低管電流聯(lián)合迭代重建算法對胸部體模T12骨密度值準(zhǔn)確性和胸部圖像質(zhì)量的影響

蔣耀軍，吳 艷，張永高，董軍強(qiáng)，劉 杰，侯 平，高劍波

(鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院放射科，河南 鄭州 450052)

骨密度(bone mineral density, BMD)可反映75%以上的骨強(qiáng)度，無創(chuàng)測量BMD可診斷骨質(zhì)疏松癥[1]。研究[2]發(fā)現(xiàn)，我國50歲以上男性與女性罹患骨質(zhì)疏松癥的比例為10.4%與31.2%。隨著低劑量胸部CT在早期肺癌篩查中的廣泛應(yīng)用[3]，肺結(jié)節(jié)、尤其最大徑<10 mm的結(jié)節(jié)檢出率明顯提高[4]。目前定量CT(quantitative CT， QCT)采用腰椎序列掃描測量BMD，但輻射劑量較大。本研究采用低管電流聯(lián)合迭代模型重建(iterative model reconstruction， IMR)重復(fù)測量仿真胸部體模T12的BMD[5]，探討低管電流聯(lián)合IMR測量BMD的準(zhǔn)確性及其對胸部圖像質(zhì)量的影響。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選用Lungman N1成年男性胸部體模(日本島津公司)，大小約43 cm×40 cm×45 cm，胸圍約94 cm，重約18 kg，其軟組織和骨骼的X線衰減性與真人相同，內(nèi)部結(jié)構(gòu)可拆卸，包括支氣管樹和縱隔等結(jié)構(gòu)。模擬結(jié)節(jié)具有3種密度(CT標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置值分別為-800、-630和100 HU)，每種包括5種直徑(最大徑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置3、5、8、10和12 mm)，共計15個結(jié)節(jié)，固定于胸部體模肺紋理上。

1.2 儀器與方法 采用Philips Brilliance iCT Elite FHD CT儀，螺旋掃描方式，掃描范圍自肺尖至橫膈。掃描參數(shù)：管電壓120 kV，管電流分別為20、30、40、50、60 mAs，螺距0.976，掃描層厚和層間距均為5 mm，球管轉(zhuǎn)速0.5 s/rot，矩陣512×512，F(xiàn)OV 500 mm。重復(fù)進(jìn)行10次掃描。重建方式：采用濾波反投影算法(filtered back projection, FBP)、混合迭代重建技術(shù)(iDose4, Level 4)及IMR(Level 2)重建，層厚和層間距均為1 mm。將重建數(shù)據(jù)統(tǒng)一傳到Philips Portal后處理工作站進(jìn)行相關(guān)胸部圖像評價。

1.3 圖像分析 將重建數(shù)據(jù)上傳至Mindways QCT PRO工作站，采用工作站軟件的自動功能(自動探測邊界及生成ROI等)測量體模T12松質(zhì)骨BMD。由2名具有5年以上工作經(jīng)驗的資深影像醫(yī)師觀察CT圖像，意見不一時經(jīng)協(xié)商統(tǒng)一。管電流20 mAs時，選取結(jié)節(jié)最大橫截面測量其最大徑[6]，取平均值；根據(jù)公式計算結(jié)節(jié)最大徑的偏差度，計算公式：模擬結(jié)節(jié)最大徑偏差度=[(模擬結(jié)節(jié)最大徑平均測值-標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置最大徑)/標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置最大徑]×100%。

通過掃描完成后設(shè)備自動生成的劑量報告單記錄容積CT劑量指數(shù)(volume CT dose index, CTDIvol)和放射劑量長度乘積(dose length produce, DLP)。

1.4 圖像質(zhì)量評價

1.4.1 客觀評價 由上述其中1名醫(yī)師于體模氣管杈處(前縱隔)放置ROI，圓形區(qū)域面積約占軸位圖像的2/3，測量CT值，記為CT1。在同層面椎體背側(cè)豎直肌(左右兩側(cè)，取其平均值)放置ROI，避開T12椎體高密度區(qū)，圓形區(qū)域面積約占豎直肌區(qū)域圖像的2/3，測量CT值，記為CT2；其相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差記為SD。對比噪聲比(contrast to noise ratio, CNR)=(CT1-CT2)/SD。

1.4.2 主觀評價 由上述2名醫(yī)師以盲法獨立評價管電流60 mAs、采用FBP迭代算法與管電流20 mAs、采用IMR(Level 2)迭代算法的體膜胸部縱隔窗(窗寬350 HU，窗位40 HU)和肺窗(窗寬1 500 HU，窗位-700 HU)圖像，評價標(biāo)準(zhǔn)見表1。

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析 采用SPSS 21.0統(tǒng)計分析軟件。CTDIvol、DLP與管電流之間均滿足正態(tài)分布，采用Pearson相關(guān)分析觀察CTDIvol、DLP與管電流的相關(guān)性。對不同管電流、重建技術(shù)下胸部體模T12的BMD及客觀評價結(jié)果采用單因素方差分析進(jìn)行比較；以Mann-whitneyU秩和檢驗比較胸部體模圖像質(zhì)量的主觀評分，Kappa檢驗比較2名醫(yī)師圖像質(zhì)量主觀評分的一致性，Kappa<0.4為一致性較差，0.4≤Kappa≤0.74為一致性中等，Kappa>0.74為一致性較好。P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

表1 胸部體模圖像質(zhì)量主觀評分標(biāo)準(zhǔn)(分)

圖1 管電壓不變、管電流遞增時胸部體模掃描的輻射劑量圖 圖2 管電流20 mAs時，采用3種重建算法獲得15個模擬結(jié)節(jié)的最大徑偏差度圖 A.CT值為-800 HU的結(jié)節(jié)； B.CT值為-630 HU的結(jié)節(jié); C.CT值為100 HU的結(jié)節(jié)

2 結(jié)果

2.1 輻射劑量 管電壓不變、管電流遞增時，胸部體模掃描的輻射劑量見圖1，其中CTDIvol呈線性遞增趨勢，DLP呈線性遞增趨勢，CTDIvol和DLP均與管電流呈正相關(guān)(r均=1，P均<0.001)。

2.2 T12的BMD 管電流、重建技術(shù)不同時，胸部體模T12的BMD比較見表2，差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P均>0.05)。

表2 不同管電流、重建技術(shù)下胸部體模T12的BMD比較(mg/cm3)

2.3 模擬結(jié)節(jié)的觀察結(jié)果 管電流20 mAs時，15個模擬結(jié)節(jié)的最大徑偏差度見圖2。最大徑3 mm和5 mm 的結(jié)節(jié)最大徑偏差度較大(P=0.02)；CT值為-800 HU時結(jié)節(jié)最大徑偏差度較CT值為-630 HU和100 HU大(P=0.03)；3種重建算法相比，采用IMR重建技術(shù)的結(jié)節(jié)最大徑偏差度小于FBP和iDose4(P=0.03)，結(jié)節(jié)邊緣更為清晰(圖3)。

2.4 客觀評價結(jié)果 不同管電流、重建技術(shù)下的CT值、SD值比較見表3，CT值差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P均>0.05)，而SD值差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P均<0.001)，且管電流越小，SD值越大。而管電流相同、重建技術(shù)不同時，SD值差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P均<0.001)，且采用IMR迭代算法獲得的SD值明顯低于iDose4和FBP(P均<0.001)。管電流為20 mAs時，采用IMR迭代算法較FBP的圖像噪聲降低了79.3%，CNR提高至645%。

2.5 主觀評價結(jié)果 胸部體模圖像質(zhì)量主觀評分見表4。管電流20 mAs、采用IMR算法與管電流60 mAs、采用FBP算法的縱隔窗和肺窗圖像質(zhì)量主觀評分差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P均>0.05)。

管電流60 mAs、采用FBP算法時，2名觀察者觀察縱隔窗的一致性較好(Kappa=1.00，P<0.001)，觀察肺窗的一致性中等(Kappa=0.64，P=0.002)；在管電流20 mAs、采用IMR(Level 2)時，2名觀察者觀察縱隔窗的一致性中等(Kappa=0.64，P=0.002)，觀察肺窗的一致性較好(Kappa=1，P<0.001)。

表3 不同管電流、重建技術(shù)下胸部體模前縱隔的CT值、SD值比較(±s)

表3 不同管電流、重建技術(shù)下胸部體模前縱隔的CT值、SD值比較(±s)

管電流(mAs)CT值FBPiDose4(Level4)IMR(Level2)SD值FBPiDose4(Level4)IMR(Level2)2035．53±3．9035．31±3．6834．44±3．5225．36±2．2117．49±1．585．25±0．703034．76±4．2234．84±3．9234．04±3．2920．50±2．8414．61±20．55．26±1．924035．68±3．2235．68±3．1834．04±3．2916．28±0．84411．56±0．614．04±0．395035．70±4．1935．61±4．0235．33±3．8614．85±0．7010．70±0．543．94±0．396038．16±3．7538．08±3．7037．77±3．8713．60±1．019．84±0．823．66±0．41F值1．101．151．6176．3462．256．27P值0．370．340．19<0．001<0．001<0．001

圖3 管電流20 mAs時，置入模擬結(jié)節(jié)的胸部體模軸位圖像 A.FBP重建圖像； B.iDose4(Level 4)重建圖像； C.IMR(Level 2)重建圖像

參數(shù)縱隔窗肺窗20mAs/IMR(Level2)3．80±0．413．90±0．3160mAs/FBP3．85±0．373．85±0．37Z值0．470．41P值0．9140．942

3 討論

骨質(zhì)疏松癥常發(fā)生于老年人，60歲以上發(fā)病率超過60%[7]。常用檢查骨質(zhì)疏松的方法是雙能X線吸收測定法(dual energy X-ray absorptiometry, DXA)和QCT。DXA受體位影響較大，而QCT測量BMD的敏感度高、準(zhǔn)確率好及重復(fù)性強(qiáng)，且受骨體積影響較小[8]，但輻射劑量較大。有學(xué)者[9]測得腰椎CTDIvol為25 mGy，胸部CTDIvol為15 mGy。本組采用胸部條件掃描體模，結(jié)果顯示輻射劑量與管電流輸出呈正相關(guān)，提示管電壓不變時，降低管電流能降低輻射劑量，與胡敏霞等[10]報道一致。本組以不同管電流測得胸部體膜T12的BMD差異均無統(tǒng)計學(xué)意義，而管電流20 mAs時的CTDIvol較管電流60 mAs低，提示QCT采用胸部序列，既可滿足測量BMD的準(zhǔn)確性，又可大幅度降低輻射劑量。

迭代重建技術(shù)通過降低圖像噪聲以提高低密度分辨率。iDose4是第4代重建算法，分為7級[11]，混合了FBP及迭代重建2種成分。最新迭代算法不含F(xiàn)BP成分，通過在數(shù)據(jù)空間和圖像空間上不斷優(yōu)化數(shù)據(jù)統(tǒng)計模型、圖像統(tǒng)計模型以及系統(tǒng)模型而達(dá)到降噪目的。IMR對低劑量CT降噪效果非常顯著，且可明顯提高CNR，從而保證在低劑量條件下獲得良好圖像質(zhì)量[12-13]。本組管電流20 mAs時，采用IMR算法的圖像噪聲明顯降低，且SD值較FBP降低了79.3%、CNR提高至645%；圖像主觀評分均在3分以上，圖像質(zhì)量總體優(yōu)秀，帶來較高的診斷信心。本組胸部圖像肺窗評分均高于縱隔窗，管電流20 mAs、采用IMR算法與管電流60 mAs、采用FBP算法的縱隔窗和肺窗主觀評分差異均無統(tǒng)計學(xué)意義，提示圖像質(zhì)量均可滿足臨床診斷要求。

早期肺癌多為小結(jié)節(jié)，為評估體積倍增時間，準(zhǔn)確測量結(jié)節(jié)最大徑十分必要。低劑量CT圖像上最大橫向軸線最大徑≥4 mm的結(jié)節(jié)提示肺癌可能[14]。有學(xué)者[15]將最大徑≥5 mm并快速增長的結(jié)節(jié)被定義為陽性。本組管電流20 mAs時，最大徑≥3 mm的結(jié)節(jié)(15個)均被檢出；且隨著結(jié)節(jié)最大徑增加，偏差度越小。本組CT值為-800 HU時結(jié)節(jié)最大徑偏差度較CT值為-630 HU和100 HU大，提示密度越高，結(jié)節(jié)最大徑偏差度越?。徊捎肐MR技術(shù)的結(jié)節(jié)最大徑偏差度小于FBP和iDose4，IMR對低劑量CT降噪效果非常顯著，可明顯提高CNR，從而保證在低劑量條件下獲得良好的圖像質(zhì)量。

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《CT成像：基本原理、偽影與誤區(qū)》已出版

由南京軍區(qū)南京總醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科(南京大學(xué)附屬金陵醫(yī)院)王駿主譯的《CT成像：基本原理、偽影與誤區(qū)》一書出版發(fā)行。

該書講述了CT成像的歷史知識和物理學(xué)基礎(chǔ)，包括：滑環(huán)CT、螺旋CT、多排探測器CT、雙源CT等。闡述了心臟CT、神經(jīng)系統(tǒng)CT、體部CT的成像技術(shù)、偽影及相關(guān)誤區(qū)。書中既有理論分析，又有病例個案對照解析，既傳授知識，又注重技術(shù)的實用性。

此外，作者還分析了受檢者的輻射安全與風(fēng)險，提醒廣大醫(yī)務(wù)人員在實際操作的同時應(yīng)注意的一些問題，特別是一項檢查一定要在利大于弊的情況下方可執(zhí)行，且要在滿足影像診斷的基礎(chǔ)上使用最低劑量，做到X線劑量個體化。為檢測讀者閱讀效果，作者還在該書的最后列出一些問題測試及相關(guān)解答。

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