新一代基于模型的迭代重建在低剂量上腹部CT中的应用

贾永军，于 勇，贺太平，于 楠，杨创勃，张喜荣，段海峰

(陕西中医药大学附属医院医学影像科，陕西 咸阳 712000)

新一代基于模型的迭代重建在低剂量上腹部CT中的应用

贾永军，于 勇，贺太平*，于 楠，杨创勃，张喜荣，段海峰

(陕西中医药大学附属医院医学影像科，陕西 咸阳 712000)

目的比较自适应统计迭代重建(ASIR)、常规基于模型的迭代重建(MBIRc)、新一代基于模型的迭代重建(MBIRn)中优化低密度对比设置的MBIRNR403种算法对低剂量上腹部CT图像质量的影响。方法采用CT扫描静止状态下水模，比较0.625 mm层厚时滤波反投影算法(FBP)、ASIR、MBIRc和MBIRNR40的空间分辨率和密度分辨率。1年内接受2次腹部增强CT扫描受检者60例，初次检查采用常规辐射剂量(噪声指数=10)扫描，FBP重建。复查时采用低辐射剂量方案(噪声指数=20)扫描，分别采用标准算法ASIR、MBIRc和MBIRNR40三种方法重建为0.625 mm层厚的图像后进行对比分析。测量皮下脂肪、背部肌肉、肝脾实质CT值和噪声，计算以皮下脂肪为背景的肝脾实质CNR，采用单因素方差分析比较各重建算法噪声和CNR。由2名放射科医师以常规剂量FBP重建为基础，采用半定量目测评分法盲法进行噪声和细节结构、病变边缘清晰度评分，比较主观评分差异，评价观察者间一致性。结果体模研究提示MBIRc空间分辨率最高，MBIRNR40密度分辨率最高。临床研究显示初次检查剂量长度乘积(DLP)为(368.03±146.25)mGy·cm，有效剂量(ED)为(5.52±2.19)mSv；复查时DLP为(93.18±41.21)mGy.cm，ED为(1.40±0.62)mSv，分别下降约74.68%和74.64%。MBIRNR40重建图像肌肉、脂肪噪声低于MBIRc、ASIR重建和常规剂量FBP重建(P均<0.05)。MBIRNR40重建图像肝脾CNR大于MBIRc、ASIR重建和常规剂量FBP重建(P均<0.05)。2名放射科医师主观评分一致性优良。低剂量MBIRNR40主观图像噪声最低、显示上腹部细节结构和病变边缘特征最清晰，优于MBIRc，MBIRc优于常规剂量FBP，低剂量ASIR最差，差异均有统计学意义(P均<0.05)。结论减少辐射剂量约75%低剂量上腹部成像时，MBIR重建图像质量优于ASIR、MBIRc重建图像及常规剂量FBP图像。

迭代重建；辐射剂量；体层摄影术，X线计算机

基于电离辐射的线性非阈值理念，辐射剂量增加将增加受检者患癌风险，故ALARA(as low as reasonably achievable)原则下低剂量CT(low dose CT，LDCT)已成为影像医学关注的热点[1]。相较于滤波反投影算法(filtered back projection, FBP)较高的噪声、明显的条纹伪影和较差的空间分辨率[2]，通过改进和优化数据处理以允许辐射剂量减少的同时保持诊断图像质量[3]的多种迭代重建(iterative reconstruction，IR)，为进一步降低辐射剂量提供了一种新的途径。本研究以常规剂量FBP重建图像为基础，比较自适应统计迭代重建(adaptive statistical iterative reconstruction， ASIR)、常规基于模型的迭代重建(conventional model-based iterative reconstruction， MBIRc)、新一代基于模型的迭代重建(new version of model-based iterative reconstruction， MBIRn)中优化低密度对比设置的MBIRNR40三种重建算法对低剂量上腹部CT图像质量的影响，探讨MBIRn在低辐射剂量上腹部CT中的应用价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料 收集2016年6月—10月于我院接受上腹部增强扫描的恶性肿瘤患者60例，均为复查患者，男44例，女16例，年龄38～82岁，平均(61.0±10.1)岁，体质量39～79 kg，平均(57.70±8.94)kg。所有受检者1年内均接受上腹部CT增强检查(初次检查)。CT拟诊：肝占位37例、胰腺癌7例、胃癌6例(2例术后转移)、胆囊癌4例、壶腹周围癌4例，食管癌、结肠癌术后转移各1例。

1.2 仪器与方法 采用GE Discovery CT750 HD宝石能谱CT机。体模研究扫描CT-200B型水模，分别采用标准算法FBP和ASIR、MBIRc、MBIRNR40重建层厚0.625 mm的图像，对比空间分辨率及密度分辨率。临床研究时患者取仰卧位，双手上举，采取吸气末单次屏气扫描，扫描范围自膈顶至肝下缘水平。层厚、层间距均为5.0 mm，管旋转时间0.6秒/转，螺距1.375∶1，准直器宽度64×0.625 mm，电压120 kVp，自动曝光控制技术(Auto mA)，预设噪声指数(noise index， NI)控制管电流。初次检查采用常规辐射剂量(NI=10)扫描，FBP重建；复查采用低辐射剂量方案(NI=20)扫描，分别采用标准算法ASIR、MBIRc，MBIRNR40重建层厚0.625 mm的图像后进行对比分析。

表1 常规剂量FBP和低剂量ASIR、MBIRc、MBIRNR40的噪声和CNR比较(±s)

表1 常规剂量FBP和低剂量ASIR、MBIRc、MBIRNR40的噪声和CNR比较(±s)

方法噪声肌肉脂肪肝脏脾脏CNR肝脏脾脏FBP(NI=10)23.14±2.7421.27±5.3424.15±2.8425.19±3.791.13±0.511.16±0.53ASIR(NI=20)33.87±4.4931.76±8.2336.73±5.0437.61±5.770.71±0.290.73±0.32MBIRc(NI=20)13.47±2.2214.25±2.6612.98±1.4713.07±1.501.81±0.701.81±0.65MBIRNR40(NI=20)7.94±1.7410.37±2.307.30±0.997.52±1.092.95±1.012.98±1.02F值876.56194.811117.50842.43123.50124.47P值<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001

注：4种重建算法两两比较，P均<0.05

表2 低剂量ASIR、MBIRc、MBIRNR40重建图像质量主观评分比较(例)

1.3 数据测量及图像质量评价

1.3.1 体模研究 观察固定平面各种算法重建水模空间分辨率、密度分辨率部分轴位图像，根据不同间隔线及大小不等圆形低密度影的显示效果对各算法空间分辨率和密度分辨率排序。

1.3.2 临床研究 客观评价选择目测密度均匀的肝脾实质放置ROI，避开明显伪影区的背部肌肉、皮下脂肪，记录CT值平均值及噪声，以背部肌肉为基准计算肝脾CNR。比较常规剂量FBP和低剂量ASIR、MBIRc、MBIRNR40图像噪声和肝脾CNR。主观评价方面，由2名分别有7和15年的CT诊断经验放射科医师经PACS三维观察，初始窗宽窗位为240 HU/40 HU，可根据观察者习惯调整窗宽窗位。以常规剂量FBP为基准，采用7级半定量目测评分法[4]对低剂量各算法重建图像的主观噪声和细节结构、病变边缘清晰度评分:0分，与常规剂量FBP图像无明显差异；-3分，最差并影响判断，3分，最好，最清晰；-2分，较差并可影响判断，2分，较好并有利于判断；-1分，稍差但不影响判断，1分，稍优但不影响判断。

1.4 统计学分析 采用SPSS 20.0统计分析软件。正态分布的计量资料以±s表示。不同算法重建图像的SD和CNR比较采用单因素方差分析，两两比较采用LSD法；主观评分采用Wilcoxon检验；P<0.05为差异有统计学意义。Kappa检验评价观察者间一致性，Kappa≥0.75为优、0.60～0.74为良、0.40～0.59为中等、<0.40为较差。

2 结果

2.1 体模研究 MBIRc空间分辨率最高，MBIRNR40密度分辨率最高。空间分辨率由高到低依次为MBIRc>MBIRNR40>ASIR≈FBP；密度分辨率由高到低依次为MBIRNR40>MBIRc>ASIR≈FBP(图1)。

2.2 临床研究 初次检查剂量长度乘积(dose length product， DLP)为(368.03±146.25)mGy.cm，有效剂量(effective dose， ED)为(5.52±2.19)mSv；复查低剂量DLP为(93.18±41.21)mGy.cm，ED为(1.40±0.62)mSv，分别下降约74.68%和74.64%。

图1 CT-200B型水模 A～D.空间分辨率层面; E～H.密度分辨率层面 (A、E为FBP重建； B、F为ASIR重建； C、G为MBIRc重建； D、H为MBIRn中MBIRNR40重建 )

图2 患者女，61岁，轴位图像示壶腹周围癌伴肝内外胆管扩张 A.常规剂量FBP图像，肝脏噪声、CNR分别为26.80、0.75，脾脏为24.60、1.01； B.低剂量ASIR图像，肝脏噪声、CNR分别为38.80、0.62，脾脏为41.40、0.66； C.MBIRc重建，肝脏噪声、CNR分别为14.40、1.72，脾脏为12.70、1.79； D.MBIRNR40重建，肝脏噪声、CNR分别为9.50、3.11，脾脏为7.40、3.41

低剂量MBIRNR40图像背部肌肉、皮下脂肪和肝脾实质噪声低于MBIRc和ASIR，低剂量MBIRc噪声低于常规剂量FBP，低剂量ASIR图像噪声最大 (P均<0.05)；低剂量MBIRNR40图像肝脾CNR大于MBIRc和ASIR，低剂量MBIRc图像肝脾的CNR大于常规剂量FBP，低剂量ASIR图像CNR最小(P均<0.05)，见表1、图2。

低剂量MBIRNR40的主观图像噪声评分最高，优于ASIR、MBIRc及常规剂量FBP，低剂量ASIR主观噪声评分最低(P均<0.05)；低剂量MBIRNR40更清晰显示上腹部细节结构和病变边缘特征，优于ASIR、MBIRc及优于常规剂量FBP，低剂量ASIR最差(P均<0.05)。2名医师对低剂量各重建图像评分及一致性检验Kappa值见表2、图3。

3 讨论

FBP重建速度快，是CT图像重建的“金标准”，但剂量降低与图像质量间存在制衡关系，在数据采集不足时，噪声增多，重建图像质量可能无法满足诊断需要[5]。IR可在较低的辐射剂量下获得噪声较小的高质量图像，在降低X线辐射剂量方面有优势[6]，近年来逐渐普及[7]。ASIR是在投影数据空间和图像数据空间中将FBP影像和IR影像以不同比例融合的IR算法[8]。研究[9]表明,ASIR在相同的辐射剂量时可提高图像质量，在保证图像质量时可降低32%～65%辐射剂量。本研究根据文献[10]推荐选用40%ASIR，结果表明联合Auto mA降低辐射剂量约75%时，ASIR重建上腹部CT图像不能达到临床诊断要求。

图3 患者男，63岁，冠状位图像示食管癌术后肝脏多发转移、淋巴结转移，MBIRNR40重建的主观图像噪声最低，显示肝脏内转移瘤、腹腔积液等最优 A.常规剂量FBP图像； B.ASIR图像； C.MBIRc重建； D.MBIRNR40图像

MBIR仅在投影数据空间对X线光学系统和信号采集过程进行建模，可真实还原射线发射、吸收、采集的过程，可明显降低噪声和提高空间分辨率[4]，在不影响整体图像质量的前提下，可减少60%～80%的辐射剂量[11]。本研究表明MBIR可显著降低图像噪声、提高信噪比，更清晰显示扫描范围内的细节结构和病变边缘特征，在减少约75%辐射剂量条件下图像质量优于常规剂量FBP图像。但MBIRc图像存在随机斑纹状伪影[12]，可导致部分细小结构边界模糊。本研究也发现MBIRc图像虽然空间分辨率较高，但斑纹状伪影降低了其主观评分。MBIRn增添了纹理增强设置，用以在整个采集空间内重新平衡噪声分布，使噪声和空间分辨率分布更均匀，可有效解决斑纹状伪影;通过提供重建0.625、1.25、2.5、3.75和5.0 mm层厚和更多设置后具有与MBIRc相同的物理特性，进一步改善低剂量条件下图像质量。本研究体模部分提示MBIRc空间分辨率最高，MBIRNR40密度分辨率最高，原因在于MBIRc本质是0.625 mm层厚的标准MBIR重建，可兼顾空间分辨率和密度分辨率，虽存在斑纹状伪影，但其空间分辨率最高。MBIRNR40为MBIRn中降噪能力最强的设置，但却可轻度降低空间分辨率。然而腹部CT对密度分辨率要求高[13]，且辐射剂量主要影响图像噪声[14]。故本研究选择其代表MBIRn，MBIRNR40在低剂量成像时的降噪能力、对小病灶和腹部小结构清晰度方面优于MBIRc，且肝脏噪声小于10 HU，保证了重建图像质量的稳定。相比宁培钢等[11]认为MBIRc可减少约60%的扫描剂量，采用MBIRn可降低约75%辐射剂量，且图像质量更优。

本研究的局限性：①由于MBIR重建时间长，远慢于FBP和ASIR[15]，尚不能实现实时显像；②对于ASIR，参考文献[10]推荐的40%混合因子一个迭代强度的图像进行比较，但更高的ASIR百分比可进一步降低图像噪声；③虽然主观评价采用盲法和随机化，但各种重建算法图像存在一定程度特点，可能导致观察者评分偏差；④本研究尚未比较各组图像病变检出率和诊断信心的差异，将在今后分析讨论。

总之，减少辐射剂量约75%低剂量上腹部成像时，MBIR重建图像质量优于常规剂量FBP。与ASIR、MBIRc比较，MBIRn中MBIRNR40可显著降低图像噪声并提高信噪比，可降低主观噪声，更清晰地显示细节结构和病变边缘特征。

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Applicationofnewmodel-basediterativereconstructioninlow-doseupperabdominalCT

JIAYongjun,YUYong,HETaiping*,YUNan,YANGChuangbo,ZHANGXirong,DUANHaifeng

(DepartmentofRadiology,AffiliatedHospitalofShaanxiChineseMedicineUniversity,Xianyang712000,China)

ObjectiveTo compare the effect on image quality of low-dose upper abdominal CT reconstructed with the new version of model-based iterative reconstruction (MBIRn) focused on low-contrast resolution (MBIRNR40), conventional model-based iterative reconstruction (MBIRc), adaptive statistical iterative reconstruction (ASIR) and routine-dose CT reconstructed with filtered back projection (FBP).MethodsWater plantom at rest was scanned with CT, and spatial resolution and density resolution were compared among FBP, ASIR, MBIRc, and MBIRNR40. Sixty patients with 2 times CT in the upper abdomen within a year were enrolled. The initial examination was acquired at a standard radiation dose (noise index [NI] of 10 HU) and reconstructed with the conventional FBP algorithm. The follow-up scan was acquired at a low-dose (NI=20 HU) and reconstructed with the standard ASIR, MBIRc and MBIRNR40. All images were obtained with 0.625 mm slice thickness. CT values and noise of fat, muscle as well as the liver and kidney parenchyma were measured and CNR of liver and kidney parenchyma using the fat SD as background image noise were calculated. Two radiologists independently graded images for noise, sharpness of details of structures and lesion. The quantitative image quality scores of different reconstructions were analyzed with one-wayANOVAusing FBP reconstruction as reference of standard. The degree of interobserver consistency was evaluated usingKappatest.ResultsThe phantom study revealed the highest spatial resolution with MBIRc and highest density resolution with MBIRNR40among all reconstructions. The dose-length product and radiation dose for the first inspection was (93.18±41.21)mGy·cm, (1.40±0.62)mSv, respectively, and were (368.03±146.25)mGy·cm, (5.52±2.19)mSv for the second inspection， representing an approximate overall dose reduction of 74.68% and 74.64%. The mean image noise of muscle and fat for MBIRNR40was significantly lower than that of MBIR, ASIR and FBP(P<0.05). The mean CNR values of liver and spleen for MBIRNR40were significantly higher than that of ASIR, MBIRc and FBP (P<0.05). Two radiologists had a good subjective score consistency. Low-dose MBIRNR40subjective image noise was the lowest, showing the most detailed on the upper abdominal detail structure and lesion edge, better than MBIRc, MBIRc was superior to routine-dose FBP, low dose ASIR was worst, the difference was statistically significant (P<0.05).ConclusionWith 75% dose reduction in upper abdominal CT, the MBIRNR40can provide well objective and subjective image quality than MBIRc and ASIR40， and the routine-dose FBP.

Iterative reconstruction; Radiation dosage; Tomography, X-ray computed

R735; R814.42

A

1003-3289(2017)12-1882-06

陕西中医药大学科研基金(2016QN20)。

贾永军(1985—)，男，陕西咸阳人，在读博士，主治医师。研究方向：颈胸部影像诊断及影像新技术临床应用。E-mail: jiayongjun1985@163.com

贺太平，陕西中医药大学附属医院医学影像科，712000。E-mail: htp89956@163.com

2017-03-21

2017-07-20

10.13929/j.1003-3289.201703108