探討能譜CT單能量圖像對計算機輔助檢測系統(tǒng)肺栓塞檢出率的影響

竇越群，于楠，郭佑民，于勇，段海峰，楊創(chuàng)勃，馬光明

肺動脈栓塞(pulmonary embolism，PE)是內源或外源性栓子阻塞肺動脈主干或其分支引起肺循環(huán)障礙的臨床綜合征。肺栓塞是常見的心血管疾病，發(fā)病率和死亡率高居第3位，僅次于冠心病和高血壓性腦卒中[1]。目前CT肺動脈成像(CT pulmonary angiography，CTPA)是診斷PE的首選無創(chuàng)性檢查方法。隨著CT技術的發(fā)展，對PE的檢出敏感度和特異度明顯提高，但臨床上對PE的診斷仍面臨挑戰(zhàn)。主要包括：圖像數量較多，診斷耗時，醫(yī)師易出現視覺疲勞；低年資醫(yī)師可能因經驗不足或者圖像的窗寬、窗位設置不合適而漏診。計算機輔助診斷(computer aided diagnosis，CAD)系統(tǒng)能夠縮短放射醫(yī)師的工作時間，降低單獨閱片的疏漏，同時能夠增強低年資放射醫(yī)師的診斷信心，提高其對栓子的檢出能力[2]。但是，CAD系統(tǒng)診斷PE也存在一定缺點，主要是假陽性率偏高或不穩(wěn)定，有文獻報道CAD的假陽性率高達25%[3]，其中圖像質量差及圖像噪聲較大均可能導致陽性預測值降低。

能譜CT單能量圖像能夠使同一種物質的衰減系數恒定，避免硬化效應的產生，從而顯著提高圖像質量[4]。近期有文獻報，對于PE的檢出，能譜CT單能量圖像(65～70 keV)能夠顯著降低圖像的噪聲，增加對比噪聲比和醫(yī)師的診斷信心[5]。而能譜CT不同水平單能量圖像對CAD檢出肺栓塞的影響是未知的，本研究的旨在探討不同水平單能量圖像對CAD診斷PE準確性的影響。

材料與方法

1.一般資料

本研究經本院倫理委員會審批通過。所有患者在增強檢查前知情同意并簽署知情同意書。

搜集2017年7月-2017年12月在本院診斷為肺動脈栓塞的29例患者的病例資料。排除標準：①單能量圖像不能導入CAD分析軟件；②肺部有其它病變；③胸腔積液較多；④圖像信息不全。經篩選后共20例患者納入本研究，男11例，女性9例，年齡36～78歲，平均(53.9±12.9)歲?；颊咧饕R床表現為咳嗽、胸悶、胸痛及呼吸困難等。有下肢血栓史6例，骨折術后4例，腫瘤病史4例，高血壓病史2例，無基礎病史4例。

2.檢查方法

使用GE Discovery CT750 HD能譜CT機。掃描范圍自胸廓入口至膈肌水平，掃描參數： 80/140 kVp瞬時切換(選用GSI-1協(xié)議)，螺距1.375，0.5 s/r，視野50 cm×50 cm，探測器寬度0.625 mm×64，層厚5 mm。使用高壓注射器經靜脈注入非離子型對比劑碘海醇(350 mg I/mg)，總量50 mL，注射流率4.0 mL/s，對比劑注射完畢后，以相同流率注入生理鹽水40 mL。使用團注觸發(fā)掃描技術，感興趣區(qū)(region of interest，ROI)放置于肺動脈主干所在層面，閾值設為120 HU。

3.圖像重建

掃描完成后對原始數據進行薄層重建，層厚1.250 mm，層距0.625 mm；40～80 keV的單能量圖像每間隔5 keV進行重建，共有9組圖像，其中60～80 keV單能量圖像采用60%自適應迭代重建算法(adaptive statistical iterative reconstruct，ASIR)進行重建，而40～55 keV單能量圖像由于AW4.6工作站軟件的限制只能采用常規(guī)濾波反投影算法(filtered back projection，FBP)進行重建。然后將所有圖像導入ADW 4.6工作站進行數據測量。

4.圖像分析及測量

兩位分別有10和15年胸部影像學診斷經驗的放射科醫(yī)師分別在AW 4.6工作站上獨立閱片，對每例患者的9組單能量圖像進行評價，窗寬和窗位分別設置為600和200 HU，可根據實際情況調整。標記每個栓子的位置，當兩位醫(yī)師標記不一致時，則由另1位具有20年胸部影像學診斷經驗的上級放射科醫(yī)師進行判斷。以AW4.6工作站上醫(yī)師的閱片結果結合CAD的診斷結果來共同確定真性栓子，作為最終診斷結果(金標準)。

在65 keV單能量圖像上于肺動脈分叉層面放置ROI，大小1.5～2.0 cm2，測量肺動脈的CT值；其它8組單能量圖像上在相同層面、相同位置放置相同的ROI進行測量。此外，選取栓子最大層面，在栓子中心實性區(qū)域勾畫ROI，大小約占栓子最大橫斷面積的2/3，測量栓子的CT值和標準差(SD)。計算栓子的對比噪聲比(contrast-to-noise ratio，CNR)和肺動脈與栓子CT值的差值(△CT)：

(1)

CT=CT1-CT2

(2)

其中，CT1為肺動脈主干的CT值，CT2為栓子的CT值，SD為栓子CT值的標準差。

5.CAD分析

將各組單能量圖像導入 “數字肺”CAD軟件用于栓子的檢測，主要包括以下幾個步驟：①應用三維骨架提取算法對肺動脈進行分割，采用血管追蹤技術對圖像上血管中斷處進行修補。②提取所有肺動脈血管骨架，以血管樹形式顯示。③利用密度閾值法在肺動脈中自動檢出連續(xù)低密度區(qū)，即定義為栓子。將各組單能量圖像上CAD檢測結果與真性栓子(參考標準)的情況進行比較，若相符合則認定為真陽性栓子，否則為假陽性栓子，計算不同水平單能量圖像上CAD對栓子的檢出率和假陽性率。

6.統(tǒng)計分析

使用SPSS 17.0軟件進行統(tǒng)計分析。計量資料采用均值±標準差的形式表示，計數資料采用例數和百分比的形式表示。不同單能量圖像上栓子CNR的比較采用重復測量的單因素方差分析。以P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

結 果

1.栓子檢測結果

20例患者中兩位醫(yī)師共標記出132個栓子，其中97個標記一致，確定為真性栓子；35個標記不一致，其中19個經上級醫(yī)師確定為真性栓子。4個位于亞段以下肺動脈內的栓子兩位醫(yī)師均未能標記出，經CAD檢出后經上級醫(yī)師再次審查確定為栓子。最終共確定了120個栓子(作為參考標準)，平均每例患者6.0個栓子。其中，位于肺動脈主干7個(5.83%)，葉級肺動脈19個(15.83%)，位于段級肺動脈35個(29.17%)，亞段級43個(35.83%)，亞段級以下肺動脈16個(13.33%)。

各級單能量圖像上CAD對栓子的檢出率和假陽性率見表1。低keV(<60 keV)單能量圖像上CAD檢出栓子的敏感度較低(圖1)；高keV(>65 keV)單能量圖像上假陽性率較高(圖2)。在60和65 keV單能量水平，檢出敏感度相對較高且假陽性率相對較低。

表1 各單能量圖像上CAD對栓子的檢出結果

2.CT值和栓子的CNR

不同單能量圖像上△CT值和栓子的CNR測量結果見表2。在65 keV水平栓子的CNR最高，相對于其它單能量水平分別增加了約51.69%(40 keV)、48.89%(45 keV)、42.5%(50 keV)、45.85%(55 keV)、1.08%(60 keV)、23.17%(70 keV)、51.41%(75 keV)和54.39%(80 keV)。不同單能量水平間栓子CNR的差異有統(tǒng)計學意義(F=13.31，P=0.000)。進一步進行各單能量水平組間兩兩比較，60和65 keV水平栓子的CNR高于其它單能量水平，差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.05)；而這二者之間差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。

表2 各單能量圖像上△CT值和栓子的CNR

討 論

CAD在臨床工作中應用日益廣泛，它能夠明顯提升對疾病檢測的敏感性，CAD亦由僅僅幫助放射科醫(yī)師發(fā)現疾病，發(fā)展到具有潛在診斷功能的領域[6-7]。肺血管系統(tǒng)也是實現CAD診斷的一個重要領域[8]。近期的幾項研究中對CAD作為輔助工具在診斷PE中的作用進行了評估，結果顯示CAD有助于PE的診斷，尤其是對缺乏經驗的放射科醫(yī)師[3,9]。Engelke等[10]報道CAD輔助技術能顯著提高初學者對肺動脈主干及葉、段及段以下肺動脈的檢出率，而對于年資較高者，僅提高了對肺段及肺段以下肺動脈栓塞的檢出率。需要指出的是，CAD診斷PE也存在一定缺點，即陽性預測值過低，有時甚至低至20%。有很多因素可導致CAD對PE的陽性預測值降低，如掃描時相不準，肺動脈強化程度未達到理想值；上腔靜脈、右心內對比劑高密度偽影；呼吸或心臟運動偽影以及圖像噪聲等[3]。有研究結果表明單能量圖像能夠提升CNR，有利于放射科醫(yī)師發(fā)現PE[11]，但是目前基于不同單能量水平的CAD系統(tǒng)對于PE的診斷價值的相關報道較少。本研究主旨在探討不同水平單能量圖像對CAD檢出PE準確率的影響，并探尋有利于CAD檢測的最佳單能量水平。

能譜CT最佳單能量圖像既有合適的噪聲又有較高的CNR，這為提高CAD結合單能量圖像對栓子的檢出率及準確性提供了理論依據。能譜CT探測器對X線的余暉效應減少了10倍，而發(fā)射速度提升了150倍；低余輝效應和高速射線，能夠使數據采集更快，減少硬化偽影，避免平均衰減效應，提高圖像質量[4]。能譜CT單次掃描可以獲得40～140 keV的多組單能量圖像，能夠降低線束硬化所致的CT值“漂移”的影響。不同keV的單能量圖像具有不同的特征，低能量時X線穿透力弱，但組織對比度大，能得到更高的CT值和噪聲值，而高能量水平時X線穿透力強，但獲得的組織對比度??；當某個能量水平組織的對比度和噪聲達到平衡時，即組織對比度最好而CT值和噪聲相對較小，這一能量水平稱為最佳單能量圖像。筆者發(fā)現栓子的噪聲隨著能量水平的改變變化幅度較大，尤其是在低keV時噪聲明顯增大，而血管噪聲隨能量水平變化的曲線較平滑，筆者認為栓子噪聲的增加對于CAD準確檢出栓子的影響較大，因此本研究中對于栓子CNR的計算選取栓子的SD作為分母。本研究結果顯示在60和65 keV栓子的CNR高于其它單能量水平，這與cheng等[5]的研究結果不同，他們發(fā)現50keV可獲得最好的CNR，筆者分析可能的原因是他們計算CNR時以血管的SD作為分母，而筆者采用栓子的SD作為分母。

本研究結果顯示，低keV(40～55 kev)時CAD檢出栓子的假陽性率很低(0%～5.75%)，但敏感度也很低(40.00%～68.33%)；高keV(70～80 keV)時CAD檢出栓子的敏感度很高(80.00%～85.38%)，但假陽性率也很高(30.43%～54.42%)。因此，在強化的血管中利用CAD檢出無強化的栓子時，僅僅優(yōu)化CNR是不夠的。圖像整體質量、栓子與肺動脈CT值的差值及栓子的噪聲、密度和大小同樣影響CAD對于栓子的檢出。通過不同水平單能量圖像可以協(xié)調肺動脈和栓子的CT值，并使其差異最大。本研究中在低keV單能量水平圖像上肺動脈與栓子的CT值差異較大，但是CAD對栓子的檢出率卻較低，分析原因如下：①低光子(低keV)條件下能提高對比劑的增強效果，血管內CT值最高，肺動脈和栓子的CT值差異最大，然而光子量減少也伴隨著圖像噪聲的增加，因此低keV圖像上栓子的檢出率較低；②可能是由于低keV單能量圖像上血管內CT值過高，產生高密度偽影或增強了“容積效應”而導致CAD漏診體積較小或者長條形的栓子(圖2b)；③肺動脈與栓子CT值差值的標準差隨著能量水平的降低而增加，這也會影響CAD對栓子的檢出率。而在高keV(≥70 keV)單能量水平肺動脈和栓子的CT值差異隨著單能量水平的增加而降低，假陽性率則隨之升高，這與高keV水平下肺動脈和栓子的CT值較低有關，另外高keV圖像更能體現出對比劑在血管內混合的不均一性，間接放大了這種差異，導致血管內對比劑較少的低密度區(qū)被誤診為栓子。因此，栓子的CNR、肺動脈與栓子的CT值差值和圖像噪聲三者之間相互平衡，才更有利于CAD檢出栓子。本研究中在60和65 keV栓子的CNR高于其它單能量水平，差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)；而60～65 keV肺動脈與栓子CT值差值為413.14和483.17 HU；CAD結合60和65 keV單能量圖像檢出栓子的敏感度較高，而假陽性率較低，所以，對于CAD檢出栓子而言最佳單能量水平位于60～65 keV。

本研究存在的不足之處：首先，由于機器及軟件的限制，40～55 keV的4組單能量圖像只能采用FBP法進行重建，而60～80 keV的單能量圖像可采用ASIR進行重建，這可能造成研究結果有一定偏倚；其次，樣本量相對較少；再者，對60～80 keV單能量水平的圖象進行重建時ASIR的選擇，僅僅根據文獻研究和個人經驗，選擇60%的ASIR重建，不同個體重建時最佳ASIR可能不同，還需要進一步增加樣本量，拓展研究范圍。