修回日期: 2017-10-25
接受日期: 2017-11-13
在线出版日期: 2017-12-18
评价应用自动曝光技术结合迭代法重建技术对肝脏计算机断层扫描(computed tomography, CT)辐射剂量的影响.
选择于2016-06/2017-06间在宁波明州医院行肝脏CT增强扫面和重建检查的69例患者, 采用随机数表法将患者分为对照组、A组和B组, 对照组采用常规滤波反投影技术进行重建, A组使用自动曝光技术, B两组采用自动曝光联合迭代重建模式(迭代次数3次). 比较3组患者CT图像中不同部位的CT值、主观评价、客观评价和患者接受的辐射剂量.
3组患者CT图像中肝实质、门静脉和椎旁肌等部位的CT值间不存在明显的统计学差异(P>0.05). A组和B组患者CT图像的图像噪声、小解剖结构的可视性、像素化表现和整体诊断信心等主观质量评价指标均明显高于对照组(P<0.05), 其中, B组的评分明显高于A组(P<0.05). A组和B组患者CT图像噪声强度明显低于对照组, 信噪比和对比噪声比明显高于对照组, 其中B组较A组更为显著(P<0.05). A组和B组患者的辐射剂量分别为8.57 mSv±0.86 mSv和6.92 mSv±0.51 mSv, 明显低于对照组患者的11.32 mSv±1.01 mSv(P<0.05).
在肝脏CT检查中应用自动曝光技术结合迭代法重建技术能够明显提高图像质量, 有效降低患者的辐射剂量.
核心提要: 本研究通过对比应用传统的滤波反投影技术与应用自动曝光技术结合迭代法重建技术对肝脏进行计算机断层扫描重建的图像清晰度与患者所接受的辐射剂量, 探究在尽量降低患者所受辐射剂量的情况下提高图像质量的新方法.
引文著录: 沈仁福, 严忠浩, 王瑾. 自动曝光技术结合迭代法重建技术对肝脏CT辐射剂量的影响. 世界华人消化杂志 2017; 25(35): 3155-3160
Revised: October 25, 2017
Accepted: November 13, 2017
Published online: December 18, 2017
To observe the effect of automatic exposure technique combined with iterative reconstruction on radiation dose of liver computed tomography (CT).
From July 2016 to July 2017, 69 patients who underwent liver enhanced CT examinations were randomly divided into control group, group A, and group B (23 cases in each group), in which reconstruction was performed using filtered back projection, automatic exposure technique, and automatic exposure technique combined with iterative reconstruction (strength 3), respectively. The CT values of different parts in CT images, subjective evaluation, objective evaluation, and radiation dose were comparatively analyzed in the three groups.
There was no significant difference in the CT values of the liver, portal vein, and paraspinal muscles in the three groups (P > 0.05). The subjective evaluation indexes (such as visibility, pixel performance, and overall diagnostic confidence) of CT images in groups A and B were significantly higher than those of the control group (P < 0.05), and the scores of group B were significantly higher than those of group A (P < 0.05). The noise intensity of groups A and B was significantly lower than that of the control group, while the signal to noise ratio and contrast to noise ratio were significantly higher than those in the control group, with group B performing significantly better than group A (P < 0.05). The radiation doses in groups A and B were 8.57 mSv ± 0.86 mSv and 6.92 mSv ± 0.51 mSv, respectively, which were significantly lower than that in the control group.
In liver CT examination, using automatic exposure technology combined with iterative reconstruction technology can significantly improve the image quality and reduce radiation dose effectively.
- Citation: Shen RF, Yan ZH, Wang J. Effect of automatic exposure technique combined with iterative reconstruction on radiation dose of liver computed tomography. Shijie Huaren Xiaohua Zazhi 2017; 25(35): 3155-3160
- URL: https://www.wjgnet.com/1009-3079/full/v25/i35/3155.htm
- DOI: https://dx.doi.org/10.11569/wcjd.v25.i35.3155
电子计算机断层扫描(computed Tomography, CT)是临床常用辅助检查, 随着电子技术和图像处理技术的进步, CT重建在临床诊断和治疗评估中的作用日益重要, CT检查的使用率较以往明显升高(约占成像检查的40%左右)[1]. 随着CT使用率的提高, CT所造成的电离辐射量显著增高, 研究[2]显示, CT检查造成的辐射剂量约占公众诊断性检查所受辐射剂量的67%以上, 其中CT增强扫描和重建所产生的剂量普遍超过10 mSv, 而具有10 mSv有效剂量的成人腹部检查会增加致癌风险1/2000[3]. 控制CT球管的电压和电流是控制CT辐射量的主要方法, 但较低的电流和电压可能造成图像清晰度的下降; 自动曝光技术是根据扫描部位自动选择电压和电流的技术, 而迭代重建(iterative reconstruction, IR)是一种新的重建算法, 可以使用低电压/电流图像进行重建[4]. 自动曝光技术和IR联合在肝脏CT中应用的图像质量以及辐射剂量尚缺乏大量研究报道, 为此, 宁波明州医院对69例患者进行了一项随机对照实验, 现报告如下.
选择于2016-06/2017-06间在宁波明州医院行肝脏CT增强扫面和重建检查的69例患者, 采用随机数表法将患者分为对照组、A组和B组, 3组患者的一般资料间不存在统计学差异(P>0.05, 表1). 研究方案报经本院伦理学委员会审议通过, 并与患者本人或其家属签订知情同意书.
| 分组 | 年龄(岁) | 性别[ n (%)] | 身高(cm) | BMI(kg/m2) | 心率(次/min) | 呼吸频率(次/min) | |
| 男性 | 女性 | ||||||
| 对照组 | 46.31±7.21 | 12 (52.17) | 11 (47.83) | 167.72±5.47 | 24.34±2.01 | 75.86±6.35 | 15.53±2.16 |
| A组 | 44.86±7.12 | 13 (56.52) | 10 (43.48) | 168.61±5.20 | 24.66±2.05 | 76.64±8.07 | 15.51±2.64 |
| B组 | 47.13±8.03 | 11 (47.83) | 12 (52.17) | 166.46±6.30 | 24.92±2.16 | 72.29±7.12 | 16.29±1.56 |
| 统计量 | 0.578 | 0.348 | 0.832 | 0.451 | 2.377 | 0.97 | |
| P值 | 0.581 | 0.84 | 0.44 | 0.629 | 0.101 | 0.385 | |
1.2.1 扫描和重建方法: 所有患者均采用64排螺旋CT(美国GE公司, 型号Optima CT660)进行扫描, 扫描范围自膈顶至肝脏下缘, 扫描层厚1 mm, 螺距0.6. 对照组球管电压120 kV, 电流150 mAs; A组和B组采用自动曝光模式, A组球管电压120 kV, 电流120 mAs, B组球管电压120 kV, 电流100 mAs. 在进行平扫后, 经患者肘正中静脉快速注入1.4 mL/kg的碘比醇注射液(美国加柏, 国药准字H20040542, 30 g: 100 mL, 批号: 2016031526), 分别于注入后30、60和120 s进行动脉期、门静脉期和延迟期扫描. 扫描图像传输至GE工作站, 对照组和A组采用常规滤波反投影技术(filtered back projection, FBP)对数据进行重建; B组采用IR模式进行重建, 迭代次数分别为3次. 患者CT检查期间的辐射剂量测定采用热释光计量仪进行测量.
1.2.2 评价指标: 比较3组患者CT图像中不同部位的CT值、主观评价、客观评价和患者接受的辐射剂量. 患者辐射剂量的测定: 在进行CT检查前于患者胸前佩戴热释光计量仪, 检查结束后对计量仪进行度数, 结果等效为患者所接受的全身剂量.
在CT扫描的门静脉期测量门静脉、肝实质和椎旁肌的平均CT值(Hu值): 门静脉CT值由门静脉汇合水平的选择一个感兴趣部位(region of interest, ROI)进行测量; 肝脏CT值分别对左肝叶内侧段、外侧段、右肝叶前段和后段4个ROI进行测量并取平均值; 椎旁肌的CT由门静脉汇合水平的左右两侧2个ROI的平均值得出.
图像质量的主观评价由2名放射科主治医师进行评价, 且对图像的CT参数和重建方法不知情; 主观CT图像评价包括图像噪声, 小解剖结构的可视性, 像素化表现和整体诊断信心. 用5分法(1: 不可接受的图像噪声; 2: 高于平均噪声; 3: 平均图像噪声; 4: 小于平均噪声; 5: 最小图像噪声)来评估主观图像噪声; 小的解剖结构(如肝内小脉管系统)的可视性使用5分法(1: 不可接受的可视化; 2: 次优可见度; 3: 可接受的可见度; 4: 高于平均可见度; 5: 优秀可视化)进行分级. 使用3分法(1: 不存在; 2: 存在但不影响解释; 3: 存在并影响图像解释)对像素图像表现进行分级, 并使用5分法评估整体诊断置信度(1: 不可接受的诊断图像质量; 2: 次诊断信心; 3: 平均信心; 4: 优于平均值; 5: 完全自信)[5].
客观评价: 计算平均图像噪声(mean image noise, MD)、信噪比(signal to noise ratio, SNR)及对比噪声比(contrast to noise ratio, CNR). SNR肝实质 = 肝实质ROI平均CT值/MD; SNR门静脉 = 门静脉ROI的CT值/MD; CNR = (肝实质ROI平均CT值-椎旁肌ROI的CT值)/MD[6].
统计学处理 采用SPSS22.0进行数据处理, 计量资料首先进行正态性检验, 服从正态分布的计量资料以mean±SD的形式表示, 组间比较采用方差分析, 两组间比较采用t检验. 计数资料采用n(%)的形式表示, χ2检验比较组间差异. 所有检验均为双侧假设检验, 检验水准α = 0.05. 当P<0.05时认为差异具有统计学意义.
3组患者CT图像中肝实质、门静脉和椎旁肌等部位的CT值间不存在明显的统计学差异(P>0.05, 表2).
| 分组 | 肝脏实质 | 门静脉 | 椎旁肌 |
| 对照组 | 111.3±19.7 | 216.0±40.8 | 61.1±11.8 |
| A组 | 115.4±20.7 | 234.1±44.2 | 64.5±11.6 |
| B组 | 115.1±20.8 | 232.3±44.4 | 64.4±11.8 |
| F值 | 0.289 | 1.252 | 0.932 |
| P值 | 0.750 | 0.293 | 0.399 |
A组和B组患者CT图像的图像噪声、小解剖结构的可视性、像素化表现和整体诊断信心等主观质量评价指标均明显高于对照组(P<0.05), 其中, B组的评分明显高于A组(P<0.05, 表3).
A组和B组患者CT图像噪声强度明显低于对照组, SNR和CNR明显高于对照组, 其中B组较A组更为显著(P<0.05, 表4).
A组和B组患者的辐射剂量分别为8.57 mSv±0.86 mSv和6.92 mSv±0.51 mSv, 明显低于对照组患者的11.32 mSv±1.01 mSv(P<0.05, 图1).
作为一种具有放射性的检查方式, CT具有一定的电离辐射剂量, 尽管常规CT检查的辐射剂量远低于造成急慢性放射损伤的阈值, 但基于线性非阈值的理念, 即使小剂量的电离辐射也可能有致癌风险[7]. 因此, 尽可能低的辐射剂量(即在尽可能低的辐射剂量下, 保证足够诊断的图像质量和诊断准确性) 原则得到普遍认可[8]. CT重建的扫描时间长, 接受辐射的剂量较大; 通过利用自动选择电压和电流的自动曝光技术与利用新的算法降低重建图像所需的最低剂量[9], 是目前研究的热点.
本研究通过对比采用常规扫描模式、自动曝光模式和自动曝光联合IR三种扫描方式下患者的CT图像质量, 结果显示, 3组患者CT扫描图像中肝实质、门静脉和椎旁肌等部位的CT值间不存在明显的统计学差异; 而A组和B组患者CT图像的图像噪声、小解剖结构的可视性、像素化表现和整体诊断信心等主观质量评价指标均明显高于对照组(P<0.05), 其中, 联合应用自动曝光和IR的B组明显高于A组(P<0.05). 图像噪声强度、SNR和CNR是评价CT图像质量的常用客观指标, 通过对比目标组织、周围参考组织和噪声点的CT值以及相对至, 可以排除主观评价中的人为因素, 信度和效度较高[10]. 本研究显示, A组和B组患者CT图像噪声强度明显低于对照组, SNR和CNR明显高于对照组, 其中B组较A组更为显著(P<0.05). 在保证图像质量的前提下, 患者CT检查所受辐射剂量也得到了明显的降低: A组和B组患者的辐射剂量分别为8.57 mSv±0.86 mSv和6.92 mSv±0.51 mSv, 明显低于对照组患者的11.32 mSv±1.01 mSv(P<0.05).
自动曝光控制(automatic exposure control, AEC)也被称自动管电流调制技术软件, 在扫描定位像的基础上, AEC依据扫描部位的尺寸及其衰减特性, 在不同轴线上自动调节管电流, 对不同患者不同部位做好最佳剂量分布[11,12]. 与传统的CT扫描FBP算法不同, IR技术通过一种基于矩阵代数模型选择性地识别组织信号并去除反射、折射和韧致辐射产生的图像噪声[13], 使在低辐射剂量的条件下保证了更好的空间分辨力[14]. 这一类型的算法可以根据每条X射线的投影进行前向投影和反投影, 并根据前向投影和反投影间的差值(即迭代)进一步优化该方向投影的估计值[14,15]; 经过多次迭代(一般为1-5次)后, 可以更真实地反应初始X射线与目标的三维关系, 利于去除伪影和杂波[16]; 而多次迭代后还可以降低单次迭代分布不均的弊端, 进一步提高对图像噪声的识别能力[17,18]. 得益于AEC联合IR良好的图像质量和冲减速度, CT检查中的电压和电流设置明显降低, 辐射剂量随之大幅降少45%-60%以上[19,20].
总之, 在肝脏CT检查中应用自动曝光技术结合迭代法重建技术能够明显提高图像质量, 有效降低患者的辐射剂量.
随着计算机断层扫描(computed tomography, CT)在辅助检查中使用率的日益提高, CT所造成的电离辐射量显著增高, 其中, CT检查造成的辐射剂量约占公众诊断性检查所受辐射剂量的67%以上, 而CT增强扫描和重建所产生的剂量普遍超过10 mSv. 肝癌以及其他肝脏疾病患者常需要动态复查CT, 所接受的剂辐射量明显高于一般患者, 急需新的CT检查和呈现技术, 降低患者的辐射剂量值.
目前, 通过技术手段降低患者的辐射剂量的方式有两种: 一是应用自动调节球管电压和电流的技术来减少直接辐射剂量(即自动曝光技术), 该技术可以通过自动优化球管射线强度来降低操作因素造成的额外辐射剂量; 二是应用新的数学模型选择性地识别组织信号并去除反射、折射和韧致辐射产生的图像噪声, 保证在低辐射剂量的条件下获得更好的空间分辨力.
目前自动曝光技术已在大多数新型CT设备中推广应用, 不仅减轻了操作人员的工作量, 提高了检查效率, 也明显降低了患者的辐射剂量; 迭代重建(iterative reconstruction, IR)技术则可以通过迭代计算优化图像质量, 且经过多次迭代后, 能够有效去除伪影和杂波造成的图像噪声, 使得在低剂量下的图像质量得到保证.
曝光技术和IR技术, 并对比了不同迭代次数下图像质量和所需辐射剂量的差异, 国内外相关研究较少, 具有较高的创新性.
针对需要多次复查CT的患者, 综合利用自动曝光技术和IR技术能够在保证患者图像质量的前提下有效降低患者所受辐射剂量. 对于不同检查需求的患者可以在应用自动曝光技术的基础上, 选择不同的迭代次数, 进一步优化图像.
自动曝光技术: 也称自动管电流调制技术软件, 是在扫描定位像的基础上, 依据扫描部位的尺寸及其衰减特性, 在不同轴线上自动调节管电流, 对不同患者不同部位做好最佳剂量分布的技术. IR技术: 基于矩阵代数模型(IR算法)选择性地识别组织信号并去除反射、折射和韧致辐射产生的图像噪声, 在投影数据域及图像数据域进行迭代运算, 并采用统计学模型以及CT系统模型进行对比校正, 最终得到低噪声高分辨的CT图像.
本文通过两种CT技术的联合应用有效提高了重建图像质量并有效降低患者所受辐射剂量具有较高的可操作性和实用性, 为腹部CT检查, 特别是动态复查提供了一条新的思路.
林香春, 副教授, 主任医师, 北京大学国际医院消化内科; 彭松林, 副教授, 主任医师, 中国医科大学附属盛京医院肝胆外科; 吴灵飞, 教授, 汕头大学医学院第二附属医院消化内科
手稿来源: 自由投稿
学科分类: 胃肠病学和肝病学
手稿来源地: 浙江省
同行评议报告分类
A级 (优秀): 0
B级 (非常好): 0
C级 (良好): C, C
D级 (一般): D
E级 (差): 0
编辑:马亚娟 电编:杜冉冉
| 1. | Chen J, Einstein AJ, Fazel R, Krumholz HM, Wang Y, Ross JS, Ting HH, Shah ND, Nasir K, Nallamothu BK. Cumulative exposure to ionizing radiation from diagnostic and therapeutic cardiac imaging procedures: a population-based analysis. J Am Coll Cardiol. 2010;56:702-711. [PubMed] [DOI] |
| 2. | Smith-Bindman R, Miglioretti DL, Johnson E, Lee C, Feigelson HS, Flynn M, Greenlee RT, Kruger RL, Hornbrook MC, Roblin D. Use of diagnostic imaging studies and associated radiation exposure for patients enrolled in large integrated health care systems, 1996-2010. JAMA. 2012;307:2400-2409. [PubMed] [DOI] |
| 3. | Mathews JD, Forsythe AV, Brady Z, Butler MW, Goergen SK, Byrnes GB, Giles GG, Wallace AB, Anderson PR, Guiver TA. Cancer risk in 680,000 people exposed to computed tomography scans in childhood or adolescence: data linkage study of 11 million Australians. BMJ. 2013;346:f2360. [PubMed] |
| 4. | Zhang X, Li S, Liu W, Huang N, Li J, Cheng L, Xu K. Double-low protocol for hepatic dynamic CT scan: Effect of low tube voltage and low-dose iodine contrast agent on image quality. Medicine (Baltimore). 2016;95:e4004. [PubMed] [DOI] |
| 5. | Marin D, Nelson RC, Schindera ST, Richard S, Youngblood RS, Yoshizumi TT, Samei E. Low-tube-voltage, high-tube-current multidetector abdominal CT: improved image quality and decreased radiation dose with adaptive statistical iterative reconstruction algorithm--initial clinical experience. Radiology. 2010;254:145-153. [PubMed] [DOI] |
| 6. | Hashimoto J, Abe S, Ishimori Y, Monma M, Tsumuraya A, Miyauchi K. Proposal of a New Index Based on Signal-to-Noise Ratio for Low-contrast Detectability in Computed Tomographic Imaging. Nihon Hoshasen Gijutsu Gakkai Zasshi. 2017;73:537-547. [PubMed] [DOI] |
| 7. | Greffier J, Macri F, Larbi A, Fernandez A, Khasanova E, Pereira F, Mekkaoui C, Beregi JP. Dose reduction with iterative reconstruction: Optimization of CT protocols in clinical practice. Diagn Interv Imaging. 2015;96:477-486. [PubMed] [DOI] |
| 8. | Raman SP, Johnson PT, Deshmukh S, Mahesh M, Grant KL, Fishman EK. CT dose reduction applications: available tools on the latest generation of CT scanners. J Am Coll Radiol. 2013;10:37-41. [PubMed] [DOI] |
| 9. | 化 晓宇, 苏 冠琴. 迭代重建技术在肺部CT的临床应用. 中华临床医师杂志(电子版). 2014;8:3686-3689. [DOI] |
| 10. | Song JS, Choi EJ, Kim EY, Kwak HS, Han YM. Attenuation-based automatic kilovoltage selection and sinogram-affirmed iterative reconstruction: effects on radiation exposure and image quality of portal-phase liver CT. Korean J Radiol. 2015;16:69-79. [PubMed] [DOI] |
| 11. | Wallace AN, Vyhmeister R, Bagade S, Chatterjee A, Hicks B, Ramirez-Giraldo JC, McKinstry RC. Evaluation of the use of automatic exposure control and automatic tube potential selection in low-dose cerebrospinal fluid shunt head CT. Neuroradiology. 2015;57:639-644. [PubMed] [DOI] |
| 12. | Kim SC, Lee HK, Lee YS, Cho JH. Evaluation of automatic exposure control system chamber for the dose optimization when examining pelvic in digital radiography. J Xray Sci Technol. 2015;23:321-330. [PubMed] [DOI] |
| 13. | Ott JG, Becce F, Monnin P, Schmidt S, Bochud FO, Verdun FR. Update on the non-prewhitening model observer in computed tomography for the assessment of the adaptive statistical and model-based iterative reconstruction algorithms. Phys Med Biol. 2014;59:4047-4064. [PubMed] [DOI] |
| 15. | Greffier J, Pereira F, Macri F, Beregi JP, Larbi A. CT dose reduction using Automatic Exposure Control and iterative reconstruction: A chest paediatric phantoms study. Phys Med. 2016;32:582-589. [PubMed] [DOI] |
| 16. | Greffier J, Fernandez A, Macri F, Freitag C, Metge L, Beregi JP. Which dose for what image? Iterative reconstruction for CT scan. Diagn Interv Imaging. 2013;94:1117-1121. [PubMed] [DOI] |
| 17. | Yu MH, Lee JM, Yoon JH, Baek JH, Han JK, Choi BI, Flohr TG. Low tube voltage intermediate tube current liver MDCT: sinogram-affirmed iterative reconstruction algorithm for detection of hypervascular hepatocellular carcinoma. AJR Am J Roentgenol. 2013;201:23-32. [PubMed] [DOI] |
| 18. | Ning P, Zhu S, Shi D, Guo Y, Sun M. X-ray dose reduction in abdominal computed tomography using advanced iterative reconstruction algorithms. PLoS One. 2014;9:e92568. [PubMed] [DOI] |
| 19. | Takahashi EA, Kohli MD, Teague SD. A Practice Quality Improvement Project: Reducing Dose of Routine Chest CT Imaging in a Busy Clinical Practice. J Digit Imaging. 2016;29:622-626. [PubMed] [DOI] |