能谱CT单能量联合迭代重建对图像质量的影响

陈晓，曹国全，潘勇，林晓敏，王爱敏

（温州医科大学附属第一医院　放射科，浙江　温州　325015）

·论著·

能谱CT单能量联合迭代重建对图像质量的影响

陈晓，曹国全，潘勇，林晓敏，王爱敏

（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单能量联合迭代重建对图像空间分辨率、密度分辨率、低对比可探测能力等图像质量指标的影响。方法：利用能谱CT对Catphan 500体模进行扫描，对扫描后的图像分别重建45～135 keV 10级单能量图像，同时对每级单能量图像进行从10%到100%的不同迭代权重重建。选用Catphan 500体模的CTP528模块测量图像的空间分辨率；选用CTP515模块测量密度分辨率；以CTP515模块中对比度为1%、直径为9.0 mm的圆柱体为观察对象，分析图像的低对比可探测能力。采用多因素方差分析比较不同单能量及不同迭代重建水平对图像质量的影响。结果：迭代权重不变时，随着单能量数值的升高，对空间分辨率可分辨的线对数为：7、7、6、6、6、6、6、6、6、6 LP/cm；密度分辨率呈下降趋势，在55 keV、65 keV时最高；低对比可探测能力呈下降趋势，在55 keV、65 keV时最高。不同单能量对空间分辨率、密度分辨率、低对比可探测能力的影响差异均有统计学意义（P＜0.05）。当单能量keV不变时，随着迭代权重比例的提高，对空间分辨率的影响差异无统计学意义（P＞0.05）；对密度分辨率和低对比可探测能力的影响差异均有统计学意义（P＜0.05）。结论：以5 mm的层厚做能谱CT扫描时，45 keV至65 keV较低的单能量图像联合20%权重迭代算法可以获得相对较高的图像质量。

体层摄影术，X线计算机；能谱；空间分辨率；密度分辨率；低对比可探测能力

随着CT能谱成像（gemstone spectral imaging，GSI）在临床上的推广和应用，单能量成像、能谱曲线、物质定量分析等的优势成为研究热点［1-2］。自适应统计迭代重建算法（adaptive statisticaliterative recon，ASiR）通过建立噪声性质和被扫描物体的模型，利用迭代的方法对噪声加以校正和抑制，可以在低剂量扫描的条件下得到清晰的图像［3］。但是有研究［4］报道该算法会降低图像的空间分辨率。本研究以Catphan 500体模模拟腹部低对比的特点，通过对其进行GSI扫描，较客观地评价单能量图像及ASiR对空间分辨率、密度分辨率、低对比可探测能力（low contrast detestability，LCD）等图像质量指标的影响。

1 资料和方法

1.1 扫描设备及参数 美国GE公司Discovery CT 750HD能谱CT机及AW4.6工作站。选用国际公认的Catphan 500型CT质量评价检测体模。该体模由一个外径为30 cm的圆筒和并排填充在圆筒内的四个模块构成，可以模拟标准腹部对X线的吸收［5］。本实验利用其中的CTP528和CTP515模块测量图像的空间分辨率、密度分辨率和LCD。GSI扫描模式（单源瞬时kVp切换），管电流为375 mA，旋转时间0.7 s，探测器宽度40 mm，扫描野50 cm，层厚5 mm，螺距0.984，CTDIvol为16.38 mGy。单能量图像选择Datafile重建，迭代重建算法从10% ASiR到100% ASiR以10%为间隔分别重建10组图像。

1.2 图像质量评价 将扫描并重建后的图像传至AW4.6工作站，单能量图像选取45～135 keV以10 keV为间隔的图像10个序列，每1序列又有从10% ASiR到100% ASiR以10%为间隔的重建图像10组，共计100组图像。选择CTP528或CTP515模块中间固定床位层面，在工作站上适当放大，不显示扫描参数，由3名高年资的放射科医师对图像进行计算评价。

图像的空间分辨率采用主观方法来评估，把高对比分辨率模块CTP528的重建图像窗宽调至最小，调整窗位，记录没有断缺和粘连的最高一级线对数。在低对比度模块CTP515的图像中，有呈放射状分布的内外2组低密度孔径结构。以对比度为1.0%，直径分别为2、3、4、5、6、7、8、9、15 mm的外层孔径作为判读目标，识别所能分辨的最小孔径尺寸。LCD的主观评价选取对比度为1.0%（即与周围本底的密度相差10 HU）、直径为9.0 mm的圆柱体作为观察对象。参考胡敏霞等［6］LCD评分采用5分制，其中5分为观察目标的边缘有3/4周以上清晰可见，并可测量其直径；4分为观察目标的边缘有1/2～3/4周清晰可见，并可测量其直径；3分为观察目标边缘有1/2周以上显示不清，其直径不可测量；2分为观察目标可疑显示；1分为观察目标未见显示。评价图像密度分辨率和LCD时采用的窗宽（WW）、窗位（WL）按如下公式计算：WL=（目标CT+背景CT）/2，WW=（目标CT-背景CT）+5 SDmax（SDmax为背景CT值和目标CT值中最大的标准差）。

在AW4.6工作站上进入GSI Viewer处理能谱扫描数据，利用Optimal CNR功能在CT515模块图像中找出不同ASiR权重的最佳对比噪声比图像。

1.3 统计学处理方法 采用SPSS19.0统计软件。评分结果用±s表示，不同单能量及不同迭代重建水平对空间分辨率、密度分辨率和LCD的影响采用多因素方差分析。P＜0.05为差异有统计学意义。3名医师对所得图像评价的一致性程度采用Kappa检验，Kappa＞0.60认为一致性较好。

2 结果

2.1 空间分辨率 当ASiR迭代权重比例不变时，不同keV单能量图像在45 keV和55 keV时，可分辨的最小线对均为7 LP/cm，随着keV继续升高，空间分辨率下降为6 LP/cm，如图1所示。不同keV单能量对空间分辨率影响差异有统计学意义（F= 308.978，P＜0.05）。当单能量keV不变时，随着迭代权重比例的提高，对空间分辨率的影响差异无统计学意义（F=1.867，P＞0.05）。3名评价者的Kappa值分别为0.942、0.911、0.911，一致性较好。

图1 不同单能量对空间分辨率的影响

2.2 密度分辨率 当ASiR迭代权重比例不变时，不同keV单能量图像在45 keV和55 keV时，可分辨的最小尺寸目标孔径为3～4 mm，随着keV继续升高，密度分辨率逐渐下降，如图2所示。不同keV单能量对密度分辨率影响差异有统计学意义（F=126.408，P＜0.05）。当单能量keV不变时，随着迭代权重比例的提高，密度分辨率在20% ASiR时能辨别的孔径直径最小，如图3所示。不同迭代权重对密度分辨率影响差异有统计学意义（F=4.477，P＜0.05）。3名评价者的Kappa值分别为0.774、0.636、0.579，一致性较好。

图2 不同单能量对密度分辨率的影响

图3 不同迭代权重对密度分辨率均值的影响

2.3 LCD 当ASiR迭代权重比例不变时，不同keV单能量图像在55 keV和65 keV时，LCD评分最高，随着keV继续升高，LCD评分逐渐下降，如图4所示。不同keV单能量对LCD的影响差异有统计学意义（F= 115.909，P＜0.05）。当单能量keV不变时，LCD在ASiR为20%时最好，如图5所示。ASiR对LCD的影响差异有统计学意义（F=8.728，P＜0.05）。3名评价者的Kappa值分别为0.823、0.747、0.773，一致性较好。

2.4 最佳对比噪声比 CTP515模块中软件计算最佳CNR。当ASiR等级从10%到100%时，该体模测量的最佳CNR落在65 keV左右，如图6所示（图示为ASiR为80%时测量所得）。

图4 不同单能量对LCD的影响

图5 不同迭代权重对LCD均值的影响

3 讨论

迭代重建是目前用于降低图像噪声的主流图像重建方法，在低剂量扫描的条件下可以保证较高的图像质量，并得到临床诊断的认可，此类研究，尤其在腹部方面的研究［7-8］已广泛开展。ASiR是一种全新的基于迭代的图像重建技术，具有从0～100%的权重系数，以10%为间隔，随着权重的增大，权重中迭代所占的比例也会越来越大，图像的噪声将会不断地减少，但重建时间也会加长［9］。现在应用较多的是ASiR算法和FBP算法进行组合重建而得到所需的图像，组合重建中ASiR值即表示用于重建的迭代算法比例，该值越高最终形成图像的噪声就越低，同时由该算法导致的图像“模糊”效应也越明显［10］，可能会导致图像质量下降。能谱CT在腹部检查［11］中应用最为广泛，通过80 kVp和140 kVp瞬时切换技术，可以获得40 keV到140 keV连续的101个序列的单能量图像。如何在GSI扫描模式下选取可供临床诊断的较高图像质量的联合迭代重建的单能量图像具有重要的临床意义。

图6 CTP515模块在ASiR为80%时的最佳CNR单能量

腹部组织器官之间的密度相近，构成一个相对低对比环境，尤其当腹部脏器的病灶较小、与周围正常组织密度差不大时，对图像的评价显得更为重要。在一些病例中，病灶与周围正常组织的密度差仅为数个CT值。因此，本研究以与周围本底相差10 HU、直径为9.0 mm的低对比物模拟腹部低对比环境，对不同单能量联合迭代重建的图像的LCD进行比较。

本研究中，通过体模研究明确了单能量联合迭代重建对空间分辨率、密度分辨率、LCD的重要的图像质量指标的影响。据研究结果，不同的keV对空间分辨率、密度分辨率和LCD的影响差异均具有统计学意义，由图1、2、4可以看出，各项指标均随着keV的升高呈下降趋势，空间分辨率和密度分辨率在45 keV和55 keV时最高，LCD在55 keV和65 keV时最高。这与AW4.6工作站中的最佳CNR软件分析结果（见图6）基本一致，即较高CNR落在45 keV～70 keV之间，且在65 keV时最佳。

本研究中，不同的ASiR权重比例对空间分辨率的影响差异无统计学意义，如图2所示，这与Gervaise等［12］的研究结论相符，即迭代算法对图像的空间分辨率没有影响。但迭代算法对密度分辨率和LCD有着较大的影响，由图3、5可以看出，在20% ASiR时密度分辨率和LCD的评分最高，在30%到100%的ASiR比例中，虽然图像的噪声降低了，但图像的“模糊”效应也越明显，使得观察细小目标的能力反而下降，图像质量整体有下降的趋势。林晓珠等［13］的研究发现腹部CT能谱扫描时，65 keV单能量图像的噪声低于120 kVp常规扫描，与20%～40% ASiR图像噪声相当，推荐临床应用。Machida等［14］研究了65 keV下ASiR等级对图像质量的影响，在GSI扫描时，发现选定的扫描协议下使用或不使用ASiR对图像质量的影响较常规扫描的图像质量没有意义，但可以通过改变协议，在低剂量条件扫描下通过使用ASiR来提高图像质量使之与高剂量条件下扫描的图像质量相当，这与本研究结果一致。

本研究也存在一定的局限性：首先，体模跟人体实际腹部结构有差异，尤其是目标的最佳CNR的单能量会因病灶的种类和特点而不同，使得空间分辨率、密度分辨率和LCD的评价略有偏移；其次，本实验中选用的GSI扫描模式为375 mA，CTDIvol为16.38 mGy，大FOV的协议，较符合患者常规扫描条件，但其他多变量的扫描协议对图像质量的影响与本研究结论的一致性还需要进一步研究。

总之，腹部能谱CT以5 mm的层厚扫描时，45 keV至65 keV较低的单能量联合20%权重迭代算法可以获得相对较高的图像质量，推荐在临床中使用。

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（本文编辑：丁敏娇）

Infl uence of spectral CT monochromatic imaging in combination with iterative reconstruction algorithm on image quality

CHEN Xiao， CAO Guoquan， PAN Yong， LIN Xiaomin， WANG Aimin. Department of Radiology，

the First Affiliated Hospital of Wenzhou Medical University， Wenzhou， 325015

Objective: To explore the effect of spectral CT monochromatic imaging in combination with adaptive statistical iterative reconstruction （ASiR） algorithm on the spatial resolution， density resolution and low-contrast detectability （LCD） of image in energy spectrum scanning. Methods: Catphan 500 phantoms were scanned using Gemstone Spectral CT. The images were reconstructed for 10 level of single energy from 45 keV to 135 keV， and meanwhile， the ASiR was applied to each keV from 10% to 100%. The CTP528 and CTP515 Catphan phantoms were used to measure the spatial resolution and density resolution， respectively. CTP515 cylinder phantoms with contrast ratio of 1% and diameter of 9.0 mm were chosen as research subjects to analyze low-contrast detectability （LCD） of images. The image quality was compared with multiple factors analysis of variance. Results: In a certain ASiR， as for spatial resolution， the distinguishable line pair per centimeter from 45 keV to 135 keV were 7， 7， 6， 6， 6， 6， 6， 6， 6 and 6 LP/cm， respectively. The density resolution and LCD decreased with the increasing of keV， and reached peaks at 55 and 65 keV. Different single energy was statistically signifi-cant （P＜0.05） on the spatial resolution， density resolution and LCD. When keV was fixed， ASiR was statistically significant （P＜0.05） on the density resolution and LCD， while there was no statistical difference on spatial resolution （P＞0.05）. Conclusion: Low single energy （45 keV to 65 keV） combined with 20% ASiR can achieve relatively high image quality in energy spectrum scanning with 5 mm slice thickness.

tomography， X-ray computer； energy spectrum； spatial resolution； density resolution； low-contrast detectability

R814.42

A

10.3969/j.issn.2095-9400.2016.09.003

2015-11-03

浙江省自然科学基金资助项目（LY15H030016）。

陈晓（1990-），女，浙江温州人，助理工程师。

曹国全，副主任技师，Email：122257935@qq.com。