非线性融合技术在头颈部CTA中的价值:体模实验

王国树，吕发金，周 旸，孙静坤 (重庆医科大学附属第一医院放射科，重庆 400016)

头颈部多层螺旋CTA无创、便捷，且与DSA诊断符合率较高，已被广泛用于动脉瘤、动脉畸形、动脉粥样硬化等头颈部血管病变的诊断中[1]。双源双能量CT优化对比显示技术近年受到关注，其中非线性融合(non-linear blending, NLB)技术在提高血管内碘对比度[2-4]、改善分支血管显示能力[5]、改进主观图像质量[6-7]、降低对比剂用量和注射速率[8-10]以及降低辐射剂量[11]等方面的应用已有较多报道。本研究对头颈部仿真体模进行不同条件CTA扫描，对比采用NLB、线性融合(linear blending, LB)技术的低剂量头颈部CTA与常规120 kV的CTA图像质量，探讨NLB技术提高图像质量和降低辐射剂量的价值。

1 材料与方法

1.1 实验材料 采用PBU-60型CT头颈部仿真体模(日本Kyoto KAGAKU公司)，该体模由与人体同等X线吸收率的组织等效材料制成，模拟成年男性的颅骨、脑组织、脑室及左侧颈内动脉、大脑前动脉、大脑中动脉。

1.2 仪器与方法 采用Siemens Somatom Definition Flash炫速双源CT机，以不同条件对体模进行扫描。单能量扫描模式(常规120 kV图像)，管电压120 kV，螺距1.0，扫描时间4.60 s；双能量扫描模式，80/Sn140 kV，螺距分别为0.5、0.8、1.0及1.2，扫描时间分别为5.59 s、3.74 s、3.13 s及2.71 s。2种模式均采用实时动态曝光剂量调节CARE Dose 4D技术，准直器宽度128×0.6 mm，原始数据均采用迭代算法(SAFIRE，等级3)重建，重建卷积核为I30f，扫描层厚5 mm，层间距5 mm，重建层厚0.6 mm，层间距0.5 mm。

1.3 图像后处理 采用Siemens MMWP2后处理工作站对图像进行后处理及分析。对双能量图像采用Dual-Energy软件行LB处理(LB图像)，融合系数(M)为0.3；再用Optimum contrast软件行NLB处理(NLB图像)，融合中心(blending center, BC)为100，融合宽度(blending width, BW)为200。

1.4 图像质量分析

1.4.1 主观评价 对常规120 kV图像、螺距分别为0.5、0.8、1.0、1.2的LB图像和NLB图像共9组图像进行VR及MIP重建。由2名具有5年及以上工作经验的放射科医师分别对9组图像从血管壁光滑程度、血管分支显示清晰度和背景噪声3方面进行主观评价：5分，血管壁光滑，血管分支清晰可见，无明显背景噪声；4分，血管壁较光滑，血管分支可见，背景噪声小；3分，血管壁欠光滑，血管分支显示欠清晰，背景噪声明显；2分，血管壁不光滑，血管分支显示不清，背景噪声较大；1分，血管壁模糊，血管分支无法观察，背景噪声大。最终得分为2名医师的平均分，所有图像窗宽均为400 HU，窗位均为100 HU。

1.4.2 客观评价 采用MMWP2工作站的Viewer软件对9组图像进行同步数据测量，确保9组图像中同一部位的ROI大小、位置一致。在连续5层轴位重建图像中，将ROI置于颈内动脉颈段、大脑中动脉及同层面皮下组织内，测量其CT值和噪声值(SD)，计算CNR，CNR=(血管CT值-皮下组织CT值)/皮下组织SD值，取其平均值。

1.5 辐射剂量 记录单能量扫描模式和螺距为0.5、0.8、1.0、1.2的双能量扫描模式共5组扫描方式的有效管电流、容积CT剂量指数(volume CT dose index， CTDIvol)、剂量长度乘积(dose-length product， DLP)，计算有效剂量(effective dose， ED)，ED=k×DLP，k为欧盟委员会推荐的成人颈部权重因子，k=0.005 9[12]。

1.6 统计学分析 采用SPSS 20.0统计分析软件。计量资料以±s表示，9组图像的CT值、CNR比较采用单因素方差分析，两两比较采用LSD法。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 图像质量

2.1.1 客观图像质量 不同螺距NLB、LB图像及常规120 kV图像的大脑中动脉、颈内动脉的CT值、CNR差异均有统计学意义(P均<0.01，表1)。螺距为0.5、0.8、1.0、1.2的NLB图像大脑中动脉和颈内动脉的CT值显著均大于螺距为0.5、0.8、1.0、1.2的LB图像和常规120 kV图像(P均<0.05)；螺距为0.5、0.8的NLB图像大脑中动脉和颈内动脉的CNR值显著大于螺距为1.0、1.2的NLB图像，螺距为0.5、0.8、1.0、1.2的LB图像和常规120 kV图像(P均<0.05)。螺距相同时，NLB图像与LB图像CNR差异均无统计学意义(P均>0.05)。

表1 9组图像中，大脑中动脉及颈内动脉CT值、CNR比较(±s)

表1 9组图像中，大脑中动脉及颈内动脉CT值、CNR比较(±s)

图像 大脑中动脉CT值(HU)CNR颈内动脉CT值(HU)CNRNLB图像 螺距0．5320．20±25．2154．41±14．11376．55±7．4363．96±12．40 螺距0．8317．08±17．0954．32±13．60386．85±8．8666．88±17．92 螺距1．0316．58±32．5337．50±14．90374．93±9．0743．55±11．66 螺距1．2330．78±44．8539．59±9．05374．33±12．2544．89±8．73 LB图像 螺距0．5254．72±18．5449．84±6．92314．35±4．0961．71±6．26 螺距0．8260．70±17．1244．71±11．06321．90±6．8055．25±13．34 螺距1．0260．93±25．2534．37±7．47312．38±8．2540．78±5．60 螺距1．2267．85±36．8835．88±4．39310．60±4．7241．99±6．04 常规120kV图像221．43±11．5738．65±4．57251．80±2．2544．28±3．06 F值7．822．33138．794．01 P值<0．01<0．01<0．01<0．01

图1 CTA图像 A.螺距为1.2的LB图像，评分3分； B.螺距为1.0的LB图像，评分3.5分； C.螺距为0.8的LB图像，评分4分； D.螺距为0.5的LB图像，评分5分； E.螺距为1.2的NLB图像，评分3分； F.螺距为1.0 的NLB图像，评分3.5分； G.螺距为0.8的NLB图像，评分4分； H.螺距为0.5的NLB图像，评分5分； I.常规120 kV图像，评分4分

2.1.2 主观图像评分 螺距为0.5时，LB、NLB图像得分最高，评分均为5分；螺距为0.8时，LB、NLB图像与常规120 kV图像评分均为4分；螺距为1.0、1.2时，LB、NLB图像评分为3.5或3分。见图1。

2.2 辐射剂量 双能量扫描的CTDIvol、DLP和ED均低于单能量扫描方式。与单能量扫描方式比较，双能量扫描螺距为0.8时ED降低36.12%，螺距为1.0时ED降低46.28%，螺距为1.2时降低53.22%。见表2。

3 讨论

双能量CT可提供高kVp和低kVp 2组图像。其中低kVp图像中血管内碘对比剂CT值较高，易于发现病灶，但噪声较大；高kVp图像噪声小，图像细腻，但血管内碘对比剂CT值低，血管和病灶对比度较差。双能量CT NLB技术可将高、低kVp图像融合，在提高血管或病灶CT值的同时，降低图像噪声，LB或NLB系数不同，对图像质量的改善效果不尽相同[13]。LB是按照线性比例将高低两种能量进行融合，随着融合系数增大，低kVp图像所占比例增加。LB图像CT值=M×低kVp图像CT值+(1-M)×高kVp图像CT值。NLB方法很多，包括二元融合、斜率融合、高斯融合以及Moidal融合等。其中Moidal NLB法是一种改良的S型函数曲线融合技术，包含BC和BW两个参数。如果某像素CT值BC+BW/2，该像素将会以100%低kVp显示，以获得最大的图像对比度；如果某像素CT值介于BW的范围内，则随着CT值增高，低kVp与高kVp呈近似一定斜率的可变比例融合，直到100%低kVp的图像用于重建[14]。设定不同的融合参数会影响图像的融合效果，而融合参数的设定取决于观察组织的CT值。从NLB的原理来看，融合中心的设定应低于血管CT值，且高于血管周围软组织的CT值。

表2 单能量与双能量扫描方式辐射剂量的比较

本研究采用头颈仿真体模，预试验中通过不同BC和不同BW的组合，重组出不同融合系数的图像，计算不同BC、BW对应图像颈内动脉及皮下组织的CT值和SD值，以最大CT值和最小SD值对应的BC、BW值(BC=100、BW=200)作为本研究采用的最终值。根据文献[15]和[16]，本研究LB系数M选择0.3。

本研究结果表明，4种不同螺距NLB图像中，大脑中动脉和颈内动脉的CT值显著大于4种不同螺距LB图像和常规120 kV图像(P均<0.05)；且双能量扫描方式螺距为0.8时，图像质量评分与单能量扫描方式相同，均为4分，而ED降低36.12%。以上结果提示，NLB技术可在提高或保持图像质量的同时减低辐射剂量。

本实验优势在于采用头颈部仿真体模，可以重复扫描，无伦理问题，且所用体模对X线的衰减与正常人体一致，其结果真实可靠。本研究局限性：①体模结构较正常人体组织简单，无法模拟活体动脉循环的复杂性，未考虑个体差异等，但本研究结果与针对人体的研究结果[14，17]相符；②只测量了颈内动脉和大脑中动脉的CT值和CNR，但临床上大多颅内动脉瘤发生于颅底动脉环周围[18]，有助于与后期临床研究相对照；③未深入探讨CT值、CNR与螺距的关系，可能与融合原理、迭代重建等因素有关，需要进一步研究证实。

综上所述，双源双能量CT NLB技术在提高血管对比度、改善图像质量、降低辐射剂量方面具有优势。联合使用CARE Dose 4D 技术和迭代重建技术，能够获得满意图像，有效降低辐射剂量。