中华放射医学与防护杂志  2018, Vol. 38 Issue (5): 379-385   PDF    
引用本文
赵慧萍, 吕培杰, 李莹, 李伟然, 王会霞, 高剑波. 宽体探测器联合全模型实时迭代重建在肥胖患者上腹部扫描中的应用[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2018, 38(5): 379-385, DOI: 10.3760/cma.j.issn.0254-5098.2018.05.011.
宽体探测器联合全模型实时迭代重建在肥胖患者上腹部扫描中的应用
赵慧萍 , 吕培杰 , 李莹 , 李伟然 , 王会霞 , 高剑波     
450052 郑州大学第一附属医院放射科
收稿日期: 2017-08-16
基金项目: 国家自然科学基金青年基金（81301220）；河南省医学科技攻关计划普通项目（201403016）
通信作者: 高剑波, Email:cjr.gaojianbo@vip.163.com
[摘要] 目的 探讨宽体探测器联合全模型实时迭代重建技术（ASIR-V）在肥胖患者上腹部低辐射剂量扫描中的应用价值。方法 根据体模实验找出常规上腹部扫描（管电压为120 kVp，噪声指数为10 HU）最佳前置及后置ASIR-V比例；在体模实验基础上，前瞻性收集需行上腹部CT增强的87例肥胖患者（体质量指数≥30 kg/m2），依随机数表法分为试验组（43例）和对照组（44例）。试验组采用宽体探测器（80 mm）CT联合前置40% ASIR-V行上腹部双期增强扫描获得A1组图像（默认为后置40% ASIR-V），再联合60%后置ASIR-V技术重建获得A2组图像。对照组采用常规探测器CT（40 mm）扫描后联合40%自适应统计迭代重建技术（ASIR）重建获得B组图像。比较试验组和对照组的辐射剂量、图像的对比噪声比（CNR）、图像噪声和主观评分（5分制法）。结果 常规上腹部扫描最佳前置及后置ASIR-V比例分别为40%及60%。试验组的有效剂量E为（4.55±0.95）mSv，低于对照组的（9.58±2.04）mSv（t=-14.773，P < 0.001）。A2组除双期肝脏外，各部位CNR均高于A1及B组（q=2.160~3.209，P < 0.05），双期图像噪声低于A1及B组（q=-4.212~-3.202，P < 0.05），双期总体图像质量评分高于A1及B组（Z=-5.155~-2.561，P < 0.05）。A1组双期各部位CNR及图像噪声与B组差异均无统计学意义（P>0.05），双期总体图像质量评分低于B组（Z=-3.298~-3.030，P < 0.05）。A组双期图像质量评分均>3分，均能满足临床诊断需求。结论 肥胖患者采用宽体探测器联合前置40% ASIR-V技术，可比常规探测器扫描减少约53%的辐射剂量；联合后置ASIR-V重建技术，可在保持或提高图像CNR的同时优化总体图像质量。
[关键词] 全模型实时迭代重建技术     宽体探测器     辐射剂量     图像质量     肥胖    
Abdominal CT with low radiation dose in obese patients: application of wide-detector helical CT combined with adaptive statistical iterative reconstruction-V (ASIR-V)
Zhao Huiping, Lyu Peijie, Li Ying, Li Weiran, Wang Huixia, Gao Jianbo     
Department of Radiology, First Affiliated Hospital of Zhengzhou University, Zhengzhou 450052, China
Fund programs: National Natural Science Foundation of China Youth Science Fund(81301220); Medical Science and Technique Foundation of Henan Province (201403016)
Corresponding author: Gao Jianbo, Email:cjr.gaojianbo@vip.163.com
[Abstract] Objective To investigate the value of wide-detector helical CT combined with adaptive statistical iterative reconstruction-V (ASIR-V) in the low radiation dose CT examination of upper abdomen in obese patients. Methods In the first phantom experiment part, the optimal percentage of pre-and post-ASIR-of abdominal scanning (120 kVp, NI=10 HU) were explored.The second human experiment was performed based on the phantom study, and our institutional review board approved this prospective study, each participant provided written informed consent.87 obese patients (body mass index, BMI ≥ 30 kg/m2) underwent contrast-enhanced abdominal CT scan were randomly divided into two scan protocols[protocol A:n=43, 120 kVp, detector coverage of 80 mm, 40% pre-ASIR-V (group A1) and combined with 60% post-ASIR-V (group A2) respectively; protocol B, n=44, 120 kVp, detector coverage of 40 mm, 40% ASIR (group B)].Quantitative parameters[image noise and contrast-to-noise ratio (CNR)] and qualitative visual parameters (overall image quality as graded on a 5-point scale) were compared.Weighted effective dose (E) were assessed. Results The optimal percentage of pre-and post-ASIR-V of abdominal scanning were 40% and 60%, respectively.The effective radiation dose in protocol A[(4.55 ±0.95) mSv] was decreased for 53% as compared with protocol B[(9.58 ±2.04) mSv] (t=-14.773, P < 0.001).During the arterial phase and portal venous phase, except for the CNRs of liver, Group A2 showed higher CNRs (q=2.160-3.209, P < 0.05), lower image noise(q=-4.212- -3.202, P < 0.05), and higher overall image quality scores(Z=-5.155- -2.561, P < 0.05) as compared with group A1 and group B.Group A1 showed similar CNRs, similar image noise(P>0.05), and lower overall image quality scores(Z=-3.298- -3.030, P < 0.05) than group B.The overall image quality scores in group A were all greater than 3 point and met the clinical diagnostic level. Conclusions Compared with stand-detector helical CT in obese patients, the wide-detector helical CT combined with 40% pre-ASIR-V could reduce the radiation dose by 53%, and improve overall image quality by combining post-ASIR-V technique.
[Key words] Adaptive statistical iterative reconstruction-V     Wide-detector     Radiation dosage     Image quality     Obesity    

随着CT的普遍应用, X射线辐射的潜在风险越来越受到关注[1-6], X射线对肥胖患者的穿透力下降[7], 为保证图像质量往往需要较高的辐射剂量。传统降低辐射剂量的方法因增加图像噪声[8]使其应用受限。近年来广泛应用于临床的各种迭代重建算法弥补了这一不足, 但这些算法只能在扫描后图像层面进行处理, 无法在扫描中加以干预。而最新投入临床的Revolution CT不仅具有宽体探测器, 而且采用的全新迭代重建平台—全模型实时迭代重建技术(ASIR-V)能在扫描期间通过调节管电流降低辐射剂量, 同时可联合后置ASIR-V进一步降低图像噪声, 有利于实现在低辐射剂量条件下保持甚至优化图像质量。目前有关于Revolution CT的文章主要集中在冠状动脉成像、灌注扫描及ASIR-V降低辐射剂量的体模研究及其在非肥胖患者的临床研究[9-14], 有关宽体探测器与ASIR-V技术在肥胖患者上腹部扫描中的应用国内外尚无报道。因此本研究旨在探讨宽体探测器联合ASIR-V在肥胖患者上腹部扫描中实现低辐射剂量的可行性。

资料与方法

1.体模实验:采用日本Kyoto Kagaku公司腹部仿真体模PH-5进行扫描。扫描分为两组, 第1组在美国GE公司Revolution CT机上采用宽体探测器(80 mm)联合前置ASIR-V(0~100%, 间隔10%)技术依次扫描, 扫描参数:扫描视野(scanning field of vision, SFOV)为50 cm×50 cm, 管电压120 kVp, 自动管电流(10~600 mA), 噪声指数(noise index, NI)10 HU, 转速0.5 s, 螺距0.992[DK]:1, 层厚、层间距均为5 mm, 扫描长度为300 mm; 第2组在美国GE公司Discovery CT机上采用常规探测器(40 mm)进行扫描, 螺距1.375[DK]:1, 其他扫描参数同第1组。记录两组扫描的容积CT剂量指数(CT dose index volume, CTDIvol)、剂量长度乘积(dose length product, DLP), 并根据国际放射防护委员会推荐的腹部权重因子(w=0.015)[15]计算出有效剂量(effective dose, E):E=DLP×w。对前置不同比例ASIR-V的第1组图像进行重建, 并以前置0%ASIR-V为基准, 联合0~100%后置ASIR-V(间隔10%)对第1组图像进行重建, 重建层厚、层间距均为1.25 mm, 窗宽220 HU, 窗位40 HU。由2名具有丰富经验的放射科医师在盲法的原则下共同对第1组图像及前置0%ASIR-V联合不同比例后置ASIR-V重建后的图像采用5分制法[16]进行评分。

2.临床研究

(1) 研究对象:前瞻性收集2016年11月至2017年7月, 在本院因病情需要行上腹部增强CT扫描的肥胖患者(体质量指数BMI≥30 kg/m2)纳入研究。排除标准:有碘对比剂过敏或相关过敏史; 年龄 < 18岁; 肝脏、胰腺弥漫性病变(如重度脂肪肝、肝硬化、胰腺炎等); 肾功能不全(肾小球滤过率≤45 ml·min-1·1.73 m-2)[17]。最终87例患者纳入研究, 其中男54例, 女33例; 年龄25~77岁, 平均(51±12)岁; 体重70~140 kg, 平均(88±10)kg; 体质量指数(BMI) 30.0~46.8 kg/m2, 平均(31.6±2.4)kg/m2。本研究获医院伦理委员会批准, 所有研究对象均在检查前签署知情同意书。

(2) 扫描方法:按随机数表法将研究对象随机分为试验组(43例)和对照组(44例)。所有患者行上腹部CT平扫和双期CT增强扫描, 扫描范围自膈顶至双肾下极。

试验组(A组)采用宽体探测器联合40%前置ASIR-V扫描模式, 在GE Revolution CT机上进行扫描, 扫描参数:探测器宽度80 mm, SFOV:50 cm×50 cm, 管电压120 kVp, 自动管电流(10~600 mA), NI 10 HU, X射线管转速0.5 s, 螺距0.992[DK]:1, [JP3]层厚、层间距均为5 mm。对比剂采用碘海醇(350 mg I/ml), [JP]剂量均根据患者体质量计算获得(450 mg I/kg), 注射流率根据对比剂总量设定[16]。分别于对比剂开始注射后30、60 s行动脉期和门静脉期扫描[16]。

对照组(B组)采用常规探测器扫描模式, 在GE HealthCare Discovery CT机上进行扫描, 探测器宽度40 mm, 螺距1.375[DK]:1, SFOV、管电压、管电流、NI、X射线管转速、层厚、层间距同试验组。对比剂种类、剂量、流率及注射时间均与试验组相同(试验组和对照组各有2例体重>100 kg, 均按100 kg计算)。

试验组扫描后机器自动重建获得A1组图像(默认为后置40%ASIR-V), 联合60%后置ASIR-V重建获得A2组图像。对照组联合40%自适应统计迭代重建技术(ASIR)重建获得B组图像。重建层厚、层间距均为1.25 mm。

(3) 图像分析:1客观评价:将3组图像传输到美国GE HealthCare AW 4.6工作站上进行分析与测量。将ROI分别放置于动脉期和门静脉期的肝脏、胰腺、背部肌肉, 以及肝门层面动脉期腹主动脉、门静脉期门静脉内, 测量CT值; 置于前腹壁皮下脂肪内取其CT值平均值的标准差(standard deviation, SD)(面积平均值为10 mm2)测量图像噪声值。采用compare功能保证感兴趣区(region of interest, ROI)的大小、形状和位置在不同组不同期相中保持一致, 测量中尽量避开大血管和硬化伪影显著的区域。所有数据均在连续3个相邻层面测量取平均值。[JP3]计算肝脏、胰腺、腹主动脉及门静脉的对比噪声比(contrast to noise ratio, CNR), CNRROI=(CTROI－CT背景肌肉)/SD, 其中CTROI为ROI的CT值, CT背景肌肉为背部肌肉的CT值, SD为图像噪声。2主观评价:由上述体模实验评分医师盲法共同对A1、A2、B组图像进行同法评分[16]。图像预设窗宽、窗位分别为220、40 HU, 医师可根据需要适当进行调整。3分及以上满足临床诊断需求。

(4) 扫描剂量:记录试验组和对照组动脉期的CTDIvol和DLP, 并计算出E。对不同扫描方案的辐射剂量进行比较。

3.统计学处理:数据用x±s表示。采用SPSS 21.0软件包进行分析。采用两独立样本t检验比较试验组和对照组患者的年龄、体重、BMI及辐射剂量的差异, χ2检验比较性别的差异, 单因素方差分析比较3组(A1、A2和B组)图像的CNR和噪声, 组内两两比较采用LSD法; 采用Kruskal-Wallis H检验比较3组图像的评分, 组内两两比较采用Mann-Whitney U检验。P < 0.05为差异有统计学意义。

结果

1.体模实验结果:第1组试验中, 随着前置ASIR-V比例的增加, 辐射剂量逐渐降低, 至40%水平, 辐射剂量比0%降低约54%, 比第2组降低约64%(表 1)。0~40%以内, 随着前置ASIR-V比例的增加, 图像主观评分变化不大, 至50%后图像主观评分逐渐下降, 80%~100%图像主观评分不可接受; 0~60%以内, 随着后置ASIR-V比例的增加, 图像主观评分呈逐渐升高趋势, 至70%后图像主观评分逐渐下降, 90%~100%图像主观评分不可接受(图 1)。常规腹部扫描(120 kVp, NI=10 HU)最佳的前置及后置ASIR-V比例分别为40%及60%。

表 1 体模实验辐射剂量 Table 1 Radiation dose in phantom experiment

图 1 体模实验主观评分 Figure 1 Overall image quality of phantom experiment

2.临床试验基本资料及辐射剂量比较:试验组与对照组的性别、年龄、体重、BMI差异均无统计学意义(P>0.05), CTDIvol、DLP及E差异具有统计学意义(t=-14.118、-14.773、-14.773, P < 0.05)(表 2), 试验组较对照组有效剂量约减低53%。

表 2 试验组和对照组患者的基本资料及辐射剂量比较x±s) Table 2 Comparison of the baseline patient demographics and radiation dose between the study group and the control group(x±s)

3.临床试验图像质量评估

(1) 客观评价:A2组除动脉期肝脏CNR与A1及B组差异无统计学意义(P>0.05), 门静脉期肝脏CNR高于A1组(q=2.763, P < 0.05), 与B组差异无统计学意义外(P>0.05), 其余双期各部位CNR均高于A1及B组(q=2.160~3.209, P < 0.05), 双期图像噪声均低于A1及B组(q=-4.212~-3.202, P < 0.05);A1组与B组双期各部位CNR及图像噪声差异均无统计学意义(P>0.05), 见图 2, 3, 表 3。

图 2 采用宽体探测器联合40%前置ASIR-V扫描图像A.机器自动重建的动脉期图像; B.机器自动重建的门静脉期图像; C.联合60%后置ASIR-V重建的动脉期图像; D.联合60%后置ASIR-V重建的门静脉期图像 注：女，39岁，体质量指数(BMI)为31.6 kg/m2，CTDIvol为9.86 mGy Figure 2 Images derived from wide-detector helical CT and 40% pre-adaptive statistical iterative reconstruction-V(ASIR-V) A.Image of the arterial phase automatically reconstructed by the machine; B.Image of the portal vein phase automatically recon structed by the machine; C.Image of the arterial phase reconstructed by combing with 60% post- ASIR-V; D.Image of the portal vein phase reconstructed by combing with 60% post- ASIR-V

图 3 采用常规探测器扫描图像A.联合40%ASIR重建动脉期图像; B.联合40%ASIR重建门静脉期图像 注:女, 49岁, BMI为32.1 kg/m2, CTDIvol为25.91 mGy Figure 3 Images derived from stand-detector helical CT A.Image of the arterial phase reconstructed by combing with 40% adaptive statistical iterative reconstruction(ASIR); B.Image of the portal vein phase reconstructed by combing with 40% ASIR

表 3 3组图像在动脉期和门静脉期的对比噪声比(CNR)、图像噪声值(SD)及主观评分比较([x±s) Table 3 Comparison of contrast-to-noise ratio (CNR), imaging noise (SD) and overall image quality scores among three groups (x±s)

(2) 主观评分:双期总体图像质量评分, A2组高于A1及B组(Z=-5.155~-2.561, P < 0.05), A1组低于B组(Z=-3.298~-3.030, P < 0.05), A组双期图像质量评分均>3分, 均能满足临床诊断需求, 见图 2, 3, 表 3。

讨论

随着CT技术的迅速发展及其在临床中的广泛应用, 其引起的医源性辐射越来越受到重视。尤其在肥胖患者, 为了保证图像质量, 辐射剂量往往会相应增加。文献指出, 5~100 mSv的X射线吸收量即与癌症发生有直接关系[6], 因此, 如何为肥胖患者在尽可能低的辐射剂量条件下获得可供临床诊断的图像质量, 是亟待解决的难题。目前降低辐射剂量的方法主要有降低管电压、管电流、缩短曝光时间、减少扫描时相及范围、增大螺距、自动管电流调制技术及各种迭代算法, 因噪声增加、空间分辨率减低等局限性[8, 14], 而使得其降辐射剂量程度受限。

新近推出的Revolution CT所具备的宽体探测器在z轴覆盖范围可达16 cm, 时间分辨率得到极大提高, 通过一次旋转即可完成单器官成像, 使扫描更加快捷, 可以进一步减少硬化、锥形束、散线伪影及搏动性、非搏动性运动(呼吸运动和人体不自主运动)伪影, 降低辐射剂量的同时提高图像质量。而且其采用的ASIR-V全新迭代重建平台结合了ASIR的实时重建优势和Veo(多模型迭代重建技术)的多模型迭代优势, 采用了更先进的系统噪声模型、被扫描物体模型及物理模型, 较ASIR降低噪声、降低辐射剂量、提高低对比度分辨率的潜力更大, 同时还可以消除伪影、提高空间分辨率[12]。尤其是其可在扫描时即采用不同比例的前置ASIR-V调节管电流降低辐射剂量, 同时可在扫描结束后联合后置ASIR-V重建降低图像噪声, 从而实现了临床工作中对低辐射剂量的需求。

基于上述理论基础, 本研究结合宽体探测器及ASIR-V迭代重建平台的优势, 首先将其应用于体模中发现, 随着前置ASIR-V比例的增加, 辐射剂量逐渐降低, 0~40%以内, 图像主观评分变化不大, 至50%以后图像主观评分逐渐下降, 说明在0~40%以内重建算法可以弥补由管电流降低造成的图像噪声增加; 而0~60%以内, 随着后置ASIR-V比例的增加, 图像主观评分呈逐渐升高趋势, 至70%以后图像主观评分逐渐下降, 蜡状伪影及水墨画感逐渐加重。得出结论, 40%和60%分别为腹部最佳的前置及后置ASIR-V比例, 且较常规探测器扫描降低约64%的辐射剂量, 与于子川等[12]和辛立旭[13]研究的最优前置ASIR-V比例一致, 但研究目的不同, 且后者未进行最优后置ASIR-V比例的探索。

而在进一步临床研究中, 将其与体模实验结论相结合应用于肥胖患者上腹部扫描中发现, 与常规探测器联合40%ASIR相比, 在扫描中即开启前置40%ASIR-V模式可以使有效剂量降低约53%, 且能保持图像噪声及CNR相当, 总体质量评分满足临床诊断需求。而进一步联合后置60%ASIR-V对图像进行重建后, 可在保持或提高图像CNR、降低图像噪声的同时提高总体图像质量。既往研究表明, ASIR-V重建算法在降低辐射剂量、降噪及提高图像质量方面较ASIR重建算法更优[18-19], 但这种前置联合后置ASIR-V重建算法在肥胖患者的优化扫描方案中的探索是既往研究均未涉及的, 本研究可能为肥胖患者低剂量扫描提供较优的扫描方案。

本研究仍存在一定局限性:第一, 样本量较小, 仅对肥胖患者上腹部图像质量进行评估, 未涉及病灶的检出率及诊断效能, 有待今后扩大样本量的深入研究; 第二, 对所有患者均进行120 kVp、NI为10 HU的扫描方案, 未能对不同管电压及NI组合进行深入探讨, 有待于今后进一步完善; 第三, 对照组及试验组对比剂碘含量相同, 未能进行有关低辐射剂量、低对比剂剂量的"双低"研究, 这是下一步研究的重点。

综上所述, 肥胖患者行上腹部CT增强检查时, 采用宽体探测器联合前置及后置ASIR-V技术, 可在减少约53%辐射剂量的条件下获得比常规探测器联合ASIR更优的总体图像质量。

利益冲突 本研究还接受郑州大学第一附属医院青年创新基金(2012-233)资助。所有作者排名无争议, 研究过程和结果均未受到相关设备、材料、药品企业的影响
作者贡献声明 赵慧萍负责数据测量分析和论文起草; 吕培杰指导研究设计及论文修改; 李莹、李伟然、王会霞负责收集病例; 高剑波审定论文
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