全模型实时迭代重建技术对小猪腹部CT平扫及增强扫描图像质量和辐射剂量的研究

李露露，赵小英，尚 瑾，宋 建，刘 斌

CT作为一种无创检查方法，由于其密度分辨率高、成像速度快、操作方便等优点，在临床中得到了广泛的应用。然而，CT在临床应用中的辐射剂量和潜在的致癌作用一直备受关注，儿童对电离辐射较成人敏感，儿童低剂量CT检查研究一直是临床和放射科医师关注的热点[1-2]。Revolution CT是由GE公司开发的最新一代CT，其独特的全模型实时迭代重建(adaptive statistical iterative reconstruction-V，ASiR-V)可以在降低辐射剂量的同时提高图像质量[3]。该研究观察了ASiR-V对小猪腹部CT平扫和增强扫描图像质量和辐射剂量的影响，探讨了前后置ASiR-V的最佳组合，为临床上儿童腹部CT扫描降低辐射剂量提供一定的经验支持。

1 材料与方法

1.1 实验动物小猪由安徽医科大学实验动物中心按照统一的实验标准提供。经检疫，10只雄性或雌性广西巴马小猪，2～3月龄，体质量20～30 kg，身长60～80 cm，均正常健康，经安徽医科大学动物实验伦理委员会批准。

1.2 CT检查方法采用GE Revolution 256层CT扫描。小猪麻醉后，将小猪以仰卧位置于检查床上，分别以0%、20%、40%、60%、80%、100%前置ASiR-V进行腹部平扫。扫描参数为管电压120 kV，管电流自动调制(120～550 mA)，噪声指数6，球管转速0.28 s/r，扫描层厚和间距为5 mm。扫描范围为膈上至耻骨联合水平。腹部平扫结束后，小猪的腹部增强扫描分别使用100%、80%、60%、40%、20%和0%前置ASiR-V。双筒高压注射器以2.5 ml/s速率注射造影剂30 ml，随即以相同速率跟随30 ml生理盐水冲管，扫描过程采用了自动曝光控制技术，ROI设于胸主动脉下段，自动触发阈值为150 HU，触发后延迟25 s行腹部增强扫描。共获得12组图像。

1.3 图像分析

1.3.1图像重建 图像重建层厚和层间距均为1.25 mm。12组图像分别加入后置ASiR-V重建，后置ASiR-V只能等于或者高于前置ASiR-V。前置ASiR-V0%时，后置ASiR-V分别使用0%、20%、40%、60%、80%、100%，0%ASiR-V重建即为滤波反投影(filtered back projection，FBP)；前置ASiR-V20%时，后置ASiR-V分别使用20%、40%、60%、80%、100%；前置ASiR-V40%时，后置ASiR-V分别使用40%、60%、80%、100%；前置ASiR-V60%时，后置ASiR-V分别使用60%、80%、100%；前置ASiR-V80%时，后置ASiR-V分别使用80%和100%；前置ASiR-V100%时，后置ASiR-V使用100%。共获得42组图像，其中平扫21组，增强扫描21组。

1.3.2客观图像质量评价 所有图像均传送至GE 4.7后处理工作站。由2名具有5年以上腹部CT阅片经验、对图像重建方法不知情的放射科医师分别定量测量图像感兴趣区(region of interest, ROI)的CT值和客观噪声，客观噪声即为感兴趣区内CT值的标准差(std deviation，SD)。ROI分别放置于腹主动脉、肝脏、背部肌肉、皮下脂肪、肾脏内。ROI的大小尽量保持一致，避开伪影区域。在连续3个相邻层面中测量数据，取平均值。并计算对比噪声比(contrast noise ratio, CNR)，CNR=[感兴趣区CT值-背部肌肉的CT值]/SD。

1.3.3主观图像质量评价 由2名高年资放射医师采用盲法对图像质量进行评价，采用5分制评分。1分：图像质量极差，无法诊断；2分：图像较差，不符合诊断标准；3分：图像质量中等，大致符合诊断标准；4分：图像良好，可以达到诊断的要求；5分：图像质量优、清晰，完全符合诊断标准。意见不一致时经协商达成统一。

1.4 辐射剂量评估记录CT辐射剂量指数，包括CT剂量容积指数(CT dose index volume, CTDIvol)和剂量长度乘积(dose length product, DLP)、有效剂量(effective dose, ED)，按DLP计算ED, ED=DLP×k, k为组织权重因子，采用合适的腹部加权系数0.015 mSv/mGy。

2 结果

2.1 小猪腹部CT图像所有小猪均麻醉成功，完成检查。不同权重前后置ASiR-V，小猪腹部横断层图像见图1、2。

2.2 客观图像质量比较通过观察所测ROI的CT值，在同一组前置ASiR-V时，随着后置ASiR-V权重的增加，CT值没有变化。随着前置ASiR-V权重增加，CT值有一定程度的变化，多组间采用单因素方差分析。结果如表1所示。表明在平扫和增强扫描条件下，不同前置ASiR-V组CT值差异无统计学意义(P>0.05)。通过测得的ROC的SD值观察，同组前置ASiR-V中，随后置ASiR-V权重增加，SD逐渐减低，而CNR值无变化或增加。以背部肌肉为例，不同前置ASiR-V联合不同后置ASiR-V重建下的背部肌肉SD值见图3。

2.3 主观图像质量比较平扫主观评分见图4，增强主观评分见图5，为了更直观的观察、对比主观评分，图4及图5中柱状图的相同颜色代表同一后置ASiR-V。主观评分在同组前置ASiR-V(0～60%)下，随着后置ASiR-V(0～60%)权重增加，主观评分增加，且均>3分；在同组前置ASiR-V(0～60%)下，当后置ASiR-V(80%～100%)，图像质量较差，无法满足诊断；当前置ASiR-V(80%～100%)，图像质量较差，无法满足诊断。使用Mann-WhitneyU检验比较相应组合的主观评分差异，结果显示，平扫时，40%前置ASiR-V结合60%后置ASiR-V主观评分与0%前置ASiR-V结合60%后置ASiR-V差异没有统计学差异(Z=-0.457,P=0.648)，60%前置ASiR-V结合60%后置ASiR-V主观评分低于0%前置ASiR-V结合60%后置ASiR-V，差异有统计学意义(Z=-3.199,P=0.001)。增强扫描时，60%前置ASiR-V结合60%后置ASiR-V主观评分与0%前置ASiR-V结合60%后置ASiR-V差异无统计学意义(Z=-0.951,P=0.342)。

图1 平扫时不同前后置ASiR-V下小猪图像

A：0%前置ASiR-V结合0%后置ASiR-V，即FBP图像。ROI如1A所示，使用后处理工作站克隆功能，在其他不同前后置ASiR-V图像上用相同的ROI测CT值及SD值；B：0%前置ASiR-V结合40%后置ASiR-V；C：0%前置ASiR-V结合60%后置ASiR-V；D：40%前置ASiR-V结合40%后置ASiR-V；E：40%前置ASiR-V结合60%后置ASiR-V；F：40%前置ASiR-V结合80%后置ASiR-V；G：60%前置ASiR-V结合60%后置ASiR-V；H：60%前置ASiR-V结合80%后置ASiR-V；I：60%前置ASiR-V结合100%后置ASiR-V

表1 平扫及增强时不同前置ASiR-V组CT值比较

图2 增强扫描时，不同前后置ASiR-V下小猪图像

A：0%前置ASiR-V结合0%后置ASiR-V，即FBP图像；B：0%前置ASiR-V结合40%后置ASiR-V；C：0%前置ASiR-V结合60%后置ASiR-V；D：40%前置ASiR-V结合40%后置ASiR-V；E：40%前置ASiR-V结合60%后置ASiR-V；F：40%前置ASiR-V结合80%后置ASiR-V；G：60%前置ASiR-V结合60%后置ASiR-V；H：60%前置ASiR-V结合80%后置ASiR-V；I：60%前置ASiR-V结合100%后置ASiR-V

图4 不同前置ASiR-V联合不同后置ASiR-V重建下平扫主观得分

2.4 辐射剂量比较通过比较不同组前置ASiR-V的CTDIvol、DLP、ED，随前置ASiR-V权重增加，小猪所受的辐射剂量逐渐减低，采用Friedman检验分析多组间的CTDIvol、DLP、ED值，结果见表2，辐射剂量差异有统计学意义(P<0.05)。平扫时，随着前置ASiR-V20%、40%、60%、80%、100%权重增加，辐射剂量分别下降约13.96%、31.61%、53.30%、69.09%、75.84%。增强扫描时，随着前置ASiR-V20%、40%、60%、80%、100%权重增加，辐射剂量分别下降约11.56%、27.96%、48.90%、68.88%、77.09%。

表2 平扫及增强时不同前置ASiR-V下辐射剂量比较

图5 不同前置ASiR-V联合不同后置ASiR-V重建下增强主观评分

3 讨论

降低CT辐射剂量的方法有降低管电压和电流，自动管电流调制和自动千伏选择，但是这样会提高图像噪声，进而影响图像质量。FBP重建算法是一种传统的CT图像重建方法，由于其速度快、方便等优点，在临床上得到了广泛的应用，但其图像噪声较大，辐射剂量较高。近年来，一些迭代重建(iterative reconstruction, IR)技术与基于相同CT数据重建图像时的FBP相比，能够显著降低图像噪声[4]。自适应统计迭代重建(adaptive statistical iterativere construction, ASiR)是临床最早可用的IR之一，然而，很大比例的ASiR混合会产生人造纹理或斑点外观[5]。ASiR-V作为一种新推出的迭代重建技术，具有降噪、消除伪影、减少辐射剂量、增强对比度检测、计算速度快等优点[6-7]。ASiR-V既可通过前置迭代调节管电流直接降低辐射剂量，又可以通过后置迭代降低图像噪声而间接降低辐射剂量。本次研究通过观察小猪腹部CT平扫及增强扫描中ASiR-V对图像质量和辐射剂量的影响，从而获得应用于儿童腹部扫描中前、后置ASiR-V的最优组合方式。由于本实验设计需要反复进行CT扫描，且总辐射剂量较大，因此选择了动物模型。小猪的生理机能与人类的相似，尤其与儿童结构相似，巴马小猪可以用来观察和评估图像[8]。增强扫描时，为避免扫描时间延长导致造影剂浓度略有降低对结果的影响，将前置ASiR-V权重设置为100%、80%、60%、40%、20%、0%进行扫描。

本次研究结果显示，前置ASiR-V一定时，随后置ASiR-V升高，SD逐渐降低，脏器及血管CNR逐渐升高。观察主观评分表，发现当前置ASiR-V(0%-60%)一定时，随着后置ASiR-V(0-60%)升高，图像主观评分无明显改变或增加，图像质量较好；而当前置ASiR-V为80%、100%时，或者后置ASiR-V为80%、100%图像，图像分辨率较差，图像主观评分下降，图像内脏器及血管过于光滑，实质性脏器颗粒过于细腻，甚至出现腊状伪影，这与既往的一些研究结果一致[9-10]。随着前置ASiR-V权重(0～100%)增加，ED降低，小猪所受的辐射剂量降低，且差异有统计学意义(P<0.05)。结合图像主观评分及辐射剂量，平扫时，40%前置ASiR-V结合60%后置ASiR-V推荐临床使用，辐射剂量降低约31.61%；增强扫描时，60%前置ASiR-V结合60%后置ASiR-V推荐临床使用，辐射剂量降低约48.9%。

在本次实验中，腹部CT图像质量的主观评分是对整体图像的准确性评价，而不是具体病变的诊断的准确率。在平扫中40%前置ASiR-V结合60%后置ASiR-V，在增强扫描中60%前置ASiR-V结合60%后置ASiR-V，腹腔内脏器及血管结构清晰，分辨率好。目前，ASiR-V被发现可以应用于多种CT检查，例如，Afadzi et al[11]的研究表明，由于胸部具有天然的高对比度，与FBP重建相比，ASiR-V增强了所有超低剂量测试的定量图像质量，因此，ASiR-V可能有助于提高超低剂量下胸部CT的成像质量。Lee et al[12]的研究表明，与FBP常规剂量方案相比，ASiR-V低剂量CT在不影响图像质量的前提下，对评估腹部多器官损伤是有效的。但是关于低剂量CT联合ASiR-V算法在肝脏疾病诊断中仍存在一些争议。Jensen et al[13]的研究表明，CT对结直肠癌肝转移的评估受到适度辐射剂量减少的影响，当辐射剂量减少50%时，使用迭代重建不能维持观察者的诊断准确率。小的肝脏转移灶在低剂量CT扫描时容易被忽略。但是，也有研究表明，低剂量CT扫描方案联合50%ASiR-V迭代重建获得的门脉期CT图像与常规剂量联合40%ASiR重建获得的门脉期CT图像具有相似的图像噪声、主观图像质量评分，并且降低了35%的辐射剂量[14]。有关腹部体模的研究显示前置40%ASiR-V图像质量较好，前置40%～60%ASiR-V图像可满足基本诊断要求，可以降低辐射剂量[15]。在本实验中显示ASiR-V可以在不影响图像质量的前提下降低辐射剂量，小猪腹部组织清晰，CNR较好。