新一代基于模型的迭代重建在提高上腹部CT图像质量中的应用价值

师卫华，党珊，燕洋洋

陕西中医药大学附属医院 影像科，陕西 咸阳 712000

引言

基于电离辐射的线性非阈值理念，即使小剂量X线也潜在的致癌风险，因此如何践行合理抑低原则、降低辐射剂量已成为业内关注的热点问题[1]。相较于滤波反投影（Filtered Back Projection，FBP）较高的噪声、明显的条纹伪影和较差的空间分辨率[2]，通过改进和优化数据处理以允许辐射剂量减少的同时保持诊断图像质量[3]的多种迭代重建（Iterative Reconstruction，IR），为进一步降低辐射剂量提供了一种新的途径。本研究比较FBP、常规基于模型的迭代重建（Conventional Model-Based Iterative Reconstruction，MBIRc）、新一代基于模型的迭代重建（New Version of Model-Based Iterative Reconstruction，MBIRn）对常规剂量腹部CT图像质量的影响，探讨MBIRn在提高腹部CT图像质量中的应用价值和降低辐射剂量的潜能。

1 资料与方法

1.1 基本资料

临床回顾性随机收集我院2016年6至10月行上腹部增强扫描180 s延迟期的60例受检者，年龄38～83岁，平均年龄（60.95±10.09）岁；体重39～79 kg，平均体重（57.70±8.94）kg。CT拟诊为：肝占位37例、胰腺癌7例、胃癌6例（2例术后转移）、胆囊癌4例、壶腹周围癌4例，食管癌、结肠癌术后转移各1例。

1.2 扫描方法及参数

使用宝石能谱CT（Discovery CT750HD），扫描静止状态下水模（日本京都科学有限公司CT-200B型）中密度分辨率部分，分别采用标准算法FBP、MBIRc，层厚 0.625 mm 的 5种 MBIRn设 置（MBIRNR40、MBIRNR05、MBIRstndy、MBIRRP05、MBIRRP20）重建图像后进行对比分析。临床研究患者仰卧位，双手上举，采取吸气末单次屏气扫描，范围为从扫描范围自膈顶至肝下缘水平。扫描条件：层厚和层间距5.0 mm；X线管旋转时间0.6 s/转；螺距1.375：1；准直器宽度为0.625×64；电压120 kVp；自动管电流调制技术预设5 mm层厚噪声指数为10，控制管电流。分别采用标准算法FBP、MBIRc，MBIRn中MBIRNR40重建层厚0.625 mm的图像后进行对比分析。

1.3 数据测量及图像质量评价

所有数据测量由一名具有7年工作经验的放射科医师，在AW4.6（GE Health Care）工作站进行。体模研究观察各种算法重建水模中密度分辨率部分轴位图像，根据大小不等圆形低密度影的显示效果对各算法密度分辨率进行排序。临床研究客观评价方面，选择目测密度均匀并避开明显伪影区的背部肌肉、皮下脂肪，肝脾实质放置感兴趣区，记录CT值平均值及标准差（Standard deviation，SD），以SD值作为背景噪声，以背部肌肉为基准计算出肝脾对比噪声比（Contrast to Noise Ratio，CNR）。比较FBP、MBIRc和MBIRn中MBIRNR40三种重建上图像噪声和肝脾CNR。主观评价方面，由两位放射科医师（7年和15年CT诊断经验）经PACS工作站（华海）三维观察，初始腹窗为240/40 HU，观察者可根据自己习惯调整窗宽窗位。以MBIRc图像为基准，采用7级半定量目测评分法[4]对FBP和MBIRNR40算法重建图像的主观噪声和细节结构、病变边缘清晰度评分：0为与MBIRc图像无明显差异；-3为最差并影响判断，+3为最好最清晰；-2为较差并可影响判断，2为较好并有利于判断；-1为稍差但不影响判断，+1稍优但不影响判断。

1.4 统计学分析

采用SPSS 20.0软件，对不同算法重建图像的SD和CNR进行单因素方差分析；主观评分用Wilcoxon检验。P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 体模研究

水模结果提示MBIRNR40密度分辨率最高，FBP重建密度分辨率最差，密度分辨率由高到低依次为MBIRNR40＞MBIRNR05＞MBIRstndy≈MBIRc＞MBIRRP05＞MBIRRP20＞FBP （图1）。

图1 日本京都科学有限公司CT-200B型水模中密度分辨率部分

2.2 客观评价

MBIRNR40重建图像背部肌肉和皮下脂肪噪声低于MBIRc和FBP重建，FBP重建图像噪声最大（P＜0.05）；MBIRNR40重建图像肝脾CNR大于MBIRc和FBP重建，FBP重建图像CNR最小（P＜0.05）（图2）。三种重建算法在背部肌肉、皮下脂肪噪声及肝脾CNR比较，见表1。

图2 患者食管癌术后肝脏多发转移、淋巴结转移影像

表1 FBP、MBIRc与MBIRNR40重建图像在背部肌肉、皮下脂肪、肝脾噪声及肝脾CNR的比较

2.3 主观评价

MBIRNR40重建的主观图像噪声最低，MBIRNR40重建更清晰显示上腹部细节结构和病变边缘特征，在主观噪声和上腹部细节结构和病变边缘特征方面，两名医师主观评分中位数均为2分，最高评3分，最低评1分，优于MBIRc，FBP重建的主观图像噪声最高，两名医师主观评分中位数均为-1分，最高评-1分，最低评-2分，差异有统计学意义（P＜0.05）（图 3）。

图3 结肠癌肝脏多发转移影像

3 讨论

多排螺旋CT由于成像时间短、适应症广、高质量多平面三维成像、密度分辨率高等特点，在上腹部占位性病变中广泛使用，但X线剂量安全自CT发明伊始就是设备厂商、放射医生、卫生行业管理及监督机构无法回避的问题，已成为医源性辐射的主要来源，限制了CT更广泛的应用。目前临床上普遍使用和行之有效的降CT辐射剂量技术有降低管电压、降低管电流、增大螺距、迭代重建算法[5]和电流电压调制、改进探测器等。商用CT的标准算法FBP[6]在辐射剂量的降低时会增加图像噪声，导致图像质量降低，这种剂量与图像质量间的制衡关系限制了辐射剂量的进一步降低[7-8]。近年来，随着算法的逐渐优化，计算机容量扩大、运算速度加快等使其重建图像速度不断加快，IR已在临床实践中逐渐常规应用。这种通过在多次迭代中提高图像质量、降低图像噪声和伪影的方式能够在较低的辐射剂量下获得噪声较小的高质量图像，与FBP相比在降低X线辐射剂量方面有明显优势[9-11]。

MBIR仅在投影数据空间实现全迭代重建，除了建立系统统计模型之外，还建立了系统光学模型，对体素、X射线光子初始位置和探测器几何因素均通过模型进行模拟，真实地还原了射线发射、吸收和信号采集的全过程，可明显降低噪声和提高空间分辨率[12]，有助于提高腹部CT图像质量，具有降低腹部CT辐射剂量的潜能[13]，在不影响CT整体图像质量的前提下可减少近80%的辐射剂量[14]，优于已广泛应用于临床的混合迭代重建[15]。事实上，上述的研究结论所使用的迭代重建均基于MBIRc，其仅有一种设置，即0.625 mm/standard，有研究发现MBIRc图像随机存在一些斑纹状伪影[16]，其可在组织界面处导致阶梯状外观而使部分细小结构边界模糊。本体模及临床研究中也发现类似的情况，研究中观察兼顾空间分辨率和降噪的MBIRc图像虽然噪声较低，空间分辨率较高，但斑纹状伪影可降低重建图像主观评分。新近推出的MBIRn可有效的解决斑纹状伪影，且提供重建0.625、1.25、2.5、3.75和5.0 mm五种增厚和更多设置：有与MBIRc相同的物理特性 standard（MBIRstndy）、resolution preference（MBIRRP20/MBIRRP05代表增加空间分辨率20%和5%）、noise reduction（MBIRNR40/MBIRNR05，分别表示减少40%和5%噪声），合理选择后能进一步改善低辐射剂量条件下的图像质量。另外MBIRn还增添了一个新的可选的纹理增强设置，用以在整个采集空间内重新平衡噪声分布来使噪声和空间分辨率分布更均匀，例如MBIRNR40增加纹理增强设置后表述为MBIRNR40/Tx。本研究体模实验中观察MBIRNR40密度分辨率最高，FBP重建密度分辨率最差，重建密度分辨率由高到低依次为MBIRNR40＞MBIRNR05＞MBIRstndy≈MBIRc＞MBIRRP05＞MBIRRP20＞FBP，验证了噪声大小是影响CT图像密度分辨力的主要原因[17]。腹部CT成像对密度分辨率要求高且其对图像质量的影响最为重要[18]，也提示在上腹部CT成像时降噪能力最强的MBIRNR40可能是最优重建设置，因此本研究临床部分比较FBP、MBIRc和MBIRn中MBIRNR40三种重建算法，探讨这种降噪能力最强的MBIRn设置在提高上腹部CT图像质量中的应用价值。研究表明MBIRNR40重建的图像噪声最低，重建更清晰显示细节结构和病变边缘特征，优于MBIRc和FBP。与既往国内外研究[19-20]结论相同，但这些研究均基于MBIRc，本研究进一步比较MBIRc和MBIRn，表明MBIRn中的降噪设置MBIRNR40在腹部成像中优于MBIRc。

本研究尚存在一些问题：首先，由于MBIR重建时间长，远慢于实时显示图像的FBP[21]，但相信随着计算机技术的发展，此不足近期将得到解决。其次，虽然本研究主观评价采用盲法和随机化，但各种重建算法图像存在一定程度特点，这可能导致观察者评分偏见。最后，IR的优势体现在对低剂量CT图像质量的影响，今后将进一步验证多种MBIRm设置在低剂量条件下提高图像质量的价值。

总之，在常规剂量上腹部CT扫描时，与MBIRc、FBP重建相比，MBIRn中的MBIRNR40可显著降低图像的噪声、提高信噪比，可更清晰显示细节结构和病变边缘特征，这为降低上腹部CT辐射剂量提供潜能。