趙君祿，李敬玉，任慶云，鄭立冬，王 猛

圖像域迭代重建算法與濾波反投影法對肝臟CT圖像質量和掃描劑量影響的比較研究

趙君祿，李敬玉，任慶云，鄭立冬，王 猛

目的：評價圖像域迭代重建算法（iterative reconstruction in image space，IRIS）與濾波反投影法（filtered backprojection，F(xiàn)BP）對肝臟CT圖像質量和掃描劑量的影響。方法：采用西門子emotion 16層螺旋CT，在上腹部常用掃描管電壓130 kV條件下，曝光量分別采用250、230、210、190、170、150、130、110、90、70、50、30、20 mAs對尸體標本進行上腹部掃描，采用IRIS與FBP分別對掃描后的原始數(shù)據(jù)進行重建。以130 kV、250 mAs FBP重建圖像作為對照，比較不同掃描劑量條件對肝臟圖像質量的影響，探討IRIS對降低肝臟CT掃描劑量、提高肝臟CT圖像質量的作用。結果：在相同掃描條件下，IRIS重建圖像質量優(yōu)于FBP重建圖像質量；在同等圖像質量的前提下，IRIS可以降低40%的掃描劑量。結論：與FBP相比，IRIS可以顯著降低掃描劑量，提高肝臟CT圖像質量。

圖像域迭代重建算法；濾波反投影法；迭代重建；圖像質量；掃描劑量

0 引言

隨著多排CT的普及，CT的應用越來越廣泛，但其所帶來的輻射問題也越來越受到重視，如何解決輻射劑量和圖像質量這一矛盾成為近年來研究的熱點。迭代重建技術的出現(xiàn)成功地解決了這一矛盾，采用迭代重建可以在不影響圖像質量的同時大大地降低受檢患者的輻射劑量，甚至在一定程度上可以提高CT的圖像質量。本研究采用腹部掃描常用管電壓130 kV、不同曝光量對尸體標本上腹部進行掃描，對不同曝光量掃描采集的原始數(shù)據(jù)分別采用濾波反投影法（filterecl back-projection，F(xiàn)BP）和圖像域迭代重建算法（iterative reconstruction in image space，IRIS）進行重建，對比2種重建算法重建的肝臟圖像噪聲及圖像質量，分析IRIS對提高肝臟圖像質量、降低肝臟掃描輻射劑量的作用。

1 材料與方法

1.1 儀器設備與檢查方法

CT掃描采用西門子emotion 16層螺旋CT。掃描標本采用福爾馬林浸泡過的完整尸體標本。采用螺旋方式進行掃描，Pitch值為0.6，掃描層厚為5 mm，探測器采用16×1.2，F(xiàn)BP采用B31S medium smooth+卷積函數(shù)，IRIS采用I31S medium smooth+卷積函數(shù)。窗口技術采用窗寬：180 HU，窗位：40 HU。在腹部常用管電壓為130kV條件下，曝光量采用250、230、210、190、170、150、130、110、90、70、50、30、20 mAs（130 kV、20 mAs為CT允許掃描的最低條件）對尸體標本的上腹部進行掃描。

1.2 對應用不同曝光量掃描的原始數(shù)據(jù)分別采用FBP與IRIS重建并測量

將應用不同曝光量掃描的原始數(shù)據(jù)分別采用FBP與IRIS重建。重建層厚及重建間隔均為5 mm。選取有特殊標志層面（肝臟鈣化斑上方層面）對肝臟右葉進行測量，測量點距邊緣10 mm且避開上臂偽影影響部位，測量面積為1 592 mm2，測量肝臟的CT值及噪聲。

1.3 對FBP及IRIS重建后的圖像進行質量評價

將重建后的圖像傳至MMWP40450工作站，隱藏掃描參數(shù)信息后，窗寬設置為180 HU，窗位設置為40 HU，由3名副高以上職稱醫(yī)師進行圖像評價。評價內(nèi)容包括肝臟實質、肝內(nèi)組織結構、肝臟內(nèi)鈣化灶等的對比度、清晰度及噪聲。綜合以上各結構的顯示情況，以4分制對圖像進行評價，1分：圖像噪聲大，結構顯示不清，完全無法滿足診斷要求；2分：圖像噪聲較大，結構顯示欠清，無法滿足診斷要求；3分：結構顯示尚清楚，可以滿足診斷要求但圖像噪聲較大；4分：圖像噪聲小，結構顯示清楚，完全可以滿足診斷要求。取3名醫(yī)生評分的平均分作為圖像質量的最終評分?！?分的圖像被認為可以接受。

1.4 統(tǒng)計學分析

采用SPSS17.0統(tǒng)計學軟件，不同掃描條件下，以預設掃描條件管電壓130 kV、曝光量250 mAs（此時CT劑量指數(shù)（CT dose incles，CTDI）約為25 mGy，為典型成年患者X線CT檢查腹部的診斷參考水平[1]）FBP重建圖像作為對照，比較不同管電流條件下2種重建算法圖像噪聲與圖像質量，并分析其與掃描劑量的相關性。由診斷醫(yī)生對2種方法重建后的圖像進行質量評價。將所得數(shù)據(jù)變量進行配對樣本t檢驗，以P=0.05作為檢驗標準進行統(tǒng)計學分析。

2 結果

（1）在管電壓為130 kV、不同曝光量掃描條件下，所得的原始數(shù)據(jù)采用FBP和IRIS分別重建，運用MMWP40450工作站進行肝臟右葉特定部位CT值及噪聲測量。隨著掃描條件的降低，圖像的噪聲隨之提高，在同等條件下，IRIS重建所得的圖像噪聲明顯低于FBP重建所得的圖像。2種方法測得的圖像噪聲（SD）見表1。

表1 管電壓為130 kV時不同曝光量下的圖像噪聲值

（2）在腹部常用管電壓130 kV條件下，隨著曝光量的降低，掃描劑量不斷降低，不同曝光量對應的掃描劑量見表2。

（3）不同曝光量對應的FBP及IRIS重建算法重建的圖像質量評價見表3。當掃描劑量降至150 mAs時，即掃描劑量較正常劑量降低40%時，IRIS仍可以獲得滿意的圖像質量，如果僅為獲得可診斷的圖像，掃描劑量可進一步下降至36%（如圖1～4所示）。

表2 管電壓為130 kV時不同曝光量對應的CTDI

表3 不同掃描條件下圖像質量評價

圖1 管電壓130 kV、曝光量250 mAs時FBP重建圖像

圖2 管電壓130 kV、曝光量250 mAs時IRIS重建圖像

圖3 管電壓130 kV、曝光量150 mAs時IRIS重建圖像

圖4 管電壓130 kV、曝光量90 mAs時IRIS重建圖像

（4）采用SPSS17.0統(tǒng)計學軟件對IRIS重建算法降低圖像噪聲、提高圖像質量的效果進行統(tǒng)計學分析，將所得數(shù)據(jù)變量進行配對樣本t檢驗，以P=0.05作為檢驗標準。經(jīng)分析可知，P〈0.05，具有統(tǒng)計學意義，即采用IRIS重建可以降低掃描的輻射劑量、提高圖像質量。

3 討論

近些年，在我國，多排CT如雨后春筍般迅速普及，人們在獲得便利醫(yī)療的同時，所受的輻射劑量也在逐年遞增。CT檢查被認為是造成醫(yī)源性輻射最重要的原因[2]。作為有創(chuàng)檢查，CT的輻射劑量對被照射人群存在的潛在危害性也逐漸被人們所關注[3]。如何在保證CT圖像質量的同時降低CT的輻射劑量成為重中之重。在以往，人們采用各種方法降低CT檢查的輻射劑量，如低管電壓、低曝光量、大螺距以及根據(jù)人體受檢組織厚度和密度的不同來調節(jié)管電壓及曝光量等技術均取得了不同程度的效果[4]。但無論采取何種方法，在降低輻射劑量的同時均對CT的圖像質量造成了一定的影響。FBP重建算法具有快速、可靠的優(yōu)點，自CT應用于臨床以來，一直被商業(yè)CT設備廣泛采用[5]。但是應用FBP重建，圖像噪聲對掃描條件的依賴性太大，掃描條件降低，圖像的噪聲就會增大，而噪聲越大，空間分辨率就會降低，圖像質量也就變差。因此，應用FBP重建時，降低掃描劑量必然在一定程度上導致圖像清晰度降低，這種相關趨勢限制了FBP重建低劑量CT掃描的應用。

迭代重建克服了FBP重建法噪聲與空間分辨率密切相關的局限性，但是迭代重建需要較大的計算機容量，重建時間也比較長，限制了其臨床應用。進入21世紀以來，計算機技術取得了重大發(fā)展，迭代重建技術也隨之取得進步。本研究所用的IRIS重建技術是西門子公司開發(fā)的一種在圖像域進行的迭代重建技術，其原理是將原始數(shù)據(jù)進行一次重建后，在圖像空間內(nèi)進行迭代，減少頻繁的重建和反重建的運算量，可以在不失圖像銳利度的情況下降低噪聲，兼顧了處理時間和圖像質量[6-7]。該算法屬于在降低噪聲層面上來提高圖像質量，在低劑量掃描的情況下，圖像質量會更好[8]，更加適合在保證肝臟圖像質量前提下降低肝臟的掃描劑量。

腹部CT掃描，特別是肝臟CT掃描，由于缺乏像胸部一樣的天然對比，所以需要的掃描劑量更大，很難實現(xiàn)保證圖像質量的低劑量掃描。本研究應用腹部常用管電壓、不同曝光量掃描尸體標本，得到不同劑量掃描的原始數(shù)據(jù)，再對這些數(shù)據(jù)分別進行常規(guī)FBP及IRIS重建。對比FBP重建圖像，由表3可知，當曝光量降至170 mAs時，還可以獲得可滿足診斷要求的圖像，但是圖像噪聲明顯增加，肝臟結構顯示欠清楚。即當劑量降低32%時可勉強獲得可診斷圖像，這也就是人們采用降低曝光量的方法來降低掃描劑量的依據(jù)。采用FBP重建在降低掃描劑量的同時，診斷醫(yī)生必須忍受高噪聲，這也是FBP重建算法降低噪聲的限制所在。IRIS重建算法與常規(guī)FBP重建算法圖像噪聲比較，測得結果顯示，應用IRIS重建算法可以顯著降低圖像噪聲，且較低掃描劑量即可得到與FBP算法無統(tǒng)計學差異的圖像質量，IRIS重建算法可以降低約40%的輻射劑量而不影響圖像質量。從圖像噪聲層面來看，降低40%掃描劑量的圖像和常規(guī)肝臟掃描的圖像質量相同，主觀觀察圖像質量也相近。如果是獲得FBP重建時可診斷的圖像，則掃描劑量還可降低至36%，此時劑量降低達到64%，由此可知IRIS重建算法可顯著降低掃描劑量，在一定程度上還可提高圖像質量。

目前迭代重建的文章多為模體研究，與臨床實際應用有很大區(qū)別。本研究應用尸體標本代替模體，更接近于臨床。其缺陷在于：測量患者CNR[9]（CNR=（ROI肝臟-ROI肌肉）/SD背景，其中ROI肝臟為肝實質CT值均值；ROI肌肉為右側豎脊肌CT值均值；SD背景為前腹壁皮下脂肪SD的平均值）時受限。由于是福爾馬林浸泡過的尸體標本，所以測量腹部皮下脂肪CT值時與正常人體有很大區(qū)別，無法獲得正常的脂肪CT值，所測得的SD值也不準確，此時在客觀參數(shù)圖像質量方面有限制；且尸體標本的雙臂無法上抬，雙臂的偽影會對圖像產(chǎn)生一定的影響。在進行圖像質量評價時，由于尸體標本經(jīng)福爾馬林浸泡后，其肝臟內(nèi)的結構與正常人也有所不同，對圖像質量的判斷有一定影響。但相對于模體研究，尸體標本研究可以同時從客觀參數(shù)與主觀圖像質量2個方面對圖像質量進行比較。臨床影像診斷主要還是靠診斷醫(yī)生的主觀判斷來進行的，所以本研究相對于模體研究單純的客觀參數(shù)更具有優(yōu)勢，對臨床診斷的幫助更大。

研究還發(fā)現(xiàn)，IRIS重建可以降低圖像噪聲，提高圖像質量[10]，但在實際觀察中發(fā)現(xiàn)，與FBP重建的圖像比較，IRIS重建具有蠟像感，特別是在正常劑量條件下更加明顯，需要臨床醫(yī)生適應。在低劑量條件下由于圖像噪聲的增加，蠟像感逐漸下降，所以IRIS算法在低劑量掃描方面更具優(yōu)勢。

4 結論

與FBP相比較，IRIS可以顯著降低掃描劑量、提高肝臟圖像質量，值得臨床推廣使用。

[1]GBZ 165—2012 X射線計算機斷層攝影放射防護要求[S].

[2]Goo H W.CT radiation dose optimization and estimation：an update for radiologists[J].Korean J Radiol，2012，13（1）：1-11.

[3]Brenner D J，Hall E J.Computed tomography—an increasing source of radiation exposure[J].N Eng J Med，2007，357：2 277-2 284.

[4]Kalra M K，Woisetschlager M，Dahlstrom N，et al.Radition dose reduction with sinogram affirmed iterative reconstruction technique for abdominal computed tomography[J].Comput Assist Tomogr，2012，336：339.

[5]PAN Xiao-chuan，Sidky E Y，Vannier M.Why do commercial CT scanners still employ traditional，filtered back-projection for image reconstruction?[J].InverseProbl，2009，25（12）：1230009-1230059.

[6]HU X H，DING X F，WU R Z，et a1．Radiation dose of non-enhanced chest CT can be reduced 40%by using iterafive reconstruction in image space[J].Clin Kadiol，2011，66：1 023-1 029．

[7]Ghetti C，Ortenzia O，Serreli G．CT iterative reconstruction in image space：a phantom study[J].Phys Med，2011，28（2）：161-165．

[8]陸秀良，曾蒙蘇.迭代重建算法在CT中的應用[J].中國醫(yī)療設備，2012，27（4）：128-131.

[9]Marin D，Nelson R C，Schindera S T，et al.Low tube voltage，high tube current multidetector abdominal CT：improved image quality and decreased radiation dose with adaptive statistical iterative reconstruction algorit hm-initial clinical experience[J].Radiology，2010，254（1）：1 452-1 453.

[10]杜光舟，林黛英，吳先衡，等.迭代重建技術在新生兒急診頭顱CT檢查中的應用[J].中國介入影像與治療學，2013，10（2）：108-111.

（收稿：2014-02-07 修回：2014-05-08）

Comparative study of influences on liver CT image quality and scanning dose by iterative reconstruction in image space and filtered back projection

ZHAO Jun-lu,LI Jing-yu,REN Qing-yun,ZHENG Li-dong,WANG Meng
(Department of Radiology,the First Hospital of Hebei Medical University,Shijiazhuang 050031,China)

ObjectiveTo evaluate image quality and radiation dose to liver CT scan with iterative reconstruction in image space(IRIS)compared to filtered back projection(FBP).MethodsWith Simens'emotion 16-slice spiral CT and the tube voltage of 130 kV,the upper abdomens of the corpses were scanned with the exposure currents of 250,230,210,190, 170,150,130,110,90,70,50,30 and 20 mAs.Then the raw scanning data were reconstructed with IRIS and FBP.The reconstructed images with 130 kV and 250 mAs by FBP were used to compare the influences on liver image quality by different scanning doses.The application of IRIS was explored to decreasing CT scanning dose and increasing liver CT image quality.ResultsUnder the same scanning conditions,IRIS behaved better than FBP for reconstructed image quality,while reduced 40%scanning dose with the same image quality.ConclusionIRIS can decrease scanning dose and increase liver CT image quality more significantly than FBP.[Chinese Medical Equipment Journal，2014，35（10）：91-93]

iterative reconstruction in image space;filtered back projection;iterative reconstruction;image quality;scanning dose

R318.6；TH774

A

1003-8868（2014）10-0091-03

10.7687/J.ISSN1003-8868.2014.10.091

趙君祿（1978—），男，主管技師，主要從事放射技術臨床應用方面的研究工作，E-mail：970323569@qq.com。

050031石家莊，河北醫(yī)科大學第一醫(yī)院放射科（趙君祿，李敬玉，任慶云，鄭立冬，王 猛）

任慶云，E-mail：ren_qingyun@163.com