Z-DOM技術(shù)下小螺距薄掃聯(lián)合迭代重建對胸部體模GGN圖像質(zhì)量的影響

高洪巖， 于安宏， 馬延賀， 萬業(yè)達(dá)

隨著CT篩查的普及，肺磨玻璃密度結(jié)節(jié)(ground-glass nodules，GGN)檢出率越來越高， GGN是診斷早期肺腺癌重要的CT表現(xiàn)[1-2]。常規(guī)CT檢查輻射劑量較大，目前多數(shù)研究是通過采用大螺距來降低輻射劑量，但隨著輻射劑量的降低,圖像質(zhì)量亦隨之降低，因此螺距的增加受到了限制[3]。為了平衡螺距、圖像質(zhì)量及輻射劑量的關(guān)系，選擇合適螺距掃描成為影像工作者的重點(diǎn)研究課題。與窄體探測器CT相比，寬體探測器CT顯著增加了單次旋轉(zhuǎn)掃描的覆蓋范圍，減少實(shí)際掃描時間，這使采用小螺距行胸部CT掃描成為可能。本研究采用Z-DOM技術(shù)，小螺距薄掃聯(lián)合迭代重建技術(shù)對仿真胸部體模行CT平掃，旨在保證肺內(nèi)磨玻璃密度結(jié)節(jié)圖像滿足診斷要求前提下降低患者所受輻射劑量，更好的保護(hù)患者。

材料與方法

1.材料

采用中國成年男性CDP-IC型高端仿真胸部體模，該體模由胸壁、脊柱、肺組織、胸椎及心臟等組構(gòu)成，體模X線衰減性能和人體組織等效。體模內(nèi)放置12個GGN，兩種直徑(10 mm、15 mm)，參考CT值-600 HU，隨機(jī)分布在肺野的上、中、下層面。

2.掃描方案

采用Philips Brilliance 256 iCT掃描儀。根據(jù)管電流不同分為2組：A方案為常規(guī)劑量組，參考管電流170 mAs，掃描過程中mAs保持不變，使用濾波反投影算法(FBP)重建；B方案采用Z-DOM自動管電流調(diào)節(jié)技術(shù)，使用FBP算法重建；C方案采用Z-DOM自動管電流調(diào)節(jié)技術(shù)，使用iDose4迭代算法(等級3)重建圖像，每種方案分別以螺距0.993、0.804、0.601、0.399進(jìn)行掃描；其余參數(shù)一致：固定管電壓120 kV，準(zhǔn)直器寬度128×0.625 mm，球管旋轉(zhuǎn)速度0.5 s/r，掃描范圍胸廓入口到肺底層面，F(xiàn)OV 350 mm，掃描長度(L)310 mm。重建參數(shù)：矩陣512×512，層厚1.5 mm，間距1.5 mm，肺窗(窗寬1600 HU、窗位-500 HU)。

3.圖像質(zhì)量評價

圖像質(zhì)量客觀評價:將掃描數(shù)據(jù)傳送至飛利浦星云工作站，由2名經(jīng)驗(yàn)豐富影像科技師操作，保證數(shù)據(jù)采集和后處理圖像一致性。讀取層厚1.5 mm橫斷圖像，兩位技師各自在肺結(jié)節(jié)最大橫截面積設(shè)置感興趣區(qū)(ROI)，ROI大小是GGN大小的2/3，測量并記錄ROI內(nèi)的平均CT值和噪聲值(standard deviation,SD)，同時測量同層面無組織區(qū)(空氣)的平均CT值和SD值，全部數(shù)據(jù)取測量3次數(shù)值均數(shù)。根據(jù)測量CT值和SD值計算GGN對比噪聲比(contrast noise ratio,CNR)，CNR=(CT值GGN-CT值空氣)/SD值結(jié)節(jié)。

圖像質(zhì)量主觀評價:由2名工作經(jīng)驗(yàn)豐富CT閱片醫(yī)師采用雙盲法對GGN圖像質(zhì)量進(jìn)行主觀評估，應(yīng)用統(tǒng)一的窗寬、窗位，當(dāng)圖像質(zhì)量評分出現(xiàn)分歧時，由兩位醫(yī)師協(xié)商一致后評定。評估標(biāo)準(zhǔn)為5分：結(jié)節(jié)清晰可見，與周圍肺組織分界明顯，無偽影；4分：結(jié)節(jié)可見，與周圍肺組織分界較清晰；3分：結(jié)節(jié)能檢出，與周圍肺組織分界稍模糊，但能達(dá)到診斷要求；2分：結(jié)節(jié)隱約可見，與周圍肺組織分界模糊，未達(dá)到診斷標(biāo)準(zhǔn)；1分：結(jié)節(jié)不可見，與周圍肺組織分界非常模糊。圖像質(zhì)量評分≥3分即認(rèn)為圖像滿足診斷要求。

4.輻射劑量評估

記錄患者掃描完成后機(jī)器自動生成的容積CT劑量指數(shù)(CT dose index of volume，CTDIvol)、劑量長度乘積(dose lenght product,DLP)。并計算有效劑量(effective dose,ED),ED=DLP×k,k=0. 014mSv·mGy-1·cm-1，單位為mSv。

5.掃描時間及Z軸過采集距離

記錄患者掃描完成后機(jī)器自動生成掃描時間T；計算Z軸過采集距離(Z)，Z=DLP/CTDIvol-L[4]。

6.統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 19.0統(tǒng)計學(xué)分析軟件。應(yīng)用單因素方差分析比較同一方案不同螺距與相同螺距下不同掃描方案模擬GGN之間SD、CNR值差異，如差異有統(tǒng)計學(xué)意義，則結(jié)合LSD-t法進(jìn)行兩兩比較；應(yīng)用非參數(shù)檢驗(yàn)(Kruskal-WallisH檢驗(yàn))比較不同掃描方案下模擬GGN之間主觀評分差異，結(jié)果以P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

結(jié) 果

1.GGN圖像質(zhì)量評價

GGN圖像質(zhì)量客觀評價:同一方案下不同螺距模擬GGN的SD、CNR值差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(F=0.303～1.603，P>0.05)；相同螺距下不同掃描方案模擬GGN的SD、CNR值差異有統(tǒng)計學(xué)意義(F=3.588～6.809，P<0.05)，其中C方案SD值顯著低于A方案與B方案，CNR值顯著高于A方案與B方案，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)，A方案與B方案SD、CNR值差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05，表1、表2、圖1)。

圖1 采用Z-DOM技術(shù)不同螺距下iDose4重建圖像。a) 螺距0.993時GGN的SD值為11.0； b) 螺距0.804時GGN的SD值為11.5； c) 螺距0.601時GGN的SD值為11.5； d) 螺距0.399時GGN的SD值為12.5。

表1 不同掃描方案和不同重建下模擬GGN噪聲值

表2 不同掃描方案和不同重建下模擬GGN的對比噪聲比

GGN圖像質(zhì)量主觀評分：對各組磨玻璃密度結(jié)節(jié)圖像質(zhì)量進(jìn)行主觀評價：不同方案全部模擬GGN主觀評分均≥3分，圖像質(zhì)量較好，均滿足臨床診斷要求。A、B、C 3種方案之間的模擬GGN主觀評分差異有統(tǒng)計學(xué)意義(H=34.263，P=0.000)，其中C方案的模擬GGN主觀評分均≥4分，圖像評分優(yōu)于A方案與B方案，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)；A方案與B方案之間差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05，圖2)。

圖2 不同方案下模擬GGN的主觀評分。

2.輻射劑量和掃描時間與Z軸過采集距離

A方案對應(yīng)的CTDIvol、DLP、ED值分別為(11.33±0.33) mGy、(434.53±33.32) mGy·cm、(6.44±0.49) mSv；B方案與C方案對應(yīng)的CTDIvol、DLP、ED值分別為(8.70±0.30) mGy、(333.93±27.99) mGy·cm、(4.67±0.39) mSv，與 A方案相比CTDIvol、DLP、ED值降低了(23.2±0.8)%。隨螺距減小CT掃描CTDIvol、DLP、ED值與過采集距離均呈減小趨勢，螺距0.399時，與0.993相比有效劑量D降低(17.2±0.8)%，Z軸過采集距離縮短45.9 mm。掃描時間隨螺距減小而增加(表3)。

表3 不同螺距下胸部模體的輻射劑量與掃描時間

討 論

肺磨玻璃密度結(jié)節(jié)在CT圖像中是一種非特異性的影像學(xué)改變，由多種病變引起包括肺部局灶性感染、局灶性的纖維化及良性腫瘤等;或是癌前病變?nèi)绮坏湫拖倭鰳釉錾?，原位腺癌等[5]。由于GGN早期癥狀不明顯，隨病情進(jìn)展可發(fā)展為早期肺癌，出現(xiàn)臨床癥狀時已為晚期，治療難度大，預(yù)后差，嚴(yán)重威脅患者生活質(zhì)量和生命安全[6]。對于初次發(fā)現(xiàn)GGN，如據(jù)形態(tài)學(xué)或者強(qiáng)化特點(diǎn)無法診斷良惡性，醫(yī)生一般建議定期復(fù)查。2017年Fleischner協(xié)會更新的GGN診療指南提到對于偶然發(fā)現(xiàn)肺結(jié)節(jié)患者直徑<6 mm單發(fā)GGN無需隨訪，≥6～8 mm單發(fā)GGN需6～12個月后復(fù)查胸CT，如果病灶仍然存在且大小沒有變化則需每年隨訪胸CT，至少持續(xù)5年[7]。這就不可避免的增加了患者受照射的機(jī)會和輻射劑量。因此，如何有效降低CT輻射劑量是影像科醫(yī)生需要解決的重要問題。

降低輻射劑量的方法有很多，其中包括降低管電壓輸出、自動管電流調(diào)制、改變螺距等[8-9]。以往研究大多討論管球參數(shù)與輻射劑量的關(guān)系，對螺距影響圖像質(zhì)量與輻射劑量的機(jī)制少有研究。吳愛琴等[10]研究認(rèn)為無論是采用固定mAs還是自動管電流調(diào)節(jié)模式，不同螺距下的CTDIvol均無明顯變化，客觀圖像評價差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，與本文結(jié)果相一致。我們發(fā)現(xiàn)不同螺距下DLP與ED值相差較大，這種差異主要是由于CT掃描沿Z軸方向會在掃描范圍內(nèi)產(chǎn)生半影現(xiàn)象，因此在掃描范圍的兩端會自動過采集一段距離用于均勻入射到探測器上X射線強(qiáng)度，Z軸過采集距離(Z)隨螺距增大而增加[11]。經(jīng)計算螺距0.993時Z=97.0 mm，實(shí)際掃描距離407 mm；螺距0.399時Z=51.1 mm，實(shí)際掃描距離僅為361.1 mm，因此減小螺距可在不損失影像信息的基礎(chǔ)上縮短受檢者實(shí)際采集距離，降低輻射劑量。本研究數(shù)據(jù)顯示采用Z-DOM自動管電流調(diào)節(jié)技術(shù)與常規(guī)螺距(pitch=0.993)掃描時與固定mAs相比ED值降低22.5%，采用小螺距(pitch=0.399)可進(jìn)一步降低輻射劑量17.8%。

通常情況下，增加螺距能夠減少胸部CT掃描時間，降低呼吸及心臟運(yùn)動偽影[12]。但是大螺距會導(dǎo)致圖像層面敏感性曲線增寬，Z軸分辨力明顯下降，不可避免地造成圖像質(zhì)量下降[13-14]。本研究采用Philips Brilliance 256 iCT掃描儀，探測器寬度達(dá)到80 mm，能大幅降低受檢者檢查時間。采用常規(guī)螺距(pitch=0.993)能在3 s之內(nèi)完成一次胸部CT掃描，小螺距(pitch=0.399)掃描也僅需要6.73 s，對于一般患者均可完成10 s之內(nèi)憋氣。因此在調(diào)節(jié)螺距時筆者建議盡可能選用較小的螺距從而降低輻射劑量；對于不能配合屏氣的患者可適當(dāng)提高螺距減少呼吸偽影產(chǎn)生幾率。Kim等[15]將平均年齡35.6周嬰幼兒分為高呼吸頻率組與低呼吸頻率組行胸部常規(guī)CT檢查發(fā)現(xiàn)無論是采用高螺距還是低螺距的CT掃描結(jié)果均可以滿足診斷需求，尤其是對于呼吸頻率較低嬰幼兒不同螺距掃描方案之間圖像質(zhì)量差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)，而低螺距組ED值相比高螺距組降低26%，與本文結(jié)論相一致。

FBP算法是目前CT普遍采用的重建算法，該算法基于簡單的模型假設(shè)，重建速度快，但對X線劑量波動變化較敏感，無法解決輻射劑量降低帶來的圖像質(zhì)量問題[16]。iDose 4是飛利浦公司推出的第四代雙空間多模型迭代重建技術(shù)，通過在投影空間和圖像空間同時進(jìn)行迭代，在不改變圖像質(zhì)量的基礎(chǔ)上有效降低圖像噪聲，消除蠟像狀偽影，提升影像分辨力[17]。本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示B方案采用FBP算法重建，GGN主觀評分5分7個，4分30個，3分11個，與A方案相比分?jǐn)?shù)略有降低，差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)；C方案采用iDose4迭代重建，5分增加至32個，4分16個，主觀圖像評價顯著提高，與其他兩組差異均有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。因此應(yīng)用iDose4迭代重建圖像能在降低輻射劑量基礎(chǔ)上更清楚顯示GGN內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其與周圍組織關(guān)系，對臨床判斷GGN良惡性提升較大，與Den HAM等[18]研究結(jié)果相一致。

本研究采用的是胸部仿真體模，可多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，不受醫(yī)學(xué)倫理學(xué)限制。不足之處：①實(shí)驗(yàn)中模擬GGN直徑為10 mm、15 mm，對于直徑更小的結(jié)節(jié)未納入研究；②本研究為體模實(shí)驗(yàn)，仿真體模肺實(shí)質(zhì)和正常肺組織有差別，不能完全模擬臨床實(shí)際狀況；③由于機(jī)器限制，實(shí)驗(yàn)采用的螺距均<1，對螺距>1的情況尚需進(jìn)一步研究。如何將本研究結(jié)果更好地應(yīng)用于臨床個體化的檢查是今后的研究重點(diǎn)。

綜上所述，Z-DOM技術(shù)可在保證GGN圖像質(zhì)量前提下使受檢者輻射劑量降低20%以上；結(jié)合小螺距(0.399)薄掃，輻射劑量可進(jìn)一步降低至約36%；iDose4迭代技術(shù)在GGN臨床應(yīng)用價值較高，可在較低輻射劑量情況下改善GGN主觀圖像質(zhì)量并降低圖像噪聲，能更清楚地顯示其與周圍組織的關(guān)系，對肺部GGN臨床鑒別與診療方案具有更高參考價值。因此對肺磨玻璃密度結(jié)節(jié)進(jìn)行CT檢查時，推薦選擇Z-DOM技術(shù)下小螺距(0.399)薄掃聯(lián)合iDose4迭代進(jìn)行采集。