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1、基于模型的迭代重建中降噪设置对减小CT 血管成像辐射剂量的实验研究 贾永军 于楠 杨创勃 张喜荣 段海峰 于勇 贺太平 陕西中医药大学附属医院医学影像科 摘 要： 目的通过模型实验探讨基于模型的迭代重建 (MBIRn) 中降噪设置在降低 CT 血管造影 (CTA) 辐射剂量中的应用价值。资料与方法使用能谱 CT 在固定管电压120 k Vp, 10、50、150、600 m A 不同管电流条件下, 扫描静止状态容纳 8 支试管的血管模型。试管内分别填满纯净水、1、2、5、10、20、30 mg I/ml 溶液和 30 mg Ca/ml 溶液。原始扫描数据分别使用标准算法 FBP、ASIR40
2、(40%ASIR 与 FBP 混合) 、MBIRc 和 MBIRn 中优化空间分辨率设置 MBIRRP20、标准设置 MBIRStnd、降噪设置 MBIR (NR40 ) 6 种算法重建层厚 0.625 mm 的图像后进行对比分析。选取 3 个固定层面在试管中心及周围酯性基质放置感兴趣区, 并测量 CT 值与标准差 (SD) , 以代表噪声。计算并比较降噪设置 MBIRNR40与其他重建算法图像各溶液噪声和对比噪声比 (CNR) 的平均值。结果在不同管电流条件下, 与 FBP 相比, ASIR40、MBIRc、MBIR RP20、MBIR Stnd和 MBIRNR40均不同程度减少噪声和提高
3、CNR;MBIRNR40平均噪声最低 (降低 78.33%) , CNR 最大 (升高241.74%) , 优于其他重建算法图像 (P0.05) ;且辐射剂量越低, 其优势越明显。10 m A 条件下 MBIRNR40重建图像噪声与 600 m A 条件下 FBP 和 ASIR40 相近, 其余管电压条件下 CNR 明显大于 FBP 和 ASIR40。结论 MBIRc、MBIRn 和 ASIR 重建算法有助于提高 CTA 图像质量, 降低辐射剂量。MBIRn 降噪设置 MBIRNR40噪声最低, CNR 最大, 且辐射剂量越小, 其优势越明显。关键词： 体层摄影术, X 线计算机; 血管造影术
4、; 图像处理, 计算机辅助; 算法; 迭代重建技术; 辐射剂量; 作者简介：HE Taiping E-mail: 收稿日期：2017-05-08Noise Reduction Settings Among Model-based Iterative Reconstruction on Decreasing Radiation Dose in CT Angiography: An Experimental StudyJIA Yongjun YU Nan YANG Chuangbo ZHANG Xirong DUAN Haifeng YU Yong HE Taiping Department of
5、 Radiology, Affiliated Hospital of Shaanxi Chinese Medicine University; Abstract： Purpose To explore the application of noise reduction settings among modelbased iterative reconstruction (MBIRn) on decreasing radiation dose in CTA through experimental study.Materials and Methods Spectral CT was used
6、 to scan vessel model which could accommodate 8 tubes under static condition under 120 k Vp fixed tube voltage at 10 m A, 50 m A, 150 m A and 600 m A.The tubes were filled with purified water, 1, 2, 5, 10, 20 and 30 mg I/ml solutions and 30 mg Ca/ml solution.Algorithms of FBP (standard) , ASIR40 (co
7、mbined by 40%ASIR and FBP) , MBIRc and MBIRn with optimized spatial resolution setting as MBIRRP20, MBIRStnd (standard setting) , and MBIRNR40 (noise reduction setting) were adopted for original scanning data to reconstruct images of 0.625 mm slice thickness for contrastive analysis.Three fixed laye
8、rs were chosen and regions of interest were placed on central tube and surrounding ester matrix, and CT value and standard variation (SD) were measured to represent noise.Noise reduction setting MBIRNR40 and solution noise of other reconstruction algorithm images were calculated and compared and ave
9、rage value of contrast noise ratio (CNR) was compared.Results Compared to FBP under different tube currents, ASIR40, MBIRc, MBIRRP20, MBIRStnd and MBIRNR40 reduce noise and increase CNR at different levels.Average noise of MBIRNR40 was the lowest (reduced by 78.33%) and CNR the highest (increased by
10、 241.74%) , making it superior to other reconstruction algorithm images (P0.05) .Meanwhile, the lower the radiation dose was, the more obvious its advantage was.Reconstruction image noise of MBIRNR40 at10 m A was close to that of FBP and ASIR40 at 600 m A.CNR was obvious greater than that of FBP and
11、 ASIR40 at other tube voltage.Conclusion Reconstruction algorithms of MBIRc, MBIRn and ASIR can help enhance CTA image quality and reduce radiation dose.Noise reduction setting MBIR (NR40 ) from MBIRn has the lowest noise and greatest CNR.The lower the radiation dose is, the more obvious its advanta
12、ge is.Keyword： Tomography, X-ray computed; Angiography; Image processing, computer assisted; Algorithms; Iterative reconstruction; Radiation dosage; Received： 2017-05-08CT 血管造影 (CTA) 具有成像时间短、适应证广、高质量、多平面、三维成像等优点, 临床应用前景良好;但其较高的辐射剂量也越来越受到关注1。美国2005 年因 CT 检查辐射所致癌症比例为 1.5%2.0%, X 线辐射成为限制 CTA 进一步广泛应用的障碍
13、2。近年来, 迭代重建技术 (iterative reconstruction, IR) 相关基础及临床应用研究成为热点3-5。与传统的滤波反投影技术 (filtered back projection, FBP) 相比, 其可有效降低图像噪声, 提高图像的信噪比 (SNR) 和对比噪声比 (CNR) , 弥补由降低辐射剂量造成的噪声增加和图像质量下降, 具有间接降低有效辐射剂量的能力6。目前常用的 IR 算法均为混合迭代重建, 降低辐射剂量能力有限。基于模型的迭代重建 (model-based iterative reconstruction, MBIR) 仅在投影数据空间实现全迭代重建,
14、能够进一步明显降低影像噪声和提高空间分辨力4。本研究通过对比 MBIRn、常规基于模型的迭代重建 (conventional model-based iterative reconstruction, MBIRc) 、自适应统计迭代重建 (adaptive statistical iterative reconstruction, ASIR) 和滤波反投影重建 (filtered back projection reconstruction, FBP) 多种算法在体模实验中对不同管电流下CTA 图像质量的影响, 探讨 MBIRn 降噪设置在 CTA 成像时降低辐射剂量的应用价值。1 资料与方法
15、1.1 体模血管模型使用日本东京女子医科大学东医疗中心提供的 Quantitative Standard Pulsating Phantom QSP-1 (日本 Fuyo 联合北京医院、香港养和医院共同开发制造, 图 1) :直径 200 mm 圆形酯性基质内环形排布 8 支长 100 mm、直径 25 mm 塑料试管, 试管内分别填满纯净水以及 1、2、5、10、20、30 mg I/ml 溶液以及 30 mg Ca/ml 溶液。酯性基质中央放置 1 支 30 mg I/ml 溶液, 用以产生硬化伪影干扰。1.2 扫描及重建方法使用日本东京女子医科大学东医疗中心宝石能谱 CT (Discov
16、ery CT750HD) , 扫描范围覆盖为体模酯性基质。扫描条件:电压 120 k Vp, X 线管旋转时间 1 s/转, 螺距 1.3751, 准直器宽度为 0.62564, 管电流分别设定为10、50、150 和 600 m A, 采集原始数据。分别使用标准算法 FBP、ASIR40 (40%ASIR 与 FBP 混合) 、MBIRc 和 MBIRn 中升高空间分辨率设置 MBIRRP20、标准设置 MBIRStnd、降噪设置 MBIRNR40 6 种算法重建层厚 0.625 mm 的图像后进行对比分析。1.3 数据测量分析选取 3 个固定层面在试管中心及周围酯性基质放置 76.6 mm 感兴趣区 (ROI) , 测量其 CT 值与标准差值 (SD, SD 代表噪声) 。比较各重建算法图像各支试管内溶液噪声和以酯性基质为背景的对比噪声比 CNR, CNR= (CT 值 a-CT 值 b) /SDb。以目前广泛应用的 FBP 为基础, 计算每种重建算法噪声及 CNR 的变化情况。1.4
