超低劑量CT能譜純化技術(shù)定量肺氣腫

高燕莉，翟曉力，李 坤，徐曉莉，張衛(wèi)國(guó)，黃克武

(1.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京朝陽醫(yī)院放射科，2.呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科，北京 100020)

肺氣腫是慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)的重要影像學(xué)特征。傳統(tǒng)上常通過醫(yī)師主觀評(píng)價(jià)定性診斷肺氣腫。CT定量分析能提供肺密度和容積的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，已成為近年研究熱點(diǎn)[1-4]。新一代雙源CT能譜純化(selective photon shield, SPS)技術(shù)為超低劑量掃描提供了新方法，目前主要用于檢測(cè)肺結(jié)節(jié)和兒科檢查[5-6]。本研究探討采用超低劑量CT SPS技術(shù)定量診斷肺氣腫的可行性。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集2017年3月-2018年2月45例于首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京朝陽醫(yī)院就診的COPD患者，男39例，女6例，年齡54～81歲，平均(66.6±6.5)歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：①有慢性呼吸系統(tǒng)癥狀，包括喘息、咳嗽、咳痰和呼吸困難；②給予支氣管擴(kuò)張劑后第1秒用力呼氣容積(forced expiratory volume in one second，F(xiàn)EV1)/用力肺活量(forced vital capacity, FVC)<70%，且符合慢性阻塞性肺疾病全球倡議(global initiative for chronic obstructive lung disease, GOLD)中的COPD診斷標(biāo)準(zhǔn)[7]，處于COPD穩(wěn)定期。排除標(biāo)準(zhǔn)：①不能配合屏氣；②患有其他嚴(yán)重肺部疾病，包括肺癌、肺結(jié)核及急性肺部感染，或有肺部手術(shù)史；③CT顯示無明顯肺氣腫表現(xiàn)；④患有嚴(yán)重心臟、肝臟或腎臟疾病。本研究經(jīng)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(批準(zhǔn)號(hào)：2016-科-183)，檢查前所有患者均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 采用Siemens Somatom Force第三代雙源CT行全肺容積掃描，于X射線管前安放厚度0.6 mm的錫片預(yù)濾器以吸收較低能量X射線光子而達(dá)到能譜純化。檢查前對(duì)患者行呼吸及屏氣訓(xùn)練。囑患者取仰臥位，于最大吸氣相下行常規(guī)低劑量CT(low-dose CT, LDCT)及超低劑量CT(ultra low-dose CT, ULDCT)掃描，采集單能量數(shù)據(jù)，探測(cè)準(zhǔn)直器96×0.6 mm，轉(zhuǎn)速0.5 s/r，螺距1.0。LDCT掃描采用管電壓120 kV，管電流50 mAs，自動(dòng)管電流調(diào)節(jié)(CARE DOSE 4D)。ULDCT掃描使用X射線光譜錫片過濾器，管電壓Sn 100 kV，自動(dòng)管電流調(diào)節(jié)，其他參數(shù)同LDCT。

以濾波反投影法(filtered back projection, FBP)重建LDCT圖像(LDCT-FBP組)；分別以FBP(ULDCT-FBP組)、高級(jí)模型迭代重建(advanced modeled iterative reconstruction, ADMIRE)3級(jí)(ULDCT-ADMIRE 3組)和5級(jí)(ULDCT-ADMIRE 5組)重建ULDCT圖像。重建層厚1 mm，間隔1 mm，采用軟組織算法，顯示孔徑280～350 mm，矩陣512×512。

采用肺定量分析軟件(Siemens Pulmo 3D)自動(dòng)提取肺組織，獲取肺密度直方圖，計(jì)算肺氣腫指數(shù)(emphysema index, EI)、15%肺衰減值(percentile 15%, Perc 15)、平均肺密度(mean lung density, MLD)和全肺容積(total lung volume, TLC)。以圖像中CT值<-950 HU的低密度區(qū)為肺氣腫區(qū)域，EI為上述區(qū)域內(nèi)的體素占全肺總體素的百分比。

由1名具有10年胸部影像學(xué)診斷經(jīng)驗(yàn)的主治醫(yī)師于氣管隆嵴上方1 cm層面氣管腔內(nèi)放置0.5 cm2ROI，測(cè)量CT值，以CT值的標(biāo)準(zhǔn)差為圖像噪聲。由該醫(yī)師(醫(yī)師1)及另1名具有22年胸部影像學(xué)診斷經(jīng)驗(yàn)的副主任醫(yī)師(醫(yī)師2)采用雙盲法根據(jù)噪聲、偽影及分辨率對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行主觀評(píng)分：1分，圖像質(zhì)量差，肺氣腫無法顯示；2分，圖像質(zhì)量較差，肺氣腫顯示不清；3分，圖像質(zhì)量中等，肺氣腫可顯示；4分，圖像質(zhì)量較好，肺氣腫顯示較清；5分，圖像質(zhì)量好，肺氣腫顯示清晰。評(píng)分≥3分的圖像可用于肺氣腫診斷。

記錄每次掃描的容積CT劑量指數(shù)(volumetric CT dose index, CTDIvol)及劑量-長(zhǎng)度乘積(dose length product, DLP)，乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)k(0.014 mSv/mGycm)，估算有效劑量(effective dose, ED)。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。符合正態(tài)分布的計(jì)量資料以±s表示，不符合者以中位數(shù)(上下四分位數(shù))表示。以單向重復(fù)測(cè)量方差分析比較4組圖像的CT定量指標(biāo)和圖像噪聲，采用Bonferroni法進(jìn)行兩兩比較。以配對(duì)t檢驗(yàn)比較LDCT與ULDCT的ED。以Friedman檢驗(yàn)比較4組圖像質(zhì)量主觀評(píng)分。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 組間肺氣腫定量指標(biāo)比較 4組間EI、Perc 15及MLD差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.01)，TLV差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.77)。兩兩比較，與LDCT-FBP組相比，ULDCT-FBP組EI增加約2.34%、Perc 15降低約5 HU、MLD增加約3 HU(P均<0.01)，ULDCT-ADMIRE 5組EI減少約1.44%、Perc 15增加約3 HU(P均<0.01)；ULDCT各重組圖像間EI、Perc 15及MLD差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.01)；其余各組間參數(shù)差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)。見圖1及表1。

表1 LDCT與ULDCT各組肺氣腫定量參數(shù)比較(±s)

表1 LDCT與ULDCT各組肺氣腫定量參數(shù)比較(±s)

組別EI(%)Perc 15(HU)MLD(HU)TLV(ml)LDCT-FBP組19.14±11.63-955.58±17.88-877.80±17.186 252.31±1 027.97ULDCT-FBP組21.48±9.40*-960.29±16.42*-874.58±17.42*6 246.04±1 004.20ULDCT-ADMIRE 3組19.77±10.42#-956.51±17.60#-876.82±17.49#6 251.22±1 004.58ULDCT-ADMIRE 5組17.70±11.13*#★-952.64±18.44*#★-877.87±17.53#★6 255.76±1 005.14F值54.8686.8614.740.09P值<0.01<0.01<0.010.77

注：*：與LDCT-FBP組比較，P<0.05；#：與ULDCT-FBP組比較，P<0.05；★：與ULDCT-ADMIRE 3組比較，P<0.05

2.2 組間圖像質(zhì)量主觀評(píng)分及噪聲比較 4組間圖像質(zhì)量主觀評(píng)分和噪聲總體差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.01)。兩兩比較，LDCT-FBP組圖像質(zhì)量主觀評(píng)分均高于其余3組(P均<0.05)；ULDCT-ADMIRE 3組和ULDCT-ADMIRE 5組圖像質(zhì)量主觀評(píng)分均達(dá)3分，均高于ULDCT-FBP組(P均<0.05)；ULDCT-ADMIRE 3組與ULDCT-ADMIRE 5組差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.06)；LDCT-FBP組圖像噪聲低于ULDCT-FBP組及ULDCT-ADMIRE 3組(P均<0.05)，與ULDCT-ADMIRE 5組差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；ULDCT-FBP組、ULDCT-ADMIRE 3組及ULDCT-ADMIRE 5組間噪聲差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)；見表2。ULDCT-ADMIRE 5組噪聲較ULDCT-FBP組降低41.61%。

表2 LDCT與ULDCT各組圖像質(zhì)量主觀評(píng)分及噪聲比較

2.3 LDCT與ULDCT的ED比較 ULDCT的ED較LDCT降低88.64%，見表3。

表3 LDCT與ULDCT的ED比較(±s)

表3 LDCT與ULDCT的ED比較(±s)

掃描方法CTDIvol(mGy)DLP(mGy·cm)ED(mSv)LDCT3.14±0.66125.60±27.891.76±0.39ULDCT0.37±0.0914.64±4.000.20±0.06t值27.6926.4226.42P值<0.01<0.01<0.01

3 討論

超低劑量SPS技術(shù)現(xiàn)已作為降低輻射劑量的新手段而用于全身[8-9]，而用于肺部CT定量分析的相關(guān)研究尚少。本研究采用管電壓Sn 100 kV及ADMIRE迭代重建定量分析COPD患者肺氣腫，探討采用超低劑量CT SPS技術(shù)定量診斷肺氣腫、在保證結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下降低輻射劑量的可行性。

降低CT輻射劑量的常用方法包括降低管電流、管電壓、自動(dòng)曝光控制和迭代重建等[10-11]。常規(guī)胸部CT采用120 kV管電壓，其中包含30～120 keV能量級(jí)的射線[5]，而低能量射線穿透力差并增加ED，亦增加圖像本底噪聲。第三代雙源CT在X線管球射線窗前放置錫濾過板，以去除低能量光子，提高射線利用率；但降低射線劑量必然導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降，也可能影響CT定量參數(shù)[12]。本研究采用FBP重建時(shí)，相比LDCT，ULDCT圖像噪聲增加，EI增加約2.34%，Perc 15降低約5 HU，提示在臨床工作中降低射線劑量可能影響對(duì)COPD患者的評(píng)價(jià)。第三代雙源CT配備的ADMIRE為第三代迭代重建法，包含1～5級(jí)，1級(jí)降噪程度最低，5級(jí)最高，用于改善LDCT圖像質(zhì)量[13-14]，而其對(duì)定量肺密度的影響尚不明確。本研究比較觀察采用FBP、ADMIRE 3級(jí)和ADMIRE 5級(jí)重建的ULDCT圖像，發(fā)現(xiàn)ADMIRE 5級(jí)重建的ULDCT圖像噪聲較FBP重建圖像下降約41.61%，但反復(fù)迭代可使肺部正常結(jié)構(gòu)及病變邊緣顯示不清，可能造成低估肺氣腫；而采用ADMIRE 3級(jí)重建時(shí)肺氣腫各定量參數(shù)與LDCT差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，且主觀評(píng)分結(jié)果顯示圖像質(zhì)量達(dá)到診斷肺氣腫標(biāo)準(zhǔn)，提示以ULDCT取代LDCT進(jìn)行肺定量分析具有可行性。

既往SPS在胸部方面的主要應(yīng)用是檢測(cè)肺結(jié)節(jié)[5,15]，肺結(jié)節(jié)與含氣肺組織存在密度差。肺氣腫為低密度病變，與正常肺組織的密度差較小，肺氣腫定量需更高的密度分辨率，也會(huì)引起ED有增高?？紤]到不同患者或同一患者不同部位之間X線衰減存在差異，本研究采用自動(dòng)管電流調(diào)節(jié)技術(shù)，以保持圖像噪聲平穩(wěn)并適當(dāng)降低輻射劑量。既往研究[16]以CT定量分析COPD患者時(shí)，常規(guī)采用管電壓120 kV、管電流50 mAs，ED低于普通胸部CT，定性、定量診斷疾病均能滿足臨床需要；而本研究采用ULDCT SPS技術(shù)，使ED進(jìn)一步降低88.64%。

綜上所述，ULDCT SPS聯(lián)合ADMIRE(3級(jí))迭代重建可用于定量診斷肺氣腫，并能大幅度降低輻射ED。本研究存在的不足：①為控制ED，以LDCT而不是常規(guī)劑量CT為ULDCT的參照；②未對(duì)ADMIRE 1～5級(jí)重建圖像進(jìn)行全面分析；③樣本量較小。