基于模型迭代重建改善低剂量腹部CT图像质量的应用价值

任占丽 ，雷雨欣 ，贾永军 ，韩 冬 ，陈晓侠 ，于 楠 ，于 勇 ，贺太平

（1.陕西中医药大学，陕西 咸阳 712000；2.陕西中医药大学附属医院医学影像科，陕西 咸阳 712000）

MSCT已广泛用于全身各部位检查，但重复检查及随访带来的辐射剂量增加被证明与辐射相关性癌症关系密切［1-2］。以往通常采用低管电压、低管电流或自动管电流调制技术等实现低剂量检查［3-4］，但导致图像噪声相应增加。如何使低辐射剂量与高图像质量平衡成为临床医师关注的重点。近年来，迭代重建算法快速发展并应用于CT诊断，可确保低剂量条件下获得高质量图像用于临床诊断［5］，其中在临床广泛应用的自适应统计迭代重建（adaptive statistical iterative reconstruction，ASIR）算法与传统的滤波反投影法（filtered back projection，FBP）相比，ASIR 可降低25%～40%辐射剂量，并可为临床提供可用于诊断的图像［6-7］。近几年快速发展的基于模型迭代重建（model-based iterative reconstruction，MBIR）算法将更复杂的模型结合到重建过程中以进一步降低辐射剂量［8］。本研究旨在探讨MBIR改善低剂量腹部CT图像质量的应用价值，为低剂量检查提供依据。

1 资料与方法

1.1 一般资料 收集陕西中医药大学附属医院2017年1—6月行腹部检查患者。纳入标准：①年龄≥18岁；②病情需行腹部CT扫描；③自愿参与本研究。排除标准：①呼吸无法配合、影响图像测量；②腹部器质性病变影响实验测量结果者；③存在严重图像伪影者。最终纳入100例，随机分成A组、B组，各50例。2组性别、年龄、身高、体质量、体质量指数（body mass index，BMI）差异均无统计学意义（均 P＞0.05）（表1）。检查前均签署知情同意书，且在医院伦理委员会的监督下进行。

表1 2组一般资料比较

1.2 仪器与方法 采用宝石能谱CT机（GE Discovery 750 HD），扫描前对患者进行呼吸训练，并行甲状腺及盆腔防护。患者取仰卧位，双足先进，双手上举交叉抱头。扫描范围自膈肌上方1 cm至双侧髂骨翼上缘水平，吸气后屏气呼吸扫描。A组采用常规辐射剂量的腹部扫描协议，噪声指数（noise index，NI）固定为10；B组采用低剂量的腹部扫描协议，NI固定为20。2组其余扫描参数相同，即120 kV，自动管电流技术，螺距1.375，转速0.6 s/r，探测器宽度40 mm，层厚、层距均为5 mm。

1.3 图像重建 A、B 2组原始数据采用不同方式重建，其中A组采用40%ASIR；B组采用低剂量40%ASIR（B1 亚组）、MBIR（B2 亚组），3 组图像的重建层厚均为0.625 mm，窗宽350 HU，窗位40 HU。

1.4 图像评价 将3组重建所得图像传入AW 4.6工作站用于客观参数测量和图像主观评价。

1.4.1 图像客观评价 在3组重建薄层横断位图像上，分别在肝脏、脾脏、胰腺、右肾实质、左肾实质及同层面背部皮下脂肪放置3个ROI，记录各ROI的CT 值和标准差（standard deviation，SD），取 3 个 ROI的平均值作为各测量脏器的CT值和SD值，并以SD值代表图像客观测量噪声（图1～3）。以背部皮下脂肪作为图像背景，分别计算各测量脏器的SNR、对比噪声比（contrast to noise ratio，CNR）。 SNR=CT 值脏器/SD 值脏器，CNR=（CT 值脏器-CT 值脂肪）/SD 值脂肪。同时以低剂量40%ASIR和常规剂量40%ASIR为标准，分别计算低剂量MBIR的SD降低率及SNR、CNR增加率：SD 值降低率 =（SD1-SD2）/SD1×100%，SNR 值增加率 =（SNR2-SNR1）/SNR1×100%，CNR 值增加率 =（CNR2-CNR1）/CNR1×100%，其中 SD1、SNR1和 CNR1分别代表常规剂量40%ASIR或低剂量40%ASIR各测量脏器的 SD值、SNR值和 CNR值，SD2、SNR2和CNR2分别代表低剂量MBIR各测量脏器的SD值、SNR值和CNR值。

图1～3 分别为噪声指数（NI）1040%ASIR、NI 2040%ASIR和NI 20 MBIR横断位图像，在肝脏、脾脏实质内分别放置3个ROI，分别记录各个ROI的CT值和标准差（SD），取3个ROI的平均值作为各脏器的平均CT值和SD值，并以SD值代表图像客观测量噪声（ASIR，自适应统计迭代重建；MBIR，基于模型迭代重建）

1.4.2 图像主观评价 由2位具有5年或5年以上工作经验的影像科医师对3组图像行双盲法主观评分。参考欧洲放射学会指南推荐的CT图像质量相关评分标准［9］及部分文献［10］研究，根据图像伪影、噪声、细小结构显示、脏器边缘清晰锐利程度、是否满足临床诊断等方面采用5分制法进行评分，具体评分标准如下：5分，图像质量好，无明显伪影，无明显噪声，细小的解剖结构和小血管清晰显示，脏器边缘清晰锐利，完全满足临床诊断；4分，图像质量较好，存在轻度伪影，轻度噪声，细小解剖结构和小血管显示尚清晰，脏器边缘尚清晰锐利，满足临床疾病诊断；3分，图像质量中等，存在较多伪影，中等噪声，细小解剖结构和小血管显示欠清晰，基本满足临床诊断；2分，图像质量较差，存在明显伪影，明显噪声，细小解剖结构和小血管显示不清，影响疾病诊断；1分，图像质量很差，存在严重伪影，严重噪声无法接受，细小解剖结构和小血管无法显示，完全无法用于临床诊断。其中3分及以上可用于临床诊断，2分及以下无法满足临床诊断。

1.4.3 辐射剂量 分别记录2组剂量报告中的CT容积剂量指数（CT volume dose index，CTDIvol）、剂量长度乘积（dose length product，DLP），并计算有效辐射剂量（effective dose，ED），ED=DLP×k［k 为腹部剂量换算因子，腹部 k 取值 0.015 mSv/（mGy·cm）］。

1.5 统计学处理 采用SPSS 19.0软件，参数均以±s表示。2组一般资料及辐射剂量采用独立样本t检验比较；3组重建图像的客观参数SD值、SNR值和CNR值之间差异选用单因素方差分析；3组图像主观评分之间的比较采用非参数检验；2位医师对图像质量主观评分的一致性采用Kappa检验（K≥0.75表示一致性极好，0.4＜K＜0.75表示一致性较好，K≤0.4表示一致性差）。以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 2组辐射剂量比较（表 2） A组 CTDIvol、DLP、ED均高于B组（均P＜0.05）。

表2 2组辐射剂量的比较（±s）

表2 2组辐射剂量的比较（±s）

注：CTDIvol，CT 容积剂量指数；DLP，剂量长度乘积；ED，有效辐射剂量。

组别 C T D I v o l（m G y） D L P（m G y·c m） E D（m S v）A 组 12.31±5.11 380.96±158.25 5.71±2.37 B 组 3.03±1.36 95.45± 43.84 1.43±0.66降低率（%） 75.1 74.7 74.7 t值 12.399 12.295 12.295 P值 0.000 0.000 0.000

2.2 图像主观评价 2位影像科医师对3组图像质量的主观评分具有极好的一致性（均K＞0.75）。3组图像的主观评分差异存在统计学意义（P＜0.05），B2组 ＞A 组 ＞B1组（表 3，图 4，5）。

表3 3组图像主观评分比较（分，±s）

表3 3组图像主观评分比较（分，±s）

组别 医师1 医师2 K值 P值A 组 3.72±0.45 3.80±0.40 0.794 0.000 B 1 组 3.06±0.24 3.12±0.33 0.898 0.000 B 2 组 4.76±0.43 4.80±0.40 0.884 0.000 Z值P值116.5930.000111.5390.000----

图4 男，63岁，肝内胆管轻度扩张，采用NI 1040%ASIR，扩张胆管、门静脉主干及胆囊边缘尚清晰，图像存在轻度噪声，图像主观评分为4分图5 女，69岁，胆总管结石继发肝内胆管扩张 图5a 采用NI 2040%ASIR，扩张胆管、门静脉主干及胆囊边缘模糊，图像噪声中等，图像主观评分为3分 图5b 采用NI 20 MBIR，扩张胆管、门静脉主干及胆囊边缘清晰锐利，图像无明显噪声，图像主观评分为5分

2.3 图像客观评价（表4，5） 3组图像的客观噪声（SD值）之间的差异有统计学意义（P＜0.05），其中A组与B1亚组、A组与B2亚组、B1亚组与B2亚组SD值的两两比较，差异均有统计学意义（均P＜0.05），低剂量B2亚组SD值最低，低剂量B1亚组的SD值最高。3组图像SNR值、CNR值之间差异有统计学意义（均 P＜0.05），其中A组与 B1亚组、A组与 B2亚组、B1亚组与B2亚组的SNR值和CNR值的两两比较，差异均有统计学意义（均P＜0.05），低剂量B1亚组图像SNR、CNR值最低，低剂量B2亚组图像SNR、CNR值最高（SNR值、CNR值：B2亚组＞A组＞B1亚组）。B2亚组各脏器SD值较A组和B1亚组分别降低43.5%～62.0%和71.3%～79.8%；B2亚组各脏器SNR值较A组和B1亚组分别增加80.6%～159.0%和270.4%～409.0%；B2亚组各脏器 CNR值较A组和B1亚组分别增加109.8%～114.3%和213.7%～217.1%。

表4 3 组图像 SD、SNR、CNR 值比较（±s）

表4 3 组图像 SD、SNR、CNR 值比较（±s）

注：SD，标准差，代表图像客观噪声；SNR，信噪比；CNR，对比噪声比。

参数 部位 A组 B 1组 B 2组 F值 P值S D值 肝脏 19.08±1.80 37.28±3.69 7.56± 0.73 1940.919 0.000（H U） 脾脏 18.73±1.61 37.26±3.77 7.83± 0.77 1911.218 0.000胰腺 20.97±2.63 39.66±6.51 8.12± 1.83 716.059 0.000右肾 19.74±2.60 38.11±4.25 10.97± 3.07 838.374 0.000左肾 19.46±2.54 37.91±4.73 9.60± 2.11 932.087 0.000 S N R值 肝脏 3.88±0.44 1.94±0.21 9.61± 1.37 1125.685 0.000脾脏 3.88±0.60 1.92±0.20 9.11± 1.19 1138.311 0.000胰腺 2.89±0.52 1.49±0.29 7.34± 1.47 553.248 0.000右肾 5.70±0.81 2.79±0.54 10.17± 2.40 308.500 0.000左肾 5.79±0.94 2.85±0.56 11.4± 2.15 489.605 0.000 C N R值 肝脏 11.50±4.42 7.98±5.29 22.42± 9.98 57.843 0.000脾脏 11.39±4.32 7.97±5.27 22.38±10.25 56.127 0.000胰腺 10.55±4.31 7.25±4.70 20.27± 8.85 57.735 0.000右肾 14.17±5.29 9.73±6.85 27.34±12.45 54.675 0.000左肾 14.15±5.17 9.83±6.85 27.34±12.11 56.642 0.000

表5 3组图像SD值降低率、SNR值增加率、CNR值增加率比较（%）

3 讨论

文献［11］报道，美国1.5%～2.0%的癌症由CT检查引起。以往常通过优化扫描参数降低辐射剂量［12］，但随之出现了高图像噪声和低图像质量等问题，给疾病诊断造成一定影响。因此，如何使低辐射剂量和高图像质量平衡已经成为目前临床研究的方向。

随着CT设备及成像技术的不断更新和发展，不同类型的图像重建算法也随之应用于临床。FBP作为CT图像重建基础［13］，其对图像噪声敏感，重建图像具有噪声高、条纹伪影明显、空间分辨力较低和病变检出能力较差的特点，在一定程度上无法满足临床诊断的需要。ASIR是基于噪声模型和光学模型的数据重建技术，其最大的优势在于可改善图像噪声、降低辐射剂量和提高图像质量［14］，但过高权重的ASIR会使图像产生“蜡样伪影”。MBIR是近年来迅速发展的高级迭代重建技术，通过基于统计学模型和迭代矫正方式的重建，对扫描范围内的每一个体素进行描述并不断进行迭代矫正，从而降低图像噪声、提高图像质量，已在临床中应用［15-16］。

本研究中通过对A、B组采用不同NI扫描，结果发现B组所接受ED较常规剂量A组降低约74.7%，Miéville 等［17］研究发现 MBIR 可降低 67%～82%辐射剂量，杨晶等［18］研究发现MBIR降低辐射剂量约52.6%，而本研究与 Miéville 等［16］研究结果接近。 通过对低剂量B1、B2组间图像SD值、SNR值和CNR值比较发现，低剂量扫描条件下，MBIR能显著降低重建图像的客观噪声（SD降低71.3%～79.8%），并提高图像质量（SNR、CNR分别提高270.4%～409.0%、213.7%～217.1%）。通过对低剂量B2组和常规剂量A组图像质量比较发现，B2组虽辐射剂量降低74.7%，但MBIR仍可显著提高低剂量腹部CT图像质量，其中SD降低43.5%～62.0%，SNR和CNR分别提高80.6%～159.0%、109.8%～114.3%，且MBIR图像获得更高的主观图像评分，包括显示细小结构和器官边缘，与Volders等［19］研究结果一致。通过比较A、B12组图像的SD值、SNR值和CNR值，结果提示通过优化扫描技术参数实现的低剂量CT检查，会带来图像噪声明显增加和图像质量降低的问题。笔者还对3组图像的主观评分比较，结果发现低剂量扫描条件下，MBIR图像的伪影、客观噪声、细小解剖结构的显示、脏器边缘的锐利度及图像分辨力均有所提高。本研究表明，在满足临床诊断的前提下，降低辐射剂量低于74.7%是可能实现的。MBIR更大程度降低图像噪声和提高图像CNR是由于MBIR采用了大量模型，其中不仅包括噪声模型，还包括用于迭代校正重建周期的物理和光学模型［20］，使MBIR为低剂量临床疾病诊断带来更清晰图像，实现辐射剂量最小化和图像最优，更大程度满足临床诊断。

本研究尚存在不足之处：①样本量较小，MBIR重建时间较长；②仅采用120 kV条件下图像，未研究低管电压扫描对图像质量和辐射剂量的影响；③仅对腹部实质脏器进行了分析评价，未涉及腹部细小解剖结构；④图像的主观评分和客观测量参数的评价受影像医师主观因素的影响。以上不足有待今后进一步扩大样本量，将不同重建技术应用于低剂量检查中，并对图像质量影响的评价延伸到腹部血管及小病灶的临床诊断中。

总之，与常规剂量腹部CT比较，MBIR可有效改善低辐射剂量条件下的图像噪声和图像质量。