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。
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