单能量成像在改善儿童急诊头部CT平扫图像质量的应用研究
引言
CT平扫在急诊儿童怀疑脑外伤或急性脑损伤病人检查中是首选检查[1]。近年来随着CT技术迅速发展，各大厂商纷纷推出了采用宽体探测器的超高端CT，其探测器宽度完全覆盖儿童头部扫描范围，采用单次轴扫模式机架旋转一周即可完成检查[2]。但是因X线源混合能量成像所致硬化伪影、射线角度以及算法等问题[3-4]，脑组织成像质量并不令人满意。能谱成像单能量图像可以通过能级选择优化噪声，降低硬化伪影，优化低对比结构显示。本研究旨在通过能谱扫描的单能量成像与常规扫描模式在图像质量与辐射剂量的对比，探讨儿童急诊头部CT平扫检查中使用何种扫描模式为最优的成像模式。
1 材料与方法
1.1 一般资料
选取2019年1月至6月期间到我院因外伤、头痛、晕厥等原因就诊并行急诊CT扫描的患儿，共80例符合纳入标准，其中男43例，女37例，年龄1～9岁（3.09±2.62岁）。随机选取40例为实验组（能谱成像组，A组），40例为对照组（常规成像组，B组），两组间年龄无统计学差异。排除标准：① 因各种原因造成图像有移动模糊伪影；② 测量区域有出血、水肿、占位性病变影响测量数值的。
1.2 设备与检查方法
采用GE 256排宽体探测器Revolution CT扫描仪对80例患儿进行头部平扫，A组用单源瞬时kVp切换能谱扫描（Gemstone Spectrum Imaging，GSI）模式，管电压：80/140 kV快速切换，管电流280～320 mA，球管转速0.8 s/r，探测器宽度40 mm。B 组用宽体探测器单次轴扫模式，管电压为100 kVp，电流 280～320 mA，球管转速为 0.8 s/r，探测器宽度120～140 mm。扫描层厚/层间距为5 mm。患儿采取仰卧位头先进体位，扫描范围颅底至颅顶。检查前和患儿沟通嘱其检查中不能移动头部和肢体，低龄儿童或不能合作者需自然睡眠或药物镇静。
1.3 图像重建及图像评价
1.3.1 图像重建
扫描后能谱组采用重建出50、55、60、65、70、75、80 keV及100 kVp-Like共8组图像，层厚及层间距均为5 mm，图像重建类型Stnd，迭代重建算法比例40%。常规组重建层厚及层间距均为5 mm，重建类型Stnd，迭代重建比例40%。各组图像显示窗宽/窗位均为75/30 HU。所有影像自动传输到GE ADW4.7工作站进行数据测量和图像分析。
1.3.2 图像质量客观评价
各组图像选取区后颅窝脑干区（A区），基底节区域（B区），颅顶脑回（C区）三个层面相对均匀区域作为兴趣区（Region of Interest，ROI），面积约 25 mm2（如图1～2），同时测量侧脑室前角相对稳定区域作为对比背景区域。分别记录各ROI 的CT 值和噪声值，计算每个ROI的信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR，SNR=CT/SD）和ABC各区与背景区之间的及对比度信噪比（Contrast Signal to Noise Ratio，CNR，CNR=ROI-背景 /SD)。
图1 测量各层面兴趣区
注：a：后颅窝脑干区；b：基底节区域；c：颅顶脑回。
图2 利用GE ADW4.7工作站REFORMAT软件可以同时测量多组数据
1.3.3 主观评价
采用双盲法，由 2名具有5 年以上工作经验的放射诊断医师，分别独立对不同扫描模式所得的图像质量进行评估。二者意见不一致时，共同商定结果。采用4分法对影像质量进行综合评价。评分标准：1分，脑灰白质分界无法分辨，对比差，噪声多，影像质量差，伪影明显，不能满足诊断要求；2分，脑灰白质分界模糊，对比欠佳，噪声较多，影像质量较差，伪影较多，影响细节判断；3分，脑灰白质分界较清晰，对比较好，噪声较少，影像质量较好，伪影较少，不影响细节观察；4分，脑灰白质分界清晰，对比明显，噪声少，颗粒细腻，无伪影。
1.3.4 辐射剂量评价
分别记录每例病人CT 容积剂量指数（CT Volume Dose Index，CTDIvol）和剂量-长度乘积（Dose-Length Product，DLP）。计算辐射有效剂量（Effective Dose，ED），根据公式计算，即ED=K×DLP，根据国际辐射防护委员会（ICRP）2007标准，头部转换系数K=0.0067(1岁)；0.0004（5岁）；0.0032（10岁）(mSvm/Gy·cm)。
1.3.5 统计学分析
应用SPSS 19.0统计学软件，数据资料以均数±标准差表示，分别对能谱成像组8组单能量图和常规成像组的CT值、SD值、SNR、CNR、主观评分结果以及辐射剂量进多个样本的单因素方差ANOVA分析，组间等级资料比较使用 Kruskal-Wallis 秩和检验。采用Kappa 检验分析阅片者间的一致性，Kappa 值＞0.6 为一致性较好。P＜0.05认为差异有统计意义。
2 结果
2.1 客观评价
测量各组不同ROI的数据及计算的SNR及CNR，脑干区（A区）能谱组的不同能级单能量图像、混合能量图像和常规组图像在CT值、SD值、SNR、CNR的差异如表1所示。
基底节区（B区）能谱组的不同能级单能量图像、混合能量图像和常规组图像在CT值、SD值、SNR、CNR的差异如表2所示。
表1 脑干区（A区）各组图像测量值比较（
±s）
注：各组数据经Kruskal-Wallis 秩和检验：P＜0.0001，有统计学差异。
组别 ROI CT值 SD值 SNR CNR 50 keV 38.56±3.78 6.80±1.14 55 keV 36.31±3.21 5.50±1.19 7.30±1.59 7.04±1.10 60 keV 34.36±2.70 4.12±0.78 7.94±1.73 7.13±1.04 65 keV 32.29±2.40 4.24±0.91 8.45±1.80能谱组7.05±1.00 70 keV 31.62±2.13 3.78±0.82 8.91±1.91 7.27±1.05 75 keV 30.72±2.00 3.43±0.73 9.62±2.02(n=40)3.16±.0.66 7.41±1.09 80 keV 29.85±1.88 10.23±2.11 7.47±1.09 100 kV-Lik 31.90±2.95 2.92±0.61 10.62±.20 7.20±1.00常规组(n=40) 32.67±2.65 3.64±0.75 9.12±1.99 3.95±0.66 8.53±1.66 5.95±1.67
对颅顶脑回区（B区）能谱组的不同能级单能量图像、混合能量图像和常规组图像在CT值、SD值、SNR、CNR几方面的差异如表3所示。
对比3个ROI的CT值变化（图3），随keV增加，CT值下降，50-65 keV组高于于混合能量及常规组。
对比3个ROI的图像噪声值变化（图4），随keV增加，噪声值下降，65～80 keV组低于混合能量及常规组。
对比3个ROI的图像SNR（图5），随keV增加，SNR增加，其中65～80 keV组高于混合能量组，显著高于常规组。
对比3个ROI的图像CNR（图6），随keV增加，CNR逐渐增加，其中65～80 keV组高于混合能量组，显著高于常规组。
随keV增加，同一区域CT值逐渐降低，50、55、60、65 keV四组CT值均高于100 kV混合能量组（P＜0.05）；也高于常规组（P＜0.05）。噪声值随keV增加也逐渐降低，以65、70、75、80 keV四组噪声均低于100 kV混合能量组，差异均有统计学意义（P＜0.05），更低于常规组（P＜0.05）。
表2 基底节区域（B区）各组图像测量值比较（
±s）
注：各组数据经Kruskal-Wallis 秩和检验：P＜0.0001，有统计学差异。
组别 ROI CT值 SD值 SNR CNR 50 keV 34.56±3.11 5.99±1.05 55 keV 32.20±3.38 5.29±1.20 6.86±1.66 6.26±1.05 60 keV 31.57±2.39 4.57±1.03 7.54±1.76 6.45±1.02 65 keV 30.57±2.19 4.05±0.88 8.13±1.78能谱组3.61±0.80 8.86±1.94(n=40)6.60±1.03 70 keV 29.73±2.01 6.76±1.10 75 keV 29.10±1.88 3.26±0.72 9.51±2.03 6.94±1.16 80 keV 28.54±1.81 3.01±0.67 10.11±2.20 7.08±1.17 100 kVLik 2.77±0.60 10.74±2.21 6.67±1.07常规组(n=40) 32.30±1.8 29.98±2.10 3.48±0.73 8.96±1.85 3.97±0.63 8.36±1.63 5.87±1.28
表3 颅顶脑回（C区）各组图像测量值比较（
±s）
注：各组数据经Kruskal-Wallis 秩和检验：P＜0.0001，有统计学差异。
组别 ROI CT值 SD值 SNR CNR 50 keV 40.53±3.45 7.21±1.21 55 keV 38.04±30.4 4.90±1.45 8.97±2.75 7.45±1.25 60 keV 35.79±2.64 4.21±1.15 9.75±2.95 7.50±1.22 65 keV 33.61±2.40 3.69±0.96 10.41±3.07能谱组7.41±1.18 70 keV 32.87±2.18 3.27±0.84 11.01±3.24 7.64±1.23 75 keV 31.91±2.12 2.96±0.73 11.83±3.70(n=40)2.79±.0.83 7.85±1.47 80 keV 30.97±2.26 12.42±3.97 7.83±1.20 100 kV-Lik 33.30±2.26 2.57±0.91 13.09±3.97 7.59±1.20常规组(n=40) 31.22±2.02 3.18±0.91 11.31±3.29 3.11±0.49 10.27±1.63 5.60±1.01
图3 测量区域CT值变化图
注：a. 脑干区；b. 基底节区；c. 颅顶脑回区。
图4 测量区域噪声值变化图
注：a.脑干区；b.基底节区；c.颅顶脑回区。
图5 测量区域SNR变化图
注：a.脑干区；b.基底节区；c.颅顶脑回区。
图6 测量区域CNR变化图
注：a. 脑干区；b. 颅顶脑回区；c. 基底节区。
经计算，SNR值和CNR值以65、70、75、80 keV组均高于100 kV混合能量组，差异有统计学意义（P＜0.05），更高于常规组（P＜0.001）。综合各单能量组客观评分，初步认为：65 keV和70 keV组图像质量在各组占优。
2.2 主观评价
各组图像列表如表4，能谱成像组中，单能量65、70 keV组的影像质量评分高于100 kV混合能量组（P＜0.05），70 keV组图像评分达到所有图像最高峰；单能量组中的60、65、70、75、100 kV组混合能量组主观评分均优于常规组（P＜0.001），差异有统计学意义。
表4 各组图像主观评分（
±s）
组别 能量 主观评分/分能谱组 (n=40) 50 keV 1.99±0.45 55 keV 2.38±0.35 60 keV 3.13±0.36 65 keV 3.52±0.44 70 keV 3.64±0.33 75 keV 3.49±0.38 80 keV 3.36±0.41 100 kV-Like 3.31±0.31常规组 (n=40) 2.68±0.49 F值 35.750 Kappa值 0.817
两位医师之间主观评分一致性比较，Kappa=0.817，一致性良好。
2.3 辐射剂量评价
两组扫描辐射剂量如表5所示。能谱成像组CT 的CTDIvol、DLP、有效剂量ED均较常规CT 组降低，差异有统计学意义（P＜0.001）。
表5 两组辐射剂量比较表（
±s）
CTDIvol/mGy DL/mGy·cm ED/mSv 40) 13.18±0.91 188.26±26.29 1.26±0.17组别能谱组 (n=常规组 (n=40) 17.61±3.20 257.31±33.87 1.73±0.42 t值 0.00022 0.00038 0.00025 P值 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001
3 讨论
生长发育期的儿童患者因其生理发育特点，脑组织发育未完善，脑组织沟回较浅，低龄儿童髓鞘化尚未完成，脑白质和灰质界限不清，CT图像对比较成人CNR差[5]。
常规CT扫描中球管产生的X线具有混合能量，获得的常规CT 图像也体现了这种混合能量的平均效应，而引起物质的CT 值不确定和不准确，影像不精确（存在硬化伪影）的现象[6]。GE GSI能谱模式采集时通过高低能量瞬切转换获得不同能量的成像信息，重建的单能量成像利用数学物理分析方法通过随能量变化的质量吸收函数获取101个单能量图像单能量图像实现了物体在单色X线源的情况下可能获得的图像，可以消除硬化伪影，改善常规CT的CT值漂移并得到准确的CT值[7-8]。与常规CT 图像相比，单能量图像具有更高的图像质量、CNR和对比噪声比。
本研究的客观评价方法对位于儿童颅底脑干区、脑室旁基底节及颅顶3个区域在能谱扫描及常规扫描的不同模式以及能谱成像不同能级图像的CT值和图像噪声以及SNR、CNR进行评价，结果更准确反映扫描方式及单能量图像重建能级对儿童颅脑CT成像质量的影响，较其他研究者更全面[9-10]。从两组共80例图像之间客观评价数据比较，我们发现，与常规成像影像相比，单能谱65～80 keV影像保持CT 值不显著降低，噪声值明显下降，SNR和CNR都有提高，表示随单能量图像能级提高，图像对比度改善，且伪影减少；因此与常规CT相比，单能量成像提高了儿童脑部平扫CT 的影像质量。
主观评分时主要关注解剖结构显示情况，同时兼顾伪影和组织对比度两个方面。各组比较，65～70 keV评分最高，低keV 能级水平提升组织对比度，但噪声也高，高keV组的图像伪影相对减少，噪声低，但脑灰白质对比也较低。65～70 keV的影像均衡，兼顾了组织对比及图像噪声；因此评分高于其它单能量组和混合能量成像，明显高于常规组。
本研究结果表明，与常规影像相比，65～70 keV 水平的单能谱影像同时增加了灰白质的对比度并减少了射线硬化伪影，成为脑部平扫CT检查中的首选重建影像，与顾卫彬等[9]、Pomerantz等[11]的研究发现基本一致。对具有代表性的儿童头颅CT图像的后颅窝、基底节、脑皮层层面进行比较，70 keV单能谱影像具有较低的影像噪声、较高的CNR，能提供比常规CT 影像更好的灰白质对比，减少了后颅窝及硬膜下伪影，具有令人满意的影像质量。
生长发育期的儿童对射线敏感，电离辐射对儿童的潜在辐射危害比成人大[12]，照射剂量与吸收剂量之间的转换系数高于成人[13]，依据低剂量技术使用原则，在保证图像质量能够满足诊断需要的同时，应尽可能地降低扫描辐射剂量，对于儿童这类对放射线较为敏感人群更应如此[14]。使用GSI技术进行CT扫描，扫描过程高管电压（140 kVp）扫描只占整个扫描时间的1/3，其余2/3的时间切换为低管电压（80 kVp）扫描[15]，因此能谱扫描的CTDI和DLP低于常规扫描。适当迭代算法比例能客观降低图像噪声，提高图像CNR，同时兼顾主观评分，为进一步降低CT辐射剂量提供了依据[16-19]，本研究图像中使用的迭代算法占比为40%，既能使图像噪声有效抑制，同时又能减少迭代比例过高对图像产生的“蜡像感”[20]。然而，本研究未探讨不同比例迭代算法对单能量图像质量的影响。
本研究采用的GE Revolution CT在采用常规轴扫模式时使用160 mm宽体探测器进行儿童头部扫描时仅需机架旋转一周，最短仅需0.28 s，时间分辨率是其优势。而使用GSI能谱成像则只能使用80 mm甚至40 mm探测器，经2～4次扫描，检查时间较长达6～9.6 s，检查需要儿童患者具有较高配合度或者熟睡才能完成。因此在临床工作中需要根据患者实际情况选择适宜的扫描方式。综上所述，急诊儿童头部CT平扫，采用能谱扫描方式，单能量成像尤其是65～70 keV成像能有效降低图像噪声，减少后颅窝及硬膜下伪影，图像质量有较明显提高，而辐射剂量有所降低。结合扫描时间延长以及检查成功率等因素，建议根据临床实际合理选择。
[1]彭芸.儿童低剂量扫描检查方案与临床应用[M].北京:人民军医出版社,2014.
[2]范丽娟,徐冬生,张计旺,等.宽体探测器CT低剂量扫描在婴幼儿先天性心脏病中的图像质量及辐射剂量研究[J].中华放射医学与防护杂志,2018,38(8):626-630.
[3]周诚,沈云.多层螺旋CT的图像重组原理和技术进展[J].中华放射学杂志.2006,40(9):991-993.
[4]刘元芬,薛蕴菁,段青,等.Revolution CT轴扫模式下不同心率患者冠状动脉CT血管成像的图像质量和辐射剂量分析[J].实用放射学杂志,2018,34(10):1603-1606.
[5]朱乐,刘永华,雷子乔,等. IRIS算法对儿童头颅CT 图像质量的影响[J].放射学实践杂志,2012,27(9):1014-1016.
[6]刘爱连,沈云.《能谱CT临床应用图谱》[M].北京:人民军医出版社,2014.
[7]Ghadri JR,Kuest SM,Goetti R,et a1.Image quality and radiation dose comparison of prospectively triggered lowdose CCTA:128-slice dual-source high-pitch spiral versus 64-slice single-source sequential acquisition[J].Int J Cardiovasc Imaging,2012,(28):1217-1225.
[8]Patel BN,Thomas JY,Lockhart ME,et a1.Single-source dualenergy spectral multidetector CT of pancreatic adenocarcinoma:optimization of energy level viewing signicantly increases 1esion contrast[J].Clini Radiol,2013,68(2):148-154.
[9]顾卫彬,高培毅,武春雪.宝石能谱计算机断层扫描70keV单能量图像在后颅窝成像中应用的探讨[J].中国卒中杂志,2013,8(2):87-92.
[10]李杨,庄勋慧,李伟凯,等.宽体探测器CT儿童头部不同扫描模式对辐射剂量及图像质量影响的研究[J].中国医疗设备,2020,35(4):65-67.
[11]Pomerantz SR,Kamalian S,Zhang D,et al.Virtual monochromatic reconstruction of dual-energy unenhanced CT at 65-75keV maximizes image quality compared with conventional polychromatic CT[J].Radiology,2013,226 (1):318-325.
[12]张振.CT低剂量技术的发展与临床应用[J].中国医疗设备,2016,31(9):87-89.
[13]朱正,赵心明,周纯武.宝石能谱单能量成像及自适应统计迭代重建技术在腹部低剂量CT扫描中的可行性研究[J].放射学实践,2017,32(4):418-422.
[14]胡小素,苏垠平,孙全富.儿童辐射效应及其医疗照射防护的进展[J].中国辐射卫生,2017,26(1):119-122.
[15]李又洁,高宗辉,王明超,等.宝石CT肺动脉能谱成像最佳单能量图像的选择[J].中国医学计算机成像杂志,2018,24(4):306-310.
[16]Bahrami S,Yim CM.Quality initiatives: blind spots at brain imaging[J].Radiographics,2009,29(7):1877-1896.
[17]Kazakauskaite E,Husmann L,Stehli J,et al.Image quality in low-dose coronary computed tomography angiography with a new high-definition CT scanner[J].Int J cardiovasc Imaging,2013,29(2):471-477.
[18] Matsumoto K,Jinzaki M,Tanami Y,et al.Virtual monochromatic spectral imaging with fast kilovoltage switching:improved image quality as compared with that obtained with conventional 120-kVp CT[J].Radiology,2011(259):257-262.
[19]Lin XZ,Miao F,Li JY,et al.High-definition CT Gemstone spectral imaging of the brain:initial results of selecting optimal monochromatic image for beam-hardening artifacts and image noise reduction[J].Comput Assist Tomogr,2011(35):94-297.
[20]Barca P,Giannelli M,Fantacci ME,et al.Computed tomography imaging with the Adaptive Statistical Iterative Reconstruction(ASIR)algorithm:dependence of image quality on the blending level of reconstruction[J].Australas Phys Eng Sci Med,2018,41(2):463-473.
Application of Monochromatic Imaging in Improving Children's Emergency Brain CT Scanning Strategy