ASiR技术在评估颈椎外伤患者中的应用

赵凯宇 宣伟玲 陆洪江 王瑞

近年来，接受CT扫描的人次显著增加，每年增 长约10%［1］。研究表明：接受CT检查的人次仅占所有放射科检查数量的15%，但却占了大约总放射暴露总量的75%［2］。考虑对患者的风险和收益，使用各种低剂量扫描策略在不影响图像诊断质量的前提下减少辐射剂量。迭代重建（IR）是主要通过减少图像噪声和伪影来改善图像质量。比如GE的自适应统计迭代重建（ASiR；GE Healthcare）技术可以有选择地识别和去除CT低剂量扫描图像中的噪声［3］。该技术主要通过应用数学模型改变X射线衰减中的光子统计来校正图像数据［4］，使图像噪声迭代地减少。本研究分别采用滤波反投影（FBP）算法和ASiR算法对颈椎CT图像进行后重建，比较两组图像的主观图像质量、图像噪声和辐射剂量。

1 资料与方法

1.1 一般资料 回顾性分析2016年7月至12月期间在同一台CT机（Discovery CT750 HD；GE Healthcare）上接受颈椎CT扫描的86例急性外伤患者扫描数据。所有病例为疑似颈椎外伤的成年患者，扫描图像无明显的运动伪影和金属伪影等。将86例患者分为FBP组（46例）和ASiR组（40例）。FBP组中男28例，女18例；年龄19～87岁。ASiR组中男26例，女14例；年龄25～88岁。（1）FBP组中使用FBP算法进行图像后处理；（2）ASiR组中使用30%的ASiR算法进行图像后处理。根据GE工程师的建议以及在头颅CT扫描中使用ASiR的初步经验，在本次低剂量颈椎CT研究中选择了30%的ASiR。

1.2 扫描参数 FBP组采用以下扫描方案：探测器参数为64×0.625；使用自动管电流技术（范围100～650mA）；预设噪声指数（NI）为18。ASiR组将管电流范围降低至81～451mA；预设噪声指数（NI）提高至22.7（比FBP组增加27%），其余扫描参数相同。NI设置的差异主要根据工程师建议以及作者以往对ASiR技术的经验。两组采用相同的层厚（3mm）和管电压（120kV），扫描范围从外耳道水平至胸骨上缘。

1.3 辐射剂量参数 容积CT剂量指数（CTDIvol）和剂量长度乘积（DLP）得自每例FBP和ASiR的剂量报告。CTDIvol代表扫描范围内的平均剂量，而DLP为对应检查的总辐射剂量。DLP是CTDIvol和扫描长度的乘积。通过将DLP乘以换算系数0.0054mSv·mGy-1·cm-1计算出有效剂量（mSv）。

1.4 定量分析 将一个感兴趣区（40mm2）置于C3或C4水平具有最小的条纹伪影的脊髓中，两组图像的感兴趣区的位置和大小须一致。选择脊髓是因为其位于骨性椎管内，并且最易受容积效应的影响，这也是一个非常重要的脊柱外伤领域［5］。感兴趣区的平均CT值（CTn）即为图像信号，感兴趣区域内平均CTn的标准差（SD）即为图像噪声，由同一位放射科医师对两组图像进行测量，记录每次检查CTn和SD值。最后将CTn除以SD得到信噪比（SNR）。

1.5 定性分析 每次研究中，软组织和骨重建中重建的正中矢状面图像（层厚，3mm）均隐藏扫描参数、重建参数和可识别的个人信息。由于本研究并非针对病理或骨折的检测，因此为了简化定性评估，仅使用正中矢状位图像。这些图像由对本研究不知情的放射科医师随机在PACS系统上进行评估，可以在评估期间根据个人习惯调整窗宽窗位。主观图像噪声按4分制进行评分：1分：噪声很少（低于平均噪声）；2分：噪声较少（平均噪声）；3分：噪声较多（高于平均噪音），但允许评估；4分：噪声太多（严重降低图像质量，影响诊断质量）。图像清晰度按5分制评分：1分：结构清晰，边缘清晰（高于平均清晰度）；2分：结构清晰，但轮廓不够锐利（平均清晰度）；3分：结构可见，轮廓尚清晰，可用于诊断（低于平均清晰度）；4分：结构可见，但不足以用于诊断，轮廓模糊；5分：结构显示不清。诊断可接受性按4分制评分：1分：完全能诊断；2分：大体能诊断；3分：有限的条件下能诊断；4分：不能用于诊断。

1.6 统计学分析 采用SAS 9.3统计软件。通过使用独立样本t检验来比较定量图像噪声和辐射剂量，通过使用Mann-Whitney U检验比较FBP和ASiR的主观的图像噪声、清晰度和诊断可接受性。P＜0.05为差异有统计学意义。使用观察者间的一致性百分比和费舍尔的精确测试来评估观察者间协议。根据图像噪声和诊断可接受性的主观评估分值（1～2和3～4）和图像清晰度主观评估分值（1～2和3～5）计算观察者间的一致性百分比。

2 结果

2.1 辐射剂量 ASiR组的平均CTDIvol和DLP比FBP组分别降低了35.2%和35.5%（P＜0.001），有效剂量减少了35.4%。见表1。

表1 剂量参数

2.2 信号和噪声测量 在图像噪声（P=0.38）、图像信号（P=0.81）和SNR（P=0.57）方面无显著差异，表明组间图像的非劣效性［6］。ASiR组的图像噪声值稍低，图像信号和SNR稍优于FBP组（见表2）。

表2 定量分析

2.3 主观图像质量 ASiR组图像质量的主观评分稍优于FBP组，但两组间差异无统计学意义（P＞0.05）。根据图像噪声和诊断可接受性的主观评估分值（1～2和3～4）以及图像清晰度主观评估分值（1～2和3～5）计算出观察者间的一致性百分比。FBP组和ASiR组观察者之间存在高度一致性，但ASiR组有更好的一致性倾向（表3）（83%和97%之间的一致性百分比）。然而，在主观评估期间，FBP组和ASiR组之间的百分比一致性差异无统计学意义（P＞0.05），表明图像的非劣效性。在两组之间未发现显著的伪影差异，也未产生任何诊断上不可接受的图像。

表3 观察者间协议（%）

3 讨论

众所周知，精确快速的外伤性脊柱影像学评估对于评估脊柱稳定性和神经元的完整性至关重要。有充分的证据表明，CT在许多方面优于普通X线摄影，但是一次颈椎CT扫描的辐射剂量至少是一次颈椎正侧位摄影的10倍［7］。因此在不影响图像诊断质量的前提下，通过改变CT扫描方案来减少辐射剂量非常有意义。

FBP算法是CT图像重建算法中快速且稳定的重建技术。大多数情况下，FBP算法在标准剂量扫描非肥胖体型患者中是一种适当的重建方法。然而，当辐射剂量降低以及扫描肥胖患者的情况下，FBP会产生较大图像噪声和伪影。迭代重建算法是第三代图像重建技术，其在不影响图像质量的前提下减少辐射剂量。迭代重建从在图像数据域中重建，到更先进的在原始数据域重建，不同的厂家命名不同，图像空间中的迭代重建是一种在图像域单独迭代的红外技术；自适应迭代低剂量3D和iDose4是在原始数据域和图像域进行的迭代算法，以及ASiR和基于模型的迭代重建，每种迭代算法的工作方式均不相同。ASiR是采集后的图像处理算法之一，与FBP不同，其执行数学和统计建模的混合迭代过程，以识别和选择性地减少图像的噪声。通过降低图像噪声，可以降低管电流，从而减少辐射剂量。放射科技师可以选择从0%（100%FBP）至100%（0%FBP）的ASiR程度来重建CT图像。使用0%的ASiR设置将生成传统的FBP图像，100%的ASiR设置将生成无噪声的CT图像，但相应地具有“塑料性”纹理的图像，诊断价值非常有限。在较高比例的ASiR中，物体的轮廓开始变得模糊，并使图像更光滑，更加光亮。大多数协议将10%～40%ASiR和FBP混合。本资料中，作者根据以往的经验和放射科医生的意见，在低剂量颈椎CT扫描中采用30%的ASiR。研究报道了在腹部、胸部、冠状动脉CT血管造影、头颈部以及脊柱中使用ASiR技术的优势［8］。允许使用更高级的噪声指数，这有助于降低管电流和辐射剂量。本资料中，在颈椎CT扫描中实施ASiR后，噪声指数可以增加27%，但不影响图像质量。与FBP技术比较，使用ASiR技术显著减少辐射剂量（约30%），图像噪声和主观图像质量比较差异无统计学意义。

本研究有以下局限性：（1）这是一项回顾性研究，可能会受到选择偏倚的影响；（2）未包括和评估由金属或手术植入物引起的放射硬化伪影和条纹伪影的患者；（3）仅使用同一制造商的一种CT机对患者进行了评估，未比较辐射剂量在同一厂家或不同厂家的不同技术之间的剂量减量和图像质量，难以评估这种ASiR方法与其他类似的可用技术比较情况；（4）未评估体重指数对辐射剂量的影响；（5）未通过选择不同的区域，如脊柱旁肌肉，脊髓和周围空气，以放置感兴趣的区域来量化客观图像评估；（6）未评估ASiR在检测骨折和其他病变方面的效果。