雙源CT雙能量肺動脈成像：多種后處理方法的對比

羅顯麗，孫鋁，王鳳，金開元，李邦國

目前，CT肺動脈成像(CT pulmonary angiography，CTPA)已取代傳統(tǒng)肺動脈造影成為診斷肺動脈栓塞(pulmonary embolism，PE)的主要手段而廣泛應(yīng)用于臨床。因此，如何在保證CT圖像質(zhì)量的前提下有效減少輻射劑量已成為CT業(yè)界的研究熱點。降低管電壓可明顯減低輻射劑量，但同時圖像噪聲增加，影響圖像質(zhì)量。然而，圖像質(zhì)量還與圖像后處理方法密切相關(guān)。因此，本研究擬通過對比分析雙源CT雙能量肺動脈成像中采用正弦圖迭代重建(sinogram affirmed iterative reconstruction,SAFIRE)和濾波反投影(filtered back projection,FBP)法分別聯(lián)合雙能量線性融合(linear blending,LB)和非線性融合(non-linear blending,NLB)技術(shù)對圖像質(zhì)量和輻射劑量的影響，旨在優(yōu)化CTPA的圖像后處理方案。

材料與方法

1.一般資料

對本院2014年10月-2019 年4月臨床疑診為PE、且體質(zhì)指數(shù)為17～27 kg/m2的170例患者行雙源CT雙能量肺動脈成像。將患者隨機分為兩組，A組90例，女47例，男43例，年齡(63.76±15.49)歲；B組80例，女39例，男41例，年齡(63.53±14.18)歲。

2.CTPA檢查方法

使用Siemens Somatom Definition Flash雙源CT機。掃描范圍自肺尖至肺底水平，足頭方向。常規(guī)CT平掃后行雙能量增強掃描，對比劑選用碘海醇(350 mg I/mL)，劑量40～50 mL，流率3.5～4.0 mL/s，對比劑推注完成后以相同流率注射30 mL生理鹽水。采用對比劑示蹤技術(shù)，在肺動脈主干分叉層面的肺動脈干管腔內(nèi)設(shè)置ROI，動態(tài)監(jiān)測其CT值，觸發(fā)閾值為80 HU，延遲7 s后啟動掃描。A組采用80kV/Sn140kV掃描模式，參考管電流為179/76 mAs；B組采用100kV/Sn140kV掃描模式，參考管電流為89/76 mAs。兩組均采用智能管電壓(CARE Dose 4D)和智能管電流(X-CARE)調(diào)制技術(shù)。其它掃描參數(shù)：層厚5.0 mm，螺距0.55，球管旋轉(zhuǎn)時間0.28 s/rot，準(zhǔn)直器寬度128×0.6 mm。

3.圖像重建及分組

分別采用FBP及SAFIRE(重建等級為3)對A組原始數(shù)據(jù)進行重建，獲得兩種不同重建方式的80 kV圖、140 kV圖及線性融合圖(M=0.6)，將所有圖像傳輸至Siemens MMWP后處理工作站，然后利用雙能量Optimal Contrast軟件對80 kV或140 kV圖進行非線性處理(融合中心=150 HU，融合寬度=200 HU)，獲得不同重建方式的非線性融合(NLB)圖，將FBP重建的LB圖、NLB圖及SAFIRE的LB圖、NLB圖依次設(shè)為A1～A4組。采用FBP對B組原始掃描數(shù)據(jù)進行重建，獲得100 kV圖、140 kV圖及LB圖(M=0.6)。所有圖像重建方案的重建層厚為0.75 mm，層間距0.70 mm，A1～A4組和B組的重建卷積核分別為D26f、D26、Q33f、Q33和D26f。

4.圖像分析

圖像質(zhì)量的客觀評估：在橫軸面圖像上分別在5處肺動脈主干及分支(肺動脈干、雙側(cè)肺動脈干、雙側(cè)上、下葉肺動脈)內(nèi)勾畫ROI測量CT值，并在肺動脈主干分叉層面測量背部肌肉及胸壁前方空氣的CT值(ROI面積為90～100 mm2)，并將空氣CT值的標(biāo)準(zhǔn)差作為背景噪聲(background noise，BN)。每個ROI盡可能放置在所測肺動脈段的遠端，但若為葉肺動脈時，其管腔直徑不小于4 mm，ROI大小為該血管斷面的2/3，若血管內(nèi)有血栓時，不測量該血管及其遠端分支[1-2]。A1～A4組各支血管的ROI位置、大小均保持一致。按公式(1)和(2)計算肺動脈各處的SNR及CNR：

(1)

(2)

圖像質(zhì)量的主觀評估：由2位高年資放射科醫(yī)師采用雙盲法、5分制以薄層橫斷位結(jié)合MPR、MIP等對5組圖像進行評分，意見有分歧時經(jīng)協(xié)商達成一致意見。評分標(biāo)準(zhǔn)[1]：1分，圖像質(zhì)量好，能清晰顯示亞段及以下肺動脈分支；2分，圖像質(zhì)量良好，能清晰顯示亞段肺動脈分支；3分，圖像質(zhì)量尚可，能清晰顯示段肺動脈分支，但對于段以下肺動脈不能完全清晰顯示；4分，圖像質(zhì)量較差，僅能清晰顯示葉肺動脈，段及亞段肺動脈顯示不確切；5分，難以診斷肺栓塞，需重新掃描。

PE的診斷及栓子計數(shù)：由進行圖像質(zhì)量評價的2位放射科醫(yī)師采用雙盲法隨機讀取5組圖像，其中一位醫(yī)師間隔不同時間分別讀取兩次，對有無肺栓塞、栓子的部位及數(shù)目進行診斷，并按照中央型和周圍型進行記錄，兩位醫(yī)師意見不一致時經(jīng)商議后達成一致意見，計算組內(nèi)ICC和組間ICC值。以CTPA聯(lián)合肺灌注圖(lung perfusion blood volume，Lung PBV)和Lung Vessels圖作為診斷PE的參考標(biāo)準(zhǔn)，即CTPA陽性或CTPA陰性但Lung PBV圖呈尖端指向肺門的楔形灌注缺損、Lung Vessels圖同時顯示紅色或灰色栓子而相應(yīng)區(qū)域肺部無異常發(fā)現(xiàn)，抗凝治療后Lung PBV圖上灌注異常區(qū)域及Lung Vessels圖上紅色或灰色栓子消失[3-4]。計算2位醫(yī)師在各組圖像上對栓子的診斷符合率。

5.輻射劑量評估

CTPA掃描完成后記錄機器自動生成的容積CT劑量指數(shù)(CT dose index volume，CTDIvol)和劑量長度乘積(dose length product，DLP)，并按照公式(3)計算有效劑量(effective dose，ED)：

ED=k×DLP

(3)

其中，k為轉(zhuǎn)換系數(shù)，本研究中k值取0.014mSv·mGy-1·cm-1。

6.統(tǒng)計學(xué)方法

采用SPSS 16.0軟件。計量資料均以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。A、B兩組之間年齡和輻射劑量的比較采用Mann-WhitneyU檢驗，性別比的比較采用χ2檢驗。5組圖像上肺動脈的CT值、噪聲、SNR及CNR的比較采用單因素方差分析(正態(tài)分布)或Kruskal-WallisH檢驗(非正態(tài)分布)，組間兩兩比較采用LSD檢驗(方差齊)或Games-Hotwell檢驗(方差不齊)，圖像質(zhì)量主觀評分的比較采用Kruskal-WallisH檢驗，同時采用Kappa分析評估兩位觀察者主觀評分的一致性。在5組圖像上兩位醫(yī)師對栓子檢出情況的一致性檢驗采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(intraclass correlation coefficient，ICC)，ICC<0.4為一致性差；0.4≤ICC<0.75為一致性中等；ICC≥0.75為一致性好)，同時進行ROC曲線分析。以P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

結(jié) 果

1.一般資料

A、B兩組患者年齡、性別的比較無明顯差異(Z及χ2分別為-0.31及0.20，P分別為0.76及0.65)。

2.圖像質(zhì)量

5組各級肺動脈CT值差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，其中A1～4組各肺動脈CT值均高于B組，其余肺動脈CT值A(chǔ)2、A4組高于A1、A3組，但A1與A3組、A2與A4組差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05，表1)。

表1 五組圖像上肺動脈7個部位的CT值及背景噪聲的比較 (HU)

5組圖像BN差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，其中，A1組BN高于B組，A2-A4組BN均低于B組，A4組較B組降低約44.5%，但A2與A3組差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05,表1)。

5組各級肺動脈SNR、CNR差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，其中A1組與B組各級肺動脈SNR、各葉肺動脈CNR差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，但A2-A4組各肺動脈SNR、CNR均高于B組，且A4組SNR、CNR均高于A2、A3組，但A2、A3組左、右肺動脈干及左、右葉肺動脈SNR、CNR差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05，表2、3)。

表2 五組圖像上肺動脈7個部位SNR的比較

表3 五組圖像上肺動脈7個部位CNR的比較

A1～A4組和B組圖像質(zhì)量主觀評分分別為1.26±0.55、1.17±0.43、1.21±0.49、1.17±0.43和1.23±0.50，5組間的差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。兩位觀察者對圖像質(zhì)量評分的一致性非常好，kappa值分別為0.848、0.879、0.853、0.912和0.869。五組圖像上大部分均能清晰顯示外周小栓子，以A2和A4組顯示更清晰(圖1、2)。

3.PE檢出情況

A組共檢出140個栓子，包括中央型42個(圖3)、周圍型98個(圖4)；B組檢出97個栓子，包括中央型41個、周圍型56個。在5組圖像上診斷醫(yī)師均檢出所有中央型栓子，敏感度及特異度均為100%；對周圍型栓子，診斷醫(yī)師在A1～A4組及B組圖像上分別檢出72、79、79、83和41個，5組圖像的敏感度及特異度分別為73.3%及93.3%、83.4%及95.0%、80.0%及93.3%、90%及96.7%、82.8%及92.2%，ROC曲線下面積(AUC)分別為0.85、0.91、0.88、0.94和0.88(圖5)，以A4組的AUC最大，其次為A2組，兩組間AUC值的差異無統(tǒng)計學(xué)(P>0.05)。兩位觀察者對中央型及周圍型栓子檢出的一致性非常好，對中央型PE的組內(nèi)和組間的ICC值均為1；對周圍型PE的組內(nèi)ICC分別為0.987、0.987、0.986、0.992和0.954，組間ICC分別為0.969、0.977、0.977、0.984和0.890。

4.輻射劑量

A組和B組的輻射劑量相關(guān)指標(biāo)的比較見表5。兩組間各項指標(biāo)值的差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，A組的CTDIvol、DLP和ED較B組分別減少約6.6%、7.1%和6.9%。

表4 兩組的輻射劑量指標(biāo)的比較

討 論

1.不同后處理方法對圖像質(zhì)量的影響

降低管電壓可使含碘對比劑的肺動脈對X射線衰減程度增加，從而增加X線的光電效應(yīng)比例，導(dǎo)致CT值不同程度增高[5]。本研究結(jié)果顯示A1組各部位肺動脈的CT值均高于B組，與文獻報道相似。然而管電壓降低，X線的穿透能力減弱，圖像噪聲增大，進而影響圖像質(zhì)量。本研究中A1組的BN高于B組，與Bauer等[1]和李勰等[6]的研究結(jié)果相一致。為進一步降低圖像噪聲，提高圖像質(zhì)量，本研究中A3組采用SAFIRE對原始圖像進行重建，該技術(shù)是基于原始數(shù)據(jù)利用反復(fù)插入法和多次迭代校正來去除噪聲及偽影，與FBP重建相比，可明顯降低圖像噪聲，提高SNR及CNR，優(yōu)化圖像質(zhì)量，而且對CT值影響不大。馬桂娜等[7]研究結(jié)果顯示，80kV管電壓下FBP重建與SAFIRE圖像上主動脈的CT值無統(tǒng)計學(xué)差異，但SAFIRE重建圖像的BN明顯減低。本研究A3組BN明顯低于A1組及B組，相應(yīng)的SNR及CNR高于以上兩組，但A1與A3組間CT值無明顯差異，與該文獻報道相一致。

第二代雙源CT雙能量成像一次掃描可同時獲得高、低kV兩組不同管電壓圖像，LB技術(shù)可將兩種圖像以固定比例融合以獲得相當(dāng)于120kV的平均加權(quán)圖像，融合系數(shù)M值可根據(jù)觀察部位不同進行自由選擇。文獻報道在第二代雙源CT雙能量CTPA中，對于體重指數(shù)正常的患者，M=0.6時圖像質(zhì)量最佳[8]。本研究中LB重建時取0.6融合系數(shù)(即40% 80kV與60% Sn140kV混合)。NLB技術(shù)可以根據(jù)圖像中每個像素在低kV數(shù)據(jù)中CT值的差異，自動調(diào)整高、低kV能量所占比例以獲得更好的融合圖像，CT值較高的像素低kV數(shù)據(jù)所占比例較大，而CT值較低的像素高kV數(shù)據(jù)所占比例較大，融合比例是不定的。由于肺動脈在80kV時CT值常>150HU，因此本研究NLB融合參數(shù)取默認值BC=150HU、BW=200HU。結(jié)果顯示A2組CT值、SNR及CNR明顯高于B組及A1組，相應(yīng)BN低于以上兩組，與黃益龍等[9]報道的NLB較LB更能提高血管CT值，降低空氣噪聲，增加圖像SNR及CNR，提高圖像質(zhì)量結(jié)果相一致。然而Lv等[10]通過比較LB與NLB對腹部CTA圖像質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)NLB可提高腹部血管的CT值、SNR及CNR，但圖像噪聲兩組間無明顯差異，可能與該研究中LB組采用M=0.5而不是本研究中M=0.6有關(guān)。此外，本研究A4組肺動脈的CT值、SNR及CNR最高而BN最低，BN較B組降低約44.5%，但A2組與A3組間BN無明顯差異，提示SAFIRE重建及NLB技術(shù)均可降低圖像噪聲，兩者聯(lián)合應(yīng)用不僅可以保持NLB的升血管CT值的作用還能疊加SAFIRE的降噪作用，對提高圖像質(zhì)量的價值最大。

2.雙能量CT肺動脈成像對PE的診斷價值

雙能量肺動脈成像獲得的Lung PBV圖和Lung Vessels圖對PE的診斷具有較高的敏感性，與高特異度的CTPA聯(lián)合應(yīng)用可提高對周圍型PE的診斷準(zhǔn)確性及栓子的檢出率[3,11]。在臨床工作中，PE的診斷難以通過病理活檢這一“金標(biāo)準(zhǔn)”來實現(xiàn)。因此，本研究中采用CTPA聯(lián)合Lung PBV和Lung Vessels軟件作為診斷PE的參考標(biāo)準(zhǔn)。研究結(jié)果顯示，5組圖像對檢出中央型PE的敏感度及特異度均為100%，但對周圍型PE的檢出情況有一定差異，A2組和A4組敏感度及特異度較高，且AUC較大，尤其是A4組，這可能與以上兩組聯(lián)合應(yīng)用了NLB技術(shù)有關(guān)。黃益龍等[12]的研究結(jié)果顯示NLB技術(shù)可降低栓子的CT值，而明顯提高鄰近血管的強化程度，從而增加肺動脈栓子與鄰近血管的對比度，更清晰地顯示栓子。馬德晶等[13]分別應(yīng)用LB及NLB技術(shù)對60 例患者的腎臟腫瘤CT圖像進行重建，發(fā)現(xiàn)與LB相比，NLB可提高圖像上腫瘤的CNR，并增加病灶顯示的清晰度，更有利于小病灶的檢出。Bongers等[14]研究顯示NLB技術(shù)能改善圖像對比度及解剖細節(jié)，使栓子輪廓顯示更清晰，從而提高對肺段、亞肺段及其遠端分支內(nèi)PE的檢出率和診斷準(zhǔn)確性。本研究結(jié)果與以上研究結(jié)果基本相符。

3.雙能量掃描的輻射劑量

既往文獻報道，第二代雙源CT雙能量CTPA沒有增加受檢者的輻射劑量，且與單能量掃描相比，輻射劑量明顯減低，尤其是80/Sn140kV掃描模式[1]。本研究中A、B組的ED分為(2.62±0.81)和(2.88±0.71)mSv，均低于2017年中華放射學(xué)會發(fā)布的《CT輻射劑量診斷參考水平專家共識》中胸部CT檢查輻射劑量的參考水平[15]，且A組較B組降低約6.9%，與文獻報道相一致[16]。

本研究的局限性：雙源CT雙能量成像有多種能量組合模式，本研究中僅對比了80kV/Sn140kV與100kV/Sn140kV兩種模式，未對其它成像模式進行研究；此外，本研究中僅分析了不同重建方法對中央型及周圍型PE的檢出差異，未進一步對周圍型PE中肺動脈分支的亞段及其遠端分支內(nèi)的PE進行研究。

綜上所述，在雙源CT雙能量肺動脈成像中，SAFIRE及NLB技術(shù)均能降低圖像噪聲，改善圖像質(zhì)量，提高栓子檢出率，兩者聯(lián)合應(yīng)用價值較大。