基于模型的迭代重建中降噪设置对减小CT血管成像辐射剂量的实验研究

贾永军 于 楠 杨创勃 张喜荣 段海峰 于 勇 贺太平

基于模型的迭代重建中降噪设置对减小CT血管成像辐射剂量的实验研究

贾永军 于 楠 杨创勃 张喜荣 段海峰 于 勇 贺太平

目的通过模型实验探讨基于模型的迭代重建(MBIRn)中降噪设置在降低CT血管造影(CTA)辐射剂量中的应用价值。资料与方法使用能谱CT在固定管电压120kVp，10、50、150、600mA不同管电流条件下，扫描静止状态容纳8支试管的血管模型。试管内分别填满纯净水、1、2、5、10、20、30mgI/ml溶液和30 mgCa/ml溶液。原始扫描数据分别使用标准算法FBP、ASIR40(40％ASIR与FBP混合)、MBIRc和MBIRn中优化空间分辨率设置MBIRRP20、标准设置MBIRStnd、降噪设置MBIRNR406种算法重建层厚0.625mm的图像后进行对比分析。选取3个固定层面在试管中心及周围酯性基质放置感兴趣区，并测量CT值与标准差(SD)，以代表噪声。计算并比较降噪设置MBIRNR40与其他重建算法图像各溶液噪声和对比噪声比(CNR)的平均值。结果在不同管电流条件下，与FBP相比，ASIR40、 MBIRc、MBIRRP20、MBIRStnd和MBIRNR40均不同程度减少噪声和提高CNR；MBIRNR40平均噪声最低(降低78.33％)，CNR最大(升高241.74％)，优于其他重建算法图像(P＜0.05)；且辐射剂量越低，其优势越明显。10mA条件下MBIRNR40重建图像噪声与600mA条件下FBP和ASIR40相近，其余管电压条件下CNR明显大于FBP和ASIR40。结论MBIRc、MBIRn和ASIR重建算法有助于提高CTA图像质量，降低辐射剂量。MBIRn降噪设置MBIRNR40噪声最低，CNR最大，且辐射剂量越小，其优势越明显。

体层摄影术，X线计算机；血管造影术；图像处理，计算机辅助；算法；迭代重建技术；辐射剂量

CT血管造影(CTA)具有成像时间短、适应证广、高质量、多平面、三维成像等优点，临床应用前景良好；但其较高的辐射剂量也越来越受到关注[1]。美国2005年因CT 检查辐射所致癌症比例为1.5％～2.0％，X线辐射成为限制CTA进一步广泛应用的障碍[2]。近年来，迭代重建技术(iterative reconstruction，IR)相关基础及临床应用研究成为热点[3-5]。与传统的滤波反投影技术( fi ltered back projection，FBP)相比，其可有效降低图像噪声，提高图像的信噪比(SNR)和对比噪声比(CNR)，弥补由降低辐射剂量造成的噪声增加和图像质量下降，具有间接降低有效辐射剂量的能力[6]。目前常用的IR算法均为混合迭代重建，降低辐射剂量能力有限。基于模型的迭代重建(model-based iterative reconstruction，MBIR)仅在投影数据空间实现全迭代重建，能够进一步明显降低影像噪声和提高空间分辨力[4]。本研究通过对比MBIRn、常规基于模型的迭代重建(conventional model-based iterative reconstruction，MBIRc)、自适应统计迭代重建(adaptive statistical iterative reconstruction，ASIR)和滤波反投影重建( fi ltered back projection reconstruction，FBP)多种算法在体模实验中对不同管电流下CTA图像质量的影响，探讨MBIRn降噪设置在CTA成像时降低辐射剂量的应用价值。

1 资料与方法

1.1 体模 血管模型使用日本东京女子医科大学东医疗中心提供的Quantitative Standard Pulsating Phantom QSP-1(日本Fuyo联合北京医院、香港养和医院共同开发制造，图1)：直径200mm圆形酯性基质内环形排布8支长100mm、直径25mm塑料试管，试管内分别填满纯净水以及1、2、5、10、20、30mgI/ml溶液以及30 mgCa/ml溶液。酯性基质中央放置1支30mgI/ml溶液，用以产生硬化伪影干扰。

1.2 扫描及重建方法 使用日本东京女子医科大学东医疗中心宝石能谱CT(Discovery CT750HD)，扫描范围覆盖为体模酯性基质。扫描条件：电压 120kVp，X线管旋转时间1s/转，螺距 1.375∶1，准直器宽度为0.625×64，管电流分别设定为10、50、150和600mA，采集原始数据。分别使用标准算法FBP、ASIR40(40％ASIR与FBP混合)、MBIRc和MBIRn中升高空间分辨率设置MBIRRP20、标准设置MBIRStnd、降噪设置MBIRNR406种算法重建层厚0.625mm的图像后进行对比分析。

1.3 数据测量分析 选取3个固定层面在试管中心及周围酯性基质放置76.6mm2感兴趣区(ROI)，测量其CT值与标准差值(SD，SD代表噪声)。比较各重建算法图像各支试管内溶液噪声和以酯性基质为背景的对比噪声比CNR，CNR=(CT值a-CT值b)/SDb。以目前广泛应用的FBP为基础，计算每种重建算法噪声及CNR的变化情况。

1.4 统计学方法 使用 SPSS 17.0 软件。采用单因素方差分析比较不同重建算法在各管电流、溶液平均噪声、CNR和不同重建算法在不同管电流成像条件下平均噪声、CNR，组间两两比较采用LSD检验。P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 不同重建算法在各管电流、溶液平均噪声和CNR比较 与FBP相比，ASIR40平均噪声下降22.34％，CNR升高30.47％；MBIRc噪声下降67.12％，CNR升高97.83％；MBIRRP20平均噪声下降48％，CNR升高23.81％；MBIRStnd噪声下降66.16％，CNR升高94.43％；MBIRNR40噪声下降78.33％，CNR升高241.74％。其中MBIRNR40平均噪声最低，CNR最大，优于其他重建算法图像，且差异均有统计学意义(P＜0.05)。见表1、图2。

2.2 不同重建算法在各管电流条件下平均噪声和CNR比较 MBIRNR40在不同溶液各管电流条件下平均噪声最低，CNR最大，且管电流越低，改善图像质量越明显，见表2、图2。10mA和50mA条件下MBIRNR40重建图像CNR与600mA条件下FBP和ASIR40相近，即在相同图像质量下量明显减少辐射剂(减少98％和92％)；150mA和600mA条件下MBIRNR40重建图像CNR明显大于FBP和ASIR40，即相同辐射条件下可明显提高图像质量，且辐射剂量越低，其优势越明显。

图1 体模CT 扫描图像。A～C分别为50mA条件下轴位图像，其中A为ASIR40图像，B为MBIRc图像，C为MBIRNR40图像；D～F分别为600mA条件下轴位图像，其中D为ASIR40图像，E为MBIRc图像，F为MBIRNR40图像；选取相同层面相同位置放置ROI分别测量背景及各溶液的 CT 值及标准差；50mA条件下MBIRNR40图像较600mA条件下ASIR40图像的CNR稍大，主观评价图像质量相近，且优于50mA条件下ASIR40和MBIRc图像

表1 不同重建算法在各管电流、各溶液平均噪声和CNR比较(±s)

表1 不同重建算法在各管电流、各溶液平均噪声和CNR比较(±s)

注：与MBIRNR40比较，*P＜0.05；FBP：滤过反投影技术；ASIR：自适应统计迭代重建；MBIRc：常规基于模型的迭代重建；MBIRn：基于模型的迭代重建

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表2 不同重建算法在不同成像条件下平均噪声和CNR比较(±s)

表2 不同重建算法在不同成像条件下平均噪声和CNR比较(±s)

注：与MBIRNR40比较，*P＜0.05；FBP：滤过反投影技术；ASIR：自适应统计迭代重建；MBIRc：常规基于模型的迭代重建；MBIRn：基于模型的迭代重建

10mA 50mA 150mA 600mA噪声 CNR 噪声 CNR 噪声 CNR 噪声 CNR FBP 81.85±9.11* 5.72±4.22* 35.63±3.25* 15.20±11.31* 22.65±3.69* 23.14±17.24*12.80±4.95* 44.29±32.99*ASIR40 62.69±8.21* 7.37±5.46* 27.78±3.08* 19.81±14.73* 17.91±3.95* 29.69±22.14*10.43±5.33* 58.43±43.53*MBIRc 16.34±4.86* 26.95±19.78* 13.4±3.92* 26.95±19.78* 11.39±4.77* 46.18±34.25* 9.08±6.24 66.03±49.18 MBIRRP20 28.66±5.20* 16.52±12.14* 20.98±2.91* 21.57±16.14* 17.25±3.84* 27.78±20.63*12.28±5.66* 43.54±32.49*MBIRStnd 16.94±4.93* 27.70±20.33* 13.94±3.61* 35.06±27.08* 11.70±4.78* 45.08±33.50* 9.24±6.26 63.98±47.72 MBIRNR40 9.56±4.68 55.16±40.54 9.13±4.20 63.24±46.96 7.90±5.34 80.61±59.85 6.60±2.34 102.97±76.71 F值 167.647 6.016 64.863 3.740 11.882 3.016 1.068 1.548 P值 0.000 0.000 0.000 0.007 0.000 0.021 0.392 0.196重建算法

图2 不同重建算法在各管电流成像条件下平均噪声和SNR、CNR比较。A.不同重建算法图像在不同管电流条件下各溶液平均噪声；B.不同管电流条件下各溶液平均CNR；MBIRNR40在各浓度溶液中噪声最低，SNR、CNR最大，且辐射剂量越低，改善图像质量越明显

3 讨论

目前，CTA的临床价值主要体现在心血管自身及其他病变累及血管的影像诊断。多排螺旋CT的时间分辨率及空间分辨率使无创性CTA趋于成熟及完善，已成为诊断和评估动静脉疾病有效的影像学检查手段[7-8]。然而，由于实际工作中常使用大范围、小螺距CTA扫描方案，导致患者过量电离辐射暴露进而导致患癌风险增加，限制了CTA的进一步广泛应用[9]。传统对噪声敏感的FBP在降低管电流、管电压扫描条件与满足图像质量之间难以协调，单纯优化扫描参数(管电流、管电压等)可降低辐射剂量，但会影响图像质量[10-11]。

ASIR重建将FBP数据和ASIR数据按不同比例加权融合，达到不同程度的降噪效果，其主要问题是图像视觉上稍异于阅片者传统习惯，特别是较大迭代比重时产生蜡状伪影，故一般推荐在ASIR40或ASIR60[12]。本研究选用ASIR40，其噪声下降22.34％，SNR和CNR分别升高28.07％和30.51％，提示相对于FBP，ASIR可提高CTA图像质量，但改善能力有限。MBIR仅在投影数据空间实现全迭代重建，除建立系统统计模型外，还建立了系统光学模型，对体素、X射线光子初始位置和探测器几何因素均通过模型进行模拟，真实地还原了X射线从投射到信号采集的全过程，能够进一步明显降低影像噪声和提高空间分辨力[13]。Annoni等[14]认为MBIRc可在减少90％有效辐射剂量的前提下，不损失左心房和和肺静脉图像质量。事实上，作为早期版本的MBIRc仅可提供standard/0.625mm层厚的MBIR(MBIRStnd)，且存在像素化斑点状外观的现象。Padole等[15]认为MBIRc不能最优地显示小叶裂隙、外周血管和亚段支气管壁等微细肺解剖结构。目前最新版本MBIRn(商品名VEO3.0)可提供重建0.625、1.25、2.5、3.75、5.0mm在内的5种层厚和更多权衡密度分辨率和空间分辨率的重建设置。其中包括与MBIRc相同物理特性的standard(MBIRStnd)设置、resolution preference 设置(比较MBIRStnd增加空间分辨率20％和5％但相应密度分辨率降低的MBIRRP20/MBIRRP05)、noise reduction 设置(比较 MBIRStnd减少40％和5％但相应空间分辨率降低的MBIRNR40/MBIRNR05)，合理选择后可进一步改善低辐射剂量条件下的图像质量[16]。本研究选用升高空间分辨率设置MBIRRP20、标准设置MBIRStnd、降噪设置MBIRNR40。MBIRn近期在欧美及日本推出，目前尚未在国内设备上配备相关软件。本体模实验提示MBIRc可明显降低不同浓度对比剂噪声和提高CNR，其与MBIRStnd效果相当，其原因为MBIRc本质上也为0.625mm标准算法重建，仅增加了特征增强功能使采集空间内噪声分布更均匀。本实验进一步提示MBIRNR40在各浓度溶液中噪声最低，SNR、CNR最大，且辐射剂量越低，改善图像质量越明显，验证了该设置在降噪中的价值。在150mA和600mA条件下，MBIRNR40图像CNR明显大于ASIR40和MBIRc，即相同辐射条件下可更明显提高图像质量。在10mA和50mA条件下，MBIRNR40重建图像CNR与600mA条件下ASIR40相近，即在相同图像质量下可明显减少辐射剂量。

本研究具有以下局限性：①MBIR软件为GE新开发迭代重建软件，缺乏通用性，其重建时间长，远慢于实时显示图像的FBP和ASIR[17-18]，但相信随着计算机技术的发展，此不足近期将得到解决。②MBIRn共有25种重建组合方式，其在层厚、噪声、空间分辨率中互有取舍。本单中心研究由于仅选用了0.625mm中的MBIRRP20、MBIRStnd和MBIRNR40，且仅关注CTA成像的噪声和CNR，未对空间分辨力进行比较。今后将在可以观察空间分辨率的体模或在体临床研究中分析比较。

总之，MBIRc、MBIRn和ASIR重建算法有助于提高CTA图像质量，降低辐射剂量。MBIRn降噪设置MBIRNR40噪声最低，CNR最大，且辐射剂量越小，其优势越明显。

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Noise Reduction Settings Among Model-based Iterative Reconstruction on Decreasing Radiation Dose in CT Angiography:An Experimental Study

JIA Yongjun
YU Nan
YANG Chuangbo
ZHANG Xirong
DUAN Haifeng
YU Yong
HE Taiping

PurposeTo explore the application of noise reduction settings among modelbased iterative reconstruction (MBIRn) on decreasing radiation dose in CTA through experimental study.Materials and MethodsSpectral CT was used to scan vessel model which could accommodate 8 tubes under static condition under 120kVp fi xed tube voltage at 10mA,50mA,150mA and 600mA.The tubes were fi lled with puri fi ed water,1,2,5,10,20 and 30mgI/ml solutions and 30 mgCa/ml solution.Algorithms of FBP (standard),ASIR40 (combined by 40％ ASIR and FBP),MBIRc and MBIRn with optimized spatial resolution setting as MBIRRP20,MBIRStnd(standard setting),and MBIRNR40(noise reduction setting) were adopted for original scanning data to reconstruct images of 0.625mm slice thickness for contrastive analysis.Three fi xed layers were chosen and regions of interest were placed on central tube and surrounding ester matrix,and CT value and standard variation (SD) were measured to represent noise.Noise reduction setting MBIRNR40and solution noise of other reconstruction algorithm images were calculated and compared and average value of contrast noise ratio (CNR) was compared.ResultsCompared to FBP under different tube currents,ASIR40,MBIRc,MBIRRP20,MBIRStndand MBIRNR40reduce noise and increase CNR at different levels.Average noise of MBIRNR40was the lowest(reduced by 78.33％) and CNR the highest (increased by 241.74％),making it superior to other reconstruction algorithm images (P＜0.05).Meanwhile,the lower the radiation dose was,the more obvious its advantage was.Reconstruction image noise of MBIRNR40at 10mA was close to that of FBP and ASIR40 at 600mA.CNR was obvious greater than that of FBP and ASIR40 at other tube voltage.ConclusionReconstruction algorithms of MBIRc,MBIRn and ASIR can help enhance CTA image quality and reduce radiation dose.Noise reduction setting MBIRNR40from MBIRn has the lowest noise and greatest CNR.The lower the radiation dose is,the more obvious its advantage is.

Tomography,X-ray computed; Angiography; Image processing,computerassisted; Algorithms; Iterative reconstruction; Radiation dosage

陕西中医药大学附属医院医学影像科 陕西咸阳 712000

10.3969/j.issn.1005-5185.2017.11.020

贺太平

Department of Radiology,Af fi liated Hospital of Shaanxi Chinese Medicine University,Xianyang 712000,China

Address Correspondence to:HE Taiping

E-mail: htpkeyan@163.com

R445.3；R818

2017-05-08

2017-08-10

中国医学影像学杂志2017年 第25卷 第11期：872-875，880

Chinese Journal of Medical Imaging 2017 Volume 25 (11):872-875,880

(本文编辑 闻 浩)