双能CT改进的虚拟单能成像重建算法的门静脉图像质量评估

胡 斌 陈静静 徐文坚 徐 琦 李晓飞

(青岛大学附属医院放射科，山东青岛 266003)

多排螺旋CT门静脉成像在临床上应用广泛，但门静脉CT成像由于是静脉血管成像，血管内对比剂浓度会经过体循环而降低，因此检查时所需对比剂用量相对较多。如今，使用对比剂造成的肾毒性及外漏风险也日益受到医学界的关注[1]，因此如何在保证图像质量的前提下，使用尽量少的对比剂进行成像，是目前临床关注的热点[2-3]。双能CT(dual-energy CT，DECT)同时采集两组高低不同kVp值的X射线投影数据，可回顾性重建不同keV水平的单能量(monoenergetic，Mono)图像，传统的低keV 单能量图像虽然提高了碘等物质的对比度，增加不同组织结构之间的对比，但却明显增加了图像噪声，从而限制了低keV 单能量图像(如40、50 keV)在临床中的应用[4-5]。新虚拟单能量(monoenergetic plus，Mono+)成像技术将高造影剂信号的低能级的图像和低噪声中间能级的图像融合，得到较高对比度和较低噪声的新单能量图像[6-9]。腹部双能CT门静脉成像和Mono+算法联合可显著提高血管成像效果，使门静脉与周围软组织的对比噪声比(contrast to noise ratio，CNR)提高，从而获得高质量的CT门静脉图像。本研究通过比较双能腹部增强门静脉期单能Mono+重建图像(40～100 kev)与标准线性融合的M_0.5图像质量，确定选择最优的keV。

1 对象与方法

1.1 研究对象

收集2017年11月至2018年3月在青岛大学附属医院完成上腹部增强扫描的60例研究对象，其中男33例，女27例，年龄22 ～ 75岁，平均年龄(50.1±10.2)岁。60例研究对象中正常健康人25例，肝囊肿患者16例，血管瘤患者8例，脂肪肝患者11例。纳入标准：①年龄≥18周岁；②无影响肝脏血供的心、肾及大血管等疾患；③肝功能及相关恶性肿瘤指标正常；④无影响肝供血动脉及引流静脉的病变。⑤无碘对比剂使用禁忌证。排除标准：碘对比剂过敏患者，严重心脏疾病者，甲状腺功能亢进者，孕产妇。患者进行扫描前均由家属签署知情同意书。

1.2 检查设备与方法

患者检查前常规空腹4～6 h,口服温开水200～300 mL 以充盈胃肠道。采用德国西门子第二代双源CT(SOMATOM Definition Flash with a Stellar detector，Siemens Healthcare，Forchheim，德国)行上腹三期双能增强扫描(动脉期、门静脉期、平衡期),在注射对比剂后30、65和180 s行肝脏门静脉期扫描，扫描范围自膈顶至髂前上棘水平。使用双筒高压注射器(CT Stellant, Medrad, Indianola, Pennsylvania, 美国)于肘静脉以3.0 mL/s速率团注非离子型对比剂碘普罗胺(Ultravist 370 mgI/mL,Shering,德国)，对比剂用量为1.0 mL/kg,对比剂注射完毕后以同样的速率注射20 mL 0.9%(质量分数)的氯化钠注射液。患者的扫描参数：A、B球管电压分别为100 kV和Sn140 kV，CARE Dose 4D，mAs参考值分别为230和178，准直器宽度2 mm×64 mm×0.6 mm，螺距0.6，旋转时间0.5 s/ 圈。

1.3 图像处理及数据分析

仅对双能量CT扫描门静脉期数据分析：M_0.5图像(50%的100 kV和50%Sn140 kV的图像融合)表示标准120 kV采集，对双能门静脉期数据用Mono+算法在40、50、60、70、80、90和100 keV重建；在Siemens Syngo via后处理工作站上，分析1 mm层厚的门静脉期图像，测量门静脉主干和肝实质的CT 值及标准差。使用20 ～40 mm2大小的感兴趣区域(region of interest,ROI)在肝门水平测量门静脉主干的CT值,用100 mm2大小的ROI测量远离血管的正常肝脏组织的CT 值。

图像的客观评价：由两位放射科技师测量门静脉主干的CT值、肝实质的CT 值及标准差(SD)值。选取肝门水平门静脉主干连续3个层面进行测量取平均值,ROI大小为20～40 mm2；选取肝门水平肝实质连续3个层面测量肝实质的CT值并取其平均值,ROI大小为(100±10)mm2。用正常肝组织的标准差SD表示图像噪声。用公式计算出门静脉主干的CNR和信噪比(signal to noise ratio，SNR):

图像的主观评价:将M_0.5图像和40、50、60、70、80、90和100 keV的Mono+算法重建图像由两位有5年腹部读片经验且对具体实验方法不知情的放射科医师对不同实验方案所得门静脉期图像进行综合评分。评估内容包括门静脉边缘锐利度、门静脉与周围肝实质的对比度、显示门静脉分支的级别。采用5分制的图像质量的评价方法。1分,门静脉边缘模糊,与肝实质对比差,仅显示门静脉主干；2分,门静脉边缘不清楚,与肝实质对比较差,仅显示门静脉主干第1级分支；3分,门静脉边缘较清楚,与肝实质对比中等,显示门静脉主干第2 级分支；4分,门静脉边缘较锐利,与肝实质对比良好,显示门静脉主干第3 级分支；5 分,门静脉边缘锐利,与肝实质对比佳,可显示门静脉主干第4 级或以上分支。

1.4 统计学方法

2 结果

2.1 患者扫描条件和辐射剂量

100 kVp和Sn140 kVp管电压的有效管电流分别为(149.3±43.4)mA和(117.7±29.3)mA，平均容积剂量指数(CT dose index volume，CTDIvol)为(11.9±2.8)mGy，相应的剂量长度乘积(dose length product，DLP)为(542.4±95.4)mGy*cm。

2.2 图像客观评价

门静脉主干的40～70 keV Mono+重建图像CNR值均比M_0.5图像高，差异有统计学意义(P<0.05)。Mono+40 keV门静脉主干的CNR(8.2±2.1)达到峰值，是M_0.5图像CNR(2.3±0.7)的3.57 倍(表1,图1)。

表1 M_0.5和Mono+算法(40～100 keV)重建的门静脉主干图像的客观评价Tab.1 Objective image quality of the main stem of portal veins in series reconstructed with standard linear blending (M_0.5) and Mono+ algorithm (keV)(n=60)

图1 门静脉主干CNR的箱线(Box-and-whisker)图Fig.1 Box-and-whisker plots of CNR values of the main stem of portal veins

与M_0.5图像相比，门静脉主干40～80 keV重建图像的SNR高，差异有统计学意义(P<0.05)。Mono+40 keV门静脉主干的SNR(13.2±2.2)达到峰值，是M_0.5图像SNR(8.6±1.3)的1.53倍(表1，图2)。

图2 门静脉主干SNR的箱线(Box-and-whisker)图Fig.2 Box-and-whisker plots of SNR values of the main stem of portal veins

2.3 图像主观评价

Mono+40～70 keV重建图像质量评分明显优于M_0.5组，差异有统计学意义(P<0.05)(表2，图3)。两位医师评价一致性较高，Kappa值为0.793。

表2 M_0.5和Mono+算法(40～100 keV)重建的门静脉主干图像的主观评价Tab.2 Subjective image quality of the main stem of portal veins in series reconstructed with standard linear blending (M_0.5) and Mono+ algorithm (keV)(n=60)

3 讨论

双能CT 单能量成像技术(Mono)使用采集的双能数据，针对特定组织或病变，选取最佳能量水平观察图像[10]。Mono图像重建过程中根据物质与X射线相互作用规律，把物质分解为以康普顿散射和光电吸收为主的基质对，最终得到虚拟的单能量图像。理论上，Mono图像消除了复合能量X射线固有的射束硬化效应，可显著降低伪增强效应(pseudo-enhancement)而有利于细节显示[11]。曾有报道[12-13]显示，双能CT门静脉-肝实质的CNR曲线的最佳单能量显示能量水平集中在40～75keV 的低能量区域。Mono在腹部双能血管研究中，60～70 keV可获得较佳SNR和CNR的图像，40～60 keV图像虽然目标血管对比剂碘的CT值增加，但在低keV 图像上高密度物质也会产生较大伪影，明显增加了图像噪声[14]。因此，低keV 单能量图像虽然提高了碘等物质CT值，却由于噪声的增加而无法提高感兴趣区的CNR和SNR，使得图像质量下降。

图3 不同重建算法的门静脉期图像Fig.3 Different reconstruction algorithm in portal venous phase images

Mono+是一种改进的重建算法，能够有效改善图像质量。Grant 等[15]用Mono+新单能重建技术评估低对比度病变，发现Mono+算法通过增加低能量的有用信号和抑制中等能量的噪声进行区域空间频率重组可提高低keV的图像质量。本研究表明，Mono+40 keV组重建图像在门静脉主干、肝实质的CT值及其差值均高于其他各组图像，门静脉主干的CNR和SNR 分别为8.2±2.1和13.2±2.2,线性融合的M_0.5重建图像门静脉主干(表示标准的120 kV)的CNR和SNR 分别为2.3±0.7和8.6±1.3,Mono+40 keV重建图像门静脉主干的CNR和SNR 分别是M_0.5重建图像的3.57 倍及1.53 倍。图像质量评分是影像诊断医师对于总体图像质量的主观评分，是图像质量评判的不可或缺的组成部分。本研究结果显示M_0.5和Mono+40～80 keV重建图像的主观评分均≥3 分，说明除90和100 keV重建组外所研究的其他组均在可接受的范围之内。在门静脉边缘的锐利程度，门静脉与肝实质对比及门静脉分支的显示方面，Mono+ 40 keV重建图像明显优于M_0.5组。因此,不论是门静脉图像的CNR和SNR，还是门静脉图像的主观评分,其Mono+40 keV的门静脉成像的质量较常规螺旋CT图像均有大幅度的提升。Mono+算法能够将传统低keV 图像(包含较高的碘对比度)和中间能量级keV图像(70 keV左右包含较低的图像噪声)相结合并取二者优势—增加图像对比度和降低图像噪声。

局限性: 本研究仅评估了图像质量参数，没有评估诊断性能的差异。同时，虽然传统的单能重建算法(Mono)在较低的keV图像质量较差，但笔者没有对传统的Mono重建算法进行评价。

总之，Mono+突破Mono的局限，门静脉的CNR、SNR随着keV的降低而上升，Mono+40 keV组重建图像质量与M_0.5线性融合组相比有明显的优势，选择成像新技术为门静脉CT成像提供了更多的方法，Mono+算法改善了门静脉图像质量，提高了诊断的信心。