Optimization of Dual-energy Spectral Lower-extremity Computed Tomography Venography Scanning Protocol: Phantom Study
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摘要:
目的：基于模体研究优化能谱下肢CT静脉成像（CTV）方案。方法：在能量CT质控模体的内部孔洞中放置测试插件以模拟临床场景。使用4 mgI/mL碘棒模拟下肢静脉增强；将大小不同的鸭血块放入4 mgI/mL的碘溶液试管中，模拟下肢静脉内的大小血栓。采用Revolution CT对置入碘棒和试管的模体进行CT常规成像（A组）和能谱成像（B组）。A组成像参数：管电压120 kVp，管电流自动调节技术（100~600 mA），噪声指数（NI）为10，采用后置40%的多模型自适应统计迭代重建算法（ASIR-V）进行图像重建；B组成像参数：能谱成像（GSI）模式，管电压80/140 kVp瞬切，管电流采用GSI Assist技术，并根据NI=10、11、12设置3个扫描组。在每个扫描组中重建40~70 keV间隔10 keV的单能量图像，每个单能量图像分别结合后置40%、60%、80% ASIR-V进行图像重建，共得到36组图像。A组和B组其他成像参数均一致。扫描完成后记录A组和B组有效辐射剂量（ED），计算两组碘棒对比噪声比（CNR），评估两组主观图像质量以及识别血栓的真阳性率和假阳性率。结果：B组NI设置为11和12的ED分别比A组低21.5%和32.2%。B组NI为10和11的扫描组中，除了70 keV结合40% ASIR-V和60 keV结合40% ASIR-V的图像外，其余图像的碘棒CNR均高于A组。B组碘棒边缘锐利度得分最高的组别是NI为10的扫描组中，50 keV结合40%、60% ASIR-V的图像，以及NI为11的扫描组中，50 keV结合60% ASIR-V的图像，这3组图像得分均为5（4，5）且优于A组得分3（3，4）。A组图像识别大血栓的真阳性率和假阳性率分别为65.0%和30.0%；识别小血栓的真阳性率和假阳性率分别为55.0%和50.0%。B组NI为10和11的扫描组中，50 keV结合60% ASIR-V图像识别血栓的效能最佳并优于A组，其中识别大血栓的真阳性率和假阳性率分别为90.0%和5.0%，识别小血栓的真阳性率和假阳性率分别为80.0%和5.0%。结论：将NI设置为11，并重建50 keV结合60% ASIR-V的单能量图像是能谱下肢CTV的最佳成像方案，可在模体研究中实现图像质量与辐射剂量之间的平衡。
Abstract:Objective: To optimize a scanning protocol for dual-energy spectral lower-extremity computed tomography venography (CTV) based on a phantom study. Methods: Test plugs were placed in the cavities of an energy CT quality-control phantom to simulate clinical scenarios. A 4 mgI/mL iodine rod was used to mimic venous enhancement in the lower extremities, and duck blood clots of various sizes were placed in test tubes containing 4 mgI/mL of iodine solution to simulate thrombi of different sizes in the lower-extremity veins. Revolution CT was used to perform standard CT imaging (Group A) and spectral imaging (Group B) on phantoms containing iodine rods and test tubes. The imaging parameters for Group A were as follows: tube voltage of 120 kVp, auto tube-current technology (100~600 mA), noise index (NI) of 10, and image reconstruction using 40% posterior multimodel adaptive statistical iterative reconstruction (ASIR-V). The imaging parameters for Group B were spectral imaging (GSI) mode, instantaneous dual tube voltage of 80/140 kVp, tube current with GSI Assist technology, and three scan groups based on NI values of 10, 11, and 12. For each scan group, monoenergetic images at 40~70 keV with 10 keV intervals were reconstructed, each combined with 40%, 60%, and 80% posterior ASIR-V, which resulted in 36 image sets. Other imaging parameters for Groups A and B were consistent. The effective radiation doses (ED) for Groups A and B were recorded after scanning, and the contrast-to-noise ratio (CNR) of the iodine rods was calculated. Subjective image quality and true- and false-positive rates for thrombus identification were assessed. Results: The EDs for Group B, with NI values of 11 and 12, were 21.5% and 32.2% lower than those for Group A, respectively. In Group B, for the scan groups with NI values of 10 and 11, except for the images at 70 keV combined with 40% ASIR-V and at 60 keV combined with 40% ASIR-V, the CNR of the iodine rods was higher than that in Group A. The highest edge-sharpness scores for the iodine rods in Group B were observed in the scan group with an NI value of 10 for images at 50 keV combined with 40% and 60% ASIR-V, and in the scan group with an NI value of 11 for images at 50 keV combined with 60% ASIR-V. These three image sets scored 5 (4, 5) compared with Group A’s score of 3 (3, 4). The true- and false-positive rates for large-thrombus identification in Group A were 65.0% and 30.0%, respectively, whereas those for small-thrombus identification were 55.0% and 50.0%, respectively. In Group B, the best thrombus-identification efficacy was observed in the scan groups, with NI values of 10 and 11 for images at 50 keV combined with 60% ASIR-V. The true- and false-positive rates for large-thrombus identification were 90.0% and 5.0%, respectively, whereas those for small-thrombus identification were 80.0% and 5.0%, respectively. Conclusions: Setting the NI to 11 and reconstructing monoenergetic images at 50 keV combined with 60% ASIR-V is the optimal imaging strategy for dual-energy spectral lower-extremity CTV, which balances between image quality and radiation dose in the current phantom study.
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Keywords:
- tomography /
- X-ray computed /
- dual energy computed tomography /
- venous thrombosis /
- image quality
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CT是目前临床上诊治疾病最常用的影像学手段之一，但由于X线的辐射特性，剂量问题一直受到公众的担忧。CT检查以每年10％ 以上的速度增长，而辐射剂量也由上世纪80年代的0.54 mSv增加到了3 mSv以上[1-2]。CT检查虽只占整个放射检查的很小比例，但造成的辐射却占到了所有放射检查的一半左右[1]。以胸部检查举例，CT造成的辐射剂量是平片的100倍以上[3]。调查显示，每年大约有1.2％～2％ 的新发肿瘤由CT扫描引起[4-6]。
如何在保持图像质量的同时降低辐射剂量，是目前CT临床研究的主要改进方向和研究热点[7-8]。管电压除与剂量明显相关以外，还是图像质量的重要影响因素，但目前针对不同CT机器的管电压对比的相关研究较少。研究表明，由于厂商调校的差异，不同机型对CT值等定量参数的准确性方面存在一定的差异[9-12]，对于拥有多机型的医院来说统一的诊断标准非常重要。因此，本研究旨在通过体模研究对比两种机型两组管电压下的图像质量。
1. 材料与方法
1.1 材料
选用Catphan 500图像质量控制模体的CTP 528模块和CTP 515模块进行图像质量评价。其中CTP 528模块为高对比度检测组件，直径15 cm，厚度4 cm，有21组高密度线对结构呈放射状分布，分辨率为1～21 lp/cm；CTP 515的直径15 cm，厚4 cm，内外两组低密度孔经结构呈放射状分布，内层孔阵浓度分别为0.3％、0.5％ 和1.0％，内层孔径直径分别对应为3、5、7和9 mm；外层孔阵浓度分别为0.3％、0.5％ 和1.0％，外层孔径直径分别对应为2、3、4、5、6、7、8、9和15 mm。
1.2 扫描方法
采用西门子SOMATOM Force CT和飞利浦IQon Spectral CT分别扫描CTP 528和CTP 515两个组件。每台机器分别采取120 kVp和140 kVp两种单能电压扫描方案共产生4组图像，分别为A组Force120kVp、B组Force140kVp、C组IQon120kVp和D组IQon140kVp图像。4组图像扫描剂量均为20 mGy，重建层厚均为5 mm。
具体扫描参数。A组管电流299 mAs，B组图像205 mAs，其余参数两组一致：螺距1.0，旋转时间1 s，准直宽度192×0.6 mm，迭代重建算法ADMIRE（level 2，0～5），标准滤波函数Br40。C组管电流221 mAs，D组管电流154 mAs，其余参数两组一致：螺距1.014，旋转时间0.75 s，准直宽度64×0.625 mm，迭代重建算法iDose4（level 3，0～6），标准滤波函数Standard（B）。
1.3 图像质量评价
1.3.1 高对比度分辨率和低对比度分辨率评价
由两名放射科医师分别记录CTP 528高对比度分辨率组件的最佳的线对（1～2 lp/cm，图1（a））以及CTP 515低对比度分辨率组件的1％ 浓度下的最小孔径（直径2～15 mm，要求分辨80％ 以上有效面积，图1（b）），比较两名医师的主观评价结果，如有分歧则由另一名高年资医生做最终评判。两个指标均在组件中心及上下共3个层面进行测量以记录各组图像最优结果。
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图 1 Force140 kVp图像的Catphan 500体模CTP 528高对比度分辨率和CTP 515低对比度分辨率测量Figure 1. Measurement of CTP 528 high contrast resolution and CTP 515 low contrast resolution of Catphan 500 phantom of Force 140 kVp image1.3.2 图像噪声、信噪比和对比噪声比评价
将Froce和IQon的图像分别传至西门子Syngo Via（版本VB10）和飞利浦Intellispace Portal（版本10.1）后处理工作站上，由以上两名放射科医师对CTP 515模块图像进行测量。采用两个面积均为100 mm2的圆形感兴趣区域（ROI）分别测量1％ 浓度组的15 mm孔径和邻近固态水背景的CT值（CTm和CTw，单位HU）。将15 mm孔径ROI标准差（SD，单位HU）定义为噪声，随后计算各组图像的信噪比（signal noise ratio，SNR=CTm/SD）和对比噪声比[contrast noise ratio，CNR= （CTm - CTw）/SD]。
所有主观及客观评价指标均在各组件中心的连续3个层面上进行测量；取两名医师测量的SD、CTm和CTw的均值计算各组图像的SNR和CNR。
1.4 统计学分析
运用SPSS 22.0版本软件进行数据分析，连续性指标采用平均值±标准差表示。4组图像的噪声值、SNR及CNR的比较采用单因素方差分析。两名医生对高/低对比度分辨率的主观一致性评价采用Cohen's Kappa检验，对图像噪声、CTm和CTw的客观一致性评价采用Spearman相关性分析。两台机器内部的噪声参数的比较采用独立样本t检验；以P<0.05认为差异具有统计学意义。
2. 结果
2.1 四组图像高对比度分辨率及低对比度分辨率比较
Force120kVp组和IQon120kVp组图像具有最好的高对比度分辨率，线对均为6 lp/cm，其余两组的线对均为5 lp/cm。4组图像低对比度分辨率相同，孔径均为5 mm。
2.2 四组图像噪声、CNR和SNR比较
各组图像的噪声值和SNR间差异均具有统计学意义，其中IQon120kVp组图像噪声最大（3.400±0.050），SNR最低（17.040±0.410）；Force120kVp组图像噪声最小（2.500±0.000），SNR最高（30.806±1.398）。Force组图像SNR均高于IQon组。IQon140kVp组图像的CNR最高（3.325±0.300），但CNR在各组图像间差异无统计学意义。
组内比较方面，Force两组图像噪声差异具有统计学意义，但SNR和CNR差异均无统计学意义；IQon两组图像之间噪声、SNR及CNR之间差异均无统计学意义（具体结果见表1）。
表 1 四组图像噪声参数组间对比Table 1. Comparison of image noise parameters among the four groups噪声参数 Force120kVp Force140kVp IQon120kVp IQon140kVp $F $ $P $ SD 2.500±0.000 2.833±0.289 3.400±0.050 2.783±0.351 8.153 0.008 SNR 30.806±1.398 29.472±4.427 17.040±0.410 23.844±2.823 15.905 0.001 CNR 2.778±0.241 2.556±0.419 2.604±0.208 3.325±0.300 4.065 0.050 2.3 四组图像一致性评价
两名医师对各组图像的主观指标的一致性评价良好，均为0.750，差异具有统计学意义；同样，两人对各组图像的客观噪声参数一致性较好（0.630～0.857），差异均具有统计学意义，具体结果见表2。
表 2 两名放射科医师的一致性分析结果Table 2. Reliability analysis between the two radiologists主客观指标 一致性指数 P 主客观指标 一致性指数 P 高对比度分辨率1 0.750 0.007 CTm2 0.857 0.000 低对比度分辨率1 0.750 0.007 CTw2 0.768 0.004 噪声2 0.630 0.028 注：1-使用Cohen's Kappa检验；2-使用Spearman相关性分析。 3. 讨论
在CT临床应用日益普及和快速增长的情况下，如何在达到诊断标准要求的图像质量的基础上进一步降低辐射剂量是目前努力的主要方向。辐射剂量可能受扫描次数、管电压、管电流、旋转时间、螺距及患者体型等多因素的影响。降低辐射剂量的常用手段包括管电流调节、自动管电压选择及图像重建优化算法等，但这些技术目前主要应用在头、胸部CT扫描方面，其他部位的研究很多还处在探索阶段[13]。不同研究表明，管电压在同等扫描条件下相比其他扫描参数对图像质量和剂量的影响更为显著[14-16]。
对于拥有多CT机型的医疗机构来说，由于辐射和伦理的问题，很难对同一个患者进行重复扫描，这样，由CT机器或患者本身导致的图像差异便无法验证。体模研究在这种情况下就显得尤为重要。在相同的剂量条件下，不同物质在不同管电压下的衰减系数存在区别；低电压（如80 kVp）其X线光子能量接近43.7 keV，接近碘原子的k-edge临界值（33 keV），因此图像的对比度会升高[17]。
本研究采用固定剂量，每台机器两组管电压的扫描方案，结果显示两台机器120 kVp图像的高对比度分辨率均略好于140 kVp的图像，但4组图像的低对比度分辨率相同，说明120 kVp的图像相较于140 kVp空间分辨率更高，能显示更多细节，但是软组织分辨率相近。客观指标图像噪声参数部分，两台机器之间的差异较为明显，尤其对于西门子Force来说，120 kVp图像的3个噪声参数均好于140 kVp图像。而飞利浦IQon的140 kVp图像略均好于120 kVp图像，这可能是由于IQon光谱CT在以上两种管电压下可以同时实行单能和双能扫描，双层探测器结构加上与之相对应的物质分离算法使得高能量图像具有更广的物质分离光谱，图像质量有一定提升，这与Wellenberg等[18]的发现相类似。值得注意的是，虽然本研究中两者噪声有区别，但差异无统计学意义。
由于厂商对机器校准和算法的区别，要求采用同一套扫描标准以达到相同的图像质量仍较为困难。因此，因地制宜地针对不同CT机器调整适用于影像诊断要求图像质量的扫描参数显得尤为重要。
本研究不足，①两台机型的 CT扫描参数较单一，并未使用低电压低剂量扫描作对比，加上是体模研究，其临床适用性还需进一步验证；②迭代重建算法可能是本研究一个潜在影响因素，特别是本研究中Force使用了全模迭代算法ADMIRE，而IQon使用的是部分迭代算法iDose4；③不同厂商迭代重建算法对图像质量的影响还需要进一步研究。
4. 结论
综上所述，相同条件下，不同厂商不同机型之间图像质量存在差异；两台机器120 kVp图像的高对比度分辨率好于140 kVp图像；Force120kVp的图像噪声值低于其140 kV图像，而IQon两组图像的噪声参数无显著区别。
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图 1 模体中碘棒与模拟血栓试管的放置示意图
注：（a）碘棒在模体中的放置示意图，“1”为碘棒具体放置位置，其余插件均为与模体材质相同的填充棒；（b）模拟大血栓的试管在模体中的放置示意图，“2”为含有大血块试管的具体放置位置，其余插件均为不含血块的试管；（c）模拟小血栓的试管在模体中的放置示意图，“3”为含有小血块试管的具体放置位置，其余插件均为不含血块的试管。
Figure 1. Schematic diagram of placement of iodine rods and simulated thrombus test tubes in the phantom
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图 2 大小血块以及含有血块的试管
注：（a）4枚最大横径大于5 mm的血块（模拟大血栓）；（b）4枚最大横径小于5 mm的血块（模拟小血栓）；（c）含有大、小血块的试管，试管内部充填了浓度为4 mgI/mL的碘溶液；（d）试管通过填充棒被置入模体孔洞内。图下标尺最小刻度为1 mm。
Figure 2. Large and small blood clots and test tubes containing blood clots
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图 3 碘棒在常规120 kVp图像（A组）和能谱成像（B组）中CT值和SD值的变化趋势图
注：单元格内的数值表示能谱成像中碘棒平均SD值。颜色标尺中蓝色刻度线表示常规120 kVp图像中碘棒平均SD值。NI为噪声指数；AR为ASIR-V，多模型自适应统计迭代重建算法。
Figure 3. Trend charts showing CT and SD values of iodine rods in conventional 120 kVp images (Group A) and dual-energy spectral imaging (Group B)
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图 4 碘棒在常规120 kVp图像（A组）和能谱成像（B组）中SNR和CNR的变化趋势图
注：单元格颜色越接近深绿色，表示SNR和CNR就越大。单元格内的数值表示碘棒SNR和CNR的平均值。颜色标尺中蓝色刻度线表示常规120 kVp图像中碘棒SNR和CNR的平均值。NI为噪声指数；AR为ASIR-V，多模型自适应统计迭代重建算法。
Figure 4. Trend charts of SNR and CNR of iodine rods in conventional 120 kVp images (Group A) and dual-energy spectral imaging (Group B)
表 1 模体图像质量评分标准
Table 1 Phantom image-quality scoring criteria
评分 碘棒强化程度 碘棒边缘锐利度 5 好，对比度极好 锐利，界限非常明确 4 较好，对比度良好 清晰，界限明显 3 适中，对比度可接受 能分辨，清晰度一般 2 较低，对比度较差 欠清晰，界限不明确 1 差，对比度极差 不清晰，无法确定边界 
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表 2 不同扫描方式下血栓的识别效能比较
Table 2 Comparison of thrombus-detection performance demonstrated by different scanning methods
类别 NI=10 NI=11 NI=12 40%AR 60%AR 80%AR 40%AR 60%AR 80%AR 40%AR 60%AR 80%AR 大血栓 40 keV 80.0/10.0 85.0/10.0 80.0/10.0 80.0/10.0 80.0/10.0 80.0/10.0 80.0/15.0 80.0/15.0 80.0/15.0 50 keV 90.0/10.0 90.0/5.0 90.0/10.0 90.0/10.0 90.0/5.0 90.0/10.0 85.0/10.0 85.0/10.0 85.0/10.0 60 keV 80.0/15.0 80.0/15.0 75.0/15.0 80.0/15.0 80.0/15.0 75.0/15.0 75.0/25.0 80.0/15.0 75.0/25.0 70 keV 70.0/25.0 75.0/25.0 70.0/25.0 70.0/25.0 70.0/25.0 70.0/25.0 65.0/30.0 65.0/30.0 65.0/30.0 小血栓 40 keV 70.0/10 80.0/10.0 70.0/10.0 70.0/10.0 70.0/10.0 70.0/10.0 70.0/15.0 70.0/15.0 70.0/15.0 50 keV 80.0/15.0 80.0/5.0 75.0/5.0 75.0/5.0 80.0/5.0 75.0/5.0 80.0/15.0 80.0/15.0 80.0/15.0 60 keV 60.0/20.0 60.0/20.0 55.0/20.0 60.0/20.0 60.0/20.0 55.0/20.0 55.0/30.0 60.0/20.0 55.0/30.0 70 keV 55.0/45.0 50.0/40.0 55.0/45.0 55.0/45.0 55.0/45.0 55.0/45.0 50.0/45.0 50.0/45.0 50.0/45.0 注：“/”前表示真阳性率，“/”后表示假阳性率，单位均为%。AR为ASIR-V多模型自适应统计迭代重建算法。
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