肝脏门静脉期双能CT：单能量图像与融合图像的比较

李 莲王建杰杨克柽陈 伟

肝脏门静脉期双能CT：单能量图像与融合图像的比较

李 莲1王建杰2杨克柽2陈 伟1

目的：探比较双能CT（DECT）的单能量图像和融合图像在肝脏门静脉期增强的应用效果。方法：配置不同浓度碘对比剂溶液制成体模原型，在Siemens SOMATOM Definition Flash扫描仪上，采用上腹部推荐协议先后执行常规120kVp扫描和100/Sn 140kVp双能扫描。其中，后者所采集图像数据分别重建得到权重配比为0.5的线性融合图像（M_0.5）、最优非线性融合图像（OCM）和根据对比度噪声比（CNR）能谱曲线优选的单能量图像（Mono）。计算对比度、CNR和品质因数（FOM）以比较图像质量。回顾分析30例上腹部双能CT增强检查，比较门静脉期不同重建图像的肝实质和门静脉主干的增强幅度，并采用6分量表法对最大密度投影（MIP）和容积再现（VR）图像进行主观评价。结果：体模实验中，与120kVp图像相比，M_0.5图像的对比度无显著差异（P=0.239）但CNR提高16.3%；DECT三种重建图像中，OCM和Mono图像的对比度、CNR分别比M_0.5图像提高33.3%、32.3%和16.6%、6.1%；DECT三种重建图像的FOM比120kVp图像分别提高10.3%、94.2%和24.5%。临床病例的门静脉期OCM和Mono图像的肝实质和门静脉主干增强幅度比M_0.5图像分别提高20.4%、19.2%和16.2%、15.9%；MIP和VR图像的评分中，OCM组和Mono组无显著差别（P=0.317），均显著高于M_0.5组（P＜0.001）。结论：在上腹部DECT增强检查中，为提高肝脏门静脉期图像增强效果应重建OCM图像。

双能CT；肝脏门静脉期；单能量图像；非线性融合；增强

双供血特点导致肝脏CT增强检查的门静脉期图像难以达到预期效果，从而直接影响诊断可靠性。研究表明，除了增加对比剂剂量和优化扫描定时以外[1]，利用碘的k边缘效应，适当降低球管电压kVp值可提高增强效果[2-4]。与传统单能CT（single-energy CT， SECT）不同，双能CT（dual-energy CT，DECT）同时采集两组高低不同kVp值的X射线投影数据，可回顾性重建融合或虚拟单能量（virtual mono-energy， Mono）图像，达到相当于降低kVp值的效果。其中，融合图像的重建按高低能量图像权重分配方法的不同主要有线性和非线性之分，后者更能够显著提高增强效果并且抑制噪声水平[5-8]；Mono图像模拟单能量X射线扫描所得，有效抑制射束硬化效应、提高细节显示，在肝脏检查中选择适当的能级可显著改善病灶显示、提高诊断可靠性[9-12]。但是，这两种重建图像在肝脏增强应用中的比较，目前少有报道。我们的前期体模实验已经证实，采用DECT结合回顾性图像重建可大幅提高增强，在保持图像质量不变的情况下对比剂剂量最高可减少约40%[13]。本研究的目的就是此基础上，进一步通过临床实验探讨DECT不同回顾性重建图像在门静脉期增强的质量差别，以作为优化肝脏CT检查方案的依据。

方 法

1. 体模实验

1.1. 体模制作：碘比醇注射液（XENETIX@300，法国加柏GUERBET ）用蒸馏水稀释，配制浓度分 别 为1、2、4、6、10、12、14和16mgI/ml的溶液，封装于15ml离心管（Corning@，美国康宁Corning）中。封装过程注意避免气泡残留。把9只试管按顺序固定，浸浴在装满纯水的横截面周长为86cm、尼龙复合膜（PA+PE）塑料密封袋中，两端适当加压使其截面近似呈椭圆形，以模拟上腹部。

1.2 CT扫描协议：在Siemens SOMATOM Definition Flash扫描仪上，小心摆放体模使中心线与扫描野中心重合，采用厂家推荐的上腹部协议，先后执行SECT扫描和DECT扫描。前者的参数设置如下：120kVp，勾选CARE Dose4D，管电流参考值210mA，准直器宽度128×0.6mm，扫描野直径360mm，螺距0.6，机架旋转周期0.5s。后者的参数设置如下：A、B球管电压分别为100kVp和Sn 140kVp，勾选CARE Dose4D，mAs参考值分别为230和178，准直器宽度2×40×0.6mm，余与前同。

1.3 图像重建和分析：采用西门子多模图像工作站的Syngo双能量后处理软件进行，选择相同层厚（5mm）和卷积核（B30f）。首先，选择线性融合按钮，调整滑块至中间位置得到M_0.5图像；也可在扫描协议的“Recon”选项里设置Series：A+B+M，DE Comp：0.5，扫描完成后自动生成。其次，选择“Optimum Contrast”子菜单按推荐方案（窗位c=150，窗宽w=200）重建最优非线性融合（optimum contrast mixed， OCM）图像。最后，选择“Monoenergetic”子菜单根据对比度噪声比（contrast-noise ratio， CNR）能谱曲线选择重建最优的Mono图像。

在上述三种重建图像及120kVp图像中选择目标物质显示良好的层面，手绘直径0.8cm（约200个像素）圆形感兴趣区（region of interest， ROI），采用“复制—黏贴”方法并尽量使之居于目标图像的中心，测量各溶液的CT均值，记为ROIS。在体模中心背景物质（水）分别同样大小的ROI，测量均值CT值和标准差，记为ROIB和SDB，后者作为图像噪声水平。那么，不同浓度溶液的对比度C=ROISROIB，CNR=（ROIS-ROIB）/SDB。

调节mAs将直接影响图像质量，在其他扫描条件不变的情况下，CNR正比于X射线辐射剂量的平方根。所以，品质因数（figure of merit， FOM）可定义为CNR2/E，用于评价当辐射剂量相同时的图像质量差异[4]。其中，E通常用CT剂量指数即CTDIvol表示，在扫描完成后的剂量报告中读取。

2. 临床实验

2.1 一般资料：回顾性连续采集我院2015年1月份行上腹部DECT增强检查患者的图像资料共30例，筛选标准：病灶范围较小，肝实质和门静脉的显示不影响图像分析。其中，男18例，女12例；年龄31～79岁，平均（52.8±12.9）岁；平均体重（63.6±11.0）kg；肝脏占位病变6例，脂肪肝或肝硬化5例，治疗后复查5例，肝癌4例，其他10例。

2.2 扫描协议：采用与体模实验相同的CT扫描仪。在多期扫描中，除增强前平扫期采用SECT扫描方式外，动脉期、门静脉期和平衡期均用DECT扫描方式，参数设置参照体模实验。碘对比剂（碘比醇注射液，XENETIX@300；法国加柏GUERBET ）的剂量体重比按1.80ml/kg（相当于540mgI/kg）计算，采用高压注射器（Missour XD2001，德国欧利奇Ulrich），注射时长控制在20～25s，冲刷生理盐水均为30ml。由于系统默认采用Sn140kVp扫描图像作为触发图像，对比剂自动跟踪的动脉期触发阈值设为120HU，大约相当于120kVp图像的150HU。

3. 图像重建和分析

DECT图像重建采用与体模实验相同的方法，并在Syngo双能量后处理软件的3D功能选项中载入三种层厚均为1.5mm的DECT薄层重建图像序列，选择门静脉血管显示优良的斜轴位重建最大密度投影（MIP）和容积再现（VR）图像。在120kVp平扫图像序列和DECT三种门静脉期重建图像序列中，选择位置相同的门静脉主干水平层面，分别于肝左叶和右叶前、后段距离肝脏边缘约2cm的适当位置（注意避开血管和胆管）分别取面积为0.4cm2（约100个像素）的小圆形ROI并记录CT均值，取平均值，计算增强图像与平扫图像测量值之差为肝实质增强幅度；于门静脉主干内取适当大小的小圆形ROI，面积为0.3cm2左右（约80个像素），同理测量和计算门静脉增强；于背部皮下脂肪或肌肉组织显示较均匀处取面积为0.4cm2（约100个像素）的小圆形ROI，记录CT值标准差SD，作为图像噪声水平参考值。ROI的选择采用“拷贝-黏贴”方法，以保证数据的可比性。

MIP和VR图像的主观评价按照双盲原则，由2名经验丰富的临床诊断医师采用等级量表法分析门静脉分支显示效果，当他们意见不同时，由第三名高年资诊断医师的意见为准。把肝脏门静脉树按解剖结构分为：门静脉主干为1级，左右分支为2级，前后分支为3级，以此类推，共6级。每增加显示一级，图像评分增加一分，最高为6分。

4. 统计学分析

采用SPSS 16.0统计软件，对体模实验中不同图像CT值与溶液碘浓度之间做线性相关分析，其中120kVp和M_0.5图像的CT均值做配对t检验；对临床图像的DECT三种重建图像的CT值之间做线性相关分析，对门静脉期三组后处理图像的主观评分做Wilcoxon符号秩检验。P＜0.05为有统计学差异。

结 果

图1 体模的不同类型图像CT值与溶液碘浓度的关系。OCM、73keV、M_0.5和120kVp等四种图像的对比度与其碘浓度均呈强相关关系（r＞0.998，P＜0.001），单位浓度（mgI/ml）碘对比剂度产生的图像对比度即斜率分别为33.12、28.97、24.85和25.34。

1. 体模实验

根据CNR能谱曲线，CNR达到峰值的Mono图像的能级为73keV。如图1所示，不同溶液的OCM、73keV、M_0.5和120kVp等四种图像的对比度与其碘浓度均呈强相关关系（r＞0.998，P＜0.001），单位浓度（mgI/ml）碘对比剂度产生的图像对比度即斜率分别为33.12、28.97、24.85和25.34。其中，不同浓度溶液的M_0.5与120kVp图像的CT均值无显著差异（P=0.239）。在DECT三种重建图像中，OCM和Mono图像的对比度分别比M_0.5图像提高33.3%和16.6%。

四种图像噪声水平依次为7.51、6.35、6.97和6.38HU，可计算得单位浓度（mgI/ml）碘对比剂度产生的CNR分别为3.37、3.92、5.19和4.16。DECT的三种重建图像的CNR均显著高于常规120kVp图像，分别提高16.3%、54.0%和23.4%。而在三种重建图像中，OCM和Mono的CNR分别比M_0.5提高32.3%和6.1%。

SECT和DECT扫描的CTDIvol分别为9.80和11.96mGy，四种图像单位浓度（mgI/mL）碘对比剂度产生的FOM分别为1.16、1.28、2.26和1.45。对于碘浓度相同的溶液，DECT三种重建图像的FOM比120kVp图像分别提高10.3%、94.2%和24.5%。

2. 临床实验

30例上腹部增强检查的Mono图像的能级略有差异，平均为（74±1）keV。门静脉期M_0.5、OCM和Mono三种重建图像的肝实质增强幅度分别为（43.68±11.12）HU、（52.39±14.19）HU和（50.83±12.72）HU，OCM和Mono图像的测量值与M_0.5图像之间均呈强相关关系（r＞0.995，P＜0.001），增强幅度分别提高20.4%和16.2%；三种重建图像的门静脉主干增强幅度分别为（99.67±21.59）HU、（118.02±29.36）HU和（115.52±25.21）HU，OCM和Mono图像的测量值与M_0.5图像之间均呈强相关关系（r＞0.990，P＜0.001），增强幅度分别提高19.2%和15.9%，如图2所示。

门静脉期MIP和VR图像的主观评分结果如表1所示。OCM组和Mono组的评分无统计学差异（P=0.317），均显著高于M_0.5组的评分（P＜0.001）；其中，OCM组和Mono组中5分及以上的比例为73.3%和76.7%，明显高于M_0.5组的36.7%（图3）。

图2 30例上腹部DECT增强检查的三种重建图像之间门静脉期肝实质（图A）和门静脉主干（图B）的增强比较。

表1 30例样本DECT三种MIP重建图像的主观评分

讨 论

本文设计了模拟CT增强中含不同浓度对比剂的血管体模原型。实验结果显示，与常规120kVp图像相比，DECT的三种重建图像中M_0.5图像的对比度、CNR和FOM无显著差异，OCM图像和根据CNR能谱曲线优选的Mono图像的质量明显胜出，其中前者更优。临床实验结果也表明，OCM和Mono图像的门静脉期增强效果比M_0.5图像显著提高，与Wang等基于大量病例回顾分析的结论基本一致[14]。

图3 女，55岁，脂肪肝。相同条件下基于M_0.5（A）、Mono（B）和OCM（C）图像重建的MIP图像显示门静脉主干及其分支，对比度递增；重建VR图像中，OCM图像（F）的肝内门静脉血管分支显示最清晰，其次为Mono图像（E），二者均显著优于M_0.5图像（D）。

由于图像增强与溶液碘浓度成正比，临床检查中常规通过调节对比剂剂量控制图像增强效果。但是在肝脏CT增强检查中，由于对比剂团注速率有限（一般不超过5ml/s），随血流过程不断扩散、稀释其浓度逐渐下降，而且门静脉期对比剂浓度峰值的到达时间要比动脉期晚一倍以上，所以对比剂剂量与门静脉期图像增强之间并非简单的线性关系；当剂量达到某个阈值，再增加已无益于图像增强。这是门静脉期增强幅度较低、难以有效提高的根本原因[15-16]。本实验结果说明，在不改变其他条件的情况下，选择成像新技术是提高增强效果的有效方法。在DECT的重建图像中，M_0.5可以理解为100kVp和Sn140kVp两种能谱X射线经权重比为0.5混合，所以质量大致相当于常规120kVp图像；非线性最优融合根据CT值大小非线性地分配两种高低能量图像的权重，大大增加了一定范围内（即窗宽）CT值之间的对比，所以有效提高了增强效果；而Mono图像重建过程中根据物质与X射线相互作用规律，把物质分解为分别以康普顿散射和光电吸收为主的基质对，最终得到虚拟的单能量图像[9，17]。理论上，Mono图像消除了复合能量X射线固有的射束硬化效应，可显著降低伪增强效应（pseudo-enhancement）而有利于细节显示、抑制失真[18]。这也解释了实验中尽管Mono图像的客观评价指标低于OCM图像，但二者的主管评价并无显著差别。所以，并不能仅凭对比度和CNR等性能参数简单地判断图像质量优劣。根据CNR能谱曲线优选Mono图像的后处理过程的额外时间成本是影响其推广使用的重要原因，下一步随着技术发展如果能够通过预设置自动生成，那么在诊断中两种图像结合使用，相信有助于诊断质量的提高。

按照噪声的定义，ROI应在图像的均匀背景（水）中选择[19]。但是在临床图片的分析中，体内组织很难找到类似的均匀背景，一般选择腹壁的皮下脂肪。即便是相对均匀的皮下脂肪或肌肉，其成分之间微小的差别也会导致SD测量值显著提高，并且随着ROI尺寸和位置的不同而明显不同，所以有些研究甚至取视野中空气为背景[8]。在DECT融合图像中，由于不同CT值的物质所对应的两种能量图像的权重配比不同，所以背景选择肌肉（约70HU）和脂肪（约-70HU）所测量得的SD必然不同。而在以体外空气为背景的情况下，对于非线性融合来说，测量结果理论上等于在Sn140kVp图像上的测量值。因此，在临床图像的分析中，我们没有进行CNR和FOM的计算。

研究工作还存在一些不足。首先，DECT扫描参数设置中A、B球管电压组合的选择。Siemens第二代双源CT的B球管增加了以厚度为0.4mm的锡为材料的前置滤线器，增加了Sn 140kVp选项，有利于减少球管间X射线能谱的重叠而提高图像质量，同时也增加了球管电压组合而产生优选问题。对于A球管的管电压，从理论上说，肥胖体型患者较之一般体型患者更适合采用100kVp，以抑制图像噪声水平，而对于瘦小体型则应该选择80kVp[20]。其次，体重65kg中等体型成人的腰围约为75cm，自制体模原型从外形上大致相当于肥胖体型，且采用的溶剂（水）的密度略低于血液，射线衰减系数存在差异，所以在拟人性上还有待改进。第三，临床图像的主观评价不够全面，缺乏横断图像和三维重建后处理部分。最后，临床实验的样本少，对不同病种没有分开讨论。我们将针对上述问题开展进一步的研究工作。

总之，在肝脏DECT检查中，OCM图像优于根据CNR能谱曲线优选的Mono图像，可显著提高门静脉期增强效果，降低对比剂剂量。

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Comparison of Monochromatic Images and Blended Images of Hepatic Dual-energy CT at Portal Venous Phase

LI Lian1, WANG Jian-jie2, YANG Ke-cheng2, CHEN Wei1

Purpose:To compare the effect of contrast enhancement of monochromatic images and blended images obtained with dual-energy CT (DECT) at hepatic portal venous phase.Methods:A liver phantom prototype, which containing 9 tubes of various concentrations of contrast material bathing in a plastic bag flled with pure water, was scanned using a Siemens SOMATOM Defnition Flash scanner under conventional (120kVp) and DECT (100/Sn 140) modes. Linear blended with mixture ratio 0.5 (M_0.5) images, vendor default optimal contrast mixed (OCM) images and virtual monochromatic (Mono) images with best contrast-to-noise ratio (CNR) were reconstructed using the DECT data. CNR and fgure-of-metric (FOM) of images were used to compare the image quality. Thirty patients who underwent contrast-enhanced hepatic scan under DECT modes at portal venous phase were retrospectively analyzed for comparison of enhancement in the hepatic parenchyma and the main portal vein. And the quality of maximum intensityprojection (MIP) and volume rendering (VR) images was graded by 6-point Likert scales subjectively.Results:In the phantom experiments, the contrast of M_0.5 images was with no statistical signifcant difference with that of 120kVp images (P=0.239), but the CNR of M_0.5 images was 16.3% higher than of 120kVp images. Contrast and CNR of OCM and Mono images were 33.3%, 32.3% and 16.6%, 6.1% higher than those of M_0.5 images. FOM of M_0.5, OCM and Mono images was 10.3%, 94.2% and 24.5% higher than that of 120kVp images. The quality scores of MIP and VR images of OCM group (5.00±0.83) were with no statistical signifcant difference with that of Mono images (4.93±0.74) (P=0.317), but were signifcantly higher than that of M_0.5 group (4.20±0.99) (P＜0.001).Conclusion:OCM images should be preferred to enhance the contrast of hepatic DECT at portal venous phase.

Dual-energy CT (DECT); Portal venous phase; Monochromatic image; Non-linear blending; Contrast enhancement

R445.3、R814.42

A

1006-5741（2017）-02-0140-06

2016.01.21;修回时间：2016.07.08)

中国医学计算机成像杂志，2017，23：140-145

1第三军医大学西南医院放射科

2第三军医大学生物医学工程学院

通信地址：重庆市高滩岩正街30号，重庆400038

杨克柽（电子邮箱：yangkch@126.com）

全军医学科技“十二五”重点课题（BWS11J015）

Chin Comput Med Imag，2017，23：140-145

1 Department of Radiology, Southwest Hospital, Third Military Medical University

2 School of Biomedical Engineeing,Third Military Medical University

Adress:No.30 Gaotanyuan Rd.,Chonqing 400038

Address Correspondence to YANG Ke-cheng (E-mail: yangkch@126.cm)