低管电压复合迭代算法CT扫描可行性研究：幼猪泌尿系分泌期图像质量和辐射剂量的实验分析

胡 斌 陈静静 徐文坚 徐 琦 李晓飞

(青岛大学附属医院放射科，山东青岛 266003)



低管电压复合迭代算法CT扫描可行性研究：幼猪泌尿系分泌期图像质量和辐射剂量的实验分析

胡 斌 陈静静 徐文坚*徐 琦 李晓飞

(青岛大学附属医院放射科，山东青岛 266003)

目的 以幼猪泌尿系模拟幼儿泌尿系，探求幼儿泌尿系分泌期低剂量螺旋CT扫描的可行性。方法 选取幼猪5只，采用荷兰Philips Brilliance 256层螺旋CT机在固定60 mAs不变的情况下，对实验猪分别以管电压80 kV，常规滤波反投影(filtered back projection，FBP)重组；管电压120 kV，常规滤波反投影(filtered back projection，FBP)重组；管电压80 kV， 扫描图像进行迭代算法(iDose4)重组，将获得图像由2名医师进行双盲法阅片，使用4分制评分，对3组图像的清晰度进行质量评分，并测量实验动物尿路分泌期图像的对比噪声比(contrast-to-noise ratio，CNR)和CT剂量指数(CT dose index，CTDI)，比较各组间图像质量评分、CNR及CTDI的差异性。结果 管电压80 kV迭代算法重组的图像与120 kV常规滤波反投影的图像的CNR和图像质量评分差异无统计学意义(P>0.05)，但辐射剂量降低71%。结论 采用低剂量80 kV 60 mAs复合迭代算法对幼猪分泌期进行螺旋CT扫描，图像质量能够满足诊断要求，而辐射剂量大幅下降。

体层摄影术; X线计算机；辐射剂量

儿童CT尿路造影(CT urography，CTU)可全面一站式评价泌尿系统病变，得到临床认可。但儿童射线的敏感性高于成人， 过量射线可引起儿童不可逆损害及染色体畸变。所以如何将儿童CT扫描的辐射剂量控制在尽可能低的水平，又达到诊断目的成为国内外放射学界的研究热点[1]。 为了避免因研究过程中重复CT扫描造成儿童接受不必要的辐射，故以幼猪泌尿系模拟相同体质量组婴幼儿泌尿系，通过不同管电压和迭代算法的使用，初步摸索出相对应体质量组低龄幼儿分泌期的合理扫描参数以便为临床提供优质的服务。

1 材料与方法

1.1 实验动物

5只健康的家养小猪由青岛大学附属医院动物实验室提供，实验动物许可证号：SYXK(鲁)20150003，雌性3只，雄性2只，体质量20.0～22.0 kg，平均体质量(21.6±0.7)kg。

1.2 CT检查方法和图像处理

实验前5只小猪自由饮水，实验猪肌内注射氯胺酮(10 mg/kg)、地西泮(0.4 mg/kg)进行基础麻醉，通过耳缘静脉留置针(22 G)注入丙泊酚(8 mg/kg)注射液维持麻醉，称质量后，分别固定上下肢，建立静脉通道，连接高压注射器，取仰卧体位，实验过程中使用心电监护仪监测猪的心律和呼吸频率。采用双筒注射器经猪耳缘静脉注射对比剂按1.5 mL/kg，以2.0 mL/s注射碘普罗胺(Ultravist 300，Scherring，德国)，再以相同流率注射0.9%(质量分数)氯化钠注射液15 mL。采用荷兰Philips Brilliance 256层螺旋CT机在固定60 mAs不变的情况下，按照3种扫描方案，对实验猪先后扫描3次，方案1：管电压80 kV，扫描图像进行常规FBP重组；方案2：管电压120 kV，扫描图像进行常规FBP重组；方案3：管电压80 kV， 扫描图像进行迭代算法(iDose4)重组，选择IL4迭代函数，卷积函数选择XCB；其他参数 ：探测器宽度64×1.25 mm，X线管转速0.4 s/周，层厚5 mm，层间距5 mm，管电流60 mAs，矩阵512×512，FOV240 mm×240 mm。在髂嵴平面单层图像以低剂量(20 mAs)在注射对比剂120 s检测，若发现对比剂到达两边的输尿管，立刻启动扫描，若两边输尿管对比剂充盈不理想，每隔60 s再检测，直到两边输尿管充盈为止。为诊断和后处理的需要，3 mm和1 mm横轴位图像重建，用1 mm横轴位图像后处理得到最大密度投影(maximum intensity projection，MIP)和容积再现(volume rendering，VR)三维图像。

1.3 数据分析方法

由2位具有5年临床经验且对具体实验方法不知情的影像科医师对不同实验方案所得的尿路分泌期图像进行综合评分。图像质量主观评分标准：1分，图像质量极差，无法用于诊断；2分，图像质量尚可，可用于诊断；3分，图像质量好，可满足诊断；4分，图像质量非常好，完全可满足诊断。

将尿路分为11 段分别测量CT值(统称为CT尿路)，包括：左/右肾盏(S1-L或-R)、左/右肾盂(S2-L或-R)、左/右输尿管上段(S3-L或-R)、左/右输尿管中段(S4-L或-R)、左/右输尿管下段(S5-L或-R)及膀胱(S6)。测量腰大肌CT 值及脐水平腹部皮下脂肪CT值的标准差分别代表软组织CT值(CT软组织)及背景噪声(CT噪声)。上述测量均由2位具有5年临床经验的影像科医师独立完成，最终数据取二者平均值用于数据分析。计算尿路各段的对比噪声比(contrast-to-noise ratio，CNR)，根据CT 设备的辐射剂量报告，记录每只小猪在分泌期不同方案剂量指数(CT dose index，CTDI)、剂量长度乘积(dose length product，DLP)。

1.4 统计学方法

2 结果

2.1 图像主观评价

对不同扫描方案尿路分泌期图像质量评分两位阅片者一致性良好(K=0.674)。配对比较中，80 kV与120 kV和80 kV与80 kV(IR)相比图像质量评分差异有统计学意义(P<0.05)，而120 kV与80 kV(IR)相比图像质量评分差异无统计学意义(P=0.403)。

2.2 图像客观评价

采用不同扫描方案对实验猪行分泌期扫描，11个尿路分段的CNR统计结果中，80 kV与120 kV相比，各尿路分段CNR差异有统计学意义(P<0.05)，80 kV(IR)与120 kV相比，各尿路分段CNR差异无统计学意义(P>0.05)，详见表1，见图1。

2.3 辐射剂量

表1 3种扫描方案猪泌尿系尿路分段CNR统计分析

图1 不同重建算法猪泌尿系图像

A-C:excretory phase(80 kV 60 mAs) coronal，axial and maximum intensity projection images with FBP.D-F:Excretory phase(80 kV 60 mAs) coronal，axial and volume rendering images with IR.The image noise of FBP images is clear，However，the image noise of IR images is unclear. Image quality of IR images is better than FBP images;FBP:filtered back projection; IR:iterative reconstruction.

幼猪CTU分泌期120 kV与80 kV扫描剂量比较，80 kV扫描的CTDI 和DLP分别为1.17 mGy，(23.40± 1.84)mGy·cm；120 kV扫描的 CTDI 和DLP分别为分别为4.06 mGy，(81.20± 6.41)mGy·cm。80 kV扫描的CTDI和DLP明显低于120 kV(P<0．05)，其量值约为120 kV的29%。

3 讨论

低剂量儿童CTU分泌期研究的必要性和可行性。在同等条件下，儿童细胞分离更新速度高于成年人，对放射线的敏感程度远大于成人，并且分泌期又因个体及疾病的因素可能需要多次扫描，故低剂量扫描技术尤为重要。儿童CTU分泌期图像特点为高对比影像，即目标与周围的解剖结构有一定的密度差异，允许噪声存在的冗余度大，这为降低分泌期CT扫描的辐射剂量提供了可能性。iDose4迭代重组算法为低电压的图像质量保驾护航，降低电压可以大幅度减低辐射剂量，但会增加图像噪声，不利于图像质量，迭代算法可以对图像数据进行有效加工，通过计算形成有效图像数据，减少噪声[2-3]。iDose4软件所用的迭代重组算法利用矩阵代数通过数学模型选择性识别并去除图像噪声，可以有效降低噪声，解决低剂量CT扫描导致的图像质量下降的问题，提高图像分辨率，消除“蜡像”状伪影[4-5]。在本研究中，80 kV管电压结合iDose4迭代算法重组，CTU分泌期图像辐射剂量减少71%，且不降低图像质量。80 kV管电压扫描结合 iDose4迭代重组算法，图像质量与120 kV相比图像质量评分差异无统计学意义(P>0．05)，均达到可诊断的要求。

CNR是评价图像质量的一项重要指标。在高对比结构中，适当降低管电压能增加图像的CNR，因为管电压的改变对不同物质的CT值影响不同[6]，管电压降低，X线光子能量较低，此时光子能量更接近于相对高原子序数元素的组织或结构，光电效应增强，CT值升高，其与周边相对低原子序数组织的对比增加，但噪声增加。本研究结果显示，管电流相同时，当管电压由120 kV降至80 kV时，其CNR值明显减低。但使用迭代算法复合式成像技术，噪声水平下降，CNR得到提升，这样可保持良好的图像质量[7-8]。 本研究采用80 kV+60 mAs+迭代算法 (iDose4)的复合成像技术，与常规120 kV+60 mAs扫描相比，剂量下降了约71%。上述数据验证了该复合成像技术的可行性非常好。

CT图像质量的控制原则：确保图像质量能满足临床诊断标准的最低剂量，即尽量低的辐射剂量获得符合诊断标准的图像(as low as reasonably achievable，ALARA)，这就是现在倡导的理念[9-10]。厂家设计的扫描参数是产生优质图像的参数，并非完全符合ALARA原则。本组研究构建的动物模型，幼猪体质量、体积近似于3～7岁儿童，以此体质量为参考，通过研究不同管电压对幼猪分泌期扫描的影响，允许适度噪声的存在，得出不影响诊断的同质量组的儿童CTU分泌期的低剂量参数。本研究结果显示80 kV和迭代算法的复合使用可降低71%的辐射剂量，却可提供120 kV常规管电压相当品质的图像，其CNR和图像质量评分差异无统计学意义(P>0.05)。

本研究不足之处：幼猪的数量少，统计上存在一定的偏倚；尿路各段CT值存在区别，测量存在偏差；幼猪与儿童泌尿系统存在差异。今后逐步完善实验方案进行更加深入的研究。

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编辑 慕 萌

Feasibility study of low tube voltage and hybrid iterative reconstruction algorithm at MSCT:Experimental analysis of evaluating radiation dose and image quality on excretory phase images of infant swine urography

Hu Bin，Chen Jingjing，Xu Wenjian*，Xu Qi，Li Xiaofei

(DepartmentofRadiology，TheAffiliatedHospitalofQingdaoUniversity，Qingdao266003，ShandongProvince，China)

Objective To optimize the scanning parameters for CT with lower radiation dose on the infant pigs’ urinary which mimicks the baby’s urinary of human being．Methods Five pigs were undertaken CT scan with the conventional 120 kV，80 kV and 80 kV with a hybrid iterative reconstruction algorithm. The estimated effective radiation of each protocol was compared with via the student t test. Scores and the contrast-to-noise-ratio(CNR)of the 120 kV，80 kV，and hybrid iterative reconstructed 80 kV images were evaluated. Results The effective radiation was 71% lower during CT excretory phase scanning with the 80 kV protocol than with the 120 kV protocol. There was no significant difference in the CNR of any of the regions of interest between 80 kV with iterative reconstruction and 120 kV(P>0.05). There was no significant difference in the quality of images obtained from the conventional 120 kV scanning and low dose group of 80 kV with iterative reconstruction scanning images.Conclusion A low tube voltage and the hybrid iterative reconstruction algorithm can dramatically decrease radiation with adequate image quality in normal infant pigs’ uninary excretory phase scanning.

tomography; X-ray computed；radiation dosage

时间：2017-07-16 17∶16 网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.3662.r.20170716.1716.014.html

10.3969/j.issn.1006-7795.2017.04.017]

R445.3

2017-04-23)

*Corresponding author， E-mail：hubin732012@163.com