16层CT低管电压联合迭代重建技术在胸部检查中的应用*

彭德华 杨勤顺 周 鹏 丁凯俊 叶锡勇 孙利娟 江时淦*

CT检查与X射线胸片相比明显提高了早期肺癌的检出能力，但其X射线辐射剂量也明显高于胸片，限制了CT在普通人群和肺癌高危人群筛查中的广泛应用。在不影响疾病诊断的前提下尽可能减少放射剂量，是CT检查安全性的关注重点。自1990年Naidich等[1]提出低剂量CT概念以来，胸部低管电流CT扫描技术应用广泛，而降低管电压一直未被推广[2]。有研究表明，迭代重建算法在低剂量CT中能明显降低图像噪声，提高图像质量[3-4]。本研究旨在探讨16层螺旋CT低管电压联合Karl 3DTM迭代技术在胸部检查中的应用价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2017年12月至2018年12月江西医学高等专科学校第一附属医院120名胸部CT健康体检者，按照胸部CT检查时管电压的不同将其分为120 kV组和80 kV组，每组60名。120 kV组中男性36名，女性24名；年龄19～88岁，平均年龄(54.42±12.2)岁；80 kV组中男性37名，女性23名；年龄24～83岁，平均年龄50.92±11.5)岁。本研究经学校和医院伦理委员会批准并在其监督下执行，所有检查者均签署知情同意书。

1.2 仪器设备

采用uCT 510型16层螺旋CT扫描仪(上海联影医疗科技有限公司)。

1.3 检查方法

所有检查者取仰卧位，双臂上举头部先进，120 kV组采用常规管电压(120 kV)，80 kV组采用低管电压(80 kV)；两组扫描条件一致，管电流160 mA，准直器16×1.2 mm，机架旋转速度0.6 s/r，螺距0.9375，矩阵512×512。扫描范围自胸廓入口至膈肌水平。

1.4 图像重建

两组原始图像数据分别用Karl 3DTM迭代算法和滤波反投影(filter back projection，FBP)算法进行图像重建，获得两组的Karl 3DTM迭代重建图像和FBP重建图像；Karl迭代重建水平为5级，层厚为5 mm，层间距为5 mm，肺窗的窗宽为1200 HU，窗位-600 HU，纵膈窗的窗宽为400 HU，窗位为40 HU。

1.5 图像质量评价

1.5.1 客观评价

绘制圆形感兴趣区域(region of interest，ROI)，面积约为100～110 mm2，选取主动脉弓层面、气管分叉层面分别测主动脉CT值及其标准差(standard deviation，SD)，并测量腋窝或胸背部皮下脂肪的CT值作为背景噪声，计算信噪比(signal noise ratio，SNR)为公式1：

计算对比噪声比(contrast noise ratio，CNR)为公式2：

图像噪声为主动脉标准差(SD)。

1.5.2 主观评价

由2名医生双盲阅片法评价两组Karl迭代重建图像和FBP重建图像质量，意见不一致时商量决定。肺窗图像通过中心肺动脉血管及支气管、周围肺血管及支气管、主气管以及肺裂的显示进行评价，其中周围肺血管支气管定义为距离脏层胸膜面＜2 cm的血管支气管；纵膈窗通过观察主动脉、胸壁骨和肌肉边缘的锐利程度及纵膈内部结构与周围组织的对比程度来评价。评分标准为0～5分：①5分，解剖结构边缘清晰，无伪影；②4分，解剖结构边缘略模糊，无伪影；③3分，解剖结构边缘略模糊，有少量伪影；④2分，解剖结构边缘模糊，中量伪影；⑤1分，大量伪影，正常结构中断。≥3分的图像为临床可以接受。

1.5.3 辐射剂量评价

记录每次CT扫描的CT容积剂量指数(volume CT dose index，CTDIvol)和剂量-长度乘积(dose length product，DLP)。

1.6 统计学方法

(1)采用SPSS20.0软件对数据进行统计学分析，客观图像质量评价数据以均数±标准差(±s)表示，图像噪声、SNR和CNR的比较采用方差，同一剂量水平不同重建方法采用配对t检验，主观图像质量评价采用Wilcoxon符号秩检验分析，以P＜0.05为有差异统计学意义。

(2)由两位放射科医师对图像质量评分一致性用非参数检验Kappa分析，Kappa值≥0.81为几乎完全一致性，0.61～0.8为高度一致性，0.41～0.6为中等一致性，0.21～0.4为一般一致性，Kappa值≤0.20为极差一致性。

2 结果

2.1 两组不同重建方法图像噪声、SNR和CNR比较

(1)120 kV组60名受检者Karl 3DTM重建与FBP重建的主动脉弓层面、气管分叉层面图像的噪声、SNR和CNR比较，差异有统计学意义(t主动脉弓=14.274，t=12.134，t=14.249；t气管分叉=15.778，t=15.953，t=10.974；P＜0.05)，见表1。

(2)80 kV组60名受检者Karl 3DTM重建与FBP重建的主动脉弓层面、气管分叉层面图像的噪声、SNR及CNR比较，差异有统计学意义(t主动脉弓=18.676，t=20.916，t=24.142；t气管分叉=10.658，t=12.335，t=19.945；P＜0.05)，见表2。

表1 120 kV组两种重建方法图像噪声、SNR和CNR值比较(±s)

表1 120 kV组两种重建方法图像噪声、SNR和CNR值比较(±s)

注：表中SNR为信噪比；CNR为噪声比

2.2 两组不同重建方法主动脉弓层面图像噪声、SNR和CNR值比较

两组受检者Karl 3DTM重建与FBP重建的主动脉弓层面图像的噪声、SNR及CNR比较，差异有统计学意义(tKarl3D=8.548，t=4.243，t=4.012；tFBP=10.370，t=4.950，t=5.649；P＜0.05)，见表3。

2.3 两组不同重建方法气管分叉层面图像噪声、SNR和CNR值比较

两组受检者Karl 3DTM重建与FBP重建的气管分叉层面图像的噪声、SNR及CNR比较，差异有统计学意义(tKarl3D=10.337，t=6.304，t=6.259；tFBP=9.368，t=6.983，t=6.257；P＜0.05)，见表4。

2.4 图像质量主观评价

由2位阅片医师对图像质量的评价具有高度一致性(Kappa系数≈0.71)。两组Karl 3DTM迭代重建和FBP重建图像质量等级评价见图1。

图1 两组Karl迭代重建和FBP重建主动脉弓及气管分叉层面图像对比

2.5 两组辐射剂量比较

120 kV组60名检查者的平均CTDlovl和DLP分别为10.76 mGy和338.62 mGy·cm；80 kV组60名检查者的平均CTDlovl和DLP分别为3.17 mGy和93.01 mGy·cm；80 kV组与120 kV组对比，CTDlovl和DLP分别下降70.54%和72.53%。

表2 80 kV组两种重建方法图像噪声、SNR和CNR值比较(±s)

表2 80 kV组两种重建方法图像噪声、SNR和CNR值比较(±s)

注：表中SNR为信噪比；CNR为噪声比

表3 两组不同重建方法主动脉弓层面图像噪声、SNR和CNR比较(±s)

表3 两组不同重建方法主动脉弓层面图像噪声、SNR和CNR比较(±s)

注：表中SNR为信噪比；CNR为噪声比；FBP为滤波反投影

表4 两组不同重建方法气管分叉层面图像噪声、SNR和CNR比较(±s)

表4 两组不同重建方法气管分叉层面图像噪声、SNR和CNR比较(±s)

注：表中SNR为信噪比；CNR为噪声比；FBP为滤波反投影

3 讨论

低剂量CT的图像重建的本质是噪声抑制问题。传统的FBP算法尽管重建速度快，可以满足实时性，但对于噪声和伪影较为敏感。吴岩等[5]用去噪能力较强的迭代重建技术弥补低管电压的高噪声，获得了较好的图像质量。迭代重建算法是指在图像处理过程中多次迭代，每次迭代所采集到的数据与计算机投影数据进行比较，从而改善图像质量[6-7]。为了减少低剂量CT的图像噪声，许多CT制造商都在推出各自的迭代重建技术，如GE公司的适应性统计迭代重建技术、Philips ICT的iDose4以及上海联影公司的Karl 3DTM等。Karl 3DTM迭代重建技术是通过人体形态结构学修正，分别在投影域、图像域进行广义梯度收敛迭代降低图像噪声，提高图像信噪比。因此，研发新的重建算法来弥补低剂量CT扫描所致的图像高噪声，确保图像质量符合诊断要求，将是科研工作者的研究课题[8-9]。

本研究中，同一管电压的CT原始数据采用Karl迭代算法和FBP算法重建图像的噪声、SNR及CNR均有显著性统计学差异。120 kV组Karl 3DTM迭代重建图像较FBP重建图像的噪声下降18.02%～19.29%，SNR、CNR分别提高23.86%～25.29%和22.75%～24.88%；80 kV组Karl 3DTM迭代重建图像较FBP重建图像的噪声平均下降约为25.17%～25.82%，SNR、CNR分别提高31.60%～34.73%和31.16%～33.50%，与彭薇等[10]的实验结果相近。本研究结果显示，Karl迭代算法重建图像在80 kV组中比120 kV组中降噪效果更为有效。

由于CT辐射剂量与管电流呈线性关系，与管电压呈指数关系[11]。因此，降低管电压比降低管电流更为有效的减少受检者的辐射剂量，但是降低管电压可使X射线的穿透力减弱，到达探测器的X射线光子数量减少，导致图像的噪声增加，在邻近组织密度差异较大的肺尖部和肩背部会形成横行线样伪影。本研究结果显示，当管电压从120 kV降至80 kV时，辐射剂量CTDlovl和DLP分别下降70.54%和72.53%，图像噪声增加44.49%～64.89%。本研究结果显示，Karl迭代算法重建图像明显优于FBP算法重建图像，80 kV组中60名受检者迭代算法重建图像均＞3级，符合临床诊断要求，而FBP算法重建图像中有1名为2级。

本研究存在一定的局限性：①未进行个体性差异(身体质量指数、年龄、性别等)对图像质量和辐射剂量的相关性研究；②Karl迭代算法分9级，本组研究设定Karl迭代算法为5级，未进行与其他等级的迭代重建图像对比，将有待于今后的进一步研究。

4 结论

采用80 kV管电压联合Karl 3DTM迭代重建技术能确保图像质量的同时，有效的降低辐射剂量。迭代重建算法需要CT机具有强大的运算能力，目前多数CT制造商只在64排以上高端CT机中配置。而上海联影公司将Karl 3DTM迭代重建技术运用于普及型的16排CT机，本研究成果对于低管电压联合迭代重建技术在临床上的应用具有重要意义。