陆亚光 庄静文 吴天棋 白 玫*

CT高级建模迭代重建算法对图像质量的影响初步研究*

陆亚光①庄静文①吴天棋①白 玫①*

目的：研究西门子多排螺旋CT的高级建模迭代重建(ADMIRE)算法对重建图像质量的影响。方法：在同一扫描条件下，使用西门子SOMATOM Force CT对Catphan500体模的CTP515和CTP528模块进行螺旋扫描，未用或使用不同强度的ADMIRE算法对图像进行重建，对不同重建条件下的图像进行主观和客观评价。结果：当图像低对比度为0.3%、0.5%和1.0%时，未用ADMIRE对图像进行重建，其噪声分别为4.90、4.50和5.23；使用ADMIRE2和ADMIRE5重建图像时其噪声分别减少18.35%和53.23%、18.82%和52.32%以及20.33%和53.79%。用ADMIRE0、ADMIRE2和ADMIRE5分别对CTP528模块图像进行重建，对其图像进行主观观察，可观察到的最小细节相同，均为7.0 LP/cm。结论：使用ADMIRE对图像进行重建可以在不影响图像清晰度的同时有效降低噪声，提高CT图像的低对比度分辨率，以帮助临床医师更好的观察组织密度相近的病灶，为临床医师诊断病情提供帮助。

多排螺旋CT；低对比度分辨率；高级建模迭代重建算法；主观评价；图像质量

目前，多排螺旋CT被广泛应用于临床诊断。据美国相关机构2006年的科学统计，美国每年CT检查次数6200万次左右，而1980年美国的CT检查次数仅为300万次左右，不到30年的时间，CT的使用频率增加了近20倍。CT检查可能使受照者受到相对高的辐射剂量，因而在充分利用CT造福于人类的同时，必须合理控制其辐射剂量[1]。

CT的图像质量与辐射剂量密切相关，因此需结合临床实际，在保证图像质量符合临床诊断要求的前提下，优化扫描及重建参数，降低受照者所受辐射剂量[2-3]。有研究已对CT辐射剂量与图像质量之间的关系进行了论证，优化扫描参数(如降低管电压、管电流以及增大螺距等)可降低辐射剂量，然而过多地降低辐射剂量会导致CT图像质量下降，从而影响临床诊断[4]。本研究通过实验使用西门子SOMATOM Force CT扫描Catphan500体模的CTP515模块和CTP528模块，未用或使用不同强度的高级建模迭代重建(advanced modeled iterative reconstruction，ADMIRE)[5]算法对图像进行重建，对图像的低对比度分辨率和高对比度分辨率进行主观和客观评价，以评估ADMIRE算法对螺旋CT低对比度分辨率和高对比度分辨率的影响。

1 材料与方法

1.1 材料

本研究采用Catphan500体模中的CTP515和CTP528两个检测模块。

(1)CTP515模块为低对比度检测模块[6]。CTP515模块直径为15 cm，厚4 cm，内外两组低密度孔经结构呈放射状分布。内层孔径对比度分别为0.3%、0.5%和1.0%，内层孔径直径分别为3 mm、5 mm、7 mm和9 mm；外层孔径对比度分别为0.3%、0.5%和1.0%，外层孔径直径分别为2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm、7 mm、8 mm、9 mm和15 mm(如图1所示)。

图1 CTP515模块实际图像

(2)CTP528模块为高对比度检测模块，直径为15 cm，厚度为4 cm，有21组高密度线对结构呈放射状分布，分辨率为1～21 Line Pair/cm(如图2所示)。

图2 CTP528模块实际图像

1.2 扫描方法

(1)对CTP515模块进行扫描。使用Force CT(德国 西门子SOMATOM)在螺旋扫描模式下对Catphan500体模的CTP515模块进行扫描，扫描条件为管电流160 mA，管电压120 kV，螺距1.0，标称准直宽度192 mm×0.6 mm。未使用ADMIRE算法则以ADMIRE0表示，使用ADMIRE算法的强度2和5，分别以ADMIRE2和ADMIRE5表示，并分别对图像进行重建，重建层厚5.0 mm，卷积核[7](Convolution kernel)为Br40 s。

(2)对CTP528模块进行扫描。使用Force CT在螺旋扫描模式下对Catphan 500体模的CTP528模块进行扫描，扫描条件为管电流160 mA，管电压120 kV，螺距1.0，标称准直宽度192 mm×0.6 mm。未使用及使用强度分别为2和5的ADMIRE算法分别对图像进行重建，重建层厚5.0 mm，卷积核(Convolution kernel)为Br40 s。

(3)数据处理方法。对使用不同重建方法重建的图像进行读取，观察图像的低对比度分辨率。为了观察不同对比度的孔径，选择适当的窗宽和窗位，画定不同感兴趣区(region of interest，ROI)并测量扫描图像背景信号的CT值、背景CT值和标准差。窗宽和窗位的计算如公式1和公式2：

式中SDmax为目标和背景CT值中的最大标准差。

调节窗宽和窗位到测量所得的窗宽和窗位值，观察CTP515模块的扫描图像，确定所能分辨的最小一级低信号目标。图像对比度噪声比计算为公式3：

对使用不同重建方法重建的图像进行读取，观察图像的高对比度分辨率。计算高对比度分辨率的MTF频率值[8]。Force CT扫描如图3所示。

2 结果

2.1 图像低对比度分辨率主观评价

针对对比度为1.0%孔径调节窗宽窗位后[9]ADMIRE0、ADMIRE2和ADMIRE5的重建图像，通过主观观察显示，ADMIRE0重建中对比度为1.0%的区域，可观察到的最小细节为外层孔径区直径为3 mm的孔径；ADMIRE2重建可观察到的最小细节为外层孔区直径为3 mm的孔径；ADMIRE5重建可观察到的最小细节为外层孔径区直径为3 mm的孔径，对比度1.0%孔径调节窗宽窗位后ADMIRE0、ADMIRE2和ADMIRE5的重建图像如图4所示。主观评价最小细节统计见表1。

图3 SOMATOM Force CT工作示图

图4 对比度1.0%孔径调节窗宽窗位后重建图像

表1 主观评价最小细节统计(mm)

2.2 图像低对比度分辨率客观评价

根据公式(3)计算得到图像噪声和对比度噪声比等相关参数的数值见表2。

表2 图像噪声和对比度噪声比

表1和表2的数据表明，当ADMIRE的强度增大时，其对比度噪声比的值增大。使用ADMIRE重建图像的对比度噪声比较未使用ADMIRE重建图像的对比度噪声比要大。当ADMIRE的强度增大时，其噪声值减小。使用ADMIRE重建图像的噪声比未使用ADMIRE重建图像的噪声要小。

2.3 图像高对比度分辨率主观评价

CTP528模块经ADMIRE0、ADMIRE2和ADMIRE5重建后的扫描图像通过主观观察显示，未用ADMIRE0可观察到的最小细节为7.0 LP/cm；ADMIRE2重建可观察到的最小细节为7.0 LP/cm；ADMIRE5可观察到的最小细节为7.0 Line Pair/cm(如图5所示)。

图5 CTP528模块重建后的扫描图像

2.4 图像高对比度分辨率客观评价

当ADMIRE强度增大时，调制传递函数(MTF)值略有增加，表明ADMIRE不会降低图像高对比度分辨率，见表3。

表3 评价图像高对比度分辨率的MTF值(lp/cm)

3 讨论

本研究结果显示，使用ADMIRE重建图像的低对比度分辨率比未用ADMIRE的低对比度分辨率水平要好，ADMIRE级别越大时重建图像的低对比度分辨率越好。使用ADMIRE对图像进行重建时，其强度越大，噪声减小越多。由此可知，ADMIRE重建算法在降低噪声方面有显著作用。噪声越小，其图像的低对比度分辨率越好，无论孔径对比度为1.0%、0.5%和0.3%时，ADMIRE算法均可提高其对比度分辨率水平。结合数据对图像高对比度分辨率进行主观评价，ADMIRE算法对图像高对比度无显著的影响。由MTF参数值可知，ADMIRE算法对MIF的数值影响不明显。ADMIRE算法在降低图像噪声的同时，并未对图像的高对比度分辨率产生很大的影响。

目前，有研究将ADMIRE算法和滤波反投影(FBP)[10]在提高主观图像质量与客观图像质量进行对比研究发现，分别使用ADMIRE5和FBP重建图像，ADMIRE5噪声最大可降低47%，使用ADMIRE5对图像进行重建时图像信息并未缺失，而ADMIRE在提高客观图像质量[11]和降低图像噪音方面都得到了证明[12]。本研究初步验证了ADMIRE在提高主观图像质量方面有显著作用。

4 结论

本研究结果表明，使用ADMIRE算法对CT图像进行重建，在有效提高图像的低对比度分辨率的同时，并未对图像的高对比度分辨率产生不利影响，这可以帮助临床医师更好的观察组织密度相近的病灶，为临床医师诊断病情提供帮助，且对临床医师的诊断大有裨益[13-14]。同时，ADMIRE算法在减小图像噪声方面，以及对图像对比度噪声比等相关参数也有明显的影响[15]。如何利用ADMIRE算法优化扫描和重建条件，以降低扫描辐射剂量还有待进一步研究，而ADMIRE在提高图像质量和降低CT辐射剂量方面具有很大的潜力[16]。

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Preliminary study on the effect of advanced modeled iterative reconstruction algorithm for image quality/LU Ya-guang, ZHUANG Jing-wen, WU Tian-qi, et al//China Medical Equipment,2017,14(7):68-71.

Objective: To research the effect of advanced modeled iterative reconstruction (ADMIRE) algorithm for images quality of multi-slice spiral CT scanner of SIEMENS. Methods: Under the same scanning condition, the CTP515 and CTP528 of Catphan500 were scanned by using spiral method of SOMATOM Force CT (SIEMENS). The images were reconstructed by two conditions (didn't use ADMIRE algorithm, or used different intensity of ADMIRE algorithm). And then, these images from different conditions were evaluated by subjective method and objective method, respectively. Results: When the low contrasts were 0.3%, 0.5% or 1.0%, the image noises were 4.90, 4.50 and 5.23, respectively, under didn't use ADMIRE algorithm. In the same contrast, the noises were reduced 18,35%, 53.23% and 18.82%, respectively, under ADMIRE2. And the noises were reduced 52.32%, 20.33% and 53.79%, respectively, under ADMIRE5. When ADMIRE0, ADMIRE2 and ADMIRE5 were used to reconstruct the image of CTP528 module, respectively, the smallest details that could be observed were identical that was 7.0 Line Pairs/cm under subjective observation for images. Conclusion: Using ADMIRE to reconstruct images can effectively reduce the noise while the image resolution don't be affected. And to enhance the resolution power of low contrast for CT image can more accurately help clinician to observe lesion with similar tissue density and contribute to diagnose disease.

Multislice spiral CT (MSCT); Low contrast resolution; Advanced modeled iterative reconstruction (ADMIRE); Subjective evaluation; Image quality

Department of Medical Engineering, Xuanwu Hospital Capital Medical University, Beijing 100053, China.

陆亚光,男,(1990- ),硕士研究生。首都医科大学宣武医院医学工程处，研究方向：医学影像设备辐射剂量测量及图像质量评价。

2017-04-17

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.07.017

1672-8270(2017)07-0068-04

R814.42

A

国家自然科学基金(81372923)“宽探测器螺旋CT所致辐射剂量评价方法研究”

①首都医科大学宣武医院医学工程处 北京 100053

*通讯作者：jswei65@163.com