基于迭代算法ASiR-V的CTU能譜與非能譜成像的對(duì)比研究：體模及臨床研究

孫 杰 田兆榮 沈 云 倪亞博 楊建平 石曉萌 董 磊 王志軍

CT 尿路成像（CTU）作為泌尿系統(tǒng)疾病重要的影像學(xué)評(píng)估手段，在很大程度上取代了其前身靜脈尿路造影（intravenous urography，IVU）。隨著CT 技術(shù)的優(yōu)化和完善，能譜成像受到了廣泛關(guān)注，能夠提供多參數(shù)成像和多種定量分析［1］，在泌尿系檢查中可提高陰性結(jié)石的檢出，不同種類(lèi)結(jié)石的定量分析和鑒別，為臨床治療提供依據(jù)。而與非能譜CT 相比，能譜CT 大信息量成像優(yōu)勢(shì)能否平衡其輻射劑量代價(jià)尚未得知。Revolution CT 的劑量控制新功能前置多模型迭代重建算法 （adaptive statistical iterative reconstruction-V，ASiR-V）通過(guò)預(yù)設(shè)噪聲指數(shù)保證圖像質(zhì)量，利用自動(dòng)調(diào)節(jié)管電流大小降低輻射劑量，為解決高輻射劑量的危害提供了新途徑。而有關(guān)劑量控制新功能前置ASiR-V 的研究并不多，特別是有關(guān)能譜掃描的研究更加少見(jiàn)［2-3］。因此本研究通過(guò)體模預(yù)試驗(yàn)，和CTU 成像聯(lián)合ASiR-V，對(duì)比能譜掃描與非能譜掃描在圖像質(zhì)量及輻射劑量的差異，探究能譜CTU成像應(yīng)用于臨床的價(jià)值及ASiR-V的有效性。

方 法

1.體模預(yù)試驗(yàn)

1.1 研究對(duì)象及配置

采用QSP Phantom 體模作為研究對(duì)象，體模內(nèi)放置9 支試管，分別裝有不同碘濃度溶液［碘濃度2.5、5、10 mg/mL）和20 mg/mL（3 支）］、未加碘鹽溶液、加碘鹽溶液及水，通過(guò)這4 種不同稀釋濃度液體的CT 值模擬不同期相的實(shí)質(zhì)臟器和血管的CT 值）。以300 mg/mL碘海醇作為目標(biāo)溶液，按照1∶119、1∶59、1∶29、1∶14 的碘水比例配制不同碘濃度溶液，普通加碘食鹽、無(wú)碘食鹽及純凈水配制其他溶液。碘濃度為20 mg/mL 的3 支試管置于體模中間一排，其余試管依次排列于體模周邊。

1.2 掃描參數(shù)

采用美國(guó)GE Revolution CT 掃描儀。掃描參數(shù)：探測(cè)器寬度為80 mm，螺距為0.922∶1、轉(zhuǎn)速0.6 s/r，層厚與層間距均為1.25 mm，重建方法采用標(biāo)準(zhǔn)算法的濾波反投影算法（filtered back projection，F(xiàn)BP）。能譜成像掃描模式（80/140 kV，0.5 ms）切換，重建70 keV 用于客觀評(píng)估），打開(kāi)GSI assist 并設(shè)置噪聲指數(shù)（noise index， NI）為5，自動(dòng)匹配最佳參數(shù)，記作A-1 組；非能譜掃描采用120 kV、自動(dòng)毫安技術(shù)（NI=5），記作A-2 組；固定毫安為365 mA，能譜掃描記作B-1 組，非能譜掃描（120 kV）記作B-2 組。詳見(jiàn)圖1。

圖1 QSP phantom體模

2.臨床研究及研究對(duì)象

收集寧夏醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院因泌尿系疾病行泌尿系CTU 檢查的患者，本項(xiàng)研究經(jīng)過(guò)本院倫理委員會(huì)的認(rèn)可，檢查前患者均簽署知情同意書(shū)。排除標(biāo)準(zhǔn)：①對(duì)碘造影劑使用有禁忌證；②孕婦；③心肺功能不全而無(wú)法耐受CT 檢查；④患者檢查依從性差等。最終入選45 例，男15 例，女30 例，年齡范圍26～69 歲，平 均 年 齡（54±11） 歲， 體 重 指 數(shù)（BMI） 為（22.92±23.57）kg/m2。

同一批患者使用Revolution CT 進(jìn)行檢查。對(duì)照組：平掃使用常規(guī)螺旋掃描（非能譜掃描）。掃描參數(shù)：探測(cè)器寬度為80 mm，螺距為0.922∶1，轉(zhuǎn)速0.6 s/r，管電壓120 kV，采用自動(dòng)毫安技術(shù)，層厚與層間距均為1.25 mm，NI為11。圖像重建算法均為標(biāo)準(zhǔn)算法，采用前置ASiR-V40%（并重建與前置一致的后置40%ASiR-V）。實(shí)驗(yàn)組：三期增強(qiáng)均采用GSI成像模式（單源瞬時(shí)80 kV/140 kV 切換掃描，重建70 keV，打開(kāi)GSI assist，NI 設(shè)定為11，自動(dòng)選擇相應(yīng)的GSI mode 掃描，動(dòng)脈期、靜脈期及延遲期的前置ASiR-V 分別預(yù)設(shè)為30%、40%、50%，其他掃描參數(shù)同平掃。患者取仰臥位，掃描范圍膈頂部至恥骨聯(lián)合，對(duì)比劑碘海醇（300 mg/mL）約80～100 mL，流率3.0～3.5 mL/s，獲得平掃圖像后，注射對(duì)比劑30、60、90 s 后采集增強(qiáng)圖像。同時(shí)使用不同權(quán)重的前置ASiR-V 控制能譜檢查的輻射劑量。本研究中檢查結(jié)束后，重建與前置一致的后置ASiR-V 以保證圖像質(zhì)量。將各組圖像原始數(shù)據(jù)傳至GE ADW4.7 后處理工作站。

3.圖像分析和輻射劑量評(píng)估

3.1 圖像質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)

體模圖像：選取試管中間11 層進(jìn)行感興趣區(qū)（ROI）勾畫(huà)（面積為試管截面1/2）、CT 值及標(biāo)準(zhǔn)差（SD）測(cè)量。選取2.5 mg/mL、5 mg/mL、10 mg/mL、20 mg/mL 試管作為目標(biāo)試管，測(cè)量ROI的平均CT 值及SD。臨床圖像：在肝臟第一肝門(mén)水平、脾門(mén)水平、右腎門(mén)水平（右腎存在疾病時(shí)測(cè)量左腎門(mén)水平）、腹主動(dòng)脈（腎動(dòng)脈水平）對(duì)應(yīng)的同層前壁下脂肪勾畫(huà)ROI（面積40～60 mm2，采用Compare 聯(lián)動(dòng)方式確保ROI 位于所有圖像同一層面，大小一致），測(cè)量ROI的平均CT 值及SD，以前壁下脂肪的SD 值作為圖像噪聲值。ROI應(yīng)放置在脂肪密度較均勻的位置。

3.2 圖像質(zhì)量主觀評(píng)分

采用雙盲法由2 名經(jīng)驗(yàn)豐富的放射科醫(yī)師對(duì)臨床4 組圖像進(jìn)行主觀評(píng)分（窗寬、窗位分別為400 HU、40 HU）。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)采用5 分制：5 分，解剖細(xì)節(jié)顯示清楚，圖像分辨率高，銳利度好，無(wú)明顯噪聲和偽影；4 分，解剖細(xì)節(jié)顯示較清晰，分辨率及銳利度下降，噪聲和偽影增多；3 分，解剖細(xì)節(jié)欠清晰，分辨率尚可，噪聲和偽影較明顯但可接受；2 分，解剖細(xì)節(jié)辨識(shí)困難，分辨率及銳利度明顯下降，噪聲和偽影很明顯；1 分，解剖細(xì)節(jié)無(wú)法辨識(shí)，噪聲和偽影極明顯。3分以上者可滿(mǎn)足診斷要求。

3.3 輻射劑量評(píng)估

記錄每次能譜CT 掃描的容積CT 劑量指數(shù)（volume CT dose index，CTDIvol）和劑量長(zhǎng)度乘積（dose lenght product，DLP）。有 效 劑 量（effective dose，ED）計(jì)算：ED（mSv）=DLP（mGy/cm）×k，其中k 為換算因子，采用歐洲CT 質(zhì)量標(biāo)椎提出的腹部平均值［k=0.015 mSv/（mGy·cm）］。

4.統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS21.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。正態(tài)分布的定量資料用±s表示，采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)比較非能譜與能譜掃描輻射劑量及客觀指標(biāo)（SD）；2 位醫(yī)師對(duì)圖像質(zhì)量的主觀質(zhì)量評(píng)分為非正態(tài)分布計(jì)量資料，用M（Q1，Q3）表示，比較采用Wilcoxon 秩和檢驗(yàn)。兩位觀察者間的一致性采用Kappa 檢驗(yàn)：Kappa 值≥0.75 一致性良好，0.75＞Kappa 值≥0.4 一致性一般，Kappa值＜0.4一致性差，P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

1.預(yù)試驗(yàn)的體模研究

自動(dòng)毫安（NI=5）條件下，10 mg/mL、2.5 mg/mL 及水試管在A-1 組圖像的SD 值與A-2 組無(wú)顯著差異（P＞0.05），20 mg/mL、5 mg/mL 試管在A-1 組圖像的SD 值稍高于A-2 組，提示能譜的圖像質(zhì)量與非能譜圖像質(zhì)量相當(dāng)；A-1組、A-2組的CTDIvol、DLP及ED：能譜A-1 組分別為12.25 mGy、196.87 mGy·cm、2.95 mSv；非能譜組A-2 組分別為11.97 mGy、187.49 mGy·cm、 2.81 mSv， A-1 組 較A-2 組 的CTDIvol升高了2.3%。詳見(jiàn)表1、圖2。

固定毫安=365 mA 條件下，各目標(biāo)試管在能譜B-1 組圖像中的SD 值稍高于非能譜B-2 組圖像（P＞0.05）；B-1 組、B-2 組的CTDIvol、DLP 及ED：B-1組 分 別 為10.1 mGy、162.36 mGy·cm、2.43 mSv；B-2 組 分 別 為13.77 mGy、221.90 mGy·cm、3.32 mSv），能譜B-1 組較非能譜B-2 組的CTDIvol 降低了36.3%。詳見(jiàn)表1、圖2。

表1 體模圖像質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)（SD值）

2.臨床研究

2.1 NI=11、ASiR-V 權(quán)重均為40%時(shí)能譜與非能譜成像比較

在第一肝門(mén)水平、脾門(mén)水平、右腎門(mén)水平及腹主動(dòng)脈（雙腎動(dòng)脈水平），能譜與非能譜的SD 值無(wú)顯著差異（P＞0.05），且圖像主觀評(píng)分均大于4 分，能譜的主觀評(píng)分略高于非能譜（P＞0.05），提示能譜與非能譜圖像質(zhì)量相當(dāng)。能譜掃描的CTDIvol 為（7.35±0.75） mGy，較非能譜的（6.93±0.92） mGy只升高了6.06%（P＞0.05），提示能譜與非能譜輻射劑量相當(dāng)。詳見(jiàn)表2、表3 和圖3。

表2 不同測(cè)量水平能譜掃描及非能譜掃描的客觀指標(biāo)評(píng)價(jià)

表3 不同測(cè)量水平能譜掃描及非能譜掃描的輻射劑量對(duì)比

表4 能譜與非能譜成像圖像解剖細(xì)節(jié)、噪聲整體主觀評(píng)分

圖2 預(yù)試驗(yàn)的體模研究影像

2.2 NI=11，不同權(quán)重ASiR-V的能譜與非能譜比較

30%、50%ASiR-V 能譜圖像與40%非能譜圖像的SD 值兩兩比較無(wú)顯著差異（P＞0.05），3 組圖像主觀評(píng)分大于4 分，均可滿(mǎn)足影像診斷要求；權(quán)重30%、 50% 能 譜 掃 描 的CTDIvol 為（8.97±0.99）mGy、（5.91±0.57） mGy，與 權(quán) 重40% 非 能 譜 的（6.93±0.92）mGy 相比，30%ASiR-V 的能譜圖像的CTDIvol 升高了29.4%，50%ASiR-V 的CTDIvol 降低了17.3%（P＜0.05），提示能譜掃描可聯(lián)合ASiR-V 使能譜技術(shù)在臨床應(yīng)用中的效益最大化：即更低輻射劑量，豐富的圖像信息。詳見(jiàn)表2、3和圖3。

2.3 能譜成像技術(shù)聯(lián)合不同權(quán)重前置ASiR-V 的有效性評(píng)價(jià)

前置ASiR-V30%、40%、50%的能譜圖像SD 值無(wú)顯著差異，3 組能譜圖像的主觀評(píng)分均≥4 分（P＞0.05），其中2 名醫(yī)師一致認(rèn)為40%能譜圖像質(zhì)量評(píng)分相對(duì)較高；隨著能譜前置ASiR-V迭代強(qiáng)度的增加，輻射劑量逐漸降低，相比較低權(quán)重ASiR-V30%，權(quán)重40%、50%的CTDIvol 依次降低22.0%、51.7%。表明前置ASiR-V 迭代強(qiáng)度在保證圖量的同時(shí)，降低輻射劑量。詳見(jiàn)表4。

圖3 臨床研究影像

討 論

腹部是能譜CT 應(yīng)用最廣泛的部位［4-5］，相比傳統(tǒng)CT 掃描，能譜具有多參數(shù)定量分析的優(yōu)勢(shì)，在腫瘤定性、定位、分期、分級(jí)及治療效果評(píng)價(jià)具有廣闊的臨床應(yīng)用前景［6］。但能譜成像多參數(shù)成像的優(yōu)勢(shì)能否平衡其劑量代價(jià)？早期的研究成果中寶石能譜CT檢查輻射劑量比非能譜高，Li 等［7］研究表明獲得相同圖像質(zhì)量的同時(shí)，顱腦能譜檢查的輻射劑量比常規(guī)掃描高22%，體部檢查中高14%，朱鳳婷等［8］研究發(fā)現(xiàn)胸部增強(qiáng)靜脈期能譜圖像的噪聲小于非能譜平掃，但輻射劑量較非能譜平掃高33.9%，輻射劑量高是限制能譜成像在各部位應(yīng)用的因素之一。在首次研究［9］中GSI assist 掃描模式的輻射劑量與常規(guī)120 kV相當(dāng)。GSI assist 是能譜成像參數(shù)自動(dòng)選擇的新輔助技術(shù)，根據(jù)設(shè)定的噪聲指數(shù)，依據(jù)受檢者的體型及掃描部位的組織特性自動(dòng)選擇最優(yōu)的能譜參數(shù)，保證圖像質(zhì)量（NI）的前提下自動(dòng)選擇輻射劑量最低的參數(shù)進(jìn)行掃描。本研究旨在：①在同一NI 時(shí)，能譜與非能譜圖像質(zhì)量及輻射劑量的對(duì)比分析；②前置ASiR-V 對(duì)能譜與非能譜成像的圖像質(zhì)量及輻射劑量的影響的評(píng)估。

1.能譜成像與非能譜成像的對(duì)比研究

本研究中體模預(yù)試驗(yàn)初步結(jié)果顯示：NI=5，能譜掃描圖像質(zhì)量與非能譜圖像相差不大，兩者劑量相當(dāng)，能譜掃描的CTDIvol 較非能譜升高了2.3%。非能譜成像的自動(dòng)毫安技術(shù)根據(jù)患者體型變化來(lái)調(diào)節(jié)每層的曝光量（mA），使每層圖像噪聲水平保持在預(yù)設(shè)值，從而獲取預(yù)期的圖像，降低輻射劑量［10］。而能譜成像為單源瞬時(shí)kV 切換，管電壓不可調(diào)節(jié)，雖然GSI assist 可依據(jù)NI 和受檢者體型等匹配最佳能譜掃描參數(shù)（mA），但與非能譜的自動(dòng)管電流技術(shù)不同，無(wú)法依據(jù)受檢者體型在不同層面改變電流，意味著在掃描過(guò)程中無(wú)法改變電流，同時(shí)所選毫安范圍不如非能譜寬泛，故存在劑量差異。臨床研究中，NI=11，能譜成像的圖像質(zhì)量與非能譜成像相當(dāng)，能譜成像的檢查輻射劑量?jī)H較非能譜高6.06%（P＞0.05），與體模預(yù)試驗(yàn)結(jié)果吻合。在寶石CT 中能譜掃描的劑量高于非能譜［7-8］，而本研究中Revolution CT 中能譜與非能譜的輻射劑量相當(dāng)。雖然林曉珠等［11］的研究中采用寶石CT（Discovery CT750HD）手動(dòng)能譜參數(shù)選擇掃描與常規(guī)120 kV 掃描的輻射劑量相當(dāng)。但因操作復(fù)雜，限制了其推廣應(yīng)用。此外在固定毫安的條件下，能譜掃描的輻射劑量明顯低于常規(guī)120 kV 的非能譜，雖然噪聲也稍高于非能譜，體模預(yù)試驗(yàn)在固定毫安掃描結(jié)果顯示，在頭頸部CT 檢查具有重要指導(dǎo)意義。

有 研 究［12］通 過(guò) 能 譜 成 像 配 合 后 置ASiR-V、ASiR 優(yōu)化圖像質(zhì)量，得到了更好對(duì)比度的能譜圖像。以上研究說(shuō)明Revolution CT 能譜掃描可獲得良好的圖像及進(jìn)行定量分析，但將能譜掃描常規(guī)應(yīng)用于臨床，應(yīng)該使用更低劑量的掃描方法，尤其對(duì)于泌尿系檢查范圍長(zhǎng)、期相多，且在諸多報(bào)道都表明CT 檢查電離輻射與癌癥發(fā)生相關(guān)［13-14］。

2.能譜成像技術(shù)聯(lián)合ASiR-V的有效性

ASiR-V 是納入了噪聲、物理、物體三種模型的多模型迭代重建算法，其中Revolution CT 的劑量控制新功能前置ASiR-V 通過(guò)掃描前預(yù)設(shè)噪聲指數(shù)保證圖像質(zhì)量，利用自動(dòng)調(diào)節(jié)管電流大小降低輻射劑量，為解決高輻射劑量的危害提供了新途徑［15］。

在上述體模及臨床研究中能譜掃描圖像的質(zhì)量?jī)?yōu)于非能譜圖像，為保證圖像質(zhì)量獲得更低輻射劑量，本研究將能譜掃描與ASiR-V 聯(lián)合，調(diào)節(jié)能譜掃描的ASiR-V 權(quán)重，觀察能譜掃描聯(lián)用ASiR-V 是否可以獲得低劑量的能譜圖像。30%、50%ASiR-V 能譜成像與40%ASiR-V 非能譜對(duì)比分析，較高的迭代水平的權(quán)重，50%ASiR-V 的能譜掃描輻射劑量降低了17.3%，圖像的噪聲未增大，提示能譜掃描聯(lián)用ASiR-V 可以平衡能譜成像的高輻射劑量影響。緊接著本研究對(duì)不同權(quán)重ASiR-V 的能譜圖像進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)檢查輻射劑量會(huì)隨著ASiR-V 迭代強(qiáng)度的增加而逐漸降低，相比權(quán)重30%ASiR-V 的能譜，權(quán)重40%、50%的ED依次降低22.0%、51.7%，但3組圖像的SD值未發(fā)生改變，且均能滿(mǎn)足影像診斷要求。能譜成像技術(shù)與ASiR-V 技術(shù)結(jié)合使用，為提高CT 能譜成像的圖像質(zhì)量和降低輻射劑量提供方法。

在既往研究［3-4］中，多應(yīng)用非能譜CT 成像聯(lián)合前置ASiR-V 減低輻射劑量。本研究將能譜成像與前置ASiR-V 聯(lián)合降低檢查輻射劑量，相比非能譜低劑量下獲取的單一圖像評(píng)價(jià)指標(biāo)CT 值，能譜成像可以獲得更多定量參數(shù)，為臨床提供更多幫助。

本研究的優(yōu)勢(shì)：本研究采用體模實(shí)驗(yàn)作為預(yù)試驗(yàn)，其優(yōu)勢(shì)在于可定量，可重復(fù)掃描及多方位觀察。本臨床研究的不足有二：一是為了在同一病人的一次掃描中進(jìn)行對(duì)比研究，但又不能對(duì)患者進(jìn)行重復(fù)檢查，所以本研究中能譜掃描與非能譜掃描為不同時(shí)相，因此評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量時(shí)受限，僅對(duì)SD值進(jìn)行評(píng)價(jià)；二是因受臨床研究的限制，未設(shè)置更多ASiR-V 迭代水平進(jìn)行對(duì)比研究。今后計(jì)劃對(duì)不同權(quán)重的前置ASiR-V利用不同組的患者進(jìn)行臨床研究。

綜上所述，相同掃描條件下，能譜成像可替代非能譜成像應(yīng)用于臨床，通過(guò)聯(lián)合前置ASiR-V，可獲得更低劑量的能譜圖像，使能譜成像在臨床中應(yīng)用的效益最大化，具有良好的應(yīng)用前景。