准确制定腹部迭代重建低剂量CT扫描参数的方法及其临床应用研究

发布时间：2017-07-17 01:17

  本文关键词：准确制定腹部迭代重建低剂量CT扫描参数的方法及其临床应用研究

  更多相关文章： 体层摄影术 X线计算机 水模 迭代重建 图像质量 辐射剂量 管电流—噪声曲线 管电流—CTDIvol曲线 腹部 肠道

【摘要】：研究背景辐射对疾病的诊断和治疗发挥着越来越重要的作用,但同时也会对机体造成不同程度的危害,包括致癌等问题。X线计算机断层扫描(Computed Tomography,CT)因具有较高的密度分辨率和较快的成像速度,在临床上的应用越来越广,给疾病的诊治带来了巨大的帮助。但是,CT扫描对人体的辐射剂量也较大,单期扫描时不同部位的平均有效辐射剂量(Effective Dose,ED)约2.0mSv~20mSv,均显著高于国际辐射防护委员会(International Commission on Radiological Protection,ICRP)推荐的1mSv/a的公众受照射安全剂量限值。其中,全腹部肠道CT检查因扫描范围大、期相多,患者所接受的辐射剂量较大,成为人们关注的热点之一。降低管电压或管电流、增加螺距等是降低CT辐射剂量的常用方法,但是过度降低辐射剂量会导致CT图像噪声太大,不能满足诊断需要,因而仅仅通过调节扫描参数来降低辐射剂量的方法具有一定的限度。近年来,为了进一步降低CT扫描的辐射剂量,迭代重建(Iterative Reconstruction,IR)技术开始应用于临床。与传统的滤过反投影(Filtered Back Projection,FBP)重建相比,IR去除图像噪声的能力较强。因此,采用IR允许更多地降低CT扫描的辐射剂量。但是由于缺乏科学、规范地制定迭代重建低剂量ct扫描参数的方法,现有文献中还存在着低剂量扫描参数制定不够准确的问题,或者是扫描参数偏高、辐射剂量未能充分减少而导致低剂量ct图像质量高于常规扫描,或者是扫描参数偏低、辐射剂量过度减少而导致低剂量ct图像质量显著下降,致使其扫描方法难以在临床上推广应用,不能有效地降低患者的受辐射剂量。因此,如何在保证图像质量满足诊断的前提下准确制定迭代重建低剂量ct的扫描参数成为临床工作中面临的一个实际问题。既往研究中有采用水模实验估计低剂量ct扫描参数的方法,但欠准确,也不全面,本课题拟在之前研究的基础上,深入探索能够更加准确而全面地制定迭代重建低剂量ct扫描参数的方法。目的建立不同管电压、管电流及重建算法条件下的水模ct图像噪声和辐射剂量组合曲线,并经临床研究检验该曲线制定腹部迭代重建低剂量ct扫描参数的准确性与可靠性,为准确制定迭代重建低剂量ct扫描参数探索新的方法,从而促进迭代重建在临床的推广应用,降低ct检查中患者的受辐射剂量。方法(1)模体试验用西门子第二代双源ct扫描水模,管电压分别设置为80kv、100kv、120kv,参考管电流时间乘积(后简称参考管电流)从700mas降至50mas,每次减少50mas。每组扫描参数所得数据均采用fbp和正弦图确定迭代重建3(sinogramaffirmediterativereconstruction3,safire3)两种图像重建方法进行重建。扫描完成后,在ct工作站上测量不同扫描与重建方法所得水模ct图像的噪声,即ct值的标准差(standarddeviationofctattenuation,sd),一组图像连续测量10个层面,取其平均值作为该组图像的噪声,同时记录不同扫描参数的容积ct剂量指数(volumecomputedtomographydoseindex,ctdivol)。然后用配对t检验比较扫描参数相同时不同重建方法的ct图像噪声,并用spss19.0拟合出各管电压条件下的管电流—噪声和管电流—ctdivol函数,用excel绘制成组合曲线,并从中读取出与腹部常规扫描参数图像噪声相等的、采用safire3重建的低剂量扫描参数。最后采用catphan500ct模体检测所得低剂量扫描参数是否会对ct图像的空间分辨率和密度分辨率造成影响,初步评价所得扫描参数的可靠性。(2)临床实验搜集240例拟行全腹部肠道ct增强扫描的患者,根据bmi分为两组,a组18.5kg/m2≤bmi23kg/m2,b组23kg/m2≤bmi27kg/m2。各组再随机分为对照组(a1和b1)、低管电流组(a2和b2)和低管电压组(a3和b3)三个亚组,管电压、管电流及重建算法采用经组合曲线读取的参数,其余扫描参数与扫描水模时相同。扫描完成后,由一名放射科医师在工作站上测量各组患者肝脏、门静脉、腹主动脉、竖脊肌、膀胱、皮下脂肪和背景空气等多个部位的ct值和sd,同时记录每一次扫描的ctdivol、剂量长度乘积(productofdoseandlength,dlp),在此基础上计算各部位的信噪比(signalnoiseratio,snr)和肝脏、门静脉、腹主动脉的对比噪声比(contrasttonoiseratio,cnr)等客观图像质量评价指标,以及每一次扫描的有效辐射剂量(effectivedose,ed)。由两名放射科医师在不知道扫描和重建方法的情况下采用盲法对所得各组ct图像质量进行主观评价。采用方差分析和非参数检验对各组图像质量评价指标和辐射剂量评价指标进行统计学分析,采用kappa检验对两位放射科医师对各组图像质量主观评分的一致性进行检验。结果(1)模体试验扫描参数相同时,与fbp重建相比,safire3重建的图像噪声均显著减少(p0.05),其中80kv组噪声降低率为14.1%~25.9%,100kv组为22.4%~27.8%,120kv组为25.3%~28.7%,降低率随着图像噪声的减小而增加。曲线拟合结果显示,在实验条件下,参考管电流在50mas~600mas之间时与图像噪声的关系符合幂指数函数关系,与ctdivol成直线相关,决定系数r2均大于0.99,所得组合曲线客观、准确、全面地展示了不同管电压、管电流及重建方法对图像噪声和ctdivol的影响。经组合曲线读取的与腹部常规扫描条件120kv/400mas/fbp(a1组)图像噪声相等的低剂量扫描参数为120kv/210mas/safire3(a2组)和100kv/410mas/safire3(a3组),与120kv/500mas/fbp(b1组)图像噪声相等的低剂量扫描参数为120kv/260mas/safire3(b2组)和100kv/500mas/safire3(b3组),各组扫描参数的空间分辨率均为5lp/cm,1%对比度的密度分辨率均为4mm,均能够满足诊断要求。(2)临床实验(1)图像噪声a1、a2、a3组之间各部位的图像噪声差异均无统计学意义(p0.05),与预期的结果一致。(2)ct值与a1、a2组相比,a3组肝脏、门静脉、腹主动脉ct值明显增高(p0.05),皮下脂肪ct值明显降低(p0.05),其余部位的ct值无显著变化(p0.05),a1、a2组之间各部位的ct值均无显著性差异(p0.05)。(3)snr与a1、a2组相比,a3组门静脉、腹主动脉的snr明显增高(p0.05),其余部位的snr无显著变化(p0.05),a1、a2组之间各部位的snr差异无统计学意义(p0.05)。(4)cnr与A1、A2组相比,A3组门静脉、腹主动脉的CNR显著增高(P0.05),肝脏的CNR轻度增高,差异无统计学意义(P0.05),A1、A2组之间三个部位的CNR差异无统计学意义(P0.05)。(5)主观图像质量评分A1、A2、A3组之间主观图像质量评分差异无统计学意义(P0.05)。(6)辐射剂量与A1组相比,A2、A3组的CTDIvol(7.7mGy vs.16.5mGy,9.3mGy vs.16.5mGy)、DLP(352.5mGycm vs.749.7mGycm,424.8mGycm vs.749.7mGycm)、ED(5.3mSv vs.11.2mSv,6.4mSv vs.11.2mSv)均显著降低(P0.05),A2组的CTDIvol、DLP、ED均低于A3组,且差异有统计学意义(P0.05),与经组合曲线预期的结果一致。(7)B组B1、B2、B3组之间图像噪声、CT值、SNR、CNR、主观图像质量评分、CTDIvol、DLP及ED的差别与A1、A2、A3组之间类似。(8)两位放射科医师对各组图像质量的主观评分一致性极好,kappa值在0.806~0.898之间。结论本课题在前人研究的基础上首次采用统计学方法对3种管电压条件下的管电流—图像噪声及管电流—CTDIvol的函数关系进行了拟合,首次将管电流—噪声(FBP重建)、管电流—噪声(SAFIRE3重建)和管电流—CTDIvol曲线绘制于同一坐标系内,并进一步将3种管电压条件下的曲线并列组合在一起绘制成组合曲线,直观、全面地展示了不同扫描及重建方法对图像噪声和辐射剂量的影响,为简单、快速、准确地制定与常规扫描FBP重建图像噪声相等的腹部迭代重建低剂量CT扫描参数创造了条件。它的应用将有助于促进迭代重建在临床的推广应用,从而充分发挥迭代重建的优势,大幅度减少腹部CT检查中患者的受辐射剂量。
【关键词】：体层摄影术 X线计算机 水模 迭代重建 图像质量 辐射剂量 管电流—噪声曲线 管电流—CTDIvol曲线 腹部 肠道
【学位授予单位】：第四军医大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R814.2
【目录】：

• 缩略语表5-7
• 中文摘要7-11
• Abstract11-17
• 前言17-18
• 文献回顾18-31
• 第一部分 不同扫描和重建参数条件下水模CT图像噪声和辐射剂量组合曲线的建立31-53
• 1 材料与方法32-35
• 1.1 扫描对象32
• 1.2 检查设备与方法32-33
• 1.3 图像重建33
• 1.4 测量水模CT图像噪声33-34
• 1.5 记录辐射剂量34
• 1.6 生成管电流—噪声、管电流—辐射剂量(CTDIvol)曲线34
• 1.7 确定腹部低剂量CT扫描参数34-35
• 1.8 检测腹部低剂量CT扫描参数所得图像的空间分辨率和密度分辨率35
• 1.9 统计学分析35
• 2 结果35-46
• 2.1 水模扫描与图像重建35-39
• 2.2 图像噪声39-41
• 2.3 辐射剂量41-42
• 2.4 管电流—噪声、管电流—辐射剂量（CTDIvol）组合曲线42-43
• 2.5 腹部低剂量CT扫描参数43-45
• 2.6 腹部低剂量CT扫描参数的空间分辨率和密度分辨率45-46
• 3 讨论46-51
• 3.1 SAFIRE的的临床应用用及存在的问问题46-48
• 3.2 水模在制定迭代重建低剂量CT扫描参数中的应用48-49
• 3.3 经组合曲线制定低剂量CT扫描参数更加全面、准确、方便49-51
• 4 结论51-53
• 第二部分 经组合曲线制定腹部迭代重建低剂量CT扫描参数的可靠性研究53-71
• 1 材料与方法53-57
• 1.1 患者一般资料及实验分组53
• 1.2 图像采集与重建53-54
• 1.3 图像质量客观评价54-55
• 1.4 图像质量主观评价55-56
• 1.5 辐射剂量评估56
• 1.6 统计学分析56-57
• 2 结果57-66
• 2.1 患者一般资料57
• 2.2 CT值57-59
• 2.3 图像噪声59-60
• 2.4 信噪比60-61
• 2.5 对比噪声比61-62
• 2.6 图像质量主观评价62-64
• 2.7 辐射剂量64-66
• 3 讨论66-69
• 3.1 CT肠道造影检查的优点与不足66
• 3.2 降低管电流与降低管电压在迭代重建低剂量CTE中的作用比较66-67
• 3.3 降低管电压对CT图像质量的影响67-68
• 3.4 体重或BMI对个体化扫描参数及降低辐射剂量的作用68-69
• 3.5 经组合曲线读取低剂量CT扫描参数的可靠性和准确性的综合评价69
• 4 结论69-71
• 小结71-72
• 参考文献72-84
• 个人简历和研究成果84-85
• 致谢85

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