肺部CT智能診斷報告系統(tǒng)軟件的體模結(jié)節(jié)大小測量研究

李 敏 LI Min

龔建平2 GONG Jianping

張 偉2 ZHANG Wei

2.蘇州大學(xué)附屬第二醫(yī)院放射科 江蘇蘇州215000

肺部CT智能診斷報告系統(tǒng)軟件是由蘇州大學(xué)附屬第二醫(yī)院與華中科技大學(xué)計算機學(xué)院合作研發(fā)的軟件，以計算機自動提取肺結(jié)節(jié)，自動提取形態(tài)學(xué)特征為基礎(chǔ)，智能檢測結(jié)節(jié)的形狀、邊緣、密度和大小等形態(tài)學(xué)特征，提高醫(yī)學(xué)影像的診斷效率和診斷準(zhǔn)確性。本研究利用FUYO肺結(jié)節(jié)體模，驗證該軟件對體模結(jié)節(jié)大小特征分析測量的準(zhǔn)確性。

1 材料與方法

1.1 FUYO肺結(jié)節(jié)體模 FUYO肺結(jié)節(jié)體模為FUYO公司產(chǎn)品，外形呈直徑25 cm的圓柱形。體模內(nèi)有5種密度的16個結(jié)節(jié)，并充填塑料泡沫模擬肺組織（CT值－900 Hu）。體模內(nèi)有4組不同大小的球形物，直徑分別為2.5、5.0、10.0、20.0 mm，每組3個結(jié)節(jié)，分別用亞克力、尼龍和聚丙烯材料制成，其CT值分別為100、60、－100 Hu，模擬肺結(jié)節(jié)；這些結(jié)節(jié)分別固定在半徑為5.0、7.5、10.0 cm的圓周上。在圓周半徑為7.5 cm的4個象限區(qū)各有1個結(jié)節(jié)，其中2個結(jié)節(jié)直徑為20.0 mm，CT值分別為100 Hu和－100 Hu，另外2個結(jié)節(jié)直徑為10.0 mm，為混雜密度結(jié)節(jié)，平均CT值分別為0和－60 Hu。所有結(jié)節(jié)均呈球形，邊緣光滑。

FUYO肺結(jié)節(jié)體模中的結(jié)節(jié)體積根據(jù)公式計算得出，公式為V=(4/3)πr3，其中 r指體模結(jié)節(jié)的半徑（mm），2.5 mm結(jié)節(jié)的體積為8.18 mm3，5 mm結(jié)節(jié)的體積為65.45 mm3、10 mm結(jié)節(jié)的體積為523.60 mm3，20 mm結(jié)節(jié)的體積為4188.79 mm3。

1.2 CT掃描方法和圖像數(shù)據(jù)采集 將體模放置在掃描孔的中央，用CT機的激光線定位，使體模的x、y、z軸線分別與CT機的x、y、z定位線重合。掃描參數(shù)：應(yīng)用GE LightSpeed VCT 64層螺旋CT機。管電壓120 kV，管電流300 mA，機架旋轉(zhuǎn)速度0.8 s/r，準(zhǔn)直器64×0.625 mm，螺距0.984∶1，SFOV 50 cm，DFOV 36 cm，CHEST重建算法，行0.625 mm層厚的圖像重建。顯示窗位－600 Hu，窗寬1500 Hu。掃描完成后間隔1 h再行體模掃描2次，掃描參數(shù)和圖像重建同上，合計體模掃描3次。將圖像傳至AW 4.3工作站。

1.3 肺部CT智能診斷報告系統(tǒng)軟件及應(yīng)用 肺部CT智能診斷報告系統(tǒng)軟件在通用計算機上運行，將DVD光盤存貯的圖像數(shù)據(jù)復(fù)制到安裝該軟件的計算機，應(yīng)用該軟件對體模中16個結(jié)節(jié)進行逐一半自動選取，然后行自動分析，檢測項目包括結(jié)節(jié)體積、長徑、寬徑、高徑，間隔1周再行重復(fù)測量。軟件檢測體模的16個結(jié)節(jié)共計144個檢測數(shù)據(jù)。肺部CT智能診斷報告系統(tǒng)軟件測量體模結(jié)節(jié)體積、長徑、寬徑和高徑精度評價指標(biāo)采用相對誤差[相對誤差=（軟件測量值–體模標(biāo)準(zhǔn)值）/體模標(biāo)準(zhǔn)值×100%]。

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法 采用SPSS 17.0軟件，正態(tài)分布的計量資料采用單樣本t檢驗和獨立樣本t檢驗，非正態(tài)分布的計量資料采用Mann-Whitney U檢驗或Kruskal-Wallis H檢驗，P<0.05表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 軟件測量體模結(jié)節(jié)體積的誤差分析 肺部CT智能診斷報告系統(tǒng)軟件對FUYO肺結(jié)節(jié)體模中16個結(jié)節(jié)均能進行相應(yīng)的讀取和特征分析。2.5 mm結(jié)節(jié)體積明顯高估，5.0、10.0、20.0 mm結(jié)節(jié)體積均低估。16個結(jié)節(jié)體積的平均相對誤差為1.9%，2.5 mm結(jié)節(jié)體積測量的相對誤差最大。5.0、10.0、20.0 mm結(jié)節(jié)體積測量的相對誤差之間差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P>0.05），但與2.5 mm結(jié)節(jié)比較，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.001），見表1。

2.2 軟件測量體模結(jié)節(jié)長徑的誤差分析 2.5、5.0、10.0、20.0 mm結(jié)節(jié)長徑均低估。16個結(jié)節(jié)長徑的平均相對誤差為－2.4%，2.5 mm和20.0 mm結(jié)節(jié)長徑測量的相對誤差較小。2.5 mm結(jié)節(jié)與5.0 mm結(jié)節(jié)長徑差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.05），5.0、10.0 mm結(jié)節(jié)與20.0 mm結(jié)節(jié)長徑差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.001）。2.5 mm與20.0 mm、5.0 mm與10.0 mm結(jié)節(jié)長徑間差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P>0.05），見表1。

2.3 軟件測量體模結(jié)節(jié)寬徑的誤差分析 16個結(jié)節(jié)寬徑的平均相對誤差為4.3%，10.0 mm和20.0 mm的結(jié)節(jié)長徑測量的相對誤差較小。5.0 mm、10.0 mm及20.0 mm與2.5 mm結(jié)節(jié)寬徑測量的相對誤差間差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.05、P<0.001），10.0 mm及20.0 mm與5.0 mm結(jié)節(jié)寬徑測量的相對誤差間差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.001），10.0 mm與20.0 mm結(jié)節(jié)寬徑測量的相對誤差間差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P>0.05），見表1。

表1 測量體模結(jié)節(jié)體積、長徑、寬徑及高徑的誤差分析

2.4 軟件測量體模結(jié)節(jié)高徑的誤差分析 16個結(jié)節(jié)高徑的平均相對誤差為0.1%，5.0 mm和20.0 mm的結(jié)節(jié)長徑測量的相對誤差較小。5.0 mm、10.0 mm、20.0 mm與2.5 mm結(jié)節(jié)高徑測量的相對誤差間差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.05、P<0.001），5.0 mm與10.0 mm、20.0 mm結(jié)節(jié)高徑測量的相對誤差間差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.05），5.0 mm與20.0 mm結(jié)節(jié)高徑測量的相對誤差間差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P>0.05），見表1。

3 討論

CT目前已成為胸部最佳影像檢查手段，多層螺旋CT使得容積采集亞毫米層面圖像成為現(xiàn)實，據(jù)此研發(fā)的肺部CAD軟件也最為成熟。很多國際影像設(shè)備生產(chǎn)廠商紛紛推出各自的肺結(jié)節(jié)半自動化分析測量軟件[1-3]，能夠測量肺結(jié)節(jié)的體積，國內(nèi)自主研發(fā)的肺結(jié)節(jié)智能化分析軟件尚處于初級階段，而且目前大多商用的肺結(jié)節(jié)智能化分析軟件也未真正投入臨床應(yīng)用。

影響肺結(jié)節(jié)體積測量的因素眾多，掃描層厚、螺距、X射線劑量和重建參數(shù)等為主要影響因素，亞毫米掃描層厚、高X射線劑量和CHEST重建參數(shù)（GE）能提高結(jié)節(jié)體積測量的精度[2,4]。本研究使用LightSpeed VCT容積采集數(shù)據(jù)，圖像層厚均為0.625 mm。掃描參數(shù)設(shè)計與臨床胸部CT掃描程序相同，即120 kV、240 mA、0.984∶1螺距、64×0.625 mm準(zhǔn)直器、SFOV 50 cm、DFOV 36 cm和CHEST重建，體素大小為0.703 mm（長徑）×0.703 mm（寬徑）×0.625 mm（高徑）。為了模擬臨床環(huán)境，并未使用SFOV 32 cm的CT掃描程序，其體素各向同性，長、寬、高徑均為0.625 mm。

隨著CT特別是螺旋CT的出現(xiàn)和發(fā)展，如何對發(fā)現(xiàn)的肺結(jié)節(jié)進行定性始終是難點。測量結(jié)節(jié)大小的有關(guān)參數(shù)，以觀察結(jié)節(jié)的動態(tài)變化，可輔助鑒別良、惡性結(jié)節(jié)，了解經(jīng)治療后結(jié)節(jié)的變化反應(yīng)。

Revel等[5]指出，二維測量方法的一致性和可重復(fù)性較差，其測量結(jié)果的可信度較低。Yankelevitz等[6]于2000年首次利用軟件程序?qū)w模結(jié)節(jié)和13例臨床肺結(jié)節(jié)進行結(jié)節(jié)體積測量研究，評價結(jié)節(jié)生長速度；其在體模研究中，結(jié)節(jié)的真實體積和測量體積的平均誤差為2%~3%。

肺結(jié)節(jié)體積量化分析的準(zhǔn)確性與很多因素有關(guān)，包括肺結(jié)節(jié)本身的特征、掃描參數(shù)、圖像重建方式和測量軟件技術(shù)等[7]。本研究不考慮掃描參數(shù)、準(zhǔn)直器寬度、圖像層厚、重建算法和X線劑量等影響因素，僅評價肺部CT智能診斷報告系統(tǒng)軟件對體模結(jié)節(jié)形態(tài)學(xué)特征檢測的精度。

對于直徑<6 mm的結(jié)節(jié)，CAD軟件測量結(jié)節(jié)體積，結(jié)果可能會超過實際大小，從而導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確（高估超出標(biāo)準(zhǔn)值15%以上）[7,8]。Ko等[9]在體模研究中發(fā)現(xiàn)，對于直徑5 mm的結(jié)節(jié)，其平均誤差為7.7%。Goo等[4]的體模研究結(jié)果顯示，直徑6.4 mm結(jié)節(jié)的平均誤差為9.4%。本研究采用肺部CT智能診斷報告系統(tǒng)軟件測量FUYO肺結(jié)節(jié)模型中的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)節(jié)體積，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2.5 mm結(jié)節(jié)的軟件測量體積明顯增大，平均相對誤差達21.1%，高于文獻[4,7]報道結(jié)果；5 mm結(jié)節(jié)軟件測量體積的平均相對誤差為－4.7%，低于文獻報道。Goo等[4]的研究顯示，直徑為3.2 mm結(jié)節(jié)的平均誤差范圍為3.9%~36%。本研究的結(jié)果為直徑<10 mm結(jié)節(jié)軟件測量體積的相對誤差范圍為－18%~68%，也高于文獻[4,9]報道結(jié)果。而對于直徑>10 mm結(jié)節(jié)，Goo等[4]報道直徑12.7 mm結(jié)節(jié)的平均誤差僅為5.4%。Ravenel等[7]報道，直徑15 mm結(jié)節(jié)的平均相對誤差為0.8%。本研究結(jié)果為10.0 mm和20.0 mm結(jié)節(jié)軟件測量體積的平均相對誤差分別為－1.6%和2.3%。

本研究結(jié)果顯示，肺部CT智能診斷報告系統(tǒng)軟件在測量直徑5.0、10.0、20.0 mm結(jié)節(jié)體積方面較為準(zhǔn)確，但對于直徑2.5 mm結(jié)節(jié)體積的測量誤差很大。但該軟件仍處于研究階段，存在許多問題，主要體現(xiàn)在對于小結(jié)節(jié)的體積測量和結(jié)節(jié)部分徑線測量的誤差仍較大，這也是未來該CAD軟件進行體積測量時需要加以改進和完善的。

[1] Ashraf H, de Hoop B, Shaker SB, et al. Lung nodule volumetry: segmentation algorithms within the same software package cannot be used interchangeably. Eur Radiol, 2010,20(8): 1878-1885.

[2] Petrou M, Quint LE, Nan Bin, et al. Pulmonary nodule volumetric measurement variability as a function of CT slice thickness and nodule morphology. Am J Roentgenol, 2007,188(2): 306-312.

[3] Rampinelli P, De Fiori E, Raimondi S, et al. In vivo repeatability of automated volume calculations of small pulmonary nodules with CT. Am J Roentgenol, 2009, 192(6): 1657-1661.

[4] Goo JM, Tongdee T, Tongdee R, et al. Volumetric measurement of synthetic lung nodules with multi-detector row CT: effect of various image reconstruction parameters and segmentation thresholds on measurement accuracy. Radiology, 2005, 235(3): 850-856.

[5] Revel MP, Bissery A, Bienvenu M, et al. Are two-dimensional CT measurements of small noncalcified pulmonary nodules reliable? Radiology, 2004, 231(2): 453-458.

[6] Yankelevitz DF, Reeves AP, Kostis WJ, et al. Small pulmonary nodules: volumetrically determined growth rates based on CT evaluation. Radiology, 2000, 217(1): 251-256.

[7] Ravenel JG, Leue WM, Nietert PJ, et al. Pulmonary nodule volume: effects of reconstruction parameters on automated measurements—a phantom study. Radiology, 2008, 247(2):400-408.

[8] Way TW, Chan HP, Goodsitt MM, et al. Effect of CT scanning parameters on volumetric measurements of pulmonary nodules by 3D active contour segmentation: a phantom study. Phys Med Biol, 2008, 53(5): 1295-1312.

[9] Ko JP, Rusinek H, Jacobs EL, et al. Small pulmonary nodules:volume measurement at chest CT—phantom study. Radiology,2003, 228(3): 864-870.