能谱CT脑动脉造影单能量图像质量优化研究

王爱敏，唐坤，李瑞，曹国全，潘克华，王镇章，林洁

（温州医科大学附属第一医院 放射科，浙江 温州 325015）



能谱CT脑动脉造影单能量图像质量优化研究

王爱敏，唐坤，李瑞，曹国全，潘克华，王镇章，林洁

（温州医科大学附属第一医院 放射科，浙江 温州 325015）

目的：探讨能谱CT不同单能量水平对脑动脉造影图像质量的影响，以确定最优化的单能量图像。方法：采用能谱CT对53例患者行脑CT动脉造影（CTA）检查。应用能谱分析软件，以10 keV间隔重建40～140 keV单能量脑CTA图像。测量并计算基底动脉、颈内动脉颅内段、大脑前、中、后动脉图像对比噪声比（CNR）、信号噪声比（SNR）；采用5分法对脑CTA图像的主观质量进行盲法独立评分。分别采用单因素方差分析和非参数秩和检验对各单能量脑CTA图像的客观和主观质量进行比较评价。结果：图像客观质量比较，60、70 keV 脑CTA图像CNR、SNR值较其他各单能量图像显著增加（P＜0.05），但60、70 keV间差异无统计学意义（P＞0.05）。单能量脑CTA图像噪声以70 keV为界，70～140 keV图像噪声显著低于40、50、60 keV单能量水平。而且70 keV图像主观质量评分结果较60 keV及其他各单能量图像评分结果显著增加。结论：能谱70 keV水平单能量脑CTA图像兼顾图像CNR、SNR及图像噪声，可作为最优化单能量水平。

体层摄影术，X线计算机；脑动脉造影术；单能量；图像质量

宝石能谱CT单能量成像技术可使相同物质的衰减系数恒定，能有效避免硬化效应的产生，显著提高图像质量，因此能谱CT成像（gemstone spectral imaging，GSI）已在临床逐渐开展应用，尤其在高对比血管成像中的应用更为广泛。为保证血管成像的图像质量，选择最优化的单能量水平甚为重要，目前研究报道多集中在胸腹部血管［1］、肺血管［2］及冠状动脉［3］等血管成像，有关脑动脉等细小血管成像的最优化单能量技术的研究仍少见报道。本研究旨在分析探讨能谱CT不同单能量水平对脑CT动脉造影（CTA）图像质量的影响，以确定最优化的单能量图像。

1　对象和方法

1.1 研究对象 自2015年3月至2015年8月在我院需行能谱CT脑动脉造影检查的连续患者，既往行颅脑手术者、诊断为烟雾病者、对碘对比剂过敏及严重心肾功能不全者不纳入观察。53例患者纳入研究，其中男32例，女21例，年龄29～81岁，平均（52.78± 15.22）岁。临床病史为头晕、头痛者18例，脑梗死者12例，脑出血者8例，脑外伤者3例，脑动脉瘤者5例，高血压者20例，糖尿病者13例。检查前均签署知情同意书。本研究经本院伦理委员会审查通过。

1.2仪器和方法 53例均采用美国GE Discovery能谱CT 750HD CT仪行增强能谱扫描模式。扫描范围从颅底至颅顶。对比剂选用碘佛醇（含碘320 mgI/mL），采用Acist型双筒高压注射，以4.0 mL/s流率注射50～60 mL，随后以相同速率注射0.9%氯化钠溶液20～30 mL。采用阈值触发扫描技术，阈值设为100 HU。扫描参数：管电压为80、140 kVp瞬时高速切换，管电流为360 mAs，螺距0.531，层厚5.0 mm，层间距5.0 mm，FOV 25 cm，矩阵512× 512，重建层厚0.625 mm，重建间隔0.625 mm。以10 keV为间隔，将40～140 keV共11组单能量脑CTA原始数据传输至ADW 4.6工作站进行后处理。

1.3图像分析 脑CTA横断位图像分别测量基底动脉（basilar artery，BA）、左右两侧颈内动脉（internal carotid artery，ICA）颅内段、大脑前动脉（anterior cerebral artery，ACA）、大脑中动脉（middle cerebral artery，MCA）及大脑后动脉（posterior cerebral artery，PCA）的CT值，每支血管近、中、远各段各测量1次，取其平均值代表该血管CT值。CT值测量感兴趣区（ROI）尽可能大，并避开钙化区。以枕叶脑实质（occipital lobe parenchyma，OLP）为血管周围本底组织［4］，左右各测量3次，测量ROI面积相同（100 mm2），取其平均值代表本底CT值。所有测量均由放射科1位高年资医师独立完成。

以OLP CT值的标准差（SD）为图像噪声，取左右两侧测量结果的平均值。图像对比噪声比（contrast-to-noise ratio，CNR）及信号噪声比（signal-to-noise ratio，SNR）计算公式如下：CNR=（血管CT值-脑实质CT值）/图像噪声；SNR=血管CT值/图像噪声。在不知扫描参数的情况下，由2名有经验的放射科医师对图像质量进行盲法独立评价。采用5分评价法分别对脑动脉血管边缘形态、小动脉细节显示、静脉干扰及整体图像质量进行评价［5］。1.4 统计学处理方法 采用SPSS17.0统计软件对所有数据进行统计分析。两样本间的均数比较采用独立样本t检验；多组间的均数比较采用单因素方差分析，其两两比较采用LSD法。图像主观评分差异用非参数秩和检验进行比较；2名观察者间的观察一致性采用Kappa检验进行评价，K值大于0.60认为一致性较好。P＜0.05为差异有统计学意义。

2　结果

2.140～140keV各组单能量脑CTA图像噪声结果

随着单能量水平的增加，图像噪声逐渐降低，其中以70 keV为分界，70～140 keV各组图像噪声较40、50、60 keV组均明显减低（均P＜0.05），但70～140 keV各组间图像噪声差异无统计学意义（均P＞0.05）。见表1。

表1　各单能水平脑CTA图像噪声结果（n=53，±s）

表1　各单能水平脑CTA图像噪声结果（n=53，±s）

注：图像噪声以70 keV为界，70～140 keV图像噪声显著低于40～60 keV单能水平

单能水平（keV）　40　50　60　70　80　90　100　110　120　130　140 SD　18.49±5.76　13.98±3.58　10.42±1.32　8.11±1.32　8.03±1.14　7.82±1.39　7.53±1.10　7.26±1.28　6.96±1.38　6.95±1.35　6.70±1.46

2.240～140keV各组单能量脑CTA图像CNR、SNR结果 60、70 keV单能量图像BA、ICA、ACA、MCA、PCA 的CNR、SNR值分别为（41.27±11.37、43.72±10.48、33.01±8.07、33.88±7.46、31.06±7.46）、（44.90± 8.56、48.51±11.42、34.08±7.15、38.27±8.37、35.41±8.54）和（40.07±8.57、42.26±8.87、33.83±3.68、35.52±8.79、31.43±3.66），（43.10± 5.60、46.49±8.45、34.31±3.17、38.19±9.10、34.40±4.19），2组间差异均无统计学意义（P＞0.05），但与其他各单能量水平比较明显增加，差异有统计学意义（P＜0.05）。见表2。

2.3单能量图像结果 70 keV单能量图像对于脑动脉边缘形态、小动脉细节显示、静脉干扰及整体图像质量评分结果分别为4.47、4.15、4.25及4.31，与60 keV及其他各单能量水平比较明显增加，差异有统计学意义（均P＜0.05），见图1。2名医师的观察结果一致性K值为0.71，说明两者一致性较好，可信度高。

3　讨论

表2　各单能量水平脑血管CNR、SNR结果（n=53，±s）

表2　各单能量水平脑血管CNR、SNR结果（n=53，±s）

注：60、70 keV与其他各单能量组CNR、SNR比较明显增高（P＜0.05）

SNR BA　ICA　ACA　MCA　PCA　BA　ICA　ACA　MCA　PCA 40　33.70±7.01　31.95± 5.82　24.32±5.39　28.08±5.68　25.89±6.11　35.81± 4.23　34.69± 5.44　27.50±6.41　31.27±6.80　28.92±6.95 50　35.42±8.06　33.62± 5.76　24.74±8.68　27.87±5.74　26.03±5.78　36.26± 3.80　38.07± 7.26　27.35±7.32　31.12±6.15　28.34±5.85 60　41.27±11.37　43.72±10.48　33.01±8.07　33.88±7.46　31.06±7.46　44.90± 8.56　48.51±11.42　34.08±7.15　38.27±8.37　35.41±8.54 70　40.07± 8.57　42.26± 8.87　33.83±3.68　35.52±8.79　31.43±3.66　43.10± 5.60　46.49± 8.45　34.31±3.17　38.19±9.10　34.40±4.19 80　25.02± 5.39　24.45± 3.95　17.34±5.90　21.69±5.61　18.21±4.49　29.68± 5.54　29.11±10.12　22.00±6.24　26.35±5.65　22.86±4.76 90　19.17± 4.71　19.10± 4.96　14.39±4.73　16.70±3.81　15.43±3.95　23.20± 5.01　29.40± 3.88　18.42±5.18　20.73±4.12　19.45±4.36 100　19.20± 2.37　17.93± 3.20　14.01±3.98　16.28±2.61　14.99±3.41　23.73± 2.71　22.46± 5.96　18.54±4.19　20.81±2.75　19.52±3.79 110　16.49± 4.05　14.78± 4.86　11.83±3.42　14.25±3.57　12.78±2.37　20.82± 4.28　19.11± 3.47　16.16±3.61　18.58±3.82　17.11±2.57 120　13.82± 3.25　12.81± 3.32　10.09±3.12　11.35±3.08　10.97±1.81　18.20± 3.92　17.20± 5.18　14.48±3.39　15.73±3.89　15.36±2.46 130　13.10± 2.83　12.26± 2.54　9.56±2.19　11.04±1.93　9.62±2.65　17.59± 3.11　16.75± 4.13　14.05±2.60　15.53±2.35　14.11±2.43 140　14.06± 4.17　9.79± 2.97　8.39±3.23　8.49±2.50　8.77±2.44　28.00±11.42　13.50± 2.99　12.09±4.23　12.19±3.46　12.47±3.47 F 22.34　17.07　16.85　17.18　19.33　24.68　32.18　22.41　24.60　26.50 P 0.000　0.000　0.000　0.000　0.000　0.000　0.000　0.000　0.000　0.000单能量水平（keV）CNR

a-k分别为40～140 keV单能量组脑CTA图像；d（70 keV）示脑动脉边缘形态、小动脉细节显示、静脉干扰及整体图像质量均较其他各组佳图1 各单能量水平脑CTA示意图

随着我国人口老年化程度的不断提高，脑血管疾病的发生率逐年上升。目前数字减影血管造影（digital subtraction angiography，DSA）为诊断脑血管疾病的“金标准”。但DSA为有创性检查，操作技术复杂且有约1%～2.3%的手术并发症发生率［6］。脑CTA检查脑血管疾病在临床已得到了广泛认可，但常规多层螺旋CT采用混合能量X线，物质的CT值会“漂移”，并产生硬化效应，图像固有的CNR较低而影响图像观察，尤其对脑血管等细小血管的观察影响较大。能谱CT探测器由宝石和稀有元素组成，其探测效能较传统CT探测器显著增加，通过X线80、140 kVp电压间0.5 ms瞬时切换技术从而获得40～140 keV多组单能量图像，能够避免线束硬化带来的CT值“漂移”。

理论上，X线能量越低，其穿透组织的能力越弱，组织衰减吸收增加，即CT值增加，组织对比度增加，但是图像噪声亦随之增加；反之，X线能量越高，其穿透组织的能力越强，组织衰减减少，即CT值减低，组织对比度减低，但图像噪声减低［7］。因此在选择脑CTA最佳单能量水平时，需对图像噪声、图像CNR及SNR进行综合权衡。

本研究结果显示，60 keV与70 keV单能量水平图像CNR、SNR值2组间无明显差异，且较其他各组单能量水平显著增加，说明选择60 keV或70 keV作为显示脑CTA图像的单能量水平比较合适。但是由于低单能量X线能量过低，其X线穿透力下降，相应达到靶极的X线有效光量子则减少，从而导致图像噪声增加。有研究［8］认为单能量图像的噪声与40～140 keV单能量水平间并非呈单一线性关系，而是呈开口向上的类似抛物线关系，并表明在70 keV单能量水平时图像噪声最低。本组实验结果同样证实脑CTA图像噪声以70 keV单能量水平为界，40、50、60 keV单能量图像噪声均显著高于70～140 keV单能量水平图像。故权衡CNR、SNR及图像噪声，70 keV 与60 keV比较虽然图像CNR、SNR 2组间无显著差异，但70 keV同时兼顾了图像噪声，因此较60 keV更适合作为脑CTA成像的最佳单能量水平。

研究［9］认为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。同时，也有研究［10］认为图像噪声增加会对脑动脉后循环血管的影响较大，这与本研究主观质量评价结果相符。本研究显示60 keV单能量水平图像由于受噪声影响，其脑动脉边缘形态、小动脉细节显示、静脉干扰及整体图像质量评分均低于70 keV单能量水平图像。故此，无论是客观图像质量评价还是主观图像质量评价，70 keV单能量水平均为脑CTA成像的最佳单能量水平选择。

此外，本研究存在一定局限性：①本研究样本量偏小，所得结论尚需加大样量本进一步论证；②对比剂的注射剂量未根据患者的体质量指数进行相应调整，可能会对脑血管的强化程度造成一定影响；③脑血管尤其是远段血管管径过小，CT值测量过程中不可避免存在一定测量误差。

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（本文编辑：赵翠翠）

Imaging quality optimization of CT cerebral angiography by using single source spectral CT

WANG Aimin，TANG Kun，LI Rui，CAO Guoquan，PAN Kehua，WANG Zhenzhang，LIN Jie. Department of Radiology，the First Affiliated Hospital of Wenzhou Medical University，Wenzhou，325015

Objective： To determinate the optimal keV levels of single source spectral CT by evaluating imaging qualities of CT cerebral angiography. Methods： A total of 53 cases underwent spectral CT were enrolled in this study. All images of cerebral angiography were reconstructed by software of spectral CT from 40 to 140 keV in 10 keV increments. The mean vessel attenuation and the contrast-to-noise ratio （CNR），signal-to-noise ratio （SNR） of the following arteries： basilar artery，internal carotid artery，anterior cerebral artery，middle cerebral artery and posterior cerebral artery were measured and calculated respectively. Subjective assessment on imaging quality was performed by using a 5-point scoring system. The results of objective image quality among different keV levels were compared using one-way analysis of variance. For subjective assessment，the Nonparametric Wilcoxon test was used to analyze the differences in subjective scores. Results： The image noise at 70-140 keV levels was statistically lower than that at 40，50 and 60 keV levels. The image CNR and SNR between 60 keV and 70 keV levels showed on statistically differences，but markedly higher than other keV levels （P＜0.05）. The scores of subjective image quality at 70 keV level were all higher than other keV levels including 60 keV level （P＜0.05）. Conclusion： The 70 keV level can be commended as an optimal keV setting for spectral CT cerebral angiography by improving image CNR，SNR and reducing image noise.

tomography，X-ray computed； cerebral angiography； single-energy； image quality

R814.42

B DOI： 10.3969/j.issn.2095-9400.2016.08.013

2015-11-03

温州市科技局科技计划项目（Y20130146，Y20140029）。作者简介：王爱敏（1982-），女，浙江平阳人，主管技师。

曹国全，副主任技师，Email：122257935@qq.com