低管电流联合迭代重建算法对胸部体模T12骨密度值准确性和胸部图像质量的影响

蒋耀军，吴 艳，张永高，董军强，刘 杰，侯 平，高剑波

(郑州大学第一附属医院放射科，河南 郑州 450052)

骨密度(bone mineral density, BMD)可反映75%以上的骨强度，无创测量BMD可诊断骨质疏松症[1]。研究[2]发现，我国50岁以上男性与女性罹患骨质疏松症的比例为10.4%与31.2%。随着低剂量胸部CT在早期肺癌筛查中的广泛应用[3]，肺结节、尤其最大径<10 mm的结节检出率明显提高[4]。目前定量CT(quantitative CT， QCT)采用腰椎序列扫描测量BMD，但辐射剂量较大。本研究采用低管电流联合迭代模型重建(iterative model reconstruction， IMR)重复测量仿真胸部体模T12的BMD[5]，探讨低管电流联合IMR测量BMD的准确性及其对胸部图像质量的影响。

1 资料与方法

1.1 一般资料 选用Lungman N1成年男性胸部体模(日本岛津公司)，大小约43 cm×40 cm×45 cm，胸围约94 cm，重约18 kg，其软组织和骨骼的X线衰减性与真人相同，内部结构可拆卸，包括支气管树和纵隔等结构。模拟结节具有3种密度(CT标准设置值分别为-800、-630和100 HU)，每种包括5种直径(最大径标准设置3、5、8、10和12 mm)，共计15个结节，固定于胸部体模肺纹理上。

1.2 仪器与方法 采用Philips Brilliance iCT Elite FHD CT仪，螺旋扫描方式，扫描范围自肺尖至横膈。扫描参数：管电压120 kV，管电流分别为20、30、40、50、60 mAs，螺距0.976，扫描层厚和层间距均为5 mm，球管转速0.5 s/rot，矩阵512×512，FOV 500 mm。重复进行10次扫描。重建方式：采用滤波反投影算法(filtered back projection, FBP)、混合迭代重建技术(iDose4, Level 4)及IMR(Level 2)重建，层厚和层间距均为1 mm。将重建数据统一传到Philips Portal后处理工作站进行相关胸部图像评价。

1.3 图像分析 将重建数据上传至Mindways QCT PRO工作站，采用工作站软件的自动功能(自动探测边界及生成ROI等)测量体模T12松质骨BMD。由2名具有5年以上工作经验的资深影像医师观察CT图像，意见不一时经协商统一。管电流20 mAs时，选取结节最大横截面测量其最大径[6]，取平均值；根据公式计算结节最大径的偏差度，计算公式：模拟结节最大径偏差度=[(模拟结节最大径平均测值-标准设置最大径)/标准设置最大径]×100%。

通过扫描完成后设备自动生成的剂量报告单记录容积CT剂量指数(volume CT dose index, CTDIvol)和放射剂量长度乘积(dose length produce, DLP)。

1.4 图像质量评价

1.4.1 客观评价 由上述其中1名医师于体模气管杈处(前纵隔)放置ROI，圆形区域面积约占轴位图像的2/3，测量CT值，记为CT1。在同层面椎体背侧竖直肌(左右两侧，取其平均值)放置ROI，避开T12椎体高密度区，圆形区域面积约占竖直肌区域图像的2/3，测量CT值，记为CT2；其相应标准差记为SD。对比噪声比(contrast to noise ratio, CNR)=(CT1-CT2)/SD。

1.4.2 主观评价 由上述2名医师以盲法独立评价管电流60 mAs、采用FBP迭代算法与管电流20 mAs、采用IMR(Level 2)迭代算法的体膜胸部纵隔窗(窗宽350 HU，窗位40 HU)和肺窗(窗宽1 500 HU，窗位-700 HU)图像，评价标准见表1。

1.5 统计学分析 采用SPSS 21.0统计分析软件。CTDIvol、DLP与管电流之间均满足正态分布，采用Pearson相关分析观察CTDIvol、DLP与管电流的相关性。对不同管电流、重建技术下胸部体模T12的BMD及客观评价结果采用单因素方差分析进行比较；以Mann-whitneyU秩和检验比较胸部体模图像质量的主观评分，Kappa检验比较2名医师图像质量主观评分的一致性，Kappa<0.4为一致性较差，0.4≤Kappa≤0.74为一致性中等，Kappa>0.74为一致性较好。P<0.05为差异有统计学意义。

表1 胸部体模图像质量主观评分标准(分)

图1 管电压不变、管电流递增时胸部体模扫描的辐射剂量图 图2 管电流20 mAs时，采用3种重建算法获得15个模拟结节的最大径偏差度图 A.CT值为-800 HU的结节； B.CT值为-630 HU的结节; C.CT值为100 HU的结节

2 结果

2.1 辐射剂量 管电压不变、管电流递增时，胸部体模扫描的辐射剂量见图1，其中CTDIvol呈线性递增趋势，DLP呈线性递增趋势，CTDIvol和DLP均与管电流呈正相关(r均=1，P均<0.001)。

2.2 T12的BMD 管电流、重建技术不同时，胸部体模T12的BMD比较见表2，差异均无统计学意义(P均>0.05)。

表2 不同管电流、重建技术下胸部体模T12的BMD比较(mg/cm3)

2.3 模拟结节的观察结果 管电流20 mAs时，15个模拟结节的最大径偏差度见图2。最大径3 mm和5 mm 的结节最大径偏差度较大(P=0.02)；CT值为-800 HU时结节最大径偏差度较CT值为-630 HU和100 HU大(P=0.03)；3种重建算法相比，采用IMR重建技术的结节最大径偏差度小于FBP和iDose4(P=0.03)，结节边缘更为清晰(图3)。

2.4 客观评价结果 不同管电流、重建技术下的CT值、SD值比较见表3，CT值差异无统计学意义(P均>0.05)，而SD值差异有统计学意义(P均<0.001)，且管电流越小，SD值越大。而管电流相同、重建技术不同时，SD值差异有统计学意义(P均<0.001)，且采用IMR迭代算法获得的SD值明显低于iDose4和FBP(P均<0.001)。管电流为20 mAs时，采用IMR迭代算法较FBP的图像噪声降低了79.3%，CNR提高至645%。

2.5 主观评价结果 胸部体模图像质量主观评分见表4。管电流20 mAs、采用IMR算法与管电流60 mAs、采用FBP算法的纵隔窗和肺窗图像质量主观评分差异均无统计学意义(P均>0.05)。

管电流60 mAs、采用FBP算法时，2名观察者观察纵隔窗的一致性较好(Kappa=1.00，P<0.001)，观察肺窗的一致性中等(Kappa=0.64，P=0.002)；在管电流20 mAs、采用IMR(Level 2)时，2名观察者观察纵隔窗的一致性中等(Kappa=0.64，P=0.002)，观察肺窗的一致性较好(Kappa=1，P<0.001)。

表3 不同管电流、重建技术下胸部体模前纵隔的CT值、SD值比较(±s)

表3 不同管电流、重建技术下胸部体模前纵隔的CT值、SD值比较(±s)

管电流(mAs)CT值FBPiDose4(Level4)IMR(Level2)SD值FBPiDose4(Level4)IMR(Level2)2035．53±3．9035．31±3．6834．44±3．5225．36±2．2117．49±1．585．25±0．703034．76±4．2234．84±3．9234．04±3．2920．50±2．8414．61±20．55．26±1．924035．68±3．2235．68±3．1834．04±3．2916．28±0．84411．56±0．614．04±0．395035．70±4．1935．61±4．0235．33±3．8614．85±0．7010．70±0．543．94±0．396038．16±3．7538．08±3．7037．77±3．8713．60±1．019．84±0．823．66±0．41F值1．101．151．6176．3462．256．27P值0．370．340．19<0．001<0．001<0．001

图3 管电流20 mAs时，置入模拟结节的胸部体模轴位图像 A.FBP重建图像； B.iDose4(Level 4)重建图像； C.IMR(Level 2)重建图像

参数纵隔窗肺窗20mAs/IMR(Level2)3．80±0．413．90±0．3160mAs/FBP3．85±0．373．85±0．37Z值0．470．41P值0．9140．942

3 讨论

骨质疏松症常发生于老年人，60岁以上发病率超过60%[7]。常用检查骨质疏松的方法是双能X线吸收测定法(dual energy X-ray absorptiometry, DXA)和QCT。DXA受体位影响较大，而QCT测量BMD的敏感度高、准确率好及重复性强，且受骨体积影响较小[8]，但辐射剂量较大。有学者[9]测得腰椎CTDIvol为25 mGy，胸部CTDIvol为15 mGy。本组采用胸部条件扫描体模，结果显示辐射剂量与管电流输出呈正相关，提示管电压不变时，降低管电流能降低辐射剂量，与胡敏霞等[10]报道一致。本组以不同管电流测得胸部体膜T12的BMD差异均无统计学意义，而管电流20 mAs时的CTDIvol较管电流60 mAs低，提示QCT采用胸部序列，既可满足测量BMD的准确性，又可大幅度降低辐射剂量。

迭代重建技术通过降低图像噪声以提高低密度分辨率。iDose4是第4代重建算法，分为7级[11]，混合了FBP及迭代重建2种成分。最新迭代算法不含FBP成分，通过在数据空间和图像空间上不断优化数据统计模型、图像统计模型以及系统模型而达到降噪目的。IMR对低剂量CT降噪效果非常显著，且可明显提高CNR，从而保证在低剂量条件下获得良好图像质量[12-13]。本组管电流20 mAs时，采用IMR算法的图像噪声明显降低，且SD值较FBP降低了79.3%、CNR提高至645%；图像主观评分均在3分以上，图像质量总体优秀，带来较高的诊断信心。本组胸部图像肺窗评分均高于纵隔窗，管电流20 mAs、采用IMR算法与管电流60 mAs、采用FBP算法的纵隔窗和肺窗主观评分差异均无统计学意义，提示图像质量均可满足临床诊断要求。

早期肺癌多为小结节，为评估体积倍增时间，准确测量结节最大径十分必要。低剂量CT图像上最大横向轴线最大径≥4 mm的结节提示肺癌可能[14]。有学者[15]将最大径≥5 mm并快速增长的结节被定义为阳性。本组管电流20 mAs时，最大径≥3 mm的结节(15个)均被检出；且随着结节最大径增加，偏差度越小。本组CT值为-800 HU时结节最大径偏差度较CT值为-630 HU和100 HU大，提示密度越高，结节最大径偏差度越小；采用IMR技术的结节最大径偏差度小于FBP和iDose4，IMR对低剂量CT降噪效果非常显著，可明显提高CNR，从而保证在低剂量条件下获得良好的图像质量。

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