双源双能CT使用单能量或双能量扫描及不同重建方法在肝动脉相成像中的优化

杜美美，陈博，严志汉，陈拓荣，田雨生

双源双能CT使用单能量或双能量扫描及不同重建方法在肝动脉相成像中的优化

杜美美1，陈博1，严志汉1，陈拓荣2，田雨生2

（1.温州医科大学附属第二医院 放射科，浙江 温州 325027；2.台湾中山医学大学，台湾 台中 40201）

目的：比较双源双能CT双能量扫描标准融合图像与单能量扫描图像的图像质量和辐射剂量，对比 滤波反投影（FBP）法和迭代（IR）法进行图像重建后的图像质量，为临床选择最佳的扫描和重建方式提供依 据。方法：使用2种体型含高、低密度病灶的动脉期肝脏假体，采用第二代双源双能CT分别行单能量（120 kVp） 和双能量（100 kVp/Sn 140 kVp）扫描，随后均采用FBP和IR方法进行图像重建。记录单能量和双能量扫描的辐射剂量。对图像进行感兴趣区圈选、定量分析，计算病灶的对比噪声比（CNR）和质量因数（FOM）。结果：在瘦体型假体，FBP法和IR法高密度病灶双能量扫描图像的CNR较单能量扫描高，差异有统计学意义（P＜ 0.05），而低密度病灶双能量扫描和单能量扫描图像的CNR差异无统计学意义（P＞0.05）。在肥胖体型假体，FBP法和IR法所有病灶双能量扫描图像的CNR均较单能量扫描高，差异有统计学意义（P＜0.05）。双能量CT扫描剂量较单能量扫描剂量高。在瘦体型假体IR法低密度病灶双能量扫描的FOM较单能量扫描低，差异有统计学意义（P＜0.05）。其余病灶IR法和FBP法单能量和双能量扫描图像间FOM差异无统计学意义（P＞0.05）。IR图像的CNR均较FBP图像佳（P＜0.05）。结论：综合考虑图像质量和扫描辐射剂量，双能量CT扫描标准融合图像与单能量扫描图像无明显差异，IR图像比FBP图像CNR高，建议肝动脉相扫描图像以IR重建影像，根据是否需要物质分离信息选择是否进行双能量扫描。

双源双能CT；放射摄影术，腹部；辐射剂量；影像质量

双源双能计算机断层扫描仪（dual source dual energy CT，DSCT）于2006年投入临床使用，这使得通过采集2组不同能量下的CT数据进而获得物质组成信息成为可能[1-2]。近年来DSCT在腹部的临床应用逐渐增多，如泌尿道结石成分区分[3-4]，虚拟的平扫图像和碘分布图[5-7]，虚拟的单能量图像用于图像的优化及伪影的消除[8]等。但是除了以上基于物质鉴别信息的图像，DSCT采集的图像也需满足日常诊断的需求，因此DSCT会使用扫描获得的2组高低能量数据进行融合，重组出可用于常规诊断的图像。目前最常用的融合方法为线性融合方法，融合图像的质量类似于常规单能量扫描获得的图像。然而目前关于腹部DSCT检查的扫描剂量和融合图像的质量的研究甚少。有研究[9]显示迭代（iterative reconstruction，IR）法重建影像可以通过提高空间 分辨率、降低图像噪声克服传统滤波反投影（filtered back projection，FBP）法图像噪声大的问 题。本研究旨在明确IR法在单能量图像及双能量融合图像质量的提升效果。本研究运用第二代DSCT对动脉期肝脏假体进行单能量及双能量扫描，同时采用IR法和FBP法重建图像，对比2种扫描方案和重建方法的扫描剂量和图像质量，找出最优的方案供临床参考。

1 材料和方法

1.1 材料 使用拟人肝脏假体（QRM-Liver-Phantom，德国QRM公司），大小为300 mm×200 mm× 100 mm，一个等效软组织密度的体环（QRM-Extension-rings，德国QRM公司），分别模拟瘦体型和肥胖体型成人腹部。腹部假体由三部分组成：包含脊柱的成人腹部、肝脏插件、脾脏插件。肝脏插件肝实质模拟动脉期肝脏密度，内含两层分别为高、低密度的病灶，每一层面内病灶的大小、位置不同。见图1。

1.2 方法

1.2.1 图像采集：使用西门子第二代DSCT（德国西门子公司）进行图像采集。将假体置于扫描机器中央，分别使用单能量扫描（管电压120 kVp，参考管电流210 mAs）和双能量扫描（管电压Sn 140 kVp/ 80 kVp，参考管电流230/178 mAs）。单能量扫描和双能量扫描准直器宽度分别采用128×0.6 mm、128× 0.6 mm/32×0.6 mm。扫描均使用单一后前位定位像，使用管电流自动调控（CAREDose4D，德国西门子公司）。双能扫描数据使用线性融合（权重系数0.5）获得融合图像。单能量和双能量数据均使用FBP法和IR法进行重建，层厚5 mm，层间距5 mm，重建函数（Kernel）分别为B30f和I30f。

1.2.2 图像分析：使用Image J 1.51d进行图像的分析测量。瘦体型假体和肥胖体型假体分别进行单能量和双能量扫描，扫描后均进行FBP和IR重建，每个假体含高密度和低密度两层病灶，最终产生16幅图像。选用病灶中心层面进行感兴趣区（region of interest，ROI）的圈选，并在每一个病灶下方圈选肝实质作为背景（见图1C-D）。为了减少测量误差，由8名放射科医师分别进行大小、位置一致的测量，将8人测量结果取平均值作为最终结果。计算每个病灶的对比噪声比（contrast to noise ratio， CNR）[10]。记录CT扫描仪剂量报告中的容积CT剂量指数（volume CT dose index，CTDIvol）、剂量长度乘积（dose length product，DLP）作为扫描辐射剂量的评估依据。最后算出质量因数（figure of merit，FOM）[11]用于评估最佳的扫描及重建方案。CNR和FOM的计算公式如下。

图1 肝脏假体、体环及假体CT扫描图像

注：CT值ROI,lesion、CT值ROI,liver分别为病灶及肝脏内所圈选ROI的CT值均值；σROI,lesion、σROI,liver分别为病灶及肝脏内所圈选ROI的CT值标准差

1.3 统计学处理方法 采用SPSS22.0软件进行统计分析。计量资料以±s表示，组间比较采用配对 t检验。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

单能量和双能量扫描图像的CNR结果显示，在瘦体型假体，FBP法和IR法高密度病灶双能量扫描的CNR较单能量扫描高，差异有统计学意义（P＜0.05），而低密度病灶双能量扫描和单能量扫描的CNR差异无统计学意义（P＞0.05）。在肥胖体型假体，FBP法和IR法所有病灶双能量扫描的CNR均较单能量扫描高，差异有统计学意义（P＜0.05）。见表1。单能量和双能量扫描图像的FOM结果显示，在瘦体型假体，IR法低密度病灶双能量扫描的FOM较单能量扫描低，差异有统计学意义（P＜0.05）。其余病灶IR法和FBP法单能量和双能量扫描间FOM差异无统计学意义（P＞0.05）。不管是单能量扫描图像还是双能量扫描图像，IR图像的CNR均较FBP图像佳，差异有统计学意义（P＜0.05）；肥胖体型高密度病灶CNR较低密度病灶高，差异有统计学意义（P＜ 0.05）。见表2。2种扫描方式不同体型假体扫描辐射剂量结果显示双能量扫描辐射剂量较单能量扫描高，见表3。

3 讨论

近年来DSCT逐渐成为研究热门，一系列研究证实DSCT在腹部检查中可以提供更多的信息[2，7]，这些研究大多聚焦在DSCT物质分离能力，通过后处理技术获得的这些信息可以提高病灶的检出率且有助于病灶定性，最常应用在动脉期或门脉期的扫描以获得碘分离的信息，因此本研究选用动脉期肝脏假体模拟临床使用双能量扫描的情况。在实际临床中除了这些额外的信息，更重要的是保证常规诊断图像的质量，目前第二代DSCT用于常规诊断的图像为2组不同能量下扫描数据的融合图像，在腹部检查中融合图像的质量和辐射剂量到底如何尚无定论。前期关于胸部双能CT扫描融合图像的研究[12-14]显示不管是第一代还是第二代DSCT扫描都可以获得和单能量扫描图像类似的图像，但是他们都没有涉及腹部的检查。因此本研究使用第二代DSCT建议的高低能量组合（100 kVp/Sn 140 kVp）进行腹部动脉期的扫描，用以评估腹部DSCT扫描标准融合图像质±s）量和辐射剂量。

表1 单能量、双能量扫描图像CNR比较（n=8，±s）

表2 单能量、双能量扫描图像FOM比较（n=8，

表3 2种体型假体单、双能量扫描的辐射剂量比较

DSCT标准融合图像的数据来源于2组高、低能量的扫描数据，高能量的数据可以降低噪声，但是对比度差，低能量的数据对比度佳，但是噪声大。融合图像可以融合2个能量下数据的优点而得到更好的对比和更低的噪声。本研究显示肥胖体型假体双能量CT扫描标准融合图像的CNR较单能量扫描图像高，而在瘦体型假体低密度病灶差异无统计学意义，这可能与融合图像部分信息来源于高能量条件扫描相关。研究还显示在肥胖体型高密度病灶CNR较低密度病灶高，这与高密度病灶含高密度碘相关，因为在低能量扫描高密度碘的对比度会增加。有研究显示非线性的融合方法较线性融合方法能提供更好的图像质量[15]，是否非线性融合方法可代替线性融这需要进一步研究。

电离辐射有致癌的危险性，因而CT检查的普及使CT辐射成为大家关注的焦点，临床工作中选择扫描方式时必须考虑辐射剂量，评估一种检查的优劣如果只考虑图像质量而不考虑辐射剂量是不适宜的，因此本研究将辐射剂量也纳入考量。我们发现双能量CT扫描的辐射剂量要大于单能量扫描的辐射剂量，这与既往的研究[10-11，14]不相符，究其原因可能与扫描参数设置相关。本研究中双能量CT融合图像的图像质量优于单能量扫描图像也有可能是高管电压引起，这需要进一步的研究证实。

FOM可用于定量评价一种机器、系统或方法的能力。本研究以质量因数综合考虑双能量CT扫描和单能量CT扫描的优劣，我们发现两者的质量因数除瘦体型假体IR法低密度病灶外，差异没有统计学意义。因此当需要双能CT提供更多的临床信息时，建议双能CT扫描，而不需要时建议单能量CT扫描以减少辐射剂量。

IR图像虽然一直宣称能提供更好的图像质量，但由于大家认识不够，普及率并不高。IR法并不改变病灶的对比度，而是通过降低噪声进而达到提高CNR的目的[16]。本研究显示不管是单能量扫描图像还是双能量扫描图像，IR图像的CNR较FBP图像更好，这与既往的研究相一致。因此建议不管单能量扫描还是双能量扫描均使用IR法进行图像重建。

本研究也存在一些不足，其一我们只用了一种DSCT，不同的DSCT获得的结果可能不一样；其二本研究只选择了2种体型的假体研究，且没有用于实际患者；其三本研究只针对动脉期图像进行研究，对于门脉期或平扫图像的情况并未涉及；其四DSCT的融合方法很多；但我们只使用了标准的线性融合方法；最后8个病灶除了位置不同，大小也不同，我们没有考虑大小对本研究的影响。

综上所述，综合考虑图像质量和扫描辐射剂量，双能量CT扫描标准融合图像与单能量扫描图像无明显差异，IR图像比FBP图像CNR高，建议肝动脉相扫描图像以IR重建影像，根据是否需要物质分离信息选择是否进行双能量扫描。

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（本文编辑：贾建敏）

Optimization of the scan protocol of single energy or dual energy and reconstruction method in hepatic arterial phase

DU Meimei1, CHEN Bo1, YAN Zhihan1, CHEN Tuorong2, TYAN Yeusheng2.
1.Department of Radiology, the Second Affiliated Hospital of Wenzhou Medical University, Wenzhou, 325027; 2.Chung Shan Medical University, Taichung, 40201.

Objective: To Compare the image quality and radiation dose of image acquired from a dual energy CT scan with image obtained from a single energy scan in the second dual-source generation system abdominal CT combined with iterative reconstruction. To determine the optimal scan methods and reconstruction methods for clinical work. Methods: Two size arterial phase liver phantoms containing two density lesions (low and high) was scanned using a second generation dual source dual energy CT (DSCT) scanner in the single energy mode (120 kVp) and the dual energy mode (100 kVp/Sn 140 kVp). Images were reconstructed with both filtered back-projection (FBP) and iterative reconstruction (IR) algorithms. Volume CT dose index (CTDIvol) and the dose length product (DLP) recorded from all protocols were used to dose evaluation. For quantitative analyses of the phantom, the contrast-to-noise ratio (CNR) and figure of merit (FOM) were measured. Results: For small size phantom, CNR of high density lesions in the mixed images derived from a dual energy CT scan was significantly higher than that in images acquired with a single-energy scan (P＜0.05), while there was no statistically significant difference existed in low density lesions (P＞0.05). For big size phantom, CNR of both high and low density lesions in dual-energy mixed images showed a higher CNR in comparison to single-energy images (P＜0.05). Dose of dual energy CT scan was higher than that of single energy scan. As to FOM, except in the low density lesions group IR images of small size phantom, there was no significant difference between all lesions of the dual energy scanning standard fusion image and single energy scanning image (P＞0.05). Compared with FBPimages, CNR of IR images was significantly better than that of FBP images (P＜0.05). Conclusion: Take both the image quality and radiation dose to consider, there is no obvious difference between the dual energy scanning standard fusion image and single energy scanning image. IR images always have higher CNR than FBP images. Above all, IR image reconstruction is suggested in hepatic artery phase scanning image both in dual or singleenergy images, and dual energy scan should be choosed according to whether need material-specific information.

dual source dualenergy CT; radiography, abdominal; radiation dosage; image quality

R814

A

10.3969/j.issn.2095-9400.2017.08.006

2017-03-22

杜美美（1987-），女，浙江苍南人，住院医师，在职硕士生。

严志汉，教授，主任医师，Email：yanzhihanwz@163.com。