全模型迭代重建算法在儿童腹部低剂量CT检查中的可行性研究

吕春晓，边传振，王 颖，张 见

（南京医科大学附属儿童医院放射科，南京 210000）

0 引言

近年来，CT的应用越来越广泛，同时带来的辐射问题也越来越受到公众的关注[1]。为了降低患者CT检查的辐射剂量，人们采用自动曝光控制技术和迭代重建算法等来降低辐射剂量[2]。腹部CT检查是儿童常用的检查方法之一。儿童体型较小，对射线衰减较低，同时儿童主要以外伤和发育缺陷为主，对于图像分辨力要求较成人低，但儿童是一个特殊的群体，其生长代谢旺盛且对X射线辐射敏感[3]，因此采用低剂量扫描是十分必要且可行的[4]。低剂量扫描结合全模型迭代重建（iterative model reconstruction，IMR）或混合迭代重建（iDose4）算法相对于常规剂量滤波反投影（filtered back projection，FBP）重建算法在不损害图像质量的情况下能大大降低成人胸腹部CT检查的辐射剂量[5-7]，然而，少有关于这2种重建技术在肥胖儿童方面运用的报道[8]，更少有关于儿童体质量或者体质量指数（body mass index，BMI）对图像质量和辐射剂量影响的报道。笔者在工作过程中尝试逐次降低机器扫描参数（kV、mAs），发现在降低到80 kV、50 mAs时图像质量基本满足诊断需求，后笔者对儿童腹部体模采用80 kV、10 mAs，80 kV、15 mAs，80 kV、25 mAs和 80 kV、30 mAs 4 种参数扫描并采用iDose4和IMR算法重建后发现，除在参数为80 kV、30 mAs条件下扫描图像能满足诊断需求外，其他参数条件下的图像质量均较差，无法满足诊断需求。因此，本文主要探究80 kV、30 mAs扫描条件结合不同重建算法在儿童腹部CT检查中的可行性。

1 资料与方法

1.1 一般资料

本研究通过我院伦理委员会审批同意后进行。前瞻性地连续采集2018年7月至2019年6月在我科行腹部CT检查的1～5岁患儿237例，采用随机数字法分为A、B 2组。入组标准：患儿符合年龄标准；患儿家长同意进行此次研究。排除标准：患儿体内或体外有金属异物；患儿腹部有较大占位性病变；患儿穿衣较多，家长不同意脱衣；患儿家长不同意此次研究。去除金属异物患儿3例、腹部较大占位性病变患儿2例，最后入组患儿232例。其中，A组120例（男 64例、女 56例），平均年龄（2.9±0.7）岁，B 组112例（男58例、女 54例），平均年龄（3.1±0.8）岁。检查前记录患儿的身高、体质量及BMI值。2组患儿性别、年龄、体质量、扫描范围及BMI等临床资料比较，差异均无统计学意义（P＞0.05），具有可比性。BMI值超过该年龄BMI值的第85百分位认为该患儿超重[9]，其中A组正常体质量患儿89例，超重患儿31例；B组正常体质量患儿83例，超重患儿29例。

1.2 检查方法

所有患儿均采用荷兰飞利浦Brilliance iCT进行数据采集，扫描前不配合患儿行水合氯醛镇定（1 ml/kg），检查前去除患儿身上能产生伪影的异物，用铅衣遮挡患儿其他非投照部位。选用128×0.625 mm探测器，扫描螺距为0.6，球管旋转一周用时0.33 s，视野（filed of view，FOV）为 200 mm×200 mm。扫描时患儿仰卧，双上肢上举，采用腹部正位定位像。A组患儿采用管电压80 kV自动曝光控制（DoseRight技术）进行扫描，B组患儿采用管电压80 kV、固定管电流（30 mAs）进行扫描，扫描完成后所有图像分别采用IMR和iDose4算法重建出层厚3 mm、层距3 mm的腹窗CT图像用于诊断及图像质量评价，在IMR图像上重组层厚10 mm、层距10 mm的腹窗CT图像用于测量。记录患儿的扫描范围，在IMR图像上重组层厚10 mm腹部最中间层面CT图像用于测量患儿前后径（AP）及左右径（LAT）[10]，并计算其有效直径（effective diameter，ED）。ED计算公式如下：

1.3 辐射剂量统计

从工作站剂量报表获得患儿的容积CT剂量指数（volume CT dose index，CTDIvol），并在患儿最中间层面CT 图像上勾画感兴趣区（region of interest，ROI）（感兴趣区尽量小但要覆盖横断面图像所有解剖结构），记录感兴趣区面积（AROI）及感兴趣区平均CT值（CTROI），计算水当量直径（water diameter，WD），依据WD对应的转换因子f得到体型特异性剂量估算值（size-specific dose estimate，SSDE）[11]。相关计算公式如下：

1.4 图像质量评价

1.4.1 客观评价

计算CT图像的客观噪声值和信噪比：选取肝门层面脾区及第五腰椎层面椎旁肌肉区30～60 mm2区域为感兴趣区，获得感兴趣区平均CT值及CT值标准差（SD）。平均CT值代表感兴趣区信号值，SD值代表感兴趣区客观噪声值，感兴趣区信噪比（signal noise ratio，SNR）=CTROI/SD[12]。

1.4.2 主观评价

在腹窗图像上，根据肝实质及肝内血管的显示、胆囊壁的显示、肾实质及近端输尿管和膀胱的显示、胰腺轮廓的显示、大血管的显示及生殖器官的显示进行5分制评分，具体如下：5分，图像噪声少、质地细腻、组织结构显示清晰、对比度良好，完全满足诊断需求；4分，图像噪声较少、质地较细腻、组织结构显示较清楚，能够满足临床诊断；3分，图像噪声较多、质地一般、部分组织结构显示欠佳，基本满足诊断要求；2分，图像噪声多、质地差、组织结构显示不清，不能满足诊断需求；1分，图像噪声多、质地很差、组织结构显示不清，完全没有诊断价值[12]。≥3分的图像被认为可以满足诊断要求。

1.5 统计学分析

采用SPSS 20.0进行统计学分析，采用t检验比较2组患儿的ED、SNR、客观噪声值（SD）、剂量长度乘积（dose length product，DLP）及 CTDIvol，采用秩和检验比较2组患儿的主观评分，P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 2组患儿图像质量客观评价结果

A、B 2组患儿SNR组间比较，2处感兴趣区iDose4算法和IMR算法均为A组大于B组，差异有统计学意义（P＜0.01）。组内比较，A、B2组SNR2处感兴趣区均为IMR算法高于iDose4算法（P＜0.01）；A组正常体质量和超重患儿2处感兴趣区的SNR在IMR算法和iDose4算法间的差异均无统计学意义（t=0.99、0.74、0.43、1.04，P=0.33、0.47、0.67、0.31）；B 组正常体质量患儿2处感兴趣区的SNR IMR算法和iDose4算法均高于超重患儿，差异有统计学意义（t=3.71、4.13、4.47、3.55，P＜0.01）。图像质量客观评价结果见表 1。超重患儿2种算法CT扫描图像如图1所示。

表1 图像质量客观评价结果

图1 B组超重患儿CT图像

2.2 2组患儿图像质量主观评价结果

组间比较，A组患儿IMR算法和iDose4算法图像评分均高于B组，差异有统计学意义（Z=-2.51，P＜0.05）。组内比较，A组和B组患儿IMR算法图像评分均优于 iDose4算法（Z=-3.48、-5.82，P＜0.01）；A 组正常体质量患儿和超重患儿图像评分在IMR算法和iDose4算法间差异均无统计学意义（Z=-1.71、-1.25，P＞0.05）；B组正常体质量患儿IMR算法和iDose4算法图像评分均高于超重患儿，差异有统计学意义（Z=-2.61、-2.08，P＜0.05）。图像质量主观评价结果见表2。超重患儿2种算法CT扫描图像如图1所示。

表2 图像质量主观评价结果分

2.3 2组患儿辐射剂量统计结果

A组患儿的SSDE和CTDIvol均高于B组，差异有统计学意义（t=5.11、4.62，P＜0.01）；组内比较 A 组患儿SSDE较CTDIvol高49.1%，B组患儿 SSDE较CTDIvol高 48.0%，差异有统计学意义（t=7.63、5.87，P＜0.01）；A组超重患儿SSDE较正常体质量患儿高18.8%（t=3.37，P＜0.01）；B 组超重患儿 SSDE 和正常体质量患儿差异无统计学意义（t=1.38，P=0.18）。详见表 3。

表3 2组患儿辐射剂量统计结果mGy

3 讨论

O'Daniel等[13]研究表明，自动曝光控制能够降低儿童及成人CT扫描的辐射剂量并保证图像质量。DoseRight技术与自动曝光控制效能等同，DoseRight自动毫安选择功能能够依据扫描定位像所确定的患者体型和检查部位及X射线的衰减情况来进行相关计算，给出合适的管电流，因此能够优化扫描条件，在保证良好图像质量的前提下降低辐射剂量[14]；轴向动态剂量调节功能能够自动调节横断面图像管电流，在高衰减区域增加辐射剂量，在低衰减区域减少辐射剂量；纵向动态剂量调节功能能够在纵轴方向依据不同部位及体型对管电流进行调节[11]。因此，DoseRight技术可以通过X、Y、Z及时间轴四维实时分析每例患者的解剖部位信息，并进行相应的曝光量调节。本研究中A组患儿采用DoseRight技术，B组患儿采用固定管电流技术，且超重患儿和正常体质量患儿的定位像信息有差异，这都将会对图像质量及辐射剂量产生影响。

本研究中2组患儿分别采用80 kV管电压结合DoseRight技术和固定30 mAs管电流进行扫描，结果显示A组SSDE较B组高，说明A组患儿在Dose-Right技术控制管电流的输出时平均管电流高于30 mAs；而对A、B 2组患儿的图像质量进行分析发现，B组图像质量也能满足诊断需求，只是在细节显示方面差于A组，但大大降低了患儿的辐射剂量，对于对辐射敏感的儿童来讲，没必要为了追求完美的图像而增加辐射剂量[12]。另外，本研究中A组超重患儿图像质量与正常体质量患儿差异无统计学意义，但超重患儿的辐射剂量高于正常体质量患儿，说明DoseRight技术条件下CT机增大了超重患儿的辐射剂量。

本研究对一组数据采用了iDose4和IMR算法进行重建。iDose4重建属于迭代重建算法，它是在投影空间和图像空间进行基于双模型（噪声模型、解剖模型）的迭代运算，其中噪声模型主要用来提高图像质量，解剖模型主要用来提高重建速度。该算法能消除低光子伪影，大幅度提高重建图像的空间分辨力及密度分辨力[6-7]。IMR重建是使用多模型的完全迭代重建算法，包括图像、数据统计模型和系统模型，它能够抑制噪声，改善图像质量。研究表明，在行低剂量腹部CT扫描时，IMR算法图像质量优于iDose4算法，特别是对于噪声的抑制[15]。本研究中，A组和B组患儿的IMR算法图像客观和主观得分均高于iDose4图像，这与Yuki等[16]的研究相一致，说明IMR重建算法能够改善低剂量条件下儿童腹部图像质量。

研究表明，以往常用的CTDIvol和DLP评估患儿腹部CT检查时受到的辐射剂量并不准确[17]。为了解决这一问题，美国医学物理协会（American Association of Physicists in Medicine，AAPM）通过对体模研究提出使用WD来计算患者的SSDE。WD除了用代表几何外形尺寸的面积外还用代表组织衰减的横断面的平均CT值来定义患者体型[18-19]；临床研究表明，采用WD计算的SSDE更能精确评估胸腹部及头颅CT检查的辐射剂量[20]。本研究中采用SSDE对患儿辐射剂量进行评价，通过计算发现A、B组SSDE较CTDIvol分别高49.1%和48.0%，这与袁子龙等[17]研究相一致，说明CTDIvol低估了儿童腹部CT检查的辐射剂量，因此本研究采用SSDE来表示患儿的辐射剂量更加准确。综上所述，在80 kV、30 mAs条件下进行儿童腹部CT扫描是可行的，再结合IMR重建算法能够进一步提高图像质量，这为进一步降低扫描管电流提供了条件，今后我们会尝试采用IMR算法在更低管电流条件下进行患儿的腹部扫描。

本研究的不足之处在于：（1）图像质量主观评分与观察者的读片喜好与倾向有关，评分结果可能存在争议。（2）没有对辐射剂量进行实际的测量，研究中所获得的CTDIvol为机器自动给出的，可能与实际不相符。（3）研究选取最中间层面的相关参数来计算SSDE，由于患儿每层CT图像形态各异，如果对每一层CT图像参数进行测量，得到的SSDE也会不同，因此，选取最中间层面来代表整体是不精确的。但由于腹部CT检查图像数量多，目前也没有相应的软件来辅助识别及运算，每一层都进行人工测量工作量大不易完成且容易产生误差，但有报道称，选取具有代表性的层面来替代整体是有一定的可行性的[21]，今后会对此方面的问题进行深入研究。

虽然存在上述不足，但本研究为进一步降低儿童CT扫描辐射剂量开辟了新思路，在儿童腹部CT检查时不一定要拘泥于自动曝光控制提供的最佳扫描条件，CT技师应注重手动控制及个性化扫描方案的设计，在满足诊断需求的前提下最大限度地降低患儿的辐射剂量。