双源CT双能量肺动脉成像：多种后处理方法的对比

罗显丽，孙铝，王凤，金开元，李邦国

目前，CT肺动脉成像(CT pulmonary angiography，CTPA)已取代传统肺动脉造影成为诊断肺动脉栓塞(pulmonary embolism，PE)的主要手段而广泛应用于临床。因此，如何在保证CT图像质量的前提下有效减少辐射剂量已成为CT业界的研究热点。降低管电压可明显减低辐射剂量，但同时图像噪声增加，影响图像质量。然而，图像质量还与图像后处理方法密切相关。因此，本研究拟通过对比分析双源CT双能量肺动脉成像中采用正弦图迭代重建(sinogram affirmed iterative reconstruction,SAFIRE)和滤波反投影(filtered back projection,FBP)法分别联合双能量线性融合(linear blending,LB)和非线性融合(non-linear blending,NLB)技术对图像质量和辐射剂量的影响，旨在优化CTPA的图像后处理方案。

材料与方法

1.一般资料

对本院2014年10月-2019 年4月临床疑诊为PE、且体质指数为17～27 kg/m2的170例患者行双源CT双能量肺动脉成像。将患者随机分为两组，A组90例，女47例，男43例，年龄(63.76±15.49)岁；B组80例，女39例，男41例，年龄(63.53±14.18)岁。

2.CTPA检查方法

使用Siemens Somatom Definition Flash双源CT机。扫描范围自肺尖至肺底水平，足头方向。常规CT平扫后行双能量增强扫描，对比剂选用碘海醇(350 mg I/mL)，剂量40～50 mL，流率3.5～4.0 mL/s，对比剂推注完成后以相同流率注射30 mL生理盐水。采用对比剂示踪技术，在肺动脉主干分叉层面的肺动脉干管腔内设置ROI，动态监测其CT值，触发阈值为80 HU，延迟7 s后启动扫描。A组采用80kV/Sn140kV扫描模式，参考管电流为179/76 mAs；B组采用100kV/Sn140kV扫描模式，参考管电流为89/76 mAs。两组均采用智能管电压(CARE Dose 4D)和智能管电流(X-CARE)调制技术。其它扫描参数：层厚5.0 mm，螺距0.55，球管旋转时间0.28 s/rot，准直器宽度128×0.6 mm。

3.图像重建及分组

分别采用FBP及SAFIRE(重建等级为3)对A组原始数据进行重建，获得两种不同重建方式的80 kV图、140 kV图及线性融合图(M=0.6)，将所有图像传输至Siemens MMWP后处理工作站，然后利用双能量Optimal Contrast软件对80 kV或140 kV图进行非线性处理(融合中心=150 HU，融合宽度=200 HU)，获得不同重建方式的非线性融合(NLB)图，将FBP重建的LB图、NLB图及SAFIRE的LB图、NLB图依次设为A1～A4组。采用FBP对B组原始扫描数据进行重建，获得100 kV图、140 kV图及LB图(M=0.6)。所有图像重建方案的重建层厚为0.75 mm，层间距0.70 mm，A1～A4组和B组的重建卷积核分别为D26f、D26、Q33f、Q33和D26f。

4.图像分析

图像质量的客观评估：在横轴面图像上分别在5处肺动脉主干及分支(肺动脉干、双侧肺动脉干、双侧上、下叶肺动脉)内勾画ROI测量CT值，并在肺动脉主干分叉层面测量背部肌肉及胸壁前方空气的CT值(ROI面积为90～100 mm2)，并将空气CT值的标准差作为背景噪声(background noise，BN)。每个ROI尽可能放置在所测肺动脉段的远端，但若为叶肺动脉时，其管腔直径不小于4 mm，ROI大小为该血管断面的2/3，若血管内有血栓时，不测量该血管及其远端分支[1-2]。A1～A4组各支血管的ROI位置、大小均保持一致。按公式(1)和(2)计算肺动脉各处的SNR及CNR：

(1)

(2)

图像质量的主观评估：由2位高年资放射科医师采用双盲法、5分制以薄层横断位结合MPR、MIP等对5组图像进行评分，意见有分歧时经协商达成一致意见。评分标准[1]：1分，图像质量好，能清晰显示亚段及以下肺动脉分支；2分，图像质量良好，能清晰显示亚段肺动脉分支；3分，图像质量尚可，能清晰显示段肺动脉分支，但对于段以下肺动脉不能完全清晰显示；4分，图像质量较差，仅能清晰显示叶肺动脉，段及亚段肺动脉显示不确切；5分，难以诊断肺栓塞，需重新扫描。

PE的诊断及栓子计数：由进行图像质量评价的2位放射科医师采用双盲法随机读取5组图像，其中一位医师间隔不同时间分别读取两次，对有无肺栓塞、栓子的部位及数目进行诊断，并按照中央型和周围型进行记录，两位医师意见不一致时经商议后达成一致意见，计算组内ICC和组间ICC值。以CTPA联合肺灌注图(lung perfusion blood volume，Lung PBV)和Lung Vessels图作为诊断PE的参考标准，即CTPA阳性或CTPA阴性但Lung PBV图呈尖端指向肺门的楔形灌注缺损、Lung Vessels图同时显示红色或灰色栓子而相应区域肺部无异常发现，抗凝治疗后Lung PBV图上灌注异常区域及Lung Vessels图上红色或灰色栓子消失[3-4]。计算2位医师在各组图像上对栓子的诊断符合率。

5.辐射剂量评估

CTPA扫描完成后记录机器自动生成的容积CT剂量指数(CT dose index volume，CTDIvol)和剂量长度乘积(dose length product，DLP)，并按照公式(3)计算有效剂量(effective dose，ED)：

ED=k×DLP

(3)

其中，k为转换系数，本研究中k值取0.014mSv·mGy-1·cm-1。

6.统计学方法

采用SPSS 16.0软件。计量资料均以均数±标准差表示。A、B两组之间年龄和辐射剂量的比较采用Mann-WhitneyU检验，性别比的比较采用χ2检验。5组图像上肺动脉的CT值、噪声、SNR及CNR的比较采用单因素方差分析(正态分布)或Kruskal-WallisH检验(非正态分布)，组间两两比较采用LSD检验(方差齐)或Games-Hotwell检验(方差不齐)，图像质量主观评分的比较采用Kruskal-WallisH检验，同时采用Kappa分析评估两位观察者主观评分的一致性。在5组图像上两位医师对栓子检出情况的一致性检验采用组内相关系数(intraclass correlation coefficient，ICC)，ICC<0.4为一致性差；0.4≤ICC<0.75为一致性中等；ICC≥0.75为一致性好)，同时进行ROC曲线分析。以P<0.05为差异有统计学意义。

结 果

1.一般资料

A、B两组患者年龄、性别的比较无明显差异(Z及χ2分别为-0.31及0.20，P分别为0.76及0.65)。

2.图像质量

5组各级肺动脉CT值差异有统计学意义(P<0.05)，其中A1～4组各肺动脉CT值均高于B组，其余肺动脉CT值A2、A4组高于A1、A3组，但A1与A3组、A2与A4组差异均无统计学意义(P>0.05，表1)。

表1 五组图像上肺动脉7个部位的CT值及背景噪声的比较 (HU)

5组图像BN差异有统计学意义(P<0.05)，其中，A1组BN高于B组，A2-A4组BN均低于B组，A4组较B组降低约44.5%，但A2与A3组差异无统计学意义(P>0.05,表1)。

5组各级肺动脉SNR、CNR差异有统计学意义(P<0.05)，其中A1组与B组各级肺动脉SNR、各叶肺动脉CNR差异无统计学意义(P>0.05)，但A2-A4组各肺动脉SNR、CNR均高于B组，且A4组SNR、CNR均高于A2、A3组，但A2、A3组左、右肺动脉干及左、右叶肺动脉SNR、CNR差异无统计学意义(P>0.05，表2、3)。

表2 五组图像上肺动脉7个部位SNR的比较

表3 五组图像上肺动脉7个部位CNR的比较

A1～A4组和B组图像质量主观评分分别为1.26±0.55、1.17±0.43、1.21±0.49、1.17±0.43和1.23±0.50，5组间的差异无统计学意义(P>0.05)。两位观察者对图像质量评分的一致性非常好，kappa值分别为0.848、0.879、0.853、0.912和0.869。五组图像上大部分均能清晰显示外周小栓子，以A2和A4组显示更清晰(图1、2)。

3.PE检出情况

A组共检出140个栓子，包括中央型42个(图3)、周围型98个(图4)；B组检出97个栓子，包括中央型41个、周围型56个。在5组图像上诊断医师均检出所有中央型栓子，敏感度及特异度均为100%；对周围型栓子，诊断医师在A1～A4组及B组图像上分别检出72、79、79、83和41个，5组图像的敏感度及特异度分别为73.3%及93.3%、83.4%及95.0%、80.0%及93.3%、90%及96.7%、82.8%及92.2%，ROC曲线下面积(AUC)分别为0.85、0.91、0.88、0.94和0.88(图5)，以A4组的AUC最大，其次为A2组，两组间AUC值的差异无统计学(P>0.05)。两位观察者对中央型及周围型栓子检出的一致性非常好，对中央型PE的组内和组间的ICC值均为1；对周围型PE的组内ICC分别为0.987、0.987、0.986、0.992和0.954，组间ICC分别为0.969、0.977、0.977、0.984和0.890。

4.辐射剂量

A组和B组的辐射剂量相关指标的比较见表5。两组间各项指标值的差异均有统计学意义(P<0.05)，A组的CTDIvol、DLP和ED较B组分别减少约6.6%、7.1%和6.9%。

表4 两组的辐射剂量指标的比较

讨 论

1.不同后处理方法对图像质量的影响

降低管电压可使含碘对比剂的肺动脉对X射线衰减程度增加，从而增加X线的光电效应比例，导致CT值不同程度增高[5]。本研究结果显示A1组各部位肺动脉的CT值均高于B组，与文献报道相似。然而管电压降低，X线的穿透能力减弱，图像噪声增大，进而影响图像质量。本研究中A1组的BN高于B组，与Bauer等[1]和李勰等[6]的研究结果相一致。为进一步降低图像噪声，提高图像质量，本研究中A3组采用SAFIRE对原始图像进行重建，该技术是基于原始数据利用反复插入法和多次迭代校正来去除噪声及伪影，与FBP重建相比，可明显降低图像噪声，提高SNR及CNR，优化图像质量，而且对CT值影响不大。马桂娜等[7]研究结果显示，80kV管电压下FBP重建与SAFIRE图像上主动脉的CT值无统计学差异，但SAFIRE重建图像的BN明显减低。本研究A3组BN明显低于A1组及B组，相应的SNR及CNR高于以上两组，但A1与A3组间CT值无明显差异，与该文献报道相一致。

第二代双源CT双能量成像一次扫描可同时获得高、低kV两组不同管电压图像，LB技术可将两种图像以固定比例融合以获得相当于120kV的平均加权图像，融合系数M值可根据观察部位不同进行自由选择。文献报道在第二代双源CT双能量CTPA中，对于体重指数正常的患者，M=0.6时图像质量最佳[8]。本研究中LB重建时取0.6融合系数(即40% 80kV与60% Sn140kV混合)。NLB技术可以根据图像中每个像素在低kV数据中CT值的差异，自动调整高、低kV能量所占比例以获得更好的融合图像，CT值较高的像素低kV数据所占比例较大，而CT值较低的像素高kV数据所占比例较大，融合比例是不定的。由于肺动脉在80kV时CT值常>150HU，因此本研究NLB融合参数取默认值BC=150HU、BW=200HU。结果显示A2组CT值、SNR及CNR明显高于B组及A1组，相应BN低于以上两组，与黄益龙等[9]报道的NLB较LB更能提高血管CT值，降低空气噪声，增加图像SNR及CNR，提高图像质量结果相一致。然而Lv等[10]通过比较LB与NLB对腹部CTA图像质量的影响，发现NLB可提高腹部血管的CT值、SNR及CNR，但图像噪声两组间无明显差异，可能与该研究中LB组采用M=0.5而不是本研究中M=0.6有关。此外，本研究A4组肺动脉的CT值、SNR及CNR最高而BN最低，BN较B组降低约44.5%，但A2组与A3组间BN无明显差异，提示SAFIRE重建及NLB技术均可降低图像噪声，两者联合应用不仅可以保持NLB的升血管CT值的作用还能叠加SAFIRE的降噪作用，对提高图像质量的价值最大。

2.双能量CT肺动脉成像对PE的诊断价值

双能量肺动脉成像获得的Lung PBV图和Lung Vessels图对PE的诊断具有较高的敏感性，与高特异度的CTPA联合应用可提高对周围型PE的诊断准确性及栓子的检出率[3,11]。在临床工作中，PE的诊断难以通过病理活检这一“金标准”来实现。因此，本研究中采用CTPA联合Lung PBV和Lung Vessels软件作为诊断PE的参考标准。研究结果显示，5组图像对检出中央型PE的敏感度及特异度均为100%，但对周围型PE的检出情况有一定差异，A2组和A4组敏感度及特异度较高，且AUC较大，尤其是A4组，这可能与以上两组联合应用了NLB技术有关。黄益龙等[12]的研究结果显示NLB技术可降低栓子的CT值，而明显提高邻近血管的强化程度，从而增加肺动脉栓子与邻近血管的对比度，更清晰地显示栓子。马德晶等[13]分别应用LB及NLB技术对60 例患者的肾脏肿瘤CT图像进行重建，发现与LB相比，NLB可提高图像上肿瘤的CNR，并增加病灶显示的清晰度，更有利于小病灶的检出。Bongers等[14]研究显示NLB技术能改善图像对比度及解剖细节，使栓子轮廓显示更清晰，从而提高对肺段、亚肺段及其远端分支内PE的检出率和诊断准确性。本研究结果与以上研究结果基本相符。

3.双能量扫描的辐射剂量

既往文献报道，第二代双源CT双能量CTPA没有增加受检者的辐射剂量，且与单能量扫描相比，辐射剂量明显减低，尤其是80/Sn140kV扫描模式[1]。本研究中A、B组的ED分为(2.62±0.81)和(2.88±0.71)mSv，均低于2017年中华放射学会发布的《CT辐射剂量诊断参考水平专家共识》中胸部CT检查辐射剂量的参考水平[15]，且A组较B组降低约6.9%，与文献报道相一致[16]。

本研究的局限性：双源CT双能量成像有多种能量组合模式，本研究中仅对比了80kV/Sn140kV与100kV/Sn140kV两种模式，未对其它成像模式进行研究；此外，本研究中仅分析了不同重建方法对中央型及周围型PE的检出差异，未进一步对周围型PE中肺动脉分支的亚段及其远端分支内的PE进行研究。

综上所述，在双源CT双能量肺动脉成像中，SAFIRE及NLB技术均能降低图像噪声，改善图像质量，提高栓子检出率，两者联合应用价值较大。