低管电压联合迭代重建技术在脑血管CT成像中的应用

曹国全，唐坤，潘克华，邰云鹏，陈晓，吴恩福，王镇章

（温州医科大学附属第一医院　放射科，浙江　温州　325015）

低管电压联合迭代重建技术在脑血管CT成像中的应用

曹国全，唐坤，潘克华，邰云鹏，陈晓，吴恩福，王镇章

（温州医科大学附属第一医院放射科，浙江温州325015）

目的：探讨脑血管CT成像中管电压联合迭代重建与图像质量及剂量间的关系，以确定最优管电压和迭代重建的参数。方法：利用ATOM 701-D型成年男性仿真人头颅模型，配置碘水混合造影剂自制脑血管。采用320排容积CT以80、100、120 kV管电压分别联合自适应迭代降剂量技术（AIDR 3D）迭代重建4个等级（off、mild、standard、strong）共12种方案，按管电流等其他参数不变进行颅脑单圈扫描，记录辐射剂量。获得横断面血管CT值及噪声、血管周边脑组织CT值及噪声、信噪比（SNR）和对比噪声比（CNR）。采用单因素方差分析比较不同管电压扫描及不同迭代算法水平重建对图像质量的影响。结果：管电压100 kV时较120 kV时容积CT剂量指数（CTDIvol）、剂量长度乘积（DLP）及有效剂量E分别降低39.29%、39.52%和39.42%；管电压80 kV时较120 kV时CTDIvol、DLP及E分别降低66.88%、67.02%和67.31%。管电压一定，不同迭代水平重建时：血管噪声、血管周边脑组织噪声、SNR、CNR差异均有统计学意义（均P＜0.05）；血管CT值及血管周边脑组织CT值差异均无统计学意义（均P＞0.05）。迭代重建水平一定，不同管电压扫描时：血管CT值、血管噪声差异均有统计学意义（均P＜0.05）；血管周边脑组织CT值、SNR、CNR差异均无统计学意义（均P＞0.05）；血管周边脑组织噪声在AIDR 3D off和mild水平时差异有统计学意义（P＜0.05），在standard和strong水平时差异无统计学意义（P＞0.05）。结论：100 kV管电压扫描联合standard或strong水平的迭代重建算法会获得较高质量的脑血管成像。

体层摄影术，X线计算机；管电压；迭代重建；辐射剂量；脑血管

随着多层螺旋CT技术发展，CT血管成像（CT angiography，CTA）对脑的中小血管的显示由于已接近或达到数字减影血管造影（digital subtration angiography，DSA）水平，已经在临床上广泛应用[1]，但由此产生的辐射剂量、对比剂肾病及一些重要的并发症也越来越受到关注[2-3]。通过低管电压技术来降低CTA的辐射剂量是研究热点之一[4-5]，但降低管电压其图像噪声将显著增加。应用自适应迭代降剂量技术（adaptive iterative dose reduction 3D，AIDR 3D）能够降低图像噪声。鉴于此，笔者采用低管电压联合不同迭代水平对仿真人模体进行扫描，探讨低管电压联合迭代重建技术在脑CTA扫描中对横断面图像质量及辐射剂量的影响。

1　材料和方法

1.1材料实验模体选用美国CIRS公司的ATOM701-D型成年男性仿真人（见图1）。该仿真人身高173 cm，体质量73 kg，其中脑组织材料物理密度1.07 g/cm3，电子密度3.470×1023g/cm3，内有11个直径5 mm的孔洞，可取出等效填塞物并灌入等同常规脑血管成像时其CT值的碘水混合对比剂而模拟脑血管。该模体内组织齐全、吸收系数等效于真人。

图1　701-D型仿真人

1.2实验方法用对比剂碘海醇（350 mg I/mL）与0.9%氯化钠溶液按照一定比例配置碘水混合液，灌入直径约5 mm的医用输液管，输液管两端开口封住；取出仿真人脑组织中孔洞的等效填塞物，将内含碘水混合对比剂的输液管植入脑组织，使得大致在两侧大脑中动脉水平段的位置的输液管在120 kV条件扫描时的CT值在400左右，可模拟脑CTA中具有同样高对比的脑血管显示状况。两侧大脑中动脉水平段位置的模拟脑血管横断面如图2所示。

图2　仿真人模拟脑血管横断面图像

1.3扫描方法使用320排容积CT机（Aquilion one，日本Toshiba公司），采用容积扫描方式。扫描参数：准直320×0.5 mm，单圈旋转时间0.5 s，重建层厚0.5 mm，重建间隔0.5 mm，视野24 cm，管电流300 mA，扫描范围包括全脑。以管电压80、100、120 kV分别联合AIDR 3D迭代重建4个等级（off、mild、standard、strong）共12种方案，按管电流等其他参数不变进行仿真人颅脑数据采集。

1.4CT扫描剂量CT机依所设置的扫描参数，自动计算出扫描剂量估算值（CTDIvol，单位：mGy）和剂量长度乘积（DLP，单位：mGy·cm），记录每种扫描方案的CTDIvol和DLP。根据DLP计算有效剂量（E，单位：mSv），E=k×DLP，k值为组织权重因子（单位：mSv· mGy-1·cm-1），采用美国医学物理家协会（American Association of Physicists in Medicine，AAPM）推荐的成人头颅权重因子0.0021[6]。

1.5数据分析感兴趣区（region of intrest，ROI）面积取2.4 mm2，测量：①血管CT值。②血管噪声，用血管CT值标准差（standard deviation，SD）表示。③血管周边脑组织CT值。④血管周边脑组织噪声，用脑组织SD值表示。⑤信噪比（signal noise ratio，SNR）：SNR=ROI血管/SD脑。⑥对比噪声比（contrast noise ratio，CNR）：CNR=（ROI血管-ROI脑）/SD脑。其中ROI血管为血管CT值；ROI脑为血管周边脑组织CT值；SD脑为血管周边脑组织噪声。其中①②③④项均固定ROI并测量3次。

1.6统计学处理方法采用SPSS20.0统计软件对数据进行统计学分析。血管CT值、血管SD值、脑组织CT值、脑组织SD值、SNR、CNR用±s表示。管电压一定，不同迭代水平重建时对图像质量指标影响的差异以及迭代重建水平一定，降低管电压时对图像质量指标影响的差异均采用单因素方差分析。P＜0.05为差异有统计学意义。

图3　100 kV管电压时不同迭代水平重建图像质量指标比较

2　结果

2.1扫描剂量结果管电压80 kV时CTDIvol、DLP、E分别为10.20 mGy、162.70 mGy·cm、0.34 mSv；管电压100 kV时CTDIvol、DLP、E分别为18.70 mGy、298.40 mGy·cm、0.63 mSv；管电压120 kV时CTDIvol、DLP、E分别为30.80 mGy、493.40 mGy·cm、1.04 mSv。12种扫描方案中，当管电压不变，迭代重建算法变化时，扫描剂量相同。管电压100 kV时较120 kV时CTDIvol、DLP及E分别降低39.29%、39.52%和39.42%；管电压80 kV时较100 kV时CTDIvol、DLP及E分别降低45.45%、45.48%和46.03%；管电压80 kV时较120 kV时CTDIvol、DLP及E分别降低66.88%、67.02%和67.31%。

2.2管电压一定、不同迭代水平重建时，脑血管横断面图像质量比较以管电压100 kV为例，不同迭代水平重建时血管CT值为：off：545.10±6.43；mild：539.90±4.99；standard：539.47±3.56；strong：539.23±3.96。其他血管SD值、脑组织CT值、脑组织SD值、SNR、CNR等图像质量指标比较见图3。血管噪声、血管周边脑组织噪声、SNR、CNR间经方差分析差异均有统计学意义（均P＜0.05）；血管CT值及血管周边脑组织CT值差异均无统计学意义（均P＞0.05），具体见表1。且血管噪声及周边脑组织噪声随着迭代水平的升高而下降，SNR及CNR随着迭代水平的升高而升高。

表1　管电压一定时不同迭代水平重建对图像质量的影响比较

2.3迭代重建水平一定、不同管电压时，脑血管横断面图像质量比较以standard迭代水平为例，不同管电压扫描时血管CT值为：120 kV：426.57± 5.70；100 kV：539.47±3.56；80 kV：669.53±5.05。其他血管SD值、脑组织CT值、脑组织SD值、SNR、CNR等图像质量指标比较的柱状图如图4所示。血管CT值、血管噪声经方差分析差异均有统计学意义（均P＜0.05）；血管周边脑组织CT值、SNR、CNR差异均无统计学意义（均P＞0.05）；血管周边脑组织噪声在AIDR 3D off和mild水平时差异有统计学意义（P＜0.05），在standard和strong水平时差异无统计学意义（P＞0.05）。具体见表2。且血管CT值及噪声均随着随着管电压的降低而升高。

图4　standard迭代水平重建时不同管电压扫描图像质量指标比较

表2　迭代重建水平一定时不同管电压对图像质量的影响比较

3　讨论

脑血管CTA辐射剂量较大，据文献报道，一次头颅常规CT检查的有效剂量为0.9～4.0 mSv，而脑CTA检查辐射剂量为单次扫描的2～3倍[7]。因此，在不影响图像质量的前提下，如何降低CTA辐射剂量，成为业界普遍关注的热点。

3.1低管电压脑血管CT成像的理论依据CT的辐射剂量与管电压的平方呈线性相关，与管电流呈线性相关。相比降低管电流的方法，同等比例降低管电压更能有效地降低CT辐射剂量。降低管电压，X线光子能量降低，高原子序数元素的组织或结构（如含碘剂的血管）光电效应显著增强，该组织对X线的衰减增加导致其CT值显著升高。本研究中使用管电压100 kV扫描成像辐射剂量明显降低，其CTDIvol、DLP及E与120 kV时相比分别降低39.29%、39.52%和39.42%。使用管电压80 kV扫描辐射剂量降低幅度更大，其CTDIvol、DLP及E与120 kV时相比更是降低了66.88%、67.02%和67.31%。这与Sun等[8]使用320排螺旋CT的研究结果一致，采用80 kV低管电压脑CTA检查，其辐射剂量较120 kV常规管电压更能显著降低，达到69.73%。因此低管电压CT成像是一种行之有效的方法。

3.2迭代重建技术降低图像噪声的理论依据既往文献报道表明，当管电压降低时，图像噪声不可避免会显著增加。由本研究中图4可知，随着管电压的降低，血管噪声SD值大幅上升，且3种管电压血管噪声差异有统计学意义（P＜0.05）。而图像噪声是影响图像质量的重要因素，尤其对脑动脉这种小血管成像影响比较大，Ertl-Wagner等[9]认为噪声增加会对颅内细小血管及后循环的图像质量产生较严重影响。因此，在降低管电压的同时如何减少图像噪声的增加显得尤为关键。

AIDR 3D是320排容积CT上最新研发的迭代降噪算法，其原理是首先通过分析CT采集信号的物理特性，得到统计学模型，利用该模型来识别电子和量子噪声，并进行去除。得到的原始数据在图像重建空间再根据解剖模型进行反复的对照，通过迭代计算去除噪声并加强组织结构的显示，Gervaise等[10]报道使用后能降低40%的图像噪声和52%的扫描剂量。AIDR 3D具有off、mild、standard和strong 4个水平，而off实际上就是不用迭代算法而用滤波反投影法（filtered back projection，FBP）。

3.3低管电压联合迭代重建技术对脑血管CT成像图像质量的影响根据本研究结果可知，3种管电压扫描，不同迭代算法水平重建对血管本身和周边脑组织的图像噪声影响是最明显的，随着迭代水平的提高，噪声逐步减小，也因此提高了SNR和CNR，使得横断面图像质量提高，必定会提高脑血管的三维图像质量。这也验证了AIDR 3D去除噪声的功能，使得低剂量扫描有了理论支撑。而不同迭代算法水平对血管CT值和脑组织CT值的影响是很小的，4种水平间差异无统计学意义（P＞0.05），略微的数值波动是由于测量误差造成的。随着管电压的降低，对图像质量的影响主要是大幅度提高了血管本身的CT值（从管电压120 kV时的426.57±5.70升至80 kV时的669.53±5.05），而对血管周边脑组织的CT值影响不大，这是因为X线能量对血管中对比剂碘原子的K缘效应所引起的，管电压越低，光电效应对血管的影响远大于周边脑组织。另外，降低管电压对血管的SNR和CNR影响并不大，这主要是因为降低管电压时，其他扫描条件不变，血管CT值和噪声水平同比例上升所致。管电压变化时，血管周边脑组织噪声在AIDR 3D off和mild水平时差异有统计学意义（P＜0.05），在standard和strong水平时差异无统计学意义（P＞0.05），说明低水平迭代算法重建时，降低管电压所致低辐射剂量对图像噪声影响很大。而在高水平迭代算法时，由于迭代算法强大的降噪能力对低管电压扫描噪声水平升高的弥补，使得由于降低管电压而引起的噪声变化相对不明显了。因此standard和strong两种水平的迭代算法更适合于低管电压扫描脑血管成像。由图4的柱状图比较可知，不论在何种迭代水平重建，管电压100 kV扫描得到的SNR和CNR均好于120 kV和80 kV，这与李瑞等[11]的研究结论相符：管电压100 kV相比120 kV脑CTA扫描在降低辐射剂量的同时，图像质量不受影响。Ertl-Wagner等[9]亦认为80 kV的低管电压由于颅骨对射线的衰减增加将导致血管边缘形态及诊断信心下降。

综上所述，100 kV管电压扫描联合standard或strong水平的迭代重建算法会获得较高质量的脑血管成像，理论上100 kV管电压联合strong迭代水平重建效果更好。而100 kV管电压扫描时的辐射剂量相比于120 kV扫描减少了约40%。本研究的不足之处在于评价的是血管横断面，研究结论还需在临床患者脑血管三维图像上进行验证，这也是我们接下来的研究内容。

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（本文编辑：胡苗苗）

An application of low tube voltage in combination with simultaneous iterative reconstruction technique in cerebrovascular CT imaging

CAO Guoquan, TANG Kun, PAN Kehua, TAI Yunpeng, CHEN Xiao, WU Enfu, WANG Zhenzhang.
Department of Radiology, the First Affiliated Hospital of Wenzhou Medical University, Wenzhou, 325015

Objective:To study the impacts of tube voltage and simultaneous iterative reconstruction technique on the image quality and radiation dose in cerebrovascular imaging and determine the optimum tube voltage and iterative reconstruction parameters.Methods:A home-made blood vessel of brain was constructed using an ATOM 701-D adult male phantom head and iodine-water mixture contrast agent. A 320-row volume CT was used to scan the home-made brain at tube voltages of 80, 100 and 120 kV in combination with off, mild, standard and strong iterative reconstruction levels (12 protocols in total), respectively. Tube current and other parameters were not changed during scanning. CT value of the transverse blood vessels and its corresponding noise, CT value of brain tissue around blood vessels and its corresponding noise, signal-to-noise ratio (SNR) and contrast-to-noise ratio (CNR) were obtained. One-Way ANOVA analysis was applied to investigate the impacts of different tube voltages and simultaneous iterative reconstruction levels to image quality.Results:Compared with group 120 kV, the CTDIvol, dose length product (DLP), effective dose (ED) of group 100 kV and 80 kV reduced 39.29%, 39.52%, 39.42% and 66.88%, 67.02%, 67.31% respectively. When the tube voltage was kept constant, blood vessel noise, noise of brain surrounding blood vessels, SNR and CNR showed statistical difference (P＜0.05), while CT values of blood vessel and brain tissue around blood vessels had no statistical difference (P＞0.05) at different iterative reconstruction levels. When iterative reconstruction level was not changed and tube voltage was varied,both CT values of blood vessel and blood vessel noise exhibited statistical difference (P＜0.05), CT values of brain tissue around blood vessels, SNR and CNR had no statistical difference (P＞0.05), and noise of brain tissue around blood vessels showed statistical difference (P＜0.05) at AIDR 3D off and mild levels and no statistical difference (P＞0.05) at standard or strong levels.Conclusion:High-quality cerebrovascular imaging can be acquired at a tube voltage of 100 kV in combination with a standard or strong level of iterative reconstruction algorithm.

tomography, X-ray computed; tube voltage; iterative reconstruction; radiation dose; cerebrovascular

R814.2

A

1000-2138（2014）10-0718-05

2014-05-05

温州市科技局科技计划项目（Y20130146）；温州科技对外合作项目（H20090012）。

曹国全（1977-），男，山东临朐人，副主任技师，硕士。

吴恩福，主任医师，教授，硕士生导师，Email：wzwef@163.com。