中华放射医学与防护杂志  2015, Vol. 35 Issue (12): 953-956   PDF    
引用本文
程强, 刘洋, 姜彦, 杨学华, 高剑波, 张永高, 董雷钢. 低管电压联合迭代模型重建技术在肝脏CT增强扫描中的可行性研究[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2015, 35(12): 953-956, DOI: 10.3760/cma.j.issn.0254-5098.2015.12.016.
低管电压联合迭代模型重建技术在肝脏CT增强扫描中的可行性研究
程强1, 刘洋1, 姜彦2, 杨学华1 , 高剑波1, 张永高1, 董雷钢1    
1. 450052 郑州大学第一附属医院放射科;
2. 飞利浦中国影像研究学院
收稿日期: 2015-06-04
通信作者：杨学华,Email:yxh@zzu.edu.cn
[摘要]    目的 探讨低管电压联合迭代模型重建(IMR)技术在肝脏CT增强扫描中的可行性。方法 60例患者按随机数字表法分为A组和B组,每组30例。扫描方案A组动脉期100 kV,门静脉期120 kV,B组动脉期120 kV,门静脉期100 kV。各组管电流均固定为250 mAs。A组动脉期和B组门静脉期采用IMR,A组门静脉期和B组动脉期采用滤波反投影(FBP)重建,得到4组图像,包括A1组(动脉期,100 kV,IMR),B1组(动脉期,120 kV,FBP),A2组(门静脉期,120 kV,FBP)以及B2组(门静脉期,100 kV,IMR)。分别比较A1组和B1组,A2组和B2组的图像质量客观评价指标 [图像噪声、图像信噪比(SNR)、对比噪声比(CNR)] 和主观评价指标(低对比分辨力、病灶边缘锐利度、图像失真及诊断信心度),并计算有效剂量。结果 有效剂量A1组较B1组、B2组较A2组明显下降(t=11.05、11.64, P<0.01)。低对比分辨力、病灶边缘锐利度A1优于B1组、 B2优于A2组(Z=6.391、3.200、6.559、3.409, P<0.01),图像失真和诊断信心差异无统计学意义(P>0.05)。图像噪声A1组低于B1组,B2组低于A2组(t=12.889、15.163, P<0.01),SNR和CNR A1组高于B1组,B2组高于A2组(t=15.458、1.325、15.308、3.136, P<0.01)。结论 与常规管电压FBP重建相比,低管电压联合IMR重建可显著降低肝脏增强CT的辐射剂量,并提高其图像质量。
[关键词]     模型迭代重建算法    肝脏    体层摄影术,X 线计算机    辐射剂量    图像质量    
Feasibility study of contrast-enhanced hepatic CT with low tube voltage using iterative model reconstruction technique
Cheng Qiang, Liu Yang, Jiang Yan, Yang Xuehua , Gao Jianbo, Zhang Yonggao, Dong Leigang    
No.1 Affiliated Hospital of Zhengzhou University, Zhengzhou 450052, China
Corresponding author：Yang Xuehua,Email:yxh@zzu.edu.cn
[Abstract]    Objective To investigate the feasibility of contrast-enhanced CT with low tube voltage using iterative model reconstruction(IMR) technique. Methods Sixty patients were randomly assigned into 2 groups (group A and group B, 30 each) according to random number table. All patients underwent contrast-enhanced hepatic CT. Group A was scanned with 100 kV at arterial phase(AP) and 120 kV at portal vein phase (PVP), while group B was scanned with 120 kV at AP and 100 kV at PVP. All protocols were performed at the same tube current of 250 mAs. Raw data were reconstructed with IMR for AP images in group A and PVP images in group B; and reconstructed with FBP for AP images in group B and PVP images in group A. Images of 4 different groups were obtained: A1(AP,100 kV,IMR), B1(AP,120 kV,FBP), A2(PVP,120 kV,FBP) and B2(PVP,100 kV,IMR). Subjective evaluation indexes for image quality including low-contrast detectability, lesion edge sharpness, image distortion and diagnostic confidence. Objective evaluation indexes included CT attenuation of hepatic parenchyma, image noise, SNR and CNR, which were assessed and compared between groups A1 and B1, groups A2 and B2. Effective radiation doses were calculated. Results Effective dose in group A1 was reduced 35.1% compared to B1 (t=11.05, P<0.01), while a reduction of 37.7% in group B2 compared to A2 (t=11.64,P<0.01). Subjective image quality score of low-contrast detectability and lesion edge sharpness were significantly higher in group A1 compared to B1 (Z=6.391, 3.200, P<0.01), as well as in group B2 compared to A2(Z=6.559, 3.409, P<0.01). No differences were found in image distortion and diagnostic confidence between groups A1 and B1, groups A2 and B2, respectively (P>0.05). Significantly lower image noise and higher SNR/CNR were found in group A1 compared to group B1(t=12.889, 15.458, 1.325, P<0.01), as well as in group B2 compared to group A2(t=15.163, 15.308, 3.136, P<0.01). Conclusions Significant radiation dose reduction and image quality improvement in contrast-enhanced hepatic CT can be reached by using low tube voltage protocol combining with IMR technique.
[Key words]     Iterative model reconstruction(IMR)    Hepatic    Tomography, X-ray computed    Radiation dosage    Image quality    

CT增强扫描是诊断肝脏疾病的重要方法, 但辐射剂量较高 [1]。由于肝脏缺乏良好的自然对比, 传统的滤波反投影(filtered back projection, FBP)重建技术在降低辐射剂量的同时会导致噪声伪影增加, 从而降低图像质量并影响疾病诊断 [2]。相较于FBP, 迭代重建(iterative reconstruction, IR)技术可在低辐射剂量的条件下仍保证图像质量 [3], 但目前大部分商用迭代重建技术均属于部分迭代, 噪声降低程度有限, 图像失真感较严重 [4, 5]。而迭代模型重建(iterative model reconstruction, IMR)技术是一种新型的全迭代重建技术, 相较于部分迭代技术, 可进一步降低图像噪声并提高图像质量 [6]。本研究旨在应用低管电压联合IMR方案进行肝脏CT增强扫描, 探讨该方案的可行性。

资料与方法

1. 临床资料:本研究为前瞻性设计, 经医院伦理委员会审核批准, 所有患者均签署知情同意书。收集2015年2月至2015年5月郑州大学第一附属医院因疑似肝占位行上腹部CT增强扫描, 年龄18～70岁, 体质量指数(BMI)为21～28 kg/m2的患者纳入研究。排除严重心功能不全、肾功能不全(肌酐清除率≤120 μmol/L)、妊娠或哺乳期妇女、已知碘造影剂过敏史、有明显运动伪影者。所有患者按随机数字表法分为A、B两组, 根据不同扫描方案进行CT检查。A组纳入30例, 男性17例, 女性13例, 年龄平均(49.3±7.9)岁, BMI为(22.9±1.5)kg/m2；B组纳入30例, 男性18例, 女性12例, 年龄平均(52.8±8.3)岁, BMI为(23.6±2.23)kg/m2, A 组和B组患者年龄、性别及BMI差异均无统计学意义(P＞0.05)。

2. CT扫描:采用荷兰Philips公司Brilliance iCT 256层CT机, 患者取仰卧位, 屏气状态扫描, 扫描范围自膈顶至肝下缘。先进行腹部定位像及平扫, 然后采用高压注射器经肘正中静脉注入碘普胺(350 mgI/ml)80 ml, 流速3～4 ml/s, 再以同样速度注入生理盐水15 ml冲洗。注射对比剂后延迟30、60和90 s 分别行动脉期、门静脉期和延迟期扫描。扫描方案管电压A组动脉期100 kV, 门静脉期120 kV；B组动脉期120 kV, 门静脉期100 kV。其余扫描参数两组均一致:准直器128×0.625 mm；重建层厚3 mm, 间隔1.5 mm, X射线管旋转速度0.75 s/圈, 螺距0.9, 矩阵512×512, 视野350 mm, 窗宽250 HU, 窗位50 HU, 管电流250 mAs。

3. 图像后处理:A组动脉期, B组门静脉期原始数据传入Philips IMR工作站进行IMR重建；A组门静脉期, B组动脉期由主机进行FBP重建, 重建层厚1 mm, 间距0.5 mm。所得图像分为4组:A1组(动脉期, 100 kV, IMR)；B1组(动脉期, 120 kV, FBP)；A2组(门静脉期, 120 kV, FBP)；B2组(门静脉期, 100 kV, IMR)。

4. 图像分析:在Philips Portal工作站采用双盲法对图像进行客观评价和主观评价分析。

客观评价指标:由1名腹部CT诊断主治医师在门静脉主干水平层面, 避开血管和胆管, 在肝左叶、右叶前段及后段密度均匀处取3 个感兴趣区(ROI), 在同层面右侧竖脊肌及前腹壁皮下脂肪放置ROI, 肝实质内及竖脊肌内ROI面积约为100 mm2, 前腹壁下脂肪内ROI面积约为50.0 mm2, 记录CT值及标准差(SD), 取3个ROI平均值用于计算噪声、信噪比(SNR)和对比噪声比(CNR)。以肝实质CT 值的标准差(SD)作为图像噪声。SNR=肝实质CT值/皮下脂肪SD值, CNR=(肝实质CT值-竖脊肌CT值)/皮下脂肪SD值。

主观评价指标:由2名具有10年以上放射科腹部阅片经验的放射科医生采用盲法分别对各组图像进行评价。最终应用2名医师共同评价得到的一致意见, 评价各组图像的质量。主观指标均按照4分法针对肝脏病灶显示进行评定。低对比度分辨力(low contrast detectability, LCD):1分, 不可接受；2分, 可接受；3分, 高于平均值；4分, 优良。病灶边缘锐利度(lesion edge sharpness, LES):1分, 模糊, 不可接受；2分, 可接受；3分, 优于平均值；4分, 非常锐利。图像失真(image distortion,ID):1分, 有失真, 不可接受；2分, 有失真, 干扰对主要结构的描述；3分, 有失真, 不干扰对主要结构的描述；4分, 无失真或很小。诊断信心(diagnostic confidence, DC):1分, 不能提供诊断信心；2分, 诊断信心低；3分, 有诊断信心；4分, 非常有信心。

5. 辐射剂量:采用CT剂量指数(CTDI)、CT剂量长度乘积(DLP)及有效剂量(E)评价患者的辐射剂量。记录扫描过程中CTDI及DLP值。采用公式:E=DLP×k计算患者有效剂量(k=0.015 mSv ·mGy -1 ·cm -1)。

6. 统计学处理:采用SPSS 20.0软件进行统计分析。连续数据结果均用x±s表示。A1组与B1组, A2组与B2组客观评价指标比较采用独立样本t检验, 主观评价指标采用秩和检验。主观评价两名观察者间的一致性采用Kappa检验。P＜0.05为差异有统计学意义。

结果

1. 辐射剂量:A1组和B1组E分别为(4.92±0.46)和(7.58±0.63)mSv, 差异有统计学意义(t=11.05,P＜0.001), A1组较B1组降低35.1%。A2组和B2组E分别为(7.82±0.84)和(4.87±0.24)mSv, 差异有统计学意义(t=11.64,P＜0.001), B2组较A2组降低37.7%。

2. 图像质量客观评价:肝实质CT值动脉期A1组高于B1组, 门静脉期B2组高于A2组。图像噪声A1组低于B1组, B2组低于A2组。SNR和CNR均为A1组高于B1组, B2组高于A2组, 见表1, 2。

表1 动脉期FBP和IMR重建组图像客观评价指标比较(x±s)

表2 门静脉期FBP和IMR重建组图像客观评价指标比较(x±s)

3.图像质量主观评价:2名评价者间的一致性较好(Kappa=0.661～0.852, P＜0.05)。其中, 低对比度分辨力评分A1＞B1, 差异有统计学意义(Z=6.391, P＜0.01)；B2＞A2, 差异有统计学意义(Z=6.559, P＜0.01)。病灶锐利度评分A1＞B1, 差异有统计学意义(Z=3.200, P＜0.01)；B2＞A2, 差异有统计学意义(Z=3.409, P＜0.01)。图像失真评分B1＞A1, A2＞B2, 差异均无统计学意义(P＞0.05)。诊断信心评分A1＞B1, B2＞A2, 差异均无统计学意义(P＞0.05)。4种条件下肝脏增强CT扫描图像见图1, 2。

图1 动脉期典型图像 A. A1组 100 kV IMR图像，54岁，男性，临床诊断为直肠癌肝转移。图像噪声：10.57，SNR：6.69，CNR：1.54；B. B1组 120 kV FBP图像，54岁，男性，临床诊断为肝细胞癌。图像噪声：14.17，SNR：3.94，CNR：0.56

图2 门静脉期典型图像 A. A2组 120 kV FBP图像，61岁，女性，临床诊断为乳腺癌肝转移。图像噪声：5.07，SNR：8.04，CNR：10.94；B. B1组 100 kV IMR图像，47岁，男性，临床诊断为肝血管瘤。图像噪声：10.6，SNR：18.70，CNR：6.73
讨论

MRI技术通过前向后向重建在投影数据域及图像数据域进行迭代运算, 并采用统计学模型以及CT系统模型进行对比校正, 最终得到低噪声高分辨的CT图像 [6]。IMR技术相较于部分迭代技术具有更大的降低辐射剂量潜力, 并能够显著降低噪声, 提高图像低对比分辨力, 有利于CT腹部扫描 [7, 8]。

本研究采用降低管电压的方法降低辐射剂量, 分别对A组患者进行动脉期低管电压(100 kV)扫描, 对B组患者进行门静脉期低管电压扫描。结果动脉期低管电压(A1)组较常规管电压(B1)组辐射剂量降低35.1%, 门静脉期低管电压(B2)组较常规管电压(A2)组降低37.7%, 与既往文献报道管电压与辐射剂量之间关系相符 [9]。Suzuki等 [8]对门静脉期常规腹部图像行FBP和IMR重建, 发现IMR较FBP可以明显降低图像噪声, 提高CNR, 而潘丹等 [10]在此基础上进一步研究了低辐射剂量情况下IMR与FBP图像的比较, 研究发现, 在低剂量组, IMR同样可以明显降低图像噪声, 提高SNR和CNR。而本研究除了研究门静脉期肝脏CT扫描图像, 同时还研究了动脉期图像。本研究发现, 无论在动脉期还是门静脉期, 应用IMR重建的低管电压组图像相较于FBP重建的常规管电压组图像, 仍然可以显著降低图像噪声并提高SNR和CNR。

图像质量主观评价中, 无论动脉期还是门静脉期, IMR联合低管电压图像在低对比度分辨力和病灶锐利度两方面均明显高于FBP联合常规管电压图像。然而, 通常情况下降低管电压会导致图像噪声升高, SNR 和CNR 降低, 从而影响低对比分辨力 [11], 本研究中IMR能显著降低低管电压图像的图像噪声, 提高SNR和CNR, 使得低管电压情况下低对比分辨力显著提升, 同时使得病灶边缘易于观察而获得较高的病灶边缘锐利度评分。而图像失真和诊断信息两项评分指标, 无论在动脉期和门静脉期, 低管电压联合IMR组较常规电压联合FBP组评分均无显著差异。然而, 潘丹等 [10] 在研究中曾发现在低剂量情况下, IMR技术会导致图像轻微失真。此外, Yuki等 [12]也曾报道IMR技术在大幅度降低图像噪声的同时, CT图像会出现失真感。而Nakaura等 [11]评估腹部CT增强扫描IMR 图像, 则认为IMR不影响图像纹理。本研究采用100 kV作为低管电压扫描方案, 较潘丹等 [10]进一步降低管电流至80 kV而言, 辐射剂量降低的程度相对较小, 但IMR降低噪声的水平与之保持一致, 并未发现明显图像失真。

本研究的局限性有以下几个方面,仅降低管电压, 未研究低管电压联合管电流调控对图像质量的影响；在实验设计中, 最好同一受检者在同一期相进行常规管电压和低管电压扫描, 但这会增加受检者的辅射剂量, 故同一期相不同管电压扫描为不同患者；应用IMR重建原型机, 尚不能对该技术的运算速度进行充分评估,而重建速度可能对其临床应用产生影响。

综上所述, 低管电压联合IMR技术可以显著降低被检查者的辐射剂量, 同时提高图像质量。IMR具有的低对比分辨力显著提升, 对发现肝脏病灶具有较大潜力, 适合推广至临床。

参考文献
[1] Holmberg O, Maloneb T, Rehania M, et al. Current issues and actions in radiation protection of patients[J]. Eur J Radiol,2010,76(1):15-19.
[2] 徐姝,侯阳,郭启勇. 应用迭代重建技术的低剂量增强CT 评估肝脏肿瘤的可行性[J].中国医学影像技术,2011,27(8):1633-1636.
[3] Hara AK, Paden RG, Silva AC, et al. Iterative reconstruction technique for reducing body radiation dose at CT: feasibility study[J]. AJR,2009,193(3):764-771.
[4] Towbin AJ, Sullivan J, Denson LA, et al. CT and MR enterography in children and adolescents with inflammatory bowel disease[J]. Radiographics, 2013, 33(7): 1843-1860.
[5] 潘丹,陈鑫,姜彦,等.迭代模型重组设置对不同辐射剂量下肝脏增强CT图像噪声及质量的影响[J]. 中华放射学杂志,2015,49(4):173-178.
[6] Mehta D, Thompson R, Morton T, et al. Iterative model reconstruction: simultaneously lowered computed tomography radiation dose and improved image quality[J]. Med Phys Int J,2013,1(2): 147-155.
[7] 王平,高玉颖,卢再鸣,等.迭代重组IMR技术和iDose4技术在腹部低剂量CT扫描乏血供肝转移瘤中的图像质量[J]. 中华放射学杂志,2015,49(3):283-287.
[8] Suzuki S, Haruyama T, Morita H, et al. Initial performance evaluation of iterative model reconstruction in abdominal computed tomography[J]. J Comput Assist Tomogr, 2014, 38(3): 408-414.
[9] Funama Y, Awai K, Nakayama Y, et al. Radiation dose reduction without degradation of low-contrast detectability at abdominal multisection CT with a low-tube voltage technique: phantom study[J]. Radiology, 2005,237(3):905-910.
[10] 潘丹,姜彦,陈鑫,等.迭代模型重建技术不同辐射剂量对肝脏CT增强扫描图像质量的影响[J].中国医学影像学杂志, 2015,23(1):10-13.
[11] Nakaura T, Nakamura S, Maruyama NA, et al. Low contrast agent and radiation dose protocol for hepatic dynamic CT of thin adults at 256-detector row CT: effect of low tube voltage and hybrid iterative reconstruction algorithm on image quality[J].Radiology, 2012, 264(2): 445-454.
[12] Yuki H, Utsunomiya D, Funama YA, et al. Value of knowledge based iterative model reconstruction in low-kV 256-slice coronary CT angiography[J]. J Cardiovasc Comput Tomogr, 2014, 8(2): 115-123.