多模型迭代重建算法对腹部体模CT扫描图像质量和辐射剂量的影响

柴亚如，邢静静，高剑波，吕培杰，侯 平，王素雅，刘 杰

(郑州大学第一附属医院放射科，河南 郑州 450052)

CT以其扫描速度快、图像客观、密度分辨率高等优点在临床影像学检查中占有重要地位。目前，CT对病灶的检出、诊断、分期以及临床治疗方案的选择、疗效的评估及预后具有重要临床意义[1]。但由于X线的生物学效应，CT被认为是引起医源性辐射的重要原因，有报道[2]超过5～100 mSv的X线吸收剂量与癌症发生有直接关系。因此，由于腹部CT扫描范围大、期相多，在保证图像质量的同时有效降低辐射剂量是不容忽视的问题。

临床常用的降低CT扫描辐射剂量的方法包括降低管电压、管电流等[3-4]，但均可引起图像质量的下降。自适应统计迭代重建算法(adaptive statistical iterative reconstruction, ASIR)具有降低图像噪声的功能，降低辐射剂量需人为预先设置低的扫描参数[5]。多模型迭代重建算法(adaptive statistical iterative reconstruction-V, ASIR-V)纳入了扫描者物体模型和物理模型，具有前置和后置两种方式，前置ASIR-V可以在维持图像质量的同时前瞻性降低辐射剂量，具有较大的临床实用价值，但对其使用方法及效果研究较少[6]。本研究以腹部仿真体模为对象，探讨不同噪声指数(noise index, NI)条件下前置ASIR-V对图像质量和辐射剂量的影响。

1 材料与方法

1.1 扫描设备及方案 研究对象为腹部仿真体模。采用GE Revolution CT机，扫描模式Helical 8，管电压120 kVp，自动管电流(10～600 mA)，螺距1.375∶1，转速0.5 s，扫描视野35 cm，扫描层厚和层间距均为5 mm。

NI分别为6、8、10、12、14，分为相应5组，每组设置10个前置ASIR-V(0～100%，间隔10%)和常规模式扫描(不含迭代)，共扫描11组数据。每个条件下均重复扫描10次，结果取均值。

1.2 图像评估 主观评分：将图像传至AW 4.6后处理工作站，图像显示窗宽220 HU，窗位40 HU。由2名具有3年以上工作经验的放射科医师对55组图像质量进行独立、盲法评估，评分标准采用5分制[5]：5分，解剖细节清晰，对比度高，层次感强，锐利度好；4分，解剖结构和细节较清楚，对比度较高，层次感及锐利度稍降低；3分，大部分解剖结构较清楚，细节显示欠清，层次感、锐利度较低但可接受；2分，解剖细节不足以被发现，层次感、锐利度低；1分，解剖结构无法分辨，层次感低、锐利度差。主观评分≤3分为图像不可接受，不能满足诊断要求。

客观测量：采用AW 4.6后处理工作站，所有数据测量均由同1名放射科医师完成。测量评估每组图像的肝门、胆囊及肾门层面，将ROI分别置于肝脏、脾脏、胰腺、肾脏、胆囊、主动脉、腹壁脂肪和腰大肌，采用compare功能保证各组图像ROI形状、大小、位置及层面的一致性，肝脏、主动脉、脾脏ROI为圆形(直径15 mm)，胰腺、胆囊、肾脏ROI为圆形(直径10 mm)，腹壁脂肪和腰大肌为椭圆形(面积7 mm×5 mm)。对所有数据均测量3次取均值。记录各部位的CT值和噪声，即CT值的标准差(standard deviation, SD)。

1.3 辐射剂量 记录常规扫描及0～100%前置ASIR-V条件下的容积CT剂量指数(CT dose index volume, CTDIvol)，并计算0～100%前置ASIR-V相对于常规扫描CTDIvol下降的百分比。

1.4 统计学分析 采用SPSS 17.0统计分析软件。计量资料以±s表示，计数资料以百分数表示。获得各组图像CT值、噪声、主观评分及辐射剂量的最佳前置ASIR-V，将各组最佳ASIR-V比例的图像与常规扫描组进行比较。5组CT值、噪声和辐射剂量多组比较采用单因素方差分析，两两比较采用配对样本t检验。5组图像主观评分采用FriedmanM检验；观察者间的一致性采用Kappa检验(0≤Kappa≤0.20一致性极低、0.21≤Kappa≤0.40一致性一般、0.41≤Kappa≤0.60一致性中等、0.61≤Kappa≤0.80一致性较高，0.81≤Kappa≤1一致性很高)。以P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 图像质量

2.1.1 主观评分 2名医师主观评分一致性高(Kappa=0.78～1.00)，取2者均值。NI为6、8、10组，在0～40%间随前置ASIR-V比例增高，主观评分呈基本稳定状态；50%～100%间随前置ASIR-V比例增高主观评分逐渐降低，超过70%前置ASIR-V时，图像主观评分降至3分以下。NI为12、14组，在0～40%间随前置ASIR-V比例的增高，图像主观评分呈略升高趋势，至40%前置ASIR-V水平主观评分达最高；50%～100%间随前置ASIR-V比例的增高主观评分逐渐降低，NI为12组超过60%前置ASIR-V、NI为14组超过50%前置ASIR-V图像主观评分降至3分以下(图1)。NI为6、8、10组常规扫描图像主观评分与40%前置ASIR-V图像差异无统计学意义(P=0.626、0.915、0.514)，优于60%前置ASIR-V图像(P=0.021、0.012、0.015)；NI为12、14组常规扫描图像主观评分略低于40%前置ASIR-V图像(P=0.041、0.036)，优于60%前置ASIR-V图像(P=0.014、0.007)，见表1。

表1 不同组别在常规扫描和40%、60%前置ASIR-V的图像主观评分(分,±s)

表1 不同组别在常规扫描和40%、60%前置ASIR-V的图像主观评分(分,±s)

组别常规扫描40%前置ASIR-V60%前置ASIR-VNI=64.61±0.324.55±0.314.23±0.35NI=84.33±0.424.33±0.543.97±0.43NI=104.12±0.414.07±0.433.68±0.44NI=123.65±0.503.81±0.523.22±0.50NI=143.32±0.503.52±0.512.83±0.52

2.1.2 CT值 各NI组中，随前置ASIR-V(0～100%)比例增加，不同部位的CT值差异无统计学意义(P均>0.05)。

2.1.3 噪声 NI为6、8、10、12、14组，随前置ASIR-V比例(0～100%)增高，各部位的SD值差异无统计学意义(P均>0.05)；常规扫描图像各部位SD值与40%前置ASIR-V图像、60%前置ASIR-V图像差异均无统计学意义(表2)。

2.2 辐射剂量 各NI组中，CTDIvol随前置ASIR-V比例(0～100%)的增高，呈逐渐下降趋势(图2)。NI为6、8、10、12、14时，40%前置ASIR-V比例条件下其CTDIvol分别为9.83 mGy、5.48 mGy、3.42 mGy、2.30 mGy、1.69 mGy，较常规扫描CTDIvol下降比率分别为35.20%、51.93%、54.09%、54.27%、53.70%，平均49.82%；50%和60%前置ASIR-V比例条件下其CTDIvol较常规扫描下降比率平均62.51%、71.63%。

图1NI为10组0～100%前置ASIR-V图像的主观评价 在0～40%前置ASIR-V水平，图像主观评分基本稳定(A～E)，50%～100%前置ASIR-V水平，图像主观评分呈下降趋势(F～K)，70%前置ASIR-V以上图像主观评分低于3(H～K)

表2 NI=10常规扫描和40%、60%前置ASIR-V图像各部位SD比较(HU，±s)

表2 NI=10常规扫描和40%、60%前置ASIR-V图像各部位SD比较(HU，±s)

设置肝脏脾脏胰腺肾脏胆囊主动脉肌肉脂肪40%前置ASIR-V10.15±1.619.73±0.9310.22±2.849.27±1.638.41±1.259.20±1.339.60±1.646.70±1.0660%前置ASIR-V9.57±1.3210.11±0.939.82±2.259.66±0.948.11±1.129.50±1.559.70±1.815.90±1.34常规扫描9.71±1.929.12±1.5610.43±2.659.16±2.767.88±1.679.95±1.648.94±1.636.69±1.61t1值0.6981.9820.5940.4480.7961.4490.8150.557P1值0.5540.0950.6130.7390.3850.1320.3320.672t2值0.4430.6850.9881.4970.5780.4960.3151.685P2值0.7610.5710.2150.1260.5910.6620.8120.117

注：t1、P1值：常规扫描与40%前置ASIR-V比较；t2、P2：常规扫描与60%前置ASIR-V比较

图2 各NI组CTDIvol随前置ASIR-V比例变化

3 讨论

迭代重建算法可降低图像噪声和伪影、提高图像对比度[6]。自适应统计迭代重建算法已在临床广泛应用。临床采用的ASIR是ASIR和FBP两种算法以不同比例组合而成，不同扫描部位及条件所需的ASIR比例不同，高比例ASIR可使图像层次感下降，出现蜡状伪影[6-7]。目前临床使用ASIR有两种目的：一是在原有扫描条件下优化图像质量；二是降低管电流或管电压，在维持图像质量条件下降低辐射剂量，但扫描参数具体降低程度和联合ASIR的比例还无确定标准[8-9]。

ASIR-V是一种多模型迭代重建算法，较原有ASIR的物体和噪声模型多纳入了物理模型；且具有前置和后置两种方式。已有研究[10]表明，后置ASIR-V与ASIR相比，降低噪声和提高对比度效果更为显著。后置ASIR-V也可通过降低扫描参数达到降低辐射剂量的目的[11-12]。前置ASIR-V是在扫描前设置，自动管电流条件下在扫描时可通过智能降低管电流降低辐射剂量，临床应用价值较大。

本研究结果显示随前置ASIR-V水平提高，辐射剂量呈持续下降趋势，至40%前置ASIR-V水平剂量降低约50%。图像主观评分在40%水平以下，随前置ASIR-V比例增高呈基本稳定或有提高趋势，超过50%前置ASIR-V后图像主观评分下降，超过60%前置ASIR-V图像空间分辨率和层次感明显降低，不能满足诊断需求；提示前置ASIR-V虽可降低辐射剂量，但不能使用过高水平。本研究各部位图像CT值随前置ASIR-V比例改变保持不变，与ASIR和后置ASIR-V相同，均不影响图像CT值[10]。本研究还发现各NI水平图像噪声随前置ASIR-V比例改变基本不变，提示前置ASIR-V是根据设置的NI在维持图像噪声基本稳定下智能降低辐射剂量。

本研究的不足：因体模实验无增强图像，故未评估SNR、CNR等参数；且体模研究不能完全替代临床研究，需收集病例样本进行临床试验，使前置ASIR-V在临床优化图像质量和辐射剂量中发挥最大价值。

总之，本研究通过对体模研究，发现前置ASIR-V可维持图像CT值及噪声基本不变，40%前置ASIR-V图像质量最好，40%～60%图像可满足基本诊断要求，可降低辐射剂量。

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