滤波反投影法与自适应迭代法关于双低儿童胸部CT增强体模的图像质量评估引言低剂量扫描方案和图像质量是长期临床CT研究中的热点和难点。近年来儿童的CT辐射剂量受到了广泛关注。有报道显示在0~19岁非辐射暴露人群与接收CT检查的人群比较,CT扫描人群10年后的患癌比例升高[1]。随着影像技术的发展,绝大多数的检查已采用低辐射剂量扫描条件结合迭代重建技术(Adaptive Iterative Dose Reduction,AIDR)对图像进行处理,降低CT图像噪声优化图像质量。国外也有通过胸围和BMI值设计低剂量扫描参数的报道[2]。然而儿童患者的体型差异大,对于婴幼儿的辐射剂量优化是临床上一直忽视的问题。本研究使用3D打印的方法构建1岁儿童胸廓体模,探讨低浓度造影剂,低剂量扫描参数结合迭代算法对于评估双低胸部增强CT的可行性研究。 1 材料与方法1.1 一般材料采用聚氨酯和磷酸三(2-氯乙烯)混合材料(T600Pro,三维创导,中国)设计并打印了一个拟人化的1岁3D打印儿童胸部模型,直径为50 mm体模,体模包括心脏组件、胸部组件、脊柱组件和血管组件[3]。胸廓模型本体的内壁面沿胸围方向闭合的周面且围成仿真胸腔;脊柱模型安装于所述仿真胸腔内,血管组件是模拟心脏内配备6组含有不同碘浓度的试管(图1)。其软组织的X线衰减性能与人体组织等效。将盛有不同浓度稀释碘造影剂270 mgI/mL(威视派克)和生理盐水混合成不同浓度碘造影剂,通过5.29 mg/mL配置常规的CT值后,按比例注入生理盐水配置低浓度的造影剂溶液。从 0.89到 5.29 mg/mL(0.89、1.78、2.67、3.55、4.42、5.29 mgI/mL)的塑料试管(10 mL 封闭后置于上述体模内的圆孔里,用来模拟增强时的心脏血管结构。 ![]() 图1 设计并打印拟人化1岁儿童胸部模型 注:a. 模型设计图;b. 3D打印的模型。 1.2 仪器与方法将模型在320排CT扫描仪(Aquilion One Vision,Canon,Japan)选用低管电压(80 kV)和固定管电流(13、16、19、22、24、27 mAs)下进行volume扫描,扫描范围由胸廓入口至膈肌水平。球管旋转速度0.275 s/周,层厚1 mm,层间隔为0。对于儿童体模,设定三种不同的后重建算法滤波反投影法(Filter Back Projection,FBP),AIDR 3D,AIDR 3D Strong。 1.3 图像处理与分析使用Canon工作站分别测量6组不同造影剂浓度试管内中造影剂的噪声、CT值和对比噪声比(Contrast to Noise Ratio,CNR)。具体方法为在6组不同浓度造影剂图像中,选定相同层面,分别测量试管的CT值,测量时设置感兴趣区面积为35 mm2。重复测量3次取平均值。背景噪声的平均值为该体模中接近软组织CT值噪声。CNR的计算公式为CNR=|试管内CT值-背景组织CT值|/SD,其中CT值指6个试管内的CT值,背景的CT值是接近软组织CT值噪声,SD指背景的标准差(图2)。 ![]() 图2 不同算法测量不同碘浓度的管状体和模型肌肉 注:a. FBP算法;b. AIDR 3D算法;c. AIDR 3D Strong算法。 1.4 图像评分由两个影像科医生探讨3种不同后重建方法的图像进行双盲评分。主观评价由纵隔窗所显示的试管结构的对比度、清晰度及噪声1分为图像质量差(噪声大,伪影重,组织结构显示不清),完全不能用于诊断;2分为图像质量较差(噪声较大,组织结构显示欠清),不能完全达到诊断要求;3分为图像质量中等(噪声较小,组织结构显示尚清),基本达到诊断要求;4分为图像质量良好(噪声小,组织结构显示较清楚)可以达到诊断要求;5分为图像质量优(噪声极小,组织结构显示清晰),满足诊断要求。 1.5 统计学分析采用Graphpad 5.0软件进行统计学分析。计算试管内CT值以及噪声的平均值和标准差,并且计算三种不同图像处理方法的CNR。P<0.05表示有统计学意义。 2 结果相对于FBP法,AIDR 3D在相同剂量水平下有效降低图像噪声。采用AIDR 3D Strong算法对80 kV和13、16、19、22 mAs儿童胸部模型图像提高明显(图3)。在低辐射剂量不同碘浓度的试管主观评分中,AIDR 3D Strong优于其他两种后重建算法(AIDR 3D Strong:3.85±0.39,AIDR 3D:3.54±0.46,FBP:3.17±0.68)。同时,两个观察者对数据有很好的一致性(r=0.81)。与相同的低剂量方案相比,使用AIDR 3D Strong重建碘化造影剂(4.42 mgI/mL)的CNR值高于FBP重建碘化造影剂(5.29 mgI/mL)(图3)。 3 讨论儿童的辐射剂量是临床CT检查中值得关注的问题。近年来,通过降低管电压、管电流已逐步降低了检查的辐射剂量,但随着噪声的增加,导致图像质量已影响到临床诊断[4]。迭代重建算法可有效降低图像噪声和伪影并且提高对比度,但目前对于儿童胸部CT增强迭代算法比例的选择还没有统一的标准[5-6]。本研究通过设计接近儿童X线衰减性能的3D打印胸部模型,通过比较3种不同图像重建算法。评价其在CT胸部增强扫描中,优化图像质量和临床应用的潜在价值。 ![]() 图3 用差分算法比较不同浓度的CNR 注:a. 80 kV 13 mAs;b. 80 kV 16 mAs;c. 80 kV 19 mAs;d. 80 kV 22 mAs。 目前,3D打印技术在医院模型的构建和手术规划中已有广泛的应用,并且定制的解剖结构模型有很好的准确性和可重复性[7]。Jahnke等[8]首次提出3D打印标准化的成人增强CT腹部模型。国外学者研究发现婴儿体模在CT图像质量和剂量优化有重要的研究价值[9]。本研究中,我们发现在低剂量扫描方法下,使用AIDR 3D Strong的图像质量明显优于其他两种图像重建算法[10]。同时,在此方法下4.42 mgI/mL试管的CNR高于FBP重建碘化造影剂,意味着相同造影剂浓度下使用AIDR 3D Strong算法可以有效降低16%的造影剂浓度。这为未来针对儿童胸部增强CT扫描提供了可行的预扫描方案[11-13]。 本研究存在一些局限性:① 由于本模型是一个造影剂增强模型,目的是模拟仿真儿童增强胸部CT衰减程度,本研究没有和标准儿童物理体模(Model 704-D)进行对比[14-16];② 由于3D打印直写成型技术的局限性,儿童腹部模型没有打印CT图像提取的肋骨部分,这对于模型图像的CT值和对比噪声比计算会存在差异;③ 3D打印CT增强胸部体模还不能完全代替临床研究,需要收集临床病例使AIDR更凸显优化图像质量和低剂量的潜在价值[17-19]。 4 结论相比FBP,AIDR 3D Strong显著降低了图像噪声,提高图像质量。对于儿童CT扫描在低辐射剂量下,有进一步降低造影剂的浓度的可能。儿科胸部模型验证可尝试多种低浓度碘化造影剂和低剂量扫描,优化CT扫描方案。 [1]Brenner DJ,Hall EJ.Current concepts-computed tomographyan increasing source of radiation exposure[J].N Engl J Med,2007,357(22):2277-2284. [2]Chenying L,Zufei W,Jiansong J,et al.Evaluation of a chest circumference-adapted protocol for low-dose 128-slice coronary CT angiography with prospective electrocardiogram triggering[J].Korean J Radiol,2015,16(1):13-20. [3]王栋,邱睿,潘羽晞,等.基于物理体模CT图像的1岁儿童体素体模构建[J].原子能科学技术,2016,50(4):757-762. [4]杨洋,闫淯淳,孙海林,等.儿童与成人能谱CT增强效果的体模对比研究[J].医学影像学杂志,2016,26(6):1099-1101. [5]颜利辉,陈飞,姚立正,等.前置自适应统计迭代重建技术对胸部CT辐射剂量和图像质量的影响:体模与临床研究[J].中国医学影像技术,2017,33(3):468-472. [6]柴亚如,邢静静,高剑波,等.多模型迭代重建算法对腹部体模CT扫描图像质量和辐射剂量的影响[J].中国医学影像技术,2018,34(1):118-122. [7]George E,Liacouras P,Rybicki FJ,et al.Measuring and establishing the accuracy and reproducibility of 3D, printed medical models[J].Radiographics,2017,37(5):1424-1450. [8]Jahnke P,Limberg FRP,Gerbl A,et al.Radiopaque threedimensional printing: a method to create realistic CT phantoms[J].Radiology,2017,282(2):569-575. [9]Lambert JW,Phelps AS,Courtier JL,et al.Image quality and dose optimisation for infant CT using a paediatric phantom[J].Eur Radiol,2016,26(5):1387-1395. [10]赵永霞.胸主动脉CT血管造影自适应性统计迭代重建权重和低剂量扫描条件的优化[J].中华放射医学与防护杂志,2014,34(11):867-869. [11]欧阳荣珍,孙爱敏,王谦,等.基于3D打印技术构建仿真儿童CT增强腹部体模的测试研究[J].中国医学物理学杂志,2019,36(3):307-310. [12]曹国全,陈晓,邰云鹏,等.自适应迭代剂量降低重建算法对脑血管体模CT图像质量的影响[J].中国医学影像技术,2015,31(9):1414-1417. [13]张力,徐延峰,郑婧,等.AIDR3D联合自动毫安技术在低辐射剂量头颈部CT血管成像中的应用[J].医学影像学杂志,2016,26(10):1786-1790. [14]Nagatani Y,Moriya H,Noma S,et al.Association of focal radiation dose adjusted on cross sections with subsolid nodule visibility and quantification on computed tomography images using AIDR 3D: comparison among scanning at 84, 42, and 7 mAs[J].Acad Radiol,2018;25(9):1156-1166. [15]Maamoun I,Khalil MM.Assessment of iterative image reconstruction on kidney and liver donors: potential role of adaptive iterative dose reduction 3D (AIDR 3D) technology[J].Eur J Radiol,2018,109:124-129. [16]Chen CM,Lin YY,Hsu MY,et al.Performance of adaptive iterative dose reduction 3D integrated with automatic tube current modulation in radiation dose and image noise reduction compared with filtered-back projection for 80-kVp abdominal CT: anthropomorphic phantom and patient study[J].Eur J Radiol,2016,85(9):1666-1672. [17]Blobel J,Mews J,Goatman KA,et al.Calibration of coronary calcium scores determined using iterative image reconstruction (AIDR 3D) at 120,100,and 80 kVp[J].Med Phys,2016,43(4):1921-1932. [18]Mello-Amoedo CD,Martins AN,Tachibana A,et al.Comparison of radiation dose and image quality of abdominopelvic CT using iterative (AIDR 3D) and conventional reconstructions[J].Am J Roentgenol,2018,210(1):127-133. [19]Zhao P,Hou Y,Liu Q,et al.Radiation dose reduction in cardiovascular CT angiography with iterative reconstruction(AIDR 3D) in a swine model: a model of paediatric cardiac imaging[J].Clin Radiol,2016,71(7):716.e7-716.e14. Comparison Between Filtered Back Projection Versus Adaptive Iterative Dose Reduction in Pediatric Phantom Chest CT Using Low-Concentration Iodinated Contrast Agent and Low Tube Voltage and Current |