光谱CT单能级重建技术优化强化欠佳肺动脉CT成像图像质量

高艳山，刘辉佳，张雪宁*

1.天津医科大学宝坻临床学院医学影像科，天津 301800；2.天津医科大学第二医院医学影像科，天津 300211；*通信作者 张雪宁 luckyxn@126.com

肺动脉CT造影（computed tomographic of pulmonary angiography，CTPA）是肺动脉栓塞的首要影像学检查方法[1-2]。肺动脉强化不足时需要重新扫描或增加造影剂剂量。能谱CT可以提供类似单能级重建（Mono-E）图像，但随着能级降低图像噪声明显增加[3-5]。近年来一种双层探测器光谱CT提升了低能级Mono-E技术的降噪能力[6-8]，提高了对强化不足CTPA图像的补救能力。本研究拟探讨光谱CT Mono-E技术对强化不足肺动脉造影图像的补救能力，并探讨碘密度值及有效原子序数（Z-effective）对最优补救Mono-E能级值的预测作用，并寻找50 keV Mono-E图像合适的窗口设置。

1 资料与方法

1.1 研究对象 回顾性分析2019年8月—2022年2月天津医科大学宝坻临床学院CTPA强化欠佳患者37例，纳入标准：①可疑急性肺动脉栓塞；②肺动脉主干分叉区CT值≤200 Hu。排除标准：①心血管畸形；②运动伪影较重。男16例，女21例，年龄30～84岁，平均（59.8±14.3）岁。本研究经本院医学伦理委员会批准（BDYYLL0018）。

1.2 扫描技术 采用飞利浦光谱CT（IQon CT）。患者深吸气后屏气扫描，扫描方向头-足，团注追踪法。采用Idose4重建技术。重建Mono-E（40～70 keV，能级间隔5 keV）图像，层厚0.9 mm，层间距0.7 mm，同时重建碘密度图、Z-effective图。

1.3 图像分析

1.3.1 图像客观数据分析 由一名具有5年CT胸部血管造影诊断经验的放射医师测量、记录。在肺动脉分叉处，设置圆形感兴趣区，面积约占同层血管面积2/3，测量肺动脉主干强化CT值。在同层面，腋前胸壁皮下脂肪设置约40 mm2圆形感兴趣区，其标准方差设为图像噪声值。同层面冈下肌肌肉，避开血管及脂肪及肩胛骨硬化伪影，感兴趣区面积约40 mm2，测量肌肉CT值。计算图像噪声、信噪比（SNR）、对比噪声比（CNR），计算公式：

记录各能级Mono-E图像肺动脉主干CT值、噪声、SNR、CNR，并分别与混合能级图像数据比较。

1.3.2 图像主观质量分析 由2名具有7年、11年胸部CT诊断经验的医师随机获得患者图像资料，采用5分法评价图像质量：无法诊断，噪声大，肺动脉显示不清为1分；噪声大，肺动脉显示差为2分；噪声中等，肺动脉显示可为3分；噪声小，肺动脉显示较好为4分；噪声不明显，肺动脉显示清晰为5分[9]。本组外周肺动脉显影较差，因此聚焦段及以上肺动脉血管，默认窗宽400 Hu，窗位40 Hu，医师可手动自主调节窗口设置。混合能级（120 keV）是光谱CT的标准图像[10]，由于重建能级越接近120 keV，其图像特性越接近混合能级（120 keV）原始数据图像，同时由于过低的能级重建引起血管CT值过高，反而会降低对栓子的检出能力，因此选择CT值＞200 Hu、主观评分≥3，最接近120 keV的能级作为可最优补救图像，当40 keV重建图像仍然无法达到上述条件视为无法补救。选择分歧时，协商取得一致。见图1。

1.3.3 碘密度值及Z-effective对最优补救能级的预测性首先测量同层面混合能级图像的碘密度值和Z-effective，分别与肺动脉主干CT值做相关性分析，将碘密度图和Z-effective与最优补救Mono-E能级值做回归分析，评价其对最优补救Mono-E能级值的预测作用。

1.3.4 图像窗口参数设定 默认窗口设置：窗宽400 Hu，窗位40 Hu。2名医师手动调节窗口设置。由于需要根据补救Mono-E能级值设定不同窗口设置，因此选择本组中出现频次最高的50 keV能级图像。2名医师独立调节、记录窗口设置。2名医师各自窗口设置的平均值为病例的手动窗口设置。将手动窗口设置与此能级CT值做线性回归分析，得出线性方程，计算得出每个病例的窗口设置定义为优化窗口设置，并计算优化窗口设置的平均值，将三者两两比较。分别测量50 keV单能图像默认、手动、优化窗口设置下肺动脉主干内径，医师自主选择最优窗口测量混合能级图像肺动脉主干内径。分别比较三者肺动脉主干内径平均值。

1.3.5 栓子检查能力 2名放射诊断医师独立对补救的CTPA病例的混合能级及最优Mono-E图像分析，记录肺动脉栓子个数，意见分歧时协商达成一致。

1.4 统计学分析 采用SPSS 23.0软件。符合正态分布的计量资料以±s表示，采用t检验；非正态分布者以M（Q1，Q3）表示，采用Mann-Whitney U检验。采用线性回归方程分析碘密度值与肺动脉CT值、最优Mono-E能级值的相关性；主观图像评分一致性采用Kappa检验，混合能级与最优Mono-E图像主观评分比较采用Wilcoxon检验。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 图像质量客观数据2.1.1 图像质量参数 37例患者中，Mono-E图像对比混合能级在肺动脉CT值（除70 keV图像外）、噪声、SNR、CNR均有提高（P均＜0.05）（图2、表1）。1例40 keV Mono-E肺动脉CT值仍然＜200 Hu，判定无法补救。36例通过Mono-E获得补救图像，平均Mono-E能级51.7 keV。

表1 混合能级与单能级肺动脉主干CT强化图像参数（±s）

表1 混合能级与单能级肺动脉主干CT强化图像参数（±s）

注：a与混合能级比较，P＜0.05；SNR：信噪比；CNR：对比噪声比

参数混合能级40 keV 45 keV 50 keV 55 keV 60 keV 65 keV 70 keV CT值（Hu） 151.1±2.2 407.3±93.9a 332.9±72.6a 275.7±59.9a 232.0±48.6a 198.4±40.0a 172.4±33.3a 151.9±27.8 10.9±2.6a SNR 11.8±3.2 34.7±11.7a 29.5±9.2a 25.1±7.6a 21.5±6.3a 18.7±5.3a 16.5±4.6a 14.6±3.9a噪声（Hu）13.4±3.3 12.5±3.2a 12.0±3.0a 11.6±2.9a 11.3±2.8a 11.1±2.8a 11.0±2.7a CNR 8.0±2.7 30.5±10.6a 25.1±8.6a 20.1±7.0a 16.9±5.7a 13.9±4.7a 11.6±4.0a 9.7±3.3a

图2 低能级Mono-E提高肺动脉CT值。混合能级120 keV图像肺动脉CT值为148.5 Hu（A）；Mono-E 40 keV图像肺动脉CT值为421.7 Hu（B）；Mono-E 50 keV图像肺动脉CT值为284.5 Hu（C）；Mono-E 70 keV图像肺动脉CT值为155.5 Hu（D）

2.1.2 碘密度值与肺动脉CT值、最优补救图像能级值的相关性 测量36例强化不足CTPA检查患者混合能级图像的碘密度值、Z-effective与肺动脉主干CT值，相关性分析显示三者呈高度线性正相关，线性回归方程为：碘密度值比Z-effective：Z-effective=0.3734×碘密度值+7.68，R2=0.994；碘密度值比肺动脉CT值：肺动脉CT值=29.763×碘密度值+29.883，R2=0.941；Z-effective比肺动脉CT值：肺动脉CT值=633.03×Z-effective-433.31，R2=0.929。

碘密度值或Z-effective推测最优可补救的单能级值（图3），Mono-E间隔为5 keV，线性方程分别为：

图3 碘密度值或Z-effective预测最优补救Mono-E能级能力。混合能级肺动脉CT值为148 Hu（A）；碘密度图示肺动脉碘密度值为4.44 mg/cm3（B）；Z-effective图示肺动脉有效原子序数为9.35（C）；最优补救Mono-E 48 keV示肺动脉主干CT值为305.8 Hu

最优补救能级值=4.677×碘密度值+28.49，R2=0.837。最优补救能级值=11.44×Z-effective-53.82，R2=0.835。

2.1.3 图像窗口设定 选取50 keV图像。默认窗宽400 Hu，窗位40 Hu，手动窗宽平均值（635.6±126.6）Hu，窗位平均值（144.9±38.9）Hu，优化设置窗宽（631±132）Hu，窗位（145±30）Hu。三组窗宽、窗位比较，差异有统计学意义（F=65.877、69.988，P均＜0.01）。手动窗口设置、优化窗口设置与默认窗口设置差异有统计学意义（P均＜0.01）（图4）。

窗口设置与肺动脉主干CT值线性正相关，方程如下（50 keV能级）：窗宽=2.15×CT值，R2=0.74，窗位=0.49×CT值，R2=0.53。

肺动脉主干在50 keV单能级图默认窗口、优化窗口、混合能级手动窗口的内径分别为：30.2（7.5）mm，30.5（7.8）mm，30.0（6.6）mm，3组差异有统计学意义（F=65.877，P＜0.01）。两两比较显示50 keV默认窗口与120 keV手动窗口、50 keV优化窗口，120 keV手动窗口与50 keV优化窗口，差异均有统计学意义（P均＜0.05）。

2.1.4 栓子检出能力 36例肺动脉强化不佳患者中，肺动脉栓塞9例，混合能级和最优Mono-E诊断一致。混合能级图像共发现栓子35个，最优Mono-E图像47个。最优Mono-E肺动脉栓子个数检出能力高于混合能级图像，差异有统计学意义（Z=2.414，P＜0.05）。

2.2 图像主观数据 2位医师混合能级和最优Mono-E图像的主观评分Kappa值分别为0.74、0.65，最佳Mono-E图像平均得分显著高于混合能级[1.8（0.5）分比3.7（1.0）分；Z=5.327，P＜0.01]。

3 讨论

3.1 Mono-E技术提高强化欠佳CTPA图像质量 本研究Mono-E补救图像的能级值中位值为50 keV，与既往研究[4]一致。碘密度图实现了对碘的精确定量分析，Z-effective反映血液的成分信息[11]，本研究与Ghandour等[9]的研究类似，不同之处在于本研究减小了Mono-E重建间隔（5 keV比10 keV），并改变了最优Mono-E的确定流程：从70 keV逐级主观评分至最优能级结束评分，不对所有Mono-E评分，减小了主观判断的影响。

Leithner等[12]发现Mono-E对中心肺动脉栓子检查能力与混合能级无差异，本组基于患者水平，两者检测结果一致，但由于未针对性评估外周肺动脉，无法得出基于患者水平两者对栓子检查能力一致的结论。本研究中Mono-E基于栓子个数的检出能力优于混合能级。

3.2 Mono-E图像窗口设置 由于Mono-E在能级较低时，过高的CT值引起肺动脉显示过亮，会遮盖栓子，降低对肺栓子的检出能力[13]，既往研究表明[14]，Mono-E技术需要根据扫描设备、重建能级的不同设置不同窗口设置。Große等[14]应用Philips IQon CT，在50 keV单能级推荐窗口设置，窗宽（19.3+1.67）Hu，窗位（5.5+0.41）Hu，本组（50 keV）推荐窗口设置与其不一致，推测由于50 keV时两组数据平均肺动脉主干CT值差异巨大（758 Hu比315 Hu），影响医师的主观判断，需考虑此能级下CTPA具体强化状况。

既往研究[15-16]表明低能级Mono-E图像在极大地提高肺动脉CT值的同时，在默认窗口设置时，测量数值较实际内径增大。本研究中（50 keV）Mono-E默认窗口设置时肺动脉主干内径大于混合能级，而优化窗口设置Mono-E肺动脉直径则小于混合能级，与既往研究（40 keV）近似。Doerner等[15]认为Mono-E无法确认优化窗口设置肺动脉内径测量的准确性，需与肺动脉数字减影血管造影对比研究。

3.3 本研究的局限性 首先，未行重复CTPA检查，且未对外周肺动脉针对性评价，无法确定其对强化不足CTPA补救的确切程度；其次，肺动脉CT强化不足的诊断标准不一致，关于肺动脉栓子最高CT值尚无统一标准。对Mono-E补救图像肺栓塞阴性者，建议根据肺动脉栓塞危险性评分，决定是否重复CTPA。

总之，肺动脉强化不足（肺动脉主干CT值≤200 Hu）的混合能级图像可通过Mono-E技术提高图像质量。碘密度值或Z-effective可预测最优Mono-E能级。50 keV时，631 Hu/145 Hu可作为初始参考窗口设置。