低辐射剂量下FBP、ASIR 和ASIR-V 3 种不同重建算法对上腹部CT 图像质量的影响

张喜荣，贺太平，贾永军，陈 静，马光明，郭长义

（1.陕西中医药大学医学技术学院，陕西 西安 712000；2.陕西中医药大学附属医院医学影像科，陕西 西安 712000；3.陕西中医药大学第二附属医院CT 室，陕西 西安 712000）

近年来随着CT 的广泛应用，放射科医师一直致力于在保持图像质量的同时减少辐射剂量［1］，而改进重建算法是行之有效的手段。使用传统的滤波反投影重建（filtered back projection，FBP）算法，在使用低辐射剂量扫描时，会使图像噪声增加，产生更多的伪影。迭代重建（iterative reconstruction，IR）算法作为一种新的重建算法，正逐步应用于临床，其可在低辐射剂量下改善或保持图像质量。GE 公司综合了自适应统计迭代重建（adaptive statistical iterative reconstruction，ASIR）和基于模型的迭代重建（model based iterative reconstruction，MBIR）算法成像技术，推出了新一代自适应统计迭代重建算法（ASIR-V），该算法使用一种相对简单的前向投影系统模型，减弱了系统光学模型的影响，从而加快了重建速度，在降低噪声的同时可提高图像质量［2］。研究［3］表明，与ASIR 相比，ASIR-V 在腹部扫描中可降低35%的辐射剂量。本文探讨在低辐射剂量下，FBP、40%ASIR和50%ASIR-V 这3 种重建算法降低噪声和提高图像质量的能力。

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2018 年6 月至2019 年2 月拟诊胸部病变需行CT 检查的患者25 例，其中男13 例，女12 例；年龄18～76岁，平均（57.98±8.05）岁；平均体质量（60.17±8.05）kg；平均身高（1.69±0.08）m。纳入标准：①图像显示清晰，无较大伪影影响测量者；②体质量指数在18.5～23.9 kg/m2。所有检查均经医院伦理管理管委会同意，患者均签署知情同意书。

1.2 仪器与方法 使用GE Discovery CT 750 HD扫描仪行胸部低剂量扫描。扫描前对患者进行呼吸训练，扫描过程中进行甲状腺、盆腔放射屏蔽防护。扫描参数：80 kV，自动管电流调制技术，球管旋转时间0.4 s/转，准直器0.625 mm×64，层厚及层距均为5 mm，螺距0.984，噪声指数为28 HU。扫描结束后记录CT 容积剂量指数（computed tomography dose index，CTDIvol）、剂量长度乘积（dose length product，DLP）和有效剂量（effective dose，ED）。

1.3 图像重建 综合既往对迭代权重的研究［1］，本研究中ASIR 采用40%的权重，ASIR-V 采用50%的权重。所有图像均行FBP、40%ASIR 和50%ASIR-V重建，重建层厚均为0.625 mm。重建结束后，将图像传至GE AW 4.6 后处理工作站，进行观察分析。

1.4 图像评价

1.4.1 图像客观评价 为确保观察图像一致性，使用统一的窗宽窗位（窗宽350 HU，窗位50 HU），在腹部结构显示最佳层面进行测量。分别选择ROI 测量肝脏、脾脏和竖脊肌CT 值，ROI 尽量避开血管、器官边缘和病灶，大小20～50 mm2。背景噪声（SD）值在同一层面背部皮下脂肪测量，ROI 选择在脂肪密度较均匀区域，大小20～50 mm2。每个参数测量3 次取平均值。计算SNR 和CNR。SNR=CT脏器/SD脂肪。CNR=（CT脏器-CT脂肪）/SD脂肪。

1.4.2 图像主观评价 由2 名具有5～10 年影像诊断经验的医师对图像进行双盲主观评价，参考HOPPER 等［4］的5 级评分标准（表1）。

表1 图像质量5 级评分标准

1.5 统计学方法 采用SPSS 22.0 软件进行统计分析，计量资料以±s 表示。2 名医师对图像主观评分的一致性分析行Kappa 检验：K 值为0.21～0.40 表明一致性差，＞0.40～0.60 为一致性尚可，＞0.60～0.80 为一致性良好，＞0.80～1.00 为一致性非常好。3种不同重建方式所得图像的客观测量数据和图像主观评分的比较行ANOVA 检验。以P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 辐射剂量结果 25 例平均CTDIvol 为（1.59±0.60）mGy，DLP 为（53.67±20.19）mGy/cm，ED 为（0.80±0.30）mSv。

2.2 3 种不同重建方法图像客观评价的比较 3 种不同图像重建方法下肝脏、脾脏、竖脊肌的SD、SNR及CNR 之间差异均有统计学意义（均P＜0.05）。其中SD：FBP＞40%ASIR＞50%ASIR-V；SNR 和CNR：50%ASIR-V＞40%ASIR＞FBP（表2、3，图1）。

表2 3 种重建方法图像SD 值的比较

2.3 3 种重建方法图像主观评价的比较 2 位医师的主观评分具有较好的一致性（K=0.734）。FBP、40%ASIR 和50%ASIR-V 主观评分分别为（2.96±0.61）、（3.56±0.58）和（4.08±0.70）分，差异有统计学意义（P＜0.05）。主观评分结果显示，低剂量扫描下，FBP 图像无法满足诊断要求，40%ASIR 和50%ASIR-V的图像可满足诊断要求，其中50%ASIR-V 的图像质量优于40%ASIR（P＜0.05）（图2）。

表3 3 种重建方法图像的SNR 和CNR 的比较

图1 3 种重建算法下不同器官的噪声（SD）（图1a）、SNR（图1b）和CNR（图1c）的折线图。在低辐射剂量下，50%ASIR-V 进一步降低了图像噪声，提高了SNR 和CNR（FBP，滤波反投影算法；ASIR，自适应性统计迭代重建；ASIR-V，新一代自适应性统计迭代重建）

图2 男，35 岁，噪声指数为28 HU 图2a～2c 分别为使用FBP、40%ASIR 和50%ASIR-V 重建方法所得到图像，主观评分分别为2、3、4 分

3 讨论

近几年，CT 引起的辐射损害越来越受到人们的关注［5］。目前常用降低辐射剂量的方法包括管电流调制、自动曝光控制和自动管电压选择等［6］。采用FBP 重建时，上述方法增加了图像噪声，在减少辐射剂量时受到限制。

传统的FBP 是一种解析算法，一直被广泛应用，其优点是重建速度快，但要求投影数据完备并精确定量，因此需较高的扫描剂量完成图像采集；低剂量扫描时，图像颗粒感明显，细节显示不佳，无法满足临床要求。

腹部CT 扫描中，相对于FBP 重建算法，采用ASIR 重建算法可使扫描剂量降低约74%，且图像质量能满足诊断要求［7］。ASIR 是迭代重建技术，用于模拟光子统计和电子噪声等测量的统计行为，并通过模拟探测器对入射光子的响应来模拟探测器的形状和大小，可模拟图像噪声分布的统计变化，故能在保持图像对比度的同时提高SNR［8-9］。ASIR 算法使用从FBP 算法获得的信息作为图像重建的初始构建块，该系统在噪声和伪像减少方面优于FBP。

与FBP 和前几代ASIR 相比，ASIR-V 有可能改善客观和主观的图像质量参数［3］。该技术在迭代重建过程中采用物理模型（模拟多色X 射线与衰减物体之间的相互作用），以提高图像呈现的稳定性。与MBIR 算法不同，其在建模过程中排除了系统光学模型，主要侧重于对系统噪声统计与物理模型，这是ASIR-V 可降低噪声和伪影的主要因素［10］。通过省略最耗时系统光学模型，ASIR-V 显著提高了图像质量，同时实现了类似ASIR 的重建速度。

本研究评估ASIR、ASIR-V 的客观参数和主观图像质量，并与传统的FBP 进行比较，结果表明在客观评价方面，低辐射剂量扫描时，相对于FBP，ASIR和ASIR-V 均降低了图像噪声并提高了SNR，但ASIR-V 图像比ASIR 图像具有更高的降噪能力。主观评分方面，FBP 的主观评分无法满足诊断要求，40%ASIR 和50%ASIR-V 的图像均可满足诊断要求，其中50%ASIR-V 的图像质量优于40%ASIR。

腹部检查的常规噪声指数为10 HU［11-12］，本研究采用胸部低剂量扫描（噪声指数为28 HU），研究胸腹联合处腹部的图像质量，使用的扫描剂量更低，不会对患者增加额外的辐射剂量。在迭代重建中，随着迭代权重的增加，图像质量得到改善，但迭代权重达到一定程度，图像质量反而下降。较高权重的迭代重建图像具有蜡质样伪影，导致图像可接受度差，故不同情况下需选择不同的ASIR 权重，30%～50%的ASIR 权重图像的噪声低、蜡质样伪影少［13］。相对于40%ASIR，50%ASIR-V 可减少35%的辐射剂量［3］。

本研究不足之处：样本量相对较小；仅由2 名放射科医师进行主观评分；仅针对图像质量，并未对不同图像质量下病灶的显示情况进行深入分析。今后需扩大样本量，并由更多医师进行主观评分以确保统计结果的完整性。

综上所述，低辐射剂量扫描时，50%ASIR-V 相对于40%ASIR 和FBP 算法可有效减少图像噪声，增加CNR 和SNR，进一步提高图像质量。