中国中西医结合影像学杂志   2018, Vol. 16 Issue (3): 224-226, 230
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引用本文
贾永军, 于楠, 贺太平, 于勇, 段海峰, 杨创博, 郭佑民. 基于模型的迭代重建对常规肺部CT计算机辅助检测系统气道分析的影响[J]. 中国中西医结合影像学杂志, 2018, 16(3): 224-226, 230. DOI: 10.3969/j.issn.1672-0512.2018.03.002
JIA Yongjun, YU Nan, HE Taiping, YU Yong, DUAN Haifeng, YANG Chuangbo, GUO Youmin. Effect of MBIR on CAD for quantitative analysis of airway tree in routine dose chest CT and its comparison with ASIR[J]. Chinese Imaging Journal of Integrated Traditional and Western Medicine, 2018, 16(3): 224-226, 230. DOI: 10.3969/j.issn.1672-0512.2018.03.002
基于模型的迭代重建对常规肺部CT计算机辅助检测系统气道分析的影响[PDF全文]
贾永军1,2, 于楠1, 贺太平1, 于勇1, 段海峰1, 杨创博1, 郭佑民2
1. 陕西中医药大学附属医院医学影像科，陕西 咸阳 712000;
2. 西安交通大学第一附属医院医学影像科，陕西 西安 710061
收稿日期: 2017-06-08
基金项目: 2014年卫生计生委公益性行业专项（20140201）
通信作者: 郭佑民, E-mail:guoyoumin163@sina.com.
摘要：目的: 比较基于模型的迭代重建（MBIR）和自适应迭代重建（ASIR）对肺部CT计算机辅助检测系统（CAD）气道成像的影响。方法: 随机抽取使用能谱CT行胸部平扫的患者30例，分别采用肺算法ASIR40（40% ASIR与滤波反投影混合）、MBIR重建层厚0.625 mm的图像。应用自动CT定量方法（Dexin-FACT）自动提取支气管树，选取走行平直且分叉较少的右肺中叶支气管测量隆突至显示气道终端长度，对不同算法重建图像显示的长度采用配对t检验。由2位放射科医师采用双盲法评价MBIR和ASIR对支气管树结构连续性、清晰度，采用Wilcoxon符号等级检验比较2位医师主观评分差异性。结果: MBIR算法图像自动提取的右肺中叶支气管长度较ASIR算法图像长（P < 0.05），且提取的支气管树连续性、清晰度明显优于ASIR算法（P < 0.05）。结论: 与ASIR算法相比，MBIR可通过改善图像质量提高CAD气道分析性能。
关键词：基于模型的迭代重建    计算机辅助检测    体层摄影术, X线计算机    
Effect of MBIR on CAD for quantitative analysis of airway tree in routine dose chest CT and its comparison with ASIR
JIA Yongjun, YU Nan, HE Taiping, YU Yong, DUAN Haifeng, YANG Chuangbo, GUO Youmin
Department of Imaging, the First Affiliated Hospital of Xi'an Jiaotong University, Xi'an, 710061, China
Abstract: Objective: The pulmonary airway display can reflect the image quality of the chest CT. This retrospective study comparatively evaluated the model-based iterative reconstruction (MBIR), adaptive statistical iterative reconstruction (ASIR) with lung kernel on the performance of computer-aided detection (CAD) for quantitative analysis of airway in routine dose chest CT. Methods: 30 patients were included who were scanned for pulmonary disease using a clinical routine dose MDCT system. Data were reconstructed with MBIR, ASIR (mixed by 40% ASIR and 60% FBP). Airway dimensions from two reconstruction algorithm images were measured using automated, quantitative software that was designed to segment and quantify the bronchial tree, and a skeletonization algorithm to extract the center-line of airway trees automatically. For each patients and reconstruction algorithm, the right middle lobe bronchus with straight and less bifurcation were chosen as representative. Measured the bronchial length of the matched airways from the tracheal bulge by this scheme, and compared by paired t-test. Two radiologists used a semiquantitative 5 scale to rate subjective image quality of airway trees about MBIR images. Measurements for ASIR and MBIR were compared using paired t-test and Wilcoxon signed-rank tests. Results: The bronchus length measured by MBIR was bigger that by ASIR (P < 0.05), and MBIR was better than ASIR for the airway trees being subjective assessed algorithm (P < 0.05). Conclusions: The quantification accuracy of airway is strongly influenced by reconstruction algorithm.Comparison with ASIR, MBIR algorithm potentially allows the desired airway quantification accuracy to be achieved.
Key words: Model-based iterative reconstruction    Computer-aided detection    Tomography, X-ray computed    

当前，CT已广泛应用于肺部疾病的诊断与鉴别中，一方面，MSCT各向同性使得基于影像医学的肺部疾病计算机辅助检测（computer-aided detection，CAD）成为可能，提高了影像诊断的客观性、可重复性及诊断效能，促进了影像定量诊断模式的转换[1]，但图像噪声、运动伪影与部分容积效应等引起的支气管内灰度分布不均匀，将导致远端局部管壁显示断裂[2]。另一方面，层厚更薄、更清晰的影像图像需更高的辐射剂量来实现。基于模型的迭代重建（model-based iterative reconstruction，MBIR）能在显著降低噪声的同时提高空间分辨力，在保证图像质量的前提下明显降低辐射剂量[3-4]。本研究比较MBIR和自适应迭代重建（adaptive statistical iterative reconstruction，ASIR）对CAD气道分析性能的影响，探讨MBIR对提高胸部MSCT图像质量的价值及降低辐射剂量的潜能。

1 资料与方法 1.1 一般资料

回顾性随机收集陕西中医药大学附属医院2016年8月行常规胸部CT平扫者30例，排除右肺中叶病变，年龄33~91，平均（58.50±15.06）岁；体质量40~113 kg，平均（61.06±13.71）kg，体质量指数17.78~37.32 kg/m2，平均（22.97±4.28）kg/m2。CT拟诊为：肺结节或肿块17例、肺炎8例、支气管扩张2例、外伤2例、肺不张1例。

1.2 仪器与方法

使用宝石能谱CT（Discovery CT750HD）。患者取仰卧位，双手上举，单次屏气吸气末扫描，扫描范围从胸廓至后肋膈角尖端水平。扫描参数：120 kV，自动管电流调制技术（automatic tube current modulation，ATCM），层厚、层距均为5 mm，X线球管旋转时间0.6 s/r，螺距1.375，准直器宽度0.625 mm×64，噪声指数（noise index，NI）14。分别采用肺算法ASIR40（40%ASIR与滤波反投影FBP混合）、MBIR重建层厚0.625 mm的图像。

1.3 定量CT气道分析及主观支气管树图像质量评价

应用自动CT定量软件（Dexin-FACT）分析重建图像、分析测量气管，采用骨架提取算法自动提取支气管骨架和支气管树并进行定量CT气道分析[5-6]。选取走行平直且分叉较少的右肺中叶支气管测量隆突至显示气道终端长度（图 1）。由2位放射科医师（分别有7年和15年诊断经验）以ASIR为基础，对MBIR图像经CAD自动提取的支气管树的图像伪影、气管壁连续性、气管软骨环清晰度进行盲法5分半定量目测评分[7]：-2分，图像质量明显差于常规剂量ASIR；-1分，略差于常规剂量ASIR；0分，与常规剂量ASIR相近；1分，略好于常规剂量ASIR；2分，明显好于常规剂量ASIR。

图 1 自动CT定量软件（Dexin-FACT）对气管进行分析测量，采用骨架提取算法自动提取支气管骨架和支气管树，在支气管树上选取右肺中叶，软件自动默认最远路径并得到隆突至显示气道终端长度 图 2 男，42岁，左肺上叶小结节 图 2a，2b 分别为自适应迭代重建（ASIR）和基于模型的迭代重建（MBIR）获得的CPR、支气管树骨架图、CTVE及三维图像。经计算机辅助检测系统（CAD）自动提取测量隆突至显示气道终端长度，MBIR提取右肺中叶长度明显大于ASIR 图 2c，2d 分别为ASIR和MBIR获得的支气管树骨架图，不同级支气管用不同颜色表示。ASIR显示支气管连续性、清晰度均差于MBIR，主观评分为1分/2分（医师甲/医师乙）

1.4 统计学方法

采用SPSS 20.0统计软件，对不同算法重建图像显示的右肺中叶支气管长度行配对t检验；支气管树结构连续性、清晰度评分行Wilcoxon符号等级检验。以P < 0.05为差异有统计学意义。

2 结果 2.1 客观评价CAD检测支气管长度

MBIR算法图像自动提取的右肺中叶支气管长度为（21.33±2.87）mm，较ASIR算法图像的（20.70±2.81）mm长（t=-6.059，P < 0.05）（图 2a，2b）。

2.2 主观评价CAD提取支气管树图像质量（表 1）
表 1 2位医师对2种重建算法检测支气管树主观评分分布的比较

MBIR算法自动提取支气管树的连续性、清晰度优于ASIR算法（P < 0.05）（图 2c，2d）。

3 讨论

CT以其高的时间分辨力、空间分辨力及密度分辨力在胸部疾病诊断和鉴别中广泛使用，但X线剂量安全已成为业界关注的焦点。相较于FBP较高的噪声、明显的条纹伪影和较差的空间分辨力[8-9]，多种迭代重建（iterative reconstruction，IR）通过改进和优化数据处理可在辐射剂量减少的同时保持图像质量，为进一步降低辐射剂量提供了新途径[10]。与此同时，有望作为影像医师“第二双眼”的CAD也已成为研究热点之一[1]。当前，一方面，CAD可辅助影像医师对可疑病变区域进行量化分析以判别其性质[11]；另一方面，CAD的关键是检测到更准确适合于气管形态参数量化的支气管体素信息，这要求薄层重建和足够曝光条件采集容积CT数据信息以得到高清CT图像，也将导致辐射剂量无法大幅度降低。既往研究[12-13]一般通过测量图像噪声来评价IR对图像质量的影响，具有一定人为因素干扰。

近年来，GE公司先后推出基于系统统计模型的ASIR和仅在投影数据空间实现的全迭代重建的MBIR。ASIR通过反复迭代的方法在投影数据空间和图像数据空间之间进行反复比对，不断把噪声从得到的图像中去除，最大限度地保留图像的真实组织信号，最终得到更清晰、准确的图像。相比FBP，ASIR可在较低辐射剂量条件下得到较好的图像质量。MBIR仅在投影数据空间实现全迭代重建，除了建立系统统计模型之外，还建立了系统光学模型，对体素、X线光子初始位置和探测器几何因素均通过模型进行模拟，真实还原了X线从投射到信号采集的全过程，能够进一步明显降低影像噪声和提高空间分辨力[7]。与ASIR相比，MBIR可显著提高图像噪声、减少硬化伪影，且减少辐射剂量时对图像质量影响不明显[14]。本研究表明，MBIR可提高CAD检测肺部CT自动提取支气管树的性能，客观反映MBIR在提高胸部CT图像质量中的应用价值，与Hata等[15]研究结果相同。

本研究尚存在以下不足：①MBIR重建时间较长，远慢于FBP和ASIR[16]，后2种基本能实现实时显示图像，但相信随着计算机技术的发展，该问题可得到解决。②对于ASIR，本文采用参考文献[17]推荐的40%混合因子一个迭代强度的图像进行比较，更高的ASIR混合因子可能有利于降低图像噪声及稍提高CAD自动提取支气管树的性能。③本研究客观评价仅选用右肺中叶支气管长度代表CAD对支气管树末梢长度的检测能力，且未对各方面主观评分进行独立比较。今后将通过扩大样本量及细化分析进一步通过CAD验证MBIR设置在常规剂量、低剂量条件下提高图像质量的价值。

总之，与ASIR算法相比，MBIR可通过改善图像质量提高CAD气道分析性能，可为降低胸部MSCT辐射剂量提供一种新的途径。

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