基于双层探测器CT比较肺动脉CTA虚拟单能量与混合能量的图像质量＊

吕 品 陈 露 夏连坤 张 冰 陈杏彪 辛小燕,*

1.南京大学医学院附属鼓楼医院医学影像科(江苏 南京 210008)

2.飞利浦医疗临床科研部(上海 200070)

肺动脉CT血管(CT angiography,CTA)成像因其操作简单且准确率高，成为筛查肺动脉相关疾病的首选方案[1-2]，获得高质量的肺动脉CTA图像对于提高诊断的准确性具有重要意义。近年来，能谱CT已广泛应用于临床检查和诊断中。与传统CT相比，能谱技术能够进行多参数成像和定量分析，如虚拟单能量图像、能谱曲线、碘密度图和原子序数图等。本研究所使用的双层探测器CT(IQon Spectral CT,PHILIPS)作为新型商业化能谱CT的一种[3]，其特点是具有立体双层探测器结构，可分别同时接收穿过人体的低能和高能X射线，满足能谱CT“同时、同源、同相位”的最佳成像原则。双层探测器CT扫描完成后系统自动生成基于能谱的影像(Spectral Based Image,SBI)序列，利用PHILIPS后处理工作站可以重建出40～200keV的全部虚拟单能量图像。目前临床主要依据传统混合能量图像进行医学诊断，针对肺栓塞等存在信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)低、诊断敏感度下降等缺点。本研究旨在探讨双层探测器CT肺动脉CTA成像的最佳虚拟单能量，并与传统混合能量进行图像质量对比，发掘单能量成像的优势。

1.1 一般资料回顾性分析2019年4月至2020年12月南京大学医学院附属鼓楼医院30例行肺动脉CTA扫描病例，其中男性16名，平均年龄57.68岁±15.62，所有患者均无对比剂过敏史，无肝肾功能不全等病症。

入组标准：行IQon CT肺动脉CTA检查，有动脉期增强的全能谱图像。排除标准：伴有栓子、血管狭窄等明显影响勾画感兴趣区(Region of interest,ROI)的病例；
图像质量不佳，如明显断层，呼吸运动伪影等。

1.2 方法采用IQon CT行肺动脉CTA扫描，扫描内容包括动脉增强期，扫描范围自肺尖至肺底。参数：管电压120 kVp，管电流智能调节，扫描层厚1 mm。动脉增强扫描触发采用自动监测技术(Bolus Tracking)，监测层放置在气管分叉处向上1～2cm处，上腔静脉处设置监测点，CT值>150 HU触发扫描。肺动脉CTA扫描所用非离子型碘造影剂(碘佛醇，碘含量320 mg I/mL)，注射剂量45 mL，注射速度4.5mL/s，使用双筒高压注射器经肘部静脉注入。每期图像均生成SBI序列，传输至PHILIPS能谱工作站重建得到虚拟单能量图像。

1.3 客观评价指标在PHILIPS后处理工作站重建出动脉增强期的虚拟单能量图像，能量范围40-90 keV，间隔5 keV共计11个单能量，>90 keV的虚拟单能量图像明显无法满足诊断，不纳入本研究范围。在主肺动脉干、左/右肺动脉干及左/右肺下叶动脉腔内各勾画一个ROI，面积约20-30 mm2，同级分支取左右ROI的平均值，避开栓子和边界不清晰区域。记录ROI的CT值、SD值以同层面竖脊肌的CT值和SD值作为背景噪声。计算不同能量下主肺动脉干、左/右肺动脉干、左/右肺下叶动脉的SNR和对比噪声比(Contrast noise ratio,CNR)，计算公式为SNR=CT值血管／SD值血管；
CNR=(CT值血管-CT值竖脊肌)/SD值竖脊肌。

1.4 主观评价指标2名具有3年以上诊断经验的影像科医师独立对原始图像以及三维重建肺动脉图像进行主观评价，采用5分制，评价标准为：5分，优秀，无明显伪影，肺动脉分支及组织细节分辨率良好；
4分，较好，伪影不明显，肺动脉分支及组织细节显示较好；
3分，中等，有明显伪影，肺动脉分支及组织细节有明显不清晰，可基本满足诊断；
2分，较差，伪影较严重，肺动脉分支和组织细节显示效果差，大部分区域无法满足诊断；
1分，图像无法满足诊断。当2名医师的评判结果差异>2分时，由两位医师协商给出结果。

1.5 统计学方法采用SPSS 26.0对数据进行统计和分析。Shapiro-Wilk检验统计数据是否符合正态分布，符合则用均值±标准差(±SD)表示。以肺动脉的混合能量指标为参考基线，每个虚拟单能量图的客观评价指标(SNR和CNR)与基线进行配对样本t检验，P<0.05表示差异有统计学意义，利用Kappa分析评估2名医师主观评分的一致性，并通过非参数Wilcoxon符号秩检验对不同能量下的评分结果进行分析。

2.1 客观评价指标经过Shapiro-Wilk检验，所有客观评价指标均符合正态分布。主肺动脉干、左/右肺动脉干、左/右肺下叶动脉的CT值、SNR和CNR以及同层面竖脊肌的CT值和SD值随虚拟单能量(40-90 keV)增大逐渐减小，三个位置40-75 keV共9个虚拟单能量的SNR和CNR均明显优于混合能量(P<0.05，结果见图1及表1)，80 keV的SNR(17.6±4.8/15.8±4.7/18.6±6.3)和C N R(1 4.6±5.6/1 4.5±5.7/1 4.4±5.6)与传统混合能量(S N R: 1 8.0±4.8/1 5.2±4.0/1 9.3±6.7;C N R:14.6±5.2/14.1±5.3/15.0±5.7)的差异没有统计学意义，85 keV及90 keV单能量图像的SNR和CNR明显低于混合能量(P<0.05)。

表1 混合能量和虚拟单能量下CT、SD、SNR、CNR值

图1 主肺动脉干，左/右肺动脉干以及左/右肺下叶动脉虚拟单能量与混合能量图SNR(ABC)和CNR(DEF)的对比图，*表示P<0.05。

2.2 主观评价指标两位影像科医师对图像主观评分的一致性好，Kappa值为0.862，P<0.05，评分结果见表2，肺动脉三维重建结果见图2。各虚拟单能量与混合能量主观评分比较，P值均<0.05。50 keV(4.60分±0.24)及55 keV(4.40分±0.19)图像的主观评分明显优于混合能量(4.20分±0.25)，其中50 keV的主观评分优于55 keV(P<0.001)，重建结果显示50 keV能量下肺动脉各级分支最完整，质量最佳。其他单能量的主观评分结果均低于混合能量。

图2 肺动脉三维图像。图2A：虚拟单能量40 keV(2分)，肺动脉CT值过高，重建时细小分支被当做骨结构自动去除；
图2B、图2C：虚拟单能量50 keV(5分)、60 keV(4.5分)，尖段，背段，中叶等肺动脉分支清晰，图像质量高；
D：虚拟单能量70 keV(4分)，肺动脉分支末梢模糊，图像质量下降；
E：混合能量(4分)。

表2 两名影像科医师对30例肺动脉不同能量图像主观评分结果

表3 两名影像科医师对30例肺动脉不同能量图像主观评分结果比较

本研究所使用的IQon CT的成像原理是在不改变射线球管数量和射线能量的情况下，通过两层探测器结构分别获得穿过人体的低能和高能射线，并利用两个能量段的信息重建能谱数据。其中虚拟单能量是指模拟单一固定能量X射线进行扫描，也是目前临床使用最多的能谱结果[4-5]，Sun[6]等人利用能谱CT技术讨论下肢动脉血管成像的最佳单能量，通过CNR和主观评分确定最佳单能量为51.5 keV±7.3，Wang[7]等人采用能谱CT对比虚拟单能量在肺癌不典型成骨性转移病灶的成像优势，通过分析SNR、CNR和主观评价指标得出结论：60 keV能量的图像质量优于混合能量。单能量成像优势与射线能量高低有关，低能射线更接近造影剂中碘的K-edge能量(33.2 keV)，X射线与体内物质发生相互作用以光电效应为主[8]，射线能量全部沉积，CT值升高，血管和组织的对比度显著提高。但是，低能射线导致硬化伪影效应增强，背景噪声增加，降低图像质量；
提高射线能量能够弱化硬化伪影，减少金属伪影的影响，降低背景噪声，但由于康普顿效应增强，射线能量部分沉积引起ROI内CT值减小，图像SNR和CNR随之降低。因此，评价图像质量需综合考虑多个参数如CT值、SD值，SNR和CNR等。

早期研究结果表明，为了提高肺动脉栓塞的准确率，动脉增强 期肺动脉的CT值>250 HU可以达到诊断要求[9]，且血管成像中，CNR>8时血管与周围组织的分辨力才能满足诊断需求[10]。Apfaltrer P[11]用双源CT对肺动脉CTA成像的虚拟单能量与混合能量进行对比，结果表明最佳单能量水平为70 keV。Li[9]等人在宝石能谱CT上对比虚拟单能量与混合能量的多个指标，结果显示60-65 keV为肺动脉CTA成像最佳单能量范围。本研究所使用的IQon CT在探测器设计上利用信号符合实现抑制噪声，保证低能级图像噪声也处于较低的水平，CNR和SNR值相对升高。因此双层探测器CT呈现的结果与其他能谱CT稍有差异，综合主肺动脉干，左/右肺动脉干，左/右肺下叶动脉的客观及主观评价指标，最佳成像单能量范围较之前研究有所下降，为50-55 keV，最佳单能量为50 keV，随能量升高(>55 keV)，SNR和CNR逐渐降低，图像质量下降，肺动脉细小分支逐渐模糊，难以从背景噪声中分辨。尽管低能量(40 keV,45 keV)肺动脉的CT值较高，但与骨结构的对比度低，在三维重建中容易被错误识别导致40 keV(3.20分±0.18)，45 keV(4.10分±0.36)的主观评分明显低于混合能量。本研究存在一定的局限性：1)收集的病例数有限，且仅2例肺栓塞患者，后期我们将继续增加样本量，纳入肺动脉栓塞和畸形等病例，研究针对不同疾病能谱数据的利用价值；
2)未能根据患者的体重和年龄个性化定制扫描参数和造影剂用量，有文献报道身体质量指数(Body Mass Index,BMI)的增大导致背景噪声增大[9]，降低图像质量，虽然本研究中病例无明显肥胖患者，但后期我们将进一步进行前瞻性研究，收集患者的BMI信息。

综上所述，双层探测器CT可以重建出虚拟单能量图像，相比传统混合能量，虚拟单能量的低能量图像(50-55 keV)在肺动脉CTA成像中具有更高的SNR和CNR，在三维重建中可以显示更多肺动脉细小分支的信息。综合评价，虚拟单能量50-55 keV图像质量最好，其中50keV成像质量最佳。

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