技術(shù)FBP重建速度雖然快，但是計算誤差也相對較大，很大程度上阻礙了輻射劑量的降低。因其未考慮系統(tǒng)統(tǒng)計噪聲模型，F(xiàn)BP技術(shù)具有一定的局限性，難以去除各種低光子形成的偽影，如條帶狀偽影或偏心性偽影等。iDose4技術(shù)是在FBP技術(shù)掃描的基礎(chǔ)上，在投影數(shù)據(jù)空間和圖像數(shù)據(jù)空間進(jìn)行迭代重建的數(shù)據(jù)處理方法[10-11]，其降低噪聲的作用優(yōu)于FBP技術(shù)[12]。綜合統(tǒng)計顯示，IMR噪聲模型的數(shù)學(xué)算法更復(fù)雜且更準(zhǔn)確[13-14]。在頭頸部CT檢查中，IMR技術(shù)的絕對噪聲水平較FBP技術(shù)及iDose4更低。Niesten等[15]發(fā)現(xiàn)IMR技術(shù)在降低頭頸部圖像的噪聲、輻射方面均優(yōu)于FBP技術(shù)和iDose4重建，與本文結(jié)果一致。CT圖像層厚與噪聲呈負(fù)相關(guān)，即層厚越薄圖像越能顯示更多病灶細(xì)節(jié)，層厚較厚圖像易遺漏病灶。相對而言，薄層圖像噪聲會降低其圖像質(zhì)量，掩蓋病灶。而顯微CT的IMR技術(shù)擺脫了薄層圖像與圖像噪聲的線性關(guān)系，有效降低了薄層圖像噪聲對圖像質(zhì)量的影響。IMR技術(shù)為腦部CT提供了獨(dú)特的優(yōu)勢，與FBP技術(shù)相比，IMR圖像的噪聲能降低到56%，實(shí)現(xiàn)最大的降噪百分比[16]。IMR技術(shù)在降低噪聲和減少偽影的同時提高了低對比度組織的檢出率[17-18]。同時，IMR技術(shù)能顯著提升圖像的空間、密度及軟組織分辨力，降低輻射劑量，提高重建速度[19-20]。IMR技術(shù)在提升圖像質(zhì)量的同時節(jié)省了時間成本和人力成本。

表3 各重建組圖像質(zhì)量主觀評分對比分析結(jié)果

圖1 5組重建圖像

IMR技術(shù)根據(jù)降噪閾值及優(yōu)化算法不同，設(shè)置3個級別（IMR-1、IMR-2與IMR-3）。級別越高，噪聲降低越明顯，圖像SNR和CNR越高。本研究結(jié)果顯示：在相同的掃描條件下，IMR-1及IMR-2圖像噪聲均低于iDose4和FBP重建圖像。在不改變掃描設(shè)置的條件下，IMR技術(shù)使得原始數(shù)據(jù)隨著重建算法、重建層厚和重建級別的變化，能提供給閱片醫(yī)師診斷時更豐富的影像參數(shù)對比，從而提高鑒別診斷的能力，減少漏診率。

本研究表明，在3組IMR算法的比較中，隨著IMR不同級別間的切換，圖像的SD值呈現(xiàn)逐漸增加、SNR逐漸降低的趨勢，圖像質(zhì)量的主觀評分也呈一致性提高，與文獻(xiàn)[21-22]的研究結(jié)果一致。IMR-2和IMR-3組雖然圖像噪聲與iDose4和FBP重建圖像相近，但是圖像顯示有失真，存在“蠟樣”偽影，與樊榮榮等[23]的研究結(jié)果一致。IMR技術(shù)通過有效降低圖像噪聲和增加低密度組織的對比度，能清晰顯示病變內(nèi)不同強(qiáng)化程度的組織結(jié)構(gòu)，為臨床提供更多的診斷信息。通過主、客觀數(shù)據(jù)分析，在所有的主觀評估特征中，IMR技術(shù)均優(yōu)于FBP和iDose4?？陀^評價結(jié)果顯示，IMR-1、IMR-2的圖像噪聲顯著低于iDose4，IMR、iDose4及FBP所重建圖像的空間分辨力幾乎相同。5組兩兩相比較IMR-1（level 1）顯示最佳，可顯著降低腦組織的圖像噪聲，提高圖像質(zhì)量；病灶的檢出率更高，同時薄層圖像也可以很好地應(yīng)用于日常臨床診斷。但本研究也存在一些不足：樣本量較小，沒有對輻射劑量的影響進(jìn)行對照研究。

總之，IMR技術(shù)能夠在不改變掃描設(shè)置的情況下，大幅降低圖像噪聲，提高SNR和CNR，其中IMR-1級別的重建圖像效果最佳。根據(jù)臨床診斷需要將IMR-l同圖像層厚進(jìn)行相應(yīng)匹配設(shè)置，應(yīng)用在臨床診斷中，可以得到質(zhì)量更好的腦部CT掃描重建圖像，同時拓展了臨床醫(yī)師的診斷思路，并提高了對微小病灶的檢出率，值得推廣。