儿童副鼻窦CT自适应性统计迭代重建权重和低剂量扫描条件的优化

囤荣耀,相爱华,杨蕾,邓昆,杨瑞山

聊城市第二人民医院 CT室,山东 临清252600

[摘 要]目的 探讨儿童副鼻窦宝石能谱CT扫描时,自适应性统计迭代重建(Adaptive Statistical Iterative Reconstruction,ASIR)的最佳权重和低剂量扫描参数的搭配。方法 应用宝石能谱CT对20例儿童副鼻窦进行扫描,扫描条件为100 kV、50 mA,使用10%~100%权重的自适应迭代重建技术对本扫描条件下图像进行重建并进行噪声值(图像标准差SD值)、对比度噪声比(CNR)评价。请3 位影像学专家对上述图像进行5 分值主观评价,优选出最佳图像质量的权重。然后以此权重为基础,筛选儿童副鼻窦患儿100例,分为5组,常规剂量组(A)20例采用(120 kV,90 mA)扫描,使用滤波反向投影算法(Filtered Back Projection,FBP)对图像重建做为对照组;低剂量4组(B1,B2,B3,B4)各20例采用(100 kV,85 mA;100 kV,50 mA;80 kV,85 mA;80 kV,50 mA)扫描,对原始投影数据采用ASIR算法进行重建,其余条件不变。记录5组患者CT容积剂量指数(CT Dose Index of volume,CTDIvol)及剂量长度乘积(DLP)。比较5组图像的辐射剂量、图像质量及图像噪声、CT Dose Index of volume,CNR、并进行统计学分析。结果100 kV、50 mA扫描条件下图像的最佳ASIR权重为60%,低剂量组60%ASIR与常规剂量组FBP辐射剂量比较明显减低,B1,B2,B3,B4较A组CTDIvol分别降低了38.92%,63.81%,66.01%,80.04%;DLP分别降低了39.78%,64.83 %,66.25%,80.23%;图像质量评分,B1,B2,B3较A组主观评分差异无统计学意义(P>0.05)均能满足临床诊断要求,B4(4.34±0.64)较A组(4.57±0.22)明显低,B4噪声明显升高,图像不能满足临床诊断要求。结论 儿童副鼻窦宝石能谱CT扫描时,ASIR算法最佳权重比例为60%,最适宜低剂量参数为B3(80 kV,85 mA)。

[关键词]计算机体层摄影;自适应统计迭代重建;儿童;副鼻窦;图像质量;辐射剂量

引言

随着CT检查的广泛应用,儿童副鼻窦CT检查也在日益增加[1],但CT检查的辐射损伤问题[2],成为放射医师关注的焦点。自适应性统计迭代重建(Adaptive Statistical Iterative Reconstruction,ASIR)是近年来开发的一种全新的CT图像重建算法,能够有效降低图像噪声[3],提高图像质量。很多学者[2-6]在CTA、CTU、肝脏、胸部、腹部等进行研究总结,罕见儿童副鼻窦的报道,本研究尝试用宝石能谱CT,对儿童副鼻窦扫描的图像进行不同比例重建,并进行图像质量分析,总结儿童副鼻窦CT成像时的最佳权重比例,应用这一比例对低剂量图像迭代重建和滤波反向投影算法重建,并对不同剂量重建图像进行噪声、辐射剂量和图像质量分析,总结儿童副鼻窦低剂量扫描的最佳参数搭配。

1 资料与方法

1.1 研究对象

收集我院2015年6月~2015年10月行CT检查的副鼻窦病例100例,男47例,女53例,年龄6个月~14岁,平均年龄(10±4)岁。

1.2 实验仪器

采用GE公司宝石能谱CT(Discovery HDCT 750),用AW4.6工作站(GE HealthCare,USA)。

1.3 检查方法

扫描前嘱受检者去除头部金属异物,仰卧位头先进,平静呼吸,扫描侧位定位图及设定定位线,扫描参数为:Helical模式,旋转时间1.0 s/r,层厚5 mm,层间隔5 mm,螺距0.984∶1。对于小年龄组患儿和不能合作的患儿,镇静后进行扫描,应用宝石能谱CT对20例儿童副鼻窦进行扫描,扫描条件为100 kV、50 mA,使用10%~100%权重的ASIR技术对本扫描条件下图像进行重建并进行噪声值(图像标准差SD值)、对比度噪声比(CNR)评价,请3位影像学家对上述图像进行5分值主观评价,优选出最佳图像质量的权重(60%),然后以此权重为基础,所选中的病人进行常规剂量(A)组20例采用120 kV,90 mA扫描,使用滤波反向投影(Filtered Back Projection,FBP)对图像重建,做为对照组;低剂量(B1,B2,B3,B4)组各20例采用(100 kV,85 mA;100 kV,50 mA;80 kV,85 mA;80 kV,50 mA)扫描,对原始数据采用ASIR(60%)算法进行重建,其余条件不变。记录5组患者CT容积剂量指数(CT Dose Index of volume,CTDIvol)及剂量长度乘积(doselength product,DLP)。图像重建层厚为1.25 mm,重建层间距1.25 mm。并且该研究经过医院道德伦理委员会批准。

1.3.1 图像分析

(1)主观评分。采用Likert 5分制,以轴位观察,选用相同的窗宽窗位,依据窦口鼻道复合体显示情况对重组图像进行评价。5分∶解剖结构及(或)病变显示清晰、对比良好、无伪影;3分∶解剖结构及(或)病变显示比较清晰、对比一般、轻度伪影;1分∶结构显示欠清晰;介于3者之间评分为4分和2分。以3名医师观察者评分的均值作为最后评分。

(2)客观评价。采用对图像噪声值(SD值)及CNR进行比较。图像噪声值(SD值)测量:选用同一层面分别将下鼻甲粘膜、鼻咽腔空气、颞下窝脂肪各选取3个圆形ROI(面积约10 mm2),测量其CT值的标准差(SD值)即代表噪声,作为噪声值。CNR的定量计算:CNR=(ROI甲粘膜-ROI脂肪)/SD背景,其中,ROI甲粘膜为测量的下鼻甲粘膜的CT值均值,ROI脂肪为测量的颞下窝脂肪的CT值均值,SD背景为鼻咽腔空气SD平均值。

1.3.2 辐射剂量

记录5组受检者接受辐射的剂量参数∶CTDIvol、剂量长度乘积(Dose Length Product,DLP)。

1.4 统计学方法

采用SPSS 17.0统计分析软件,对所得数据进行双因素方差分析,P<0.05为差异有统计学意义。3名专家对所得图像评价的一致性程度评估采用Kappa检验。Kappa值>0.75为一致性较好;Kappa值在0.40~0.75之间为一致性一般;Kappa值<0.40为一致性较差。所有图像在工作站上进行,GE AW4.6工作站应用统一的窗宽和窗位进行CT图像的评价和测量。

2 结果

随着ASIR百分比增大,SD值逐渐减小,图像噪声降低,对比噪声升高,100%ASIR图像噪声降低最多,CNR升高最大。主观评分并未随着ASIR百分比增大而增加,图像主观质量(4.59);最佳权重为60%(表1)。

对于不同扫描参数和重建方式所得图像辐射剂量、质量、噪声值、CNR值(表2)。对表2中数据进行双因素方差分析,B1、B2、B3与A组产生的影像质量无统计学差异(F=4.565,P>0.05),但B3的CTDIvol、DLP较A组分别降低了66.01%、66.25%。3名专家对图像质量评价进行一致性检验,Kappa值为0.80,主观评价一致性好。B组60%ASIR与A组FBP辐射剂量比较明显减低,B1、B2、B3、B4较A组CTDIvol分别降低了38.92%、63.81%、66.01%、80.04%;DLP分 别 降 低39.78%、64.83 %、66.25%、80.23%;辐射剂量差异有统计学意义(P<0.05);图像质量评分,B4(4.34±0.64)较A组(4.57±0.22)明显低,差异有统计学意义(F=1.77,P<0.05)(见表2,图1~5);对于不同扫描参数和重建方式所得图像中,从A1组到B4组,下鼻甲区SD值呈现正线性增高,CNR呈现出随着剂量的降低而降低的趋势。具体噪声、CNR数值(见表2)。B1,B2,B3,B4较A组图像噪声升高,差异有统计学意义(P<0.05),B4噪声明显升高,图像不能满足临床诊断要求(见表2,图5)。所以总体比较得出,在儿童副鼻窦宝石能谱CT扫描时,ASIR权重比例为60%时,匹配最适宜的低剂量参数为:B3(80 kV,85 mA)。

图像噪声明显升高,点状颗粒影增加,图像质量下降。

图1 不同扫描参数图像质量的显示

注:a.(120 kV,90 mA,FBP重建方式)下鼻甲粘膜及上颌窦囊肿的显示;b.(100 kV,85mA;60%ASIR)下鼻甲粘膜及上颌窦炎的显示;c.(100 kV,50 mA;60%ASIR)下鼻甲粘膜及上颌窦粘膜的显示;d.(80 kV,85 mA;60%ASIR)下鼻甲粘膜的显示;e.(80 kV,50 mA;60%ASIR)下鼻甲粘膜及上颌窦炎的显示。

表1 100 kV,50 mA不同比例重建噪声(SD)、CNR、图像质量比较

表2 不同扫描参数、不同重建方式图像噪声(SD)、CNR、图像辐射剂量及质量比较

注:*与A组图像比较,P<0.05

3 讨论

不同年龄段鼻窦病变的发病率较高,并且出现发病的低龄化趋势,儿童鼻窦CT检查逐年增加,统计我院资料2012年,副鼻窦1752例,15岁以下232例;2013年,副鼻窦1934例,15岁以下298例;2014年,副鼻窦2756例,15岁以下567例;2015年副鼻窦2731例,15岁以下595例。常规CT扫描检查对于病变的检出和诊断具有较高价值,但存在射线辐射偏高,尤其对于儿童群体存在损伤偏大的问题,这不符合辐射防护原则[1]。并且该检查范围内有对射线更为敏感的组织,如腺体、眼晶体和神经等。故此,在保证一定图像质量的前提下,最大限度降低检查的辐射剂量,保护射线敏感组织,是放射工作者的重要任务之一[2]。副鼻窦的解剖学结构特点为含气的骨性腔隙,骨质偏薄,自然对比度较好,存在低剂量扫描的生理基础;在病理学方面,该部位病变主要以黏膜增生、肥厚及囊肿形成等炎性病变及先天变异为主。因此,对于该部位病变的CT检查进行低剂量方案设计就有较大可能性[1]

扫描模式采用Helical模式,获得容积数据,将便于对图像进行冠状位、矢状位重组,既能很好地显示ROI病变,又免除了二次扫描的射线辐射。低剂量扫描包括降低管电压、管电流,随着剂量的降低,图像噪声会增加。ASIR可以在降低患者的辐射剂量的同时又不损失图像质量[4-5]。国内外很多研究者针对不同部位、不同器官、低管电流取值及ASIR值比例做过大量研究,但对儿童副鼻窦方面的研究报道很少。通常采用的ASIR值建议在30%~50%之间[6]。本研究通过图像ROI SD值的测量,随着ASIR权重比例(10%~100%)的增加,SD值逐渐降低 ,CNR升高(6.52~10.17),但图像质量并未随着ASIR的权重比例的增加而一直提高,而是在ASIR权重比例为60%时,图像质量达到最高(4.59±0.17)。应用该权重比例对不同管电压和管电流情况下所得低剂量图像进行分组,与常规剂量组使用FBP对图像重建,比较组比对照组呈现出了明显的剂量降低,并且随着管电压的降低而降低,也随着管电流的降低而降低,两者同时降低时剂量降低更多。ASIR算法下,通过分别对于降低管电压和管电流,实现了辐射剂量的降低,得出了有统计学意义的差异;图像质量评价方面,随着辐射剂量的降低,也结合统计学差异分析,得出了具有差异意义组,也就是说找到了兼顾降低辐射剂量和保证图像质量的平衡点组,并对于噪声明显偏高,图像不能满足临床诊断要求组做出舍弃。

4 结论

尽最大限度降低辐射剂量是CT检查应用的辐射防护应用原则。在儿童副鼻窦区域这一特殊部位进行CT扫描,应用ASIR算法,配合降低管电压、管电流方式的低剂量扫描技术,应用效果明显,值得推广。随着检查设备的软、硬件技术的进一步提高改进和科学应用的进一步开发,被检者所受的必要射线辐射剂量将逐渐降低。

[参考文献]

[1] 秦力军,樊明成,郭景涛,等.低剂量CT扫描在儿童鼻窦检查中的应用及防护价值[J].河北医药,2011,33(11):3241-3242.

[2] 于形,李镇,路春兰,等.宝石高分辨CT自适应统计迭代重建方法在儿童颈椎外伤低剂量扫描中的应用[J].中国医学影像技术,2013,29(2):285-288.

[3] 杨尚文,何健,杨献峰,等.ASiR算法结合自动管电流调制技术在胸部低剂量CT中的应用研究[J].医学影像学杂志,2012, 22(1):58-61.

[4] 杜海,张浩亮,刘智君,等.宝石能谱CT低电压联合自适应性统计迭代重建在腹部扫描中的应用[J].山东医药,2015,55 (35):71-73.

[5] 李泉,张莉,卞佳,等.不同级别迭代重建技术在颅脑CT扫描中的应用[J].滨州医学院学报,2015,38(1):43-46.

[6] 周科峰,何健,泰国初,等.自适应统计迭代重建技术在不同噪声组别中的降噪效果[J].江苏医药,2011,37(15):1756-1758

Optimization of Children Paranasal Sinus CT Adaptive Statistical Iterative Reconstruction Weights and Low-Dose Scanning Conditions

DUN Rong-Yao, XIANG Ai-Hua, YANG Lei, DENG Kun, YANG Rui-Shan
Department of CT, the Second People's Hospital of Liaocheng, Linqing Shandong 252600, China

Abstract:Objective To investigate the optimal ASIR (Adaptive Statistical Iterative Reconstruction) weight and low-dose scanning parameters in gem energy spectrum CT scanning of paranasal sinuses in children. Methods Gem energy spectrum CT was applied to perform paranasal scans in 20 cases of children. The scanning conditions were 100 kV, 50 mA, image reconstruction by using 10% to 100% weight of the adaptive iterative reconstruction technique under the present scanning conditions as well as the noise value (image standard deviation SD value) and CNR (Contrast-to-Noise Ratio) evaluation. Three radiologists were invited to make a subjective evaluation (ranging from 5 to 0 score) of the image and select the optimum image quality weight. And on the basis of optimum image quality weight, 100 cases of children with paranasal sinuses were screened and divided into five groups. 20 cases in Conventional Dose Group (Group A) were scanned under the conditions of (120 kV, 90 mA) and underwent image reconstruction by using FBP (Filtered Back Projection) algorithm as Control Group; 20 patients in four Low-Dose Groups (namely B1, B2, B3, B4) were scanned under the conditions of (100 kV, 85 mA; 100 kV, 50 mA; 80 kV,85 mA; 80 kV,50 mA) scan and underwent image reconstruction by using original projection data and ASIR algorithm; the rest conditions remained unchanged. The CT dose index volume (CTDIvol) and dose length product (DLP) of 5 groups were recorded and radiation dose, image quality, image noise and CNR of five groups were compared and statistically analyzed. Results The optimal ASIR weight was 60% under scanning conditions of 100 kV, 50 mA. Radiation dose of Low-Dose Group by using FBP at 60% ASIR was significantly lower than that of Conventional Dose Group; compared with Group A, CTDIvol and DLP of Group B1, B2, B3 and B4 decreased by 38.92%, 63.81%, 66.01%, 80.04% and 39.78%, 64.83% ,66.25%, 80.23%; there was no significant difference between the image quality ratings of compared with Group B1, B2, B3 and Group A (P>0.05), all of which metthe requirements of clinical diagnosis. Compared with Group A (4.57±0.22), the image quality rating of Group B4 (4.34±0.64) was significantly lower with significantly increased noise, which could not meet the clinical diagnostic requirements. Conclusion For children with paranasal gems scanned by energy spectra CT, the optimal adaptive statistical iterative reconstruction weight was 60% and the most appropriate low dose parameters were B3 (80 kV, 85 mA).

Key words:computed tomography; adaptive statistical iterative reconstruction; child; paranasal sinus; image quality; radiation dose

[中图分类号]R44.53;R816.96

[文献标识码]B

doi:10.3969/j.issn.1674-1633.2016.11.015

[文章编号]1674-1633(2016)11-0062-04

收稿日期:2016-03-28

修回日期:2016-04-28

基金项目:山东省医药卫生科技发展计划项目(2014WS0308)。

通讯作者:相爱华,副主任医师,研究方向:影像诊断。