基于能谱CT单能量成像及自适应统计迭代重建技术的门静脉图像质量分析

赵晶，李晓璐，徐飞，朱正，王慧慧，赵心明，周纯武

多排螺旋CT门静脉成像在临床上应用广泛，具 有扫描速度快以及更薄的重建厚度，对于较小的侧枝血管亦能显示的优点。但为了提高图像质量，需增加对比剂用量，可能会对肾功能产生影响，并且存在对比剂外漏的风险[1]。因此，在尽量减少放射剂量以及在不增加对比剂用量的情况下提高图像质量已成为亟待解决的难点。

以瞬时双kVp为核心技术的能谱CT单能量技术可在40～140keV范围内实现任意单能量图像重建，获得101个单能量图像。低能量水平图像组织对比增强，但噪声增高；高能量水平图像硬化伪影少，但组织对比减弱。而利用最佳对比噪声比曲线可以获得最佳对比的单能量图像[2]。对于门静脉成像而言，其能够以门静脉为目标、血管周围组织为背景获得最佳的单能量血管图像，使得门静脉的对比信噪比（CNR）达到最佳，可获得更加满意的血管重建图像[3，4]。目前能谱CT最佳单能量患者门静脉-肝实质的CNR曲线显示能量水平集中在40～75keV的低能量区域，如能降低其噪声，则可进一步提升图像质量[5，6]。而自适应迭代重建（ASiR）技术理论上可降低低能量水平图像的噪声，提升图像质量[7，8]。本文旨在评估分析基于能谱CT单能量成像及自适应迭代重建（ASiR）技术的门静脉成像图像质量，并与常规螺旋CT血管成像进行比较。

材料与方法

1.研究对象

搜集2014年4-9月中国医学科学院肿瘤医院完成上腹部增强扫描，临床有恶性肿瘤病史、治疗后随诊的患者90例。入选标准：①身高160～175cm，体质量50～75kg；②无肝脏、脾脏及消化道手术史；③无心功能障碍影响血液循环；④无碘对比剂使用禁忌症。将90例患者按照数字表发随机分为A组（最佳CNR单能量组）、B组（60keV＋40%ASiR组）及C组（常规螺旋CT组），每组30例。

A组男13例，女17例，年龄32～68岁，中位年龄55岁。其中肺癌6例，结肠癌9例，乳腺癌5例，胃癌4例，肝癌1例，淋巴瘤2例，宫颈癌3例。B组男10例，女20例，年龄19～71岁，中位年龄46岁。其中肺癌8例，结肠癌6例，肝癌3例，胰腺癌1例，乳腺癌4例，食管癌2例，胃癌3例，鼻咽癌1例，淋巴瘤1例，甲状腺癌1例。C组男12例，女18例，年龄36～64岁，中位年龄51岁。其中肺癌8例，结肠癌4例，乳腺癌6例，肝癌2例，胃癌5例，食管癌3例，膀胱癌1例，宫颈癌1例。

2.检查设备与方法

A组：采用GE Discovery CT750HD（HDCT）扫描仪，在注射对比剂后65s行肝脏门静脉期扫描。扫描范围自膈顶至髂前上棘水平。管电压0.5ms内80与140kV快速切换，自动管电流；层厚5mm，螺距0.984。对 比 剂 用 碘 海 醇（350mg I／mL），注 射 流 率2.5mL／s，注射量90mL。由能谱扫描数据采用FBP重建出层厚1.25mm、层间距0.8cm的能量范围为40～140keV的101组门静脉期图像。

B组：扫描设备与方法同上。由能谱扫描数据采用40%ASiR重建出层厚1.25mm、层间距0.8cm的60keV＋40%ASiR的门静脉期图像。

C组：采用GE Light speed VCT机，在注射对比剂后65s行肝脏门静脉期扫描，扫描范围自膈顶至髂前上棘水平。管电压为120kVp，管电流350mA，层厚5mm，螺距0.984。对比剂用碘海醇注射液（350mg I／mL），注射流率2.5mL／s，注射量90mL。扫描数据采用FBP重建出层厚1.25mm、层间距0.8cm的门静脉期图像。

3.图像后处理与分析

A组：将门静脉期能谱图像数据传入GE ADW 4.6工作站，使用Gemstone Spectral Imaging（GSI）软件包进行分析。选用70keV能量点的能谱图像测量门静脉主干和肝实质的CT值以及肝实质CT值的标准差。使用20～40mm2大小的ROI在肝门水平测量门静脉主干的CT值，用150～200mm2大小的ROI测量门静脉周围远离血管的正常肝脏组织的CT值以及标准差。用正常肝组织的标准差表示图像噪声。用公式计算出门静脉主干的CNR，CNR＝（CT门静脉-CT肝）／SD肝，其中CT门静脉表示门静脉主干的CT值，CT肝表示正常肝组织的CT值，SD肝表示正常肝组织的标准差。当在70keV能量点时，门静脉主干和肝实质上的ROI选定后，工作站会自动计算出门静脉主干在其他100个能量点的CNR值，建立CNR随能量的变化曲线，得出能谱CT成像中门静脉主干的最高CNR值以及相对应的最佳能量点，进而得出最佳能量点所对应的最佳单能量图像（图1，2）。

B组：将重组出的60keV＋40%ASiR的门静脉期图像测量门静脉主干和肝实质的CT值以及肝实质CT值的标准差。使用20～40mm2大小的ROI在肝门水平测量门静脉主干的CT值，用150～200mm2大小的ROI测量远离血管的正常肝脏组织的CT值以及标准差。

C组：在工作站中用浏览器观看增强常规扫描模式门静脉期图像，在肝门水平选择与能谱CT组尽量相似位置测量和计算门静脉主干CNR，并记录同层正常肝实质的标准差图像噪声。以上3组图像尽量选择相同位置的ROI。

图1 男，54岁，最佳CNR单能量组。a）在70keV图像上选择ROI测量门静脉主干及肝实质的CT值和肝实质CT值的标准差；b）工作站自动计算出门静脉主干在其他100个能量点的CNR值，建立CNR随能量变化的曲线，最佳keV值为59。

主观评价：将A、B、C组图像，隐藏图像参数信息。分别由2名具有10年以上工作经验的腹部影像诊断医师在PACS系统报告工作站、盲法下进行独立阅片，对总体图像质量进行主观评分。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。根据上述各项指标对门静脉成像质量作一综合主观评分，采用5分制的图像质量的评价方法。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；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；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；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；1分，肝静脉边缘模糊，与肝实质对比差，仅显示门静脉主干。评分者根据习惯自行调整窗宽窗位，取2位医师评分的平均作为图像质量的最终评分，3～5分的图像被认为可以接受。

4.统计学分析

应用SPSS 19.0统计软件，采用单因素方差分析比较3组图像中门静脉、肝实质的CT值及其差值、图像噪声、门静脉-肝实质的CNR以及图像质量评分。数据结果均采用均数±标准差表示。P＜0.05为差异有统计学意义。

结 果

三组患者的身高、体质量、体质量指数差异均无统计学差异（表1）。

A组30例患者门静脉-肝实质的CNR曲线显示门静脉最佳CNR单能图像能量水平集中在53～61keV，平均为（55.87±1.41）keV。A组在门静脉主干、肝实质的CT值及其差值均高于其它两组图像。B组图像噪声最低，CNR及图像质量评分最高（表2）。除A与B组的组内比较中肝实质CT值、CNR及图像质量评分差异无统计学差异外，其余均有统计学意义。

图2 女，71岁，最佳CNR单能量组。a）门静脉血管重建的MIP图；b）门静脉血管重建的VR图，门静脉边缘锐利，与肝实质对比佳，可显示门静脉主干第4级分支。

图3 男，67岁，60keV＋40%ASiR组。a）门静脉血管重建的MIP图；b）门静脉血管重建的VR图，门静脉边缘锐利，与肝实质对比佳，可显示门静脉主干第4级分支。

图4 男，52岁，常规螺旋CT组。a）门静脉血管重建的MIP图；b）门静脉血管重建的VR图，门静脉边缘较清楚，与肝实质对比度一般，可显示门静脉主干第3级分支。

表1 三组图像的身高、体质量、体质量指数

表2 三组图像的门静脉主干、肝实质的平均CT值及其差值、图像噪声、CNR及主观评分

讨 论

多排螺旋CT门静脉成像是现阶段较为常见的门静脉检查方法。目前，在临床已得到广泛的应用。其成像质量取决于门静脉的增强程度。而门静脉的增强程度受对比剂浓度、剂量、扫描方式、心功能、体循环、脾灌注、胃肠血液的稀释等诸多因素的制约。由于对比剂到达门静脉的时间较长，门静脉血管内对比剂浓度经体循环和门静脉药循环血液的稀释而减低，会影响门静脉增强的效果，低于动脉成像，因此，在避免对比剂，患者自身影响因素外，如何提高门脉成像质量是值得研究的问题。

能谱CT单能量技术针对特定组织或病变，可以选取相对于某一背景的最佳观察图像。同时可以去除硬化、金属伪影，充分发挥其薄层、重建等优势[11]。低能量水平图像组织对比增强，但噪声增高；高能量水平图像硬化伪影少，但组织对比减弱[12，13]。在某一能量水平，对比与噪声二者之间达到一个最好的平衡，目标组织与背景之间的衰减差异可以达到较大和噪声值较低，这一能量水平就是该目标组织的最佳keV值。最佳单能量技术能够以成像血管为目标、血管周围组织为背景获得目标血管最佳的单能量图像，使得目标血管的对比信噪比（CNR）达到最佳，可获得更加满意的血管重建图像。研究显示目前能谱CT最佳单能量门静脉-肝实质的CNR曲线显示能量水平集中在40～75keV的低能量区域[7，8]。本研究中A组通过门静脉期能谱扫描数据，经后处理得到的最佳CNR曲线而得出的最佳keV值，范围在53～61keV之间，平均为55.87keV左右，与文献报道一致。

滤波反投影重建技术（FBP）将每个投影数据经计算、滤过、反投影、加权，重建出图像。由于运算数据量小，重建速度较快的优势，目前应用较广泛。但其忽略了球管焦点、体素、探测器单元、X线束的大小和形状，不能反应数据采集过程中的真实情况，图像噪声大，质量欠佳。能谱CT的自适应统计迭代重建（ASiR）技术是基于噪声模型的数据空间的迭代重建。该技术通过分析每个独立测量中的光子的统计特征，并利用迭代的方法对噪声加以校正和抑制，得到更清晰的图像，并可以减少对比剂的用量[14-16]。根据不同图像质量及扫描剂量的要求，ASiR算法和FBP算法可以进行组合重建，组合重建中ASiR值即表示用于重建的原始数据中由ASiR算法重建的数据比例。ASiR可以在10%～100%之间选择。随着百分比的增高，图像噪声降低的幅度增高，但同时会引起空间分辨率的减低，导致图像的“模糊”效应。常规检查通常设置在30%～50%之间，射线剂量下降30%～50%[17]。国外学者研究认为将ASiR设置为40%时，既可以降低图像噪声，又不会对空间分辨率有显著的影响[18，19]。目前由于技术原因，60keV为能谱CT上可以实现的使用ASiR技术的最低能量值。因此，本研究中采用了一组60keV＋40%ASiR的图像与FBP重建的最佳CNR单能量及常规螺旋CT图像来进行比较。

研究中A组在门静脉主干、肝实质的CT值及其差值均高于其它两组图像，说明不论是门静脉的增强效果还是门静脉-肝实质的对比度，最佳CNR单能量图像均为最优。自适应统计迭代重建（ASiR）技术的应用可以有效的降低图像噪声，从而提高图像质量。从研究结果看在图像噪声方面B组图像在3组中最低，且差异有统计学意义，说明ASiR技术通过降低噪声，提高图像质量的强大功能。对比信噪比（CNR）是指门静脉-肝实质CT值差值与肝背景噪声之比，反映了相对于肝实质背景下，门静脉-肝实质的对比度。从CNR的 公式来看，CNR＝（CT门静脉-CT肝）／SD肝，55.87keV左右的最佳CNR单能量图像之所以能提高门静脉的显示质量主要是由于门静脉-肝实质的对比与图像噪声之间达到最好的平衡，两者的衰减差异可以达到较大和噪声值较低。而60keV＋40%ASiR的图像则主要是在60keV单能量图像的基础之上，利用ASiR技术降低图像的噪声而导致了图像质量的提升。从比较得出的结果来看，在门静脉成像中，B组的CNR在8.09左右，A组的CNR在6.81左右，分别是C组的2.45倍及2.06倍。因此，不论是最佳CNR单能量图像，还是60keV＋40%ASiR图像，其门静脉成像的质量较常规螺旋CT图像均有大幅度的提升。由于B组图像降低噪声的功能显著，导致了其CNR高于最佳CNR单能量组，虽然两两比较差异并无统计学意义，但也高出最佳CNR单能量组1.28。笔者分析B组图像的CNR之所以会高于A组图像，是因为40%ASiR降低图像噪声的优势略强于在55.87keV与60keV时门静脉-肝实质CT值的对比差异。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。研究结果显示3组图像的主观评分均＞3分，说明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，A、B组图像明显优于C组，A、B组图像评分均高于常规CT组。尽管B组的图像评分略高于A组，但在两两比较中，差异并无统计学意义。

综上所述，门静脉成像中最佳CNR单能量与60keV＋40%ASiR图像较之常规螺旋CT图像，其成像质量大大提高。最佳CNR单能量图像与60keV＋40%ASiR图像相比，在门静脉成像中各有千秋，前者的优势在于建立门静脉-肝实质对比差异与图像噪声之间的动态平衡，而后者则着力于图像噪声的降低，均可在临床血管成像方面广泛推广。

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