基于ASiR-V算法的超低劑量CT應用于肺部非實性結節(jié)檢出與測量的可行性研究

葉凱，朱巧，李美嬌，盧禹流，袁慧書

肺癌是一種發(fā)病率和死亡率極高的疾病，現(xiàn)階段尚無治愈手段，早期發(fā)現(xiàn)和早期治療是目前降低肺癌死亡率的最有效方法[1]。早期肺癌主要表現(xiàn)為肺內結節(jié)，由于缺乏良好的定性手段，臨床上主要靠長期低劑量CT(low dose computed tomography，LDCT)篩查的方法來進行肺內結節(jié)良、惡性的判定[2]。目前，指南推薦用于肺癌篩查的LDCT劑量為1.5 mSv左右，遠高于X線胸片的輻射劑量(0.03～0.10 mSv)，連續(xù)多年篩查的累計輻射風險不容忽視[3-4]。非實性結節(jié)(non-solid nodule，NSN)由于具有較高的惡性率和生長惰性，需長期復查，因此患者的輻射風險也更大[5]。因此，能否采用超低劑量CT(ultra-LDCT,ULDCT)對肺部NSN進行檢查已成為臨床研究熱點?；诙嗄Ｐ偷淖赃m應統(tǒng)計迭代重建-V(adaptive statistical iterative reconstruction Veo，ASiR-V)是一種新開發(fā)的圖像重建算法，具有良好的降噪能力，目前在臨床研究中應用廣泛，有望進一步減低CT檢查的輻射劑量[6-7]。本研究旨在探討基于ASiR-V算法的ULDCT能否在輻射劑量低至X線胸片的水平對肺部NSN進行準確的檢出和測量。

材料與方法

1.研究對象

本研究屬于單中心的前瞻性研究，研究方案(M2017217)已通過本院倫理委員會審核。所有受檢者于檢查前被告知整個檢查過程及目的，且簽署知情同意書。

選取2017年9月-2018年9月在本院行胸部LDCT檢查的患者納入觀察?；颊呷虢M標準：①年齡≥18歲且BMI≤30kg/m2；②胸部LDCT檢查發(fā)現(xiàn)1～3個肺部NSN，包括部分實性結節(jié)(part-solid no-dule，PSN)及純磨玻璃密度結節(jié)(ground-glass no-dule，GGN)；③結節(jié)平均長徑為5～20 mm，平均長徑為結節(jié)最大長徑與其垂直長徑之和的均值；④LDCT檢查中，肺內無廣泛性實變和(或)大范圍肺不張等影響結節(jié)觀察的病變；⑤患者LDCT圖像質量滿足診斷要求。

本研究最終納入符合標準的受試者65例，其中男20例，女45例；年齡26～87歲，平均(55.9±15.9)歲；體質指數(shù)(body mass index，BMI)為17.58～28.76 kg/m2，平均(23.2±2.7) kg/m2。

2.CT掃描方案

使用GE Revolution 256排CT機。患者取仰臥位、頭先進，于深吸氣后屏氣相行螺旋CT掃描。先行LDCT掃描，掃描結束后以選定結節(jié)為中心層面，立即行ULDCT局部掃描。層面選擇標準：①若僅有1個結節(jié)，則以此結節(jié)為中心進行局部掃描；②多個結節(jié)則優(yōu)先選擇PSN，且優(yōu)先選擇長徑較小的結節(jié)。LDCT掃描參數(shù)：自動kV(120/100 kV)，智能mA(50～680 mA)，噪聲指數(shù)14.1，0.28 s/r，準直寬度64×0.625 mm，螺距0.984，顯示野36 cm×36 cm。ULDCT掃描參數(shù)：120 kV，10 mA(為機器最低值)，關閉噪聲指數(shù)調節(jié)， 0.28 s/r，掃描范圍為以選定結節(jié)為中心層面、上下各1.5 cm，其它掃描參數(shù)同LDCT。

3.圖像重建

LDCT掃描和ULDCT局部掃描得到的數(shù)據(jù)均采用ASiR-V 50%算法進行圖像重建，層厚與層間距均為2.5 mm，圖像矩陣為512×512。根據(jù)美國國家綜合癌癥網(wǎng)絡2019版肺癌篩查指南要求[8]，行LDCT肺癌篩查時，CT圖像重建層厚應≤2.5 mm，同時層間距≤層厚?？紤]到臨床常規(guī)診療中肺部CT檢查多采用5.0 mm重建層厚及層間距的實際情況，以及本研究中結節(jié)長徑為5～20 mm，因此本研究中重建層厚和層間距均采用2.5 mm。

4.輻射劑量的計算

記錄LDCT掃描的掃描長度(length，L)和容積CT劑量指數(shù)(CT dose index volume,CTDIvol)，計算劑量長度乘積(dose length product，DLP)和有效輻射劑量(effective dose，ED)：

DLP=CTDIvol×L

(1)

ED=DLP×k

(2)

其中，k為歐洲CT質量標準指南中胸部轉換因子，k=0.014mSv/(mGy·cm)[9]。記錄ULDCT局部掃描的CTDIvol和DLP ，并依據(jù)LDCT檢查的L，對ULDCT全肺掃描的DLP及ED進行虛擬計算[10]。

4.圖像質量的評價

客觀評價：放射診斷醫(yī)師A在所選結節(jié)最大長徑層面，于縱隔窗圖像上對LDCT和ULDCT進行圖像噪聲(noise index，NI)的測量。感興趣區(qū)(region of interest，ROI)置于結節(jié)同側皮下脂肪及椎旁肌中，ROI面積為40～60 mm2，注意避開邊界區(qū)域，以連續(xù)3個層面上勾畫的ROI的CT值的標準差的均值為NI。

主觀評價：由2位放射科醫(yī)師B和C(分別具有5年及7年診斷經(jīng)驗)在未知實驗設計及圖像參數(shù)的情況下，獨立對兩組肺重建圖像(窗位-600 HU、窗寬1600 HU)的質量進行主觀評分(score，S)，采用5分制標準[11]。1分：圖像質量達不到診斷要求，偽影十分嚴重，無法進行診斷評價；2分：有嚴重偽影，無法給出確定的診斷評價；3分：中等程度偽影，使診斷受到部分限制；4分：少許偽影，診斷不受限制；5分：圖像質量非常好，完全沒有偽影。3分及以上為圖像質量滿足診斷要求。

5.結節(jié)分析

在圖像質量主觀評價結束一個月后，醫(yī)師B和醫(yī)師C在LDCT重建圖像上對結節(jié)進行獨立分析。分別記錄每一個結節(jié)的位置、類型及平均長徑。當兩位醫(yī)師對結節(jié)類型有異議時，由第三位高年資醫(yī)師D(20年放射診斷經(jīng)驗)進行評判。LDCT圖像上結節(jié)的平均長徑取兩位醫(yī)師測量值的均值。

按結節(jié)平均長徑，將結節(jié)分為3組。A組：5 mm≤平均長徑<6 mm；B組：6 mm≤平均長徑<8 mm；C組：平均長徑>8 mm。此外，按照受檢者的BMI，將患者分為D、E和F三組，分別為BMI<24 kg/m2、24 kg/m2≤BMI<28 kg/m2和28 kg/m2≤BMI≤30 kg/m2。

在LDCT閱片結束一個月后，由同樣兩位醫(yī)師在ULDCT圖像上對結節(jié)進行獨立分析，分別記錄兩者的閱片結果。以LDCT閱片結果作為金標準。

6.統(tǒng)計分析

使用SPSS 20.0軟件進行統(tǒng)計分析。計量資料以均數(shù)±標準差的形式表示，圖像質量的主觀評分以均值表示。結節(jié)檢出率的比較采用卡方檢驗，平均長徑的比較采用單因素方差分析，進一步組間兩兩比較采用最小顯著差異(least-significant difference，LSD)檢驗。DLP、ED、NI及圖像質量主觀評分的比較采用配對t檢驗。通過計算組內相關系數(shù)(intraclass correlation efficient，ICC值)來分析2位醫(yī)師主觀評分的一致性，ICC>0.8表示強相關，0.4～0.8表示中等程度相關，ICC<0.4表示弱相關。通過計算Kappa值來檢驗兩位醫(yī)師對結節(jié)檢出率間的一致性，Kappa>0.75表示強相關，0.40～0.75表示中等程度相關，<0.40表示弱相關。采用Bland-Altman檢驗分析兩位醫(yī)師對結節(jié)平均長徑測量值間的一致性。以P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

結 果

1.輻射劑量和圖像噪聲

兩個掃描序列的輻射劑量相關參數(shù)值及圖像噪聲見表1。ULDCT的CTDIvol、DLP及ED值均明顯低于LDCT，差異均具有統(tǒng)計學意義(P<0.001)。LDCT圖像皮下脂肪和椎旁肌的NI值均明顯低于ULDCT，差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.001)。

表1 兩種掃描序列輻射劑量及圖像噪聲的比較

2.圖像質量主觀評價

兩位醫(yī)師對ULDCT圖像質量主觀評分的ICC值為0.841(95%CI：0.752～0.900)，表明一致性良好。兩位醫(yī)師對ULDCT圖像的主觀評分均低于LDCT(χ2=49.787和，P<0.001；χ2=44.227，P<0.001)，但主觀評分滿足最低診斷需求(≥3分)的比例卻高達98.5%(表2)。

表2 兩位醫(yī)師對LDCT及ULDCT圖像質量的評分情況 (例)

3.結節(jié)檢出率分析

鑒于兩位醫(yī)師在ULDCT圖像上對NSN的檢出結果具有良好的一致性(Kappa值=0.947)，因此選用醫(yī)師B的讀片結果進行ULDCT結節(jié)檢出率的分析。本研究于LDCT圖像上共選定65個NSN進行分析，包含7個PSN和58個GGN。ULDCT共檢出54個NSN，包括6個PSN和48個GGN(圖1～2)。ULDCT圖像上結節(jié)的總體檢出率為83.1%(95%CI：74.0%～92.2%)；11個未檢出的NSN中，有10個的平均長徑<6 mm，1個平均長徑為9.1 mm。

4.結節(jié)大小的測量

兩位醫(yī)師在LDCT與ULDCT圖像上對結節(jié)平均長徑的測量值間的Bland-Altman一致性分析見圖3。LDCT圖像上測得的NSN平均長徑為5.0～13.3 mm，均值為(6.6±2.0) mm；ULDCT圖像上NSN的平均長徑為3.7～13.5 mm，均值為(6.7±2.1) mm；兩組圖像上結節(jié)平均長徑測量值之間的差異無統(tǒng)計學意義(P=0.844)。兩位醫(yī)師在ULDCT圖像上測得的結節(jié)平均長徑間差值的均值為0.02 mm，平均長徑差值>1 mm的結節(jié)比例為0%；LDCT與ULDCT圖像上結節(jié)平均長徑測量值間差值的均值為0.13 mm，平均長徑差值>1 mm的結節(jié)比例為1.9%。

圖1 女，33歲，BMI為19.22kg/m2，右肺下葉GGN(箭)，大小為7.0mm，在兩組圖像中均顯示清晰。a)LDCT(50% ASiR-V)重建圖像；b)ULDCT(50% ASiR-V)重建圖像。 圖2 女，68歲，BMI為24.97kg/m2，右肺上葉GGN(箭)，大小為7.2mm，在兩組圖像上均顯示良好。a)LDCT(50% ASiR-V)重建圖像；b)ULDCT(50% ASiR-V)重建圖像。

圖3 兩位醫(yī)師結節(jié)平均長徑測量值間的Bland-Altman分析圖。a)ULDCT圖像上兩位醫(yī)師對NSN平均長徑測量值間的一致性比較；b)LDCT與ULDCT圖像上平均長徑測量值間一致性的比較。

5.結節(jié)檢出率影響因素分析

對NSN檢出率影響因素的單因素方差分析結果顯示，NSN檢出組的平均長徑[(6.8±2.1) mm]顯著大于未檢出組[(5.6±1.2) mm]，差異有統(tǒng)計學意義(t=2.579，P=0.016)；而檢出組的BMI(23.1±2.7kg/m2)與未檢出組(23.1±2.7kg/m2)比較，差異無統(tǒng)計學意義(t=-0.895，P=0.374)。

對于不同平均長徑的NSN而言，A、B、C三組的檢出率分別為73.0%(27/37)、100%(15/15)和92.3%(12/13)，三組間差異具有統(tǒng)計學意義(χ2=6.112，P=0.032)。進一步進行組間兩兩比較，平均長徑≥6 mm的結節(jié)組中檢出率顯著高于平均長徑<6 mm的結節(jié)組(χ2=4.680，P=0.031)，而6 mm≤平均長徑<8 mm組與平均長徑≥8 mm組之間結節(jié)檢出率的差異無統(tǒng)計學意義(P=0.464)。

在BMI≤30 kg/m2的3組(D、E、F)患者中，在ULDCT圖像上NSN檢出率分別為86.8%(33/38)、76%(19/25)和100%(2/2)，三組間肺結節(jié)檢出率的差異無統(tǒng)計學意義(χ2=1.492，P=0.532)。

討 論

1.ULDCT輻射劑量及圖像質量

有研究表明，長期LDCT肺癌篩查可使患者患癌率提高0.2%～1.0%[12]。因此，在保證LDCT篩查圖像質量的前提下，盡可能地降低輻射劑量顯得十分必要。本研究中基于ASiR-V算法的ULDCT肺部掃描的有效輻射劑量為0.096 mSv，明顯低于現(xiàn)行LDCT肺癌篩查的1.5 mSv，較本研究中LDCT掃描的劑量(0.88 mSv)亦降低了近90%，僅與一次胸部X線檢查的輻射劑量(0.03～0.10 mSv)相當[3]。隨著輻射劑量的顯著降低，ULDCT圖像的噪聲有所增大，但其圖像質量滿足診斷要求的比例仍然高達98.5%，與Miller等[13]的研究結果一致。此外，有研究中將深度學習應用于胸部ULDCT 圖像的重建，結果顯示在0.35 mSv的條件下，基于深度學習的重建方法可以明顯改善圖像質量，其圖像質量與基于迭代重建的ULDCT掃描的圖像質量相當[14]。因此，我們認為，在輻射劑量低至X線胸片的條件下，基于ASiR-V算法的ULDCT可以為肺部小結節(jié)的篩查提供滿意的圖像質量。

2.UDLCT圖像上結節(jié)平均長徑的分析

在肺癌篩查中，結節(jié)的平均長徑是決定結節(jié)處理方案的重要因素，不同長徑結節(jié)的處理方式有明顯差異。本研究中LDCT與ULDCT圖像上測得的NSN平均長徑差值的均值僅為0.13 mm，且兩者測量值差值>1 mm的結節(jié)的比例<2%，表明ULDCT與LDCT在NSN平均長徑的測量上具有良好的一致性。何欣等[15]基于體模的研究結果亦顯示出ULDCT圖像上對NSN徑線的測量具有較高的準確性，與本研究結果一致。以上研究結果表明，基于ASiR-V算法的ULDCT可以對肺部NSN的徑線進行準確測量。

3.ULDCT圖像上結節(jié)檢出率影響因素的分析

對NSN檢出率的單因素分析及分組分析結果表明，結節(jié)平均長徑對結節(jié)的檢出影響顯著，而受檢者的BMI對結節(jié)檢出率無顯著影響。在結節(jié)較小時，隨著結節(jié)平均長徑的增大，結節(jié)的檢出率升高，本研究中在6 mm≤平均長徑<8 mm組中NSN的檢出率為100.0%，明顯高于平均長徑<6 mm組的73%的檢出率；但是，平均長徑≥6 mm時，結節(jié)平均長徑的變化對結節(jié)的檢出率并無顯著影響。盡管ULDCT圖像上平均長徑在6 mm以下NSN的檢出率略低，但6 mm以上NSN的檢出率高達96.4%，表明ULDCT對6 mm以上結節(jié)具有良好的檢出能力，與Messerli等[16]的研究結果一致。隨著結節(jié)長徑的增加，惡性的可能性增大，但6 mm以下結節(jié)的惡性可能性很小，2017版的Fleischner學會指南甚至不推薦對6 mm以下的肺部小結節(jié)進行復查處理[17]。同時有學者認為，對于診斷實驗而言，能夠被接受的最小檢出敏感度為80%[18]。鑒于ULDCT對6 mm以上結節(jié)的檢出敏感度大于95%，因此筆者認為，在患者的BMI≤30 kg/m2的條件下，ULDCT可以滿足臨床對于肺部小結節(jié)檢出敏感度的要求。

本研究尚存在一些不足之處：首先，本研究僅納入了平均長徑5 mm及以上NSN和BMI≤30 kg/m2的患者，研究樣本量較小，需要進一步增加樣本量；其次，由于本研究是前瞻性研究，因此僅對NSN進行小范圍的ULDCT掃描，缺乏對全肺ULDCT掃描質量的評估，尚需在后期的研究中進一步進行相關研究；第三，本研究中圖像重建層厚為2.5 mm，在后期研究中需對更薄層重建(如1.25 mm層厚)的圖像質量等進行分析。

總之，基于ASiR-V算法的ULDCT肺部掃描在輻射劑量低至0.096 mSv的條件下依然能夠獲得較高的圖像質量，并且對6 mm以上肺部小結節(jié)提供極高的檢出率和良好的長徑測量一致性?；贏SiR-V算法的ULDCT可以在BMI≤30 kg/m2的人群中應用于肺部非實性結節(jié)的檢出和測量。