中华放射医学与防护杂志  2019, Vol. 39 Issue (2): 145-149   PDF    
引用本文
何长久, 周鹏, 胡仕北, 青浩渺, 董晓蕾, 李海烈, 李德珊, 龙海飘. 迭代算法对超低剂量CT肺部扫描图像质量影响的体模研究[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2019, 39(2): 145-149, DOI: 10.3760/cma.j.issn.0254-5098.2019.02.012.
迭代算法对超低剂量CT肺部扫描图像质量影响的体模研究
何长久 , 周鹏 , 胡仕北 , 青浩渺 , 董晓蕾 , 李海烈 , 李德珊 , 龙海飘     
四川省肿瘤医院·研究所 四川省癌症防治中心 电子科技大学医学院放射科, 成都 610041
收稿日期: 2018-08-16
基金项目: 四川省科技计划项目（2017JY0080、2018SZ0183）
通信作者: 胡仕北, Email:2729536031@qq.com
[摘要] 目的 探讨迭代算法对超低剂量CT肺部扫描图像质量的影响。方法 采用不同方案对胸部仿真体模行CT扫描。超低剂量方案：管电压分为80和100 kV组，每组分别采用10、15、20、25、30 mAs扫描。常规低剂量方案：120 kV、30 mAs。各方案均采用滤波反投影法（FBP组）和迭代算法重建（迭代组）。比较各方案的肺组织噪声和有效剂量（E）。结果 管电流和管电压一定时，迭代组的肺组织噪声均低于FBP组，差异均有统计学意义（t=1.102~8.070，P < 0.05）。管电流一定时，80 kV时FBP组的肺组织噪声均高于100 kV时FBP组，80 kV时迭代组的肺组织噪声均低于100 kV时FBP组，差异均有统计学意义（t=-8.639~7.841，P < 0.05）。与常规低剂量方案FBP组相比，各超低剂量方案FBP组的肺组织噪声明显增加，80 kV时10、15、20 mAs迭代组的肺组织噪声明显增加，100 kV时15、20、25、30 mAs迭代组的肺组织噪声明显降低，差异均有统计学意义（t=-8.140~23.028，P < 0.05）。80 kV时25、30 mAs和100 kV时10 mAs迭代组的肺组织噪声与常规低剂量方案FBP组比较，差异均无统计学意义（P>0.05）。80 kV时25、30 mAs和100 kV时10、15、20、25、30 mAs的E较常规低剂量组分别降低了75.9%、71.0%、79.8%、70.4%、60.3%、50.2%、40.0%。结论 超低剂量方案（100 kV、10 mAs）迭代算法组的图像质量与常规低剂量方案FBP组相当，且辐射剂量明显降低。
[关键词] 体层摄影术     肺     辐射剂量     图像质量     迭代算法    
Phantom study of the influence of iterative algorithm on image quality in ultra-low-dose CT scan of lung
He Changjiu, Zhou Peng, Hu Shibei, Qing Haomiao, Dong Xiaolei, Li Hailie, Li Deshan, Long Haipiao     
Department of Radiology, Sichuan Cancer Hospital & Institute, Sichuan Cancer Center, School of Medicine, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610041, China
Fund programs: Science and Technology Project of Sichuan Province(2017JY0080, 2018SZ0183)
Corresponding author: Hu Shibei, Email:2729536031@qq.com
[Abstract] Objective To explore the influence of iterative algorithm on image quality in ultra-low-dose CT scan of lung. Methods The thoracic model was scanned using different parameter combinations. The tube voltage was chose with 80, 100 kV in ultra-low dose group and the mAs was selected by 10, 15, 20, 25 and 30 mAs. The control group selected the parameters of 120 kV, 30 mAs. All the images were reconstructed with filtered back projection (FBP group) and iterative algorithm (IR group). The image noise and effective dose (E) were compared. Results When tube current and voltage were constant, the image noise of IR group was lower than that of FBP group, and the difference was statistically significant (t=1.102-8.070, P < 0.05). When the tube current was constant, the image noise of the 80 kV with FBP group was higher than that of 100 kV with FBP group, and the image noise of the 80 kV with IR group was lower than the 100 kV with FBP group(t=-8.639-7.841, P < 0.05). Compared with the conventional low-dose with FBP group, the image noise of each ultra-low-dose with FBP group was significantly increased, and the image noise of (80 kV, 10 mAs), (80 kV, 15 mAs), (80 kV, 20 mAs) with IR group was significantly increased, and the image noise of (100 kV, 15 mAs), (100 kV, 20 mAs), (100 kV, 25 mAs), (100 kV, 30 mAs) with IR group was significantly reduced (t=-8.140-23.028, P < 0.05). There was no significant difference in image noise between the groups of (80 kV, 25 mAs), (80 kV, 30 mAs), (100 kV, 10 mAs) with IR and the group of conventional low dose with FBP (P>0.05). Compared with the conventional low dose group, the E of the groups of (80 kV, 25 mAs), (80 kV, 30 mAs), (100 kV, 10 mAs), (100 kV, 15 mAs), (100 kV, 20 mAs), (100 kV, 25 mAs), (100 kV, 30 mAs) was decreased by 75.9%, 71.0%, 79.8%, 70.4%, 60.3%, 50.2%, 40.0%, respectively. Conclusions The image quality of the ultra-low dose protocol (100 kV, 10mAs) with iterative algorithm is similar to that of the conventional low dose with FBP group, and the radiation dose could be significantly reduced.
[Key words] Tomography, X-ray computed     Lung     Radiation dosage     Image quality     Iterative algorithm    

肺癌是世界范围内患病率和病死率最高的恶性肿瘤，患者5年生存率较低[1]。晚期肺癌病死率较高，故早期的诊断和治疗对于患者的预后至关重要。CT作为诊断肺癌的重要影像学方法，缺点在于辐射剂量较高。如何在保证图像质量的情况下，降低患者的辐射剂量至关重要。多项研究显示，在低剂量CT肺癌筛查中，采用120 kV、30 mAs在滤波反投影法重建下的图像质量可满足诊断要求[2-3]。但有关更低管电压更低管电流CT扫描对肺部图像质量影响的研究较少。因此，本研究旨在通过胸部仿真体模探讨迭代算法对超低剂量CT肺部扫描图像质量的影响，为临床超低剂量CT筛查早期肺癌提供参考。

资料与方法

1.材料：采用成年男性胸部仿真体模[成都剂量人体模型(Chengdu dosimetric phantom，CDP)]，体模由纵隔、肺和骨骼等组织构成。该仿真人体模型具有与人体高度一致的解剖结构。

2.扫描方法：采用荷兰Philips iCT 256层螺旋CT扫描仪，将胸部模型平放于检查床，仰卧位，头先进，扫描为头足方向，扫描范围从肺尖至肺底。超低剂量方案：按管电压不同分为80、100 kV组，每组分别采用10、15、20、25、30 mAs扫描，共10种扫描方案。常规低剂量方案采用120 kV、30 mAs。其他扫描参数一致，准直器宽度128×0.625 mm，螺距0.915，旋转时间0.4 s/周，矩阵1 024×1 024，视野350 mm×350 mm，扫描范围250 mm，扫描时间2.12 s。重建方式：各方案均采用滤波反投影法(FBP)和iDose4迭代算法(Level 6)重建，重建层厚和重建间隔均为0.625 mm。

3.图像分析：选择噪声值作为评估图像质量的客观评价指标。将原始数据传输至荷兰Philips EBW 4.5工作站。由1名资深放射科医师采用盲法对各组图像进行客观评价。在层厚为0.625 mm的轴位图像上进行数据测量。在T4椎体层面左侧肺组织放置兴趣区(ROI)，ROI面积约为136 mm2，测量肺组织的噪声，噪声用兴趣区CT值的标准差(standard deviation，SD)表示。测量时采用compare功能确保各组图像ROI的大小、形状、位置和层面保持一致。所有数据均测量10次计算平均值。

4.辐射剂量：记录各方案的容积CT剂量指数(CTDIvol)、剂量长度乘积(DLP)，计算有效剂量(E)，E=DLP×k，k=0.014 mSv·mGy-1·cm-1[4]。

5.统计学处理：采用SPSS 18.0软件进行数据分析。各组图像的SD经正态性检验分析符合正态分布，数据用x±s表示。两组SD间比较采用t检验，多组SD间比较经方差齐性检验后采用单因素方差分析，如差异有统计学意义，则结合LSD法进行组内两两比较。各方案的辐射剂量进行直接比较。P＜0.05为差异有统计学意义。

结果

1.图像质量：管电流和管电压一定时，迭代组的肺组织噪声均低于FBP组，差异均有统计学意义(t=1.102~8.070，P＜0.05)。管电流一定时，80 kV时FBP组的肺组织噪声均高于100 kV时FBP组，80 kV时迭代组的肺组织噪声均低于100 kV时FBP组，差异均有统计学意义(t=-8.639~7.841，P＜0.05)。常规低剂量方案FBP组、迭代组的肺组织噪声分别为(44.30±3.71)、(23.35±2.08) HU。与常规低剂量方案FBP组相比，各超低剂量方案FBP组的肺组织噪声明显增加，80 kV时10、15、20 mAs迭代组的肺组织噪声明显增加，100 kV时15、20、25、30 mAs迭代组的肺组织噪声明显降低，差异均有统计学意义(t=-8.140~23.028，P＜0.05)。80 kV时25、30 mAs和100 kV时10 mAs条件下迭代组的肺组织噪声与常规低剂量方案FBP组比较，差异均无统计学意义(P＞0.05)。见表 1、图 1。

表 1 不同扫描方案不同重建算法的肺组织噪声(HU，x±s) Table 1 Image noise of different scanning protlcols and different reconstruction algorithms(HU, x±s)

图 1 不同扫描方案不同重建算法的图像  A.(80 kV、10 mAs) FBP组图像，噪声为200.9 HU；B. (80 kV、10 mAs)迭代组图像，噪声为70.8 HU；C. (100 kV、10 mAs)FBP组的图像，噪声为129.5 HU；D. (100 kV、10 mAs)迭代组的图像，噪声为44.5 HU；E. (100 kV、15 mAs)迭代组的图像，噪声为39.4 HU；F.(120 kV、30 mAs) FBP组的图像，噪声为44.3 HU Figure 1 Image noise of different scanning protlcols and different reconstruction algorithms   A. Image noise was 200.9 HU for 80 kV, 10 mAs with filtered back projection; B. Image noise was 70.8 HU for 80 kV, 10 mAs with iterative algorithm; C. Image noise was 129.5 HU for 100 kV, 10 mAs with filtered back projection; D. Image noise was 44.5 HU for 100 kV, 10 mAs with iterative algorithm; E. Image noise was 39.4 HU for 100 kV, 15 mAs with iterative algorithm; F. Image noise was 44.3 HU for 120 kV, 30 mAs with filtered back projection

2.辐射剂量：常规低剂量方案的E为0.975 8 mSv。80 kV时10、15、20、25、30 mAs的E分别为0.091 0、0.138 6、0.186 2、0.235 2、0.282 8 mSv；100 kV时10、15、20、25、30 mAs的E分别为0.197 4、0.288 4、0.387 8、0.485 8、0.585 2 mSv。各超低剂量方案的E均明显低于常规低剂量方案。80 kV时10、15、20、25、30 mAs和100 kV时10、15、20、25、30 mAs的E较常规低剂量方案组分别降低了90.7%、85.8%、80.9%、75.9%、71.0%和79.8%、70.4%、60.3%、50.2%、40.0%。

讨论

美国国家癌症研究所肺癌筛查实验显示，采用低剂量CT扫描筛查肺癌高危人群可使患者病死率下降20%[5]。欧洲随机对照研究结果也显示，采用低剂量CT扫描筛查能检出更多的早期肺癌，有效降低肺癌死亡率[6]。故研究低剂量CT扫描筛查早期肺癌意义重大。多项研究探讨了迭代重建技术对胸部仿真体模肺部图像质量和辐射剂量的影响，结果显示，采用迭代重建技术可获得满意的图像质量和较低的辐射剂量，但其低剂量方案多采用120和100 kV，很少有研究探讨80 kV条件下的图像质量和辐射剂量[4, 7]。故本研究同时采用100和80 kV设计了10种超低剂量方案，探讨迭代算法对超低剂量下胸部仿真体模图像质量和辐射剂量的影响，为临床超低剂量CT筛查早期肺癌提供参考。采用胸部仿真体模的优点在于可避免以人为扫描对象，可以多次重复对照试验。

唐威等[2]研究采用120 kV、30 mAs对4 690例无症状健康体检者行低剂量CT早期肺癌筛查，结果显示，采用滤波反投影法重建的图像质量能有效检出早期肺癌。中华医学会低剂量螺旋CT肺癌筛查专家共识也推荐，没有迭代算法时，可采用120 kV、30~50 mAs的扫描参数进行低剂量CT肺癌筛查，而有新一代迭代算法的可使用100~120 kV、低于30 mAs作为扫描参数[8]。故本研究以120 kV、30 mAs作为常规低剂量扫描方案。

本研究结果显示，管电流和管电压一定时，迭代组的肺组织噪声均低于FBP组，差异有统计学意义。管电流一定时，80 kV时FBP组的肺组织噪声均高于100 kV时FBP组，80 kV时迭代组的肺组织噪声均低于100 kV时FBP组。与常规低剂量方案FBP组相比，各超低剂量方案FBP组的肺组织噪声明显增加，80 kV时10、15、20 mAs迭代组的肺组织噪声明显增加，100 kV时15、20、25、30 mAs迭代组的肺组织噪声明显降低，差异均有统计学意义。80 kV时25、30 mAs和100 kV时10 mAs条件下迭代组的肺组织噪声与常规低剂量方案FBP组比较，差异均无统计学意义。这都表明在超低剂量方案中，采用迭代重建算法较滤波反投影法可明显提高图像质量。以往研究显示，在胸腹部CT扫描中采用iDose4迭代算法重建较FBP组可明显提高图像质量[9-10]。本研究与此类似，这主要是因为iDose4迭代重建算法的特点是双空间、多噪声模型和解剖模型，在对噪声予以细致处理的同时，再去解剖模型加速重建过程，提高图像分辨率，消除蜡像状伪影，能明显降低图像噪声，提高图像质量[11]。

本研究结果还显示，各超低剂量方案的E明显低于常规低剂量方案。80 kV时10、15、20 mAs条件下的E较常规低剂量方案下降最明显，但其迭代组的图像质量明显低于常规低剂量方案FBP组。100 kV时15、20、25、30 mAs条件下的E较常规低剂量方案组仅降低了60.3%、50.2%、40.0%，但其迭代组的图像质量明显好于常规低剂量方案FBP重建组。80 kV时25、30 mAs和100 kV时10 mAs条件下迭代组的图像质量与常规低剂量方案FBP组相当，但其E较常规低剂量方案组明显降低。综合考虑，本研究认为，100 kV、10 mAs迭代组为较优化的肺部扫描方案，其E仅为0.197 4 mSv。

蒋耀军等[7]探讨低管电流联合迭代重建算法对胸部仿真体模T12骨密度的准确性和胸部图像质量的影响，研究显示，采用120 kV、20 mAs并运用迭代重建算法可获得满意的图像质量。徐岩等[4]研究应用胸部仿真体模评估了迭代重建算法对低剂量CT肺部图像质量和磨玻璃密度结节体积准确性的影响，结果显示，采用迭代重建算法能够在低剂量CT扫描中(100 kV、30 mAs)降低图像的平均噪声，提高图像质量。其研究结论均与本研究类似，但本研究的优点在于考虑了迭代算法重建下80 kV对图像质量的影响，且推荐的超低剂量方案(100 kV、10 mAs)有效剂量得到了进一步降低。

本研究的局限性在于研究为体模研究，未考虑呼吸动度对图像质量的影响；未考虑个体差异对图像质量的影响，如何将本研究结果更好地应用于临床个体化的检查是今后的研究重点；是否有更低剂量的扫描方案尚有待进一步研究。

综上所述，超低剂量方案(100 kV、10 mAs)采用迭代算法重建可获得较好的图像质量，有效降低辐射剂量。

利益冲突 无
作者贡献声明 何长久负责构思、采集数据、论文撰写、对结果进行统计和分析；周鹏、胡仕北、青浩渺设计实验、指导论文的撰写和修改；董晓蕾、李海烈、李德珊、龙海飘负责采集数据
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