超低劑量CT能譜純化技術(shù)聯(lián)合高級(jí)建模迭代重建對(duì)顯示肺磨玻璃結(jié)節(jié)及測(cè)量其體積的影響：體模研究

于安宏，楊雅朋，馬延賀，高洪巖，張 洪

(天津市胸科醫(yī)院影像科，天津 300222)

磨玻璃結(jié)節(jié)(ground-glass nodules, GGN)是早期肺癌的重要影像學(xué)表現(xiàn)之一。低劑量CT篩查可顯著提高GGN檢出率[1-2]。體積測(cè)量法可基于三維空間反映結(jié)節(jié)形態(tài)，對(duì)評(píng)估GGN具有一定價(jià)值[3]；采用迭代重建算法可提高測(cè)量低劑量CT所示肺結(jié)節(jié)體積的精確度[4-5]。第三代雙源CT可通過(guò)能譜純化技術(shù)濾過(guò)低能級(jí)射線，降低輻射劑量[6]。有學(xué)者[7]認(rèn)為采用管電壓Sn 100 kV能譜純化技術(shù)及迭代重建算法可于低輻射劑量下準(zhǔn)確檢出肺結(jié)節(jié)，但未評(píng)估肺結(jié)節(jié)體積。本研究基于仿真體模觀察管電壓Sn 100 kV超低劑量CT能譜純化技術(shù)聯(lián)合高級(jí)建模迭代重建(advanced modeled iterative reconstruction, ADMIRE)對(duì)顯示GGN質(zhì)量及測(cè)量其體積的影響。

1 材料與方法

1.1 仿真胸部體模 采用中國(guó)成年男性CDP-IC型高端仿真胸部體模(成都方拓仿真技術(shù)有限公司)，由胸壁、合成骨骼、肺、心臟、腹部臟器等模擬器官及組織組成，有效原子序數(shù)、密度、體積及形狀均與真實(shí)人體相似；以“準(zhǔn)元素等效”及“無(wú)機(jī)元素代替法”保證其對(duì)X線的吸收和衰減等效于真實(shí)人體。

1.2 儀器與方法

1.2.1 模擬肺GGN 將20枚模擬GGN(參考CT值-600 HU，直徑5、8、10、12 mm各5枚)隨機(jī)置于仿真胸部體模雙側(cè)肺野。

1.2.2 CT 采用Siemens SOMATOM Force雙源CT，以2種方案進(jìn)行全肺掃描。A方案：常規(guī)低劑量掃描，管電壓100 kV，采用CareDose4D，參考管電流30 mAs[8]；B方案，能譜純化技術(shù)掃描，管電壓Sn 100 kV，采用CareDose4D，參考管電流80 mAs[9]；其余參數(shù)保持一致，準(zhǔn)直192×0.6 mm，螺距0.75，轉(zhuǎn)速0.5 s/rot，F(xiàn)OV 350 mm，掃描長(zhǎng)度300 mm。分別采用濾波反投影法(filtered back projection, FBP)及ADMIRE(強(qiáng)度1、2、3、4、5級(jí)，ADMIRE-1、2、3、4、5)重建圖像，重建層厚1 mm，層間隔0.7 mm，矩陣512×512，卷積核Br40，肺窗窗寬1 600 HU、窗位-600 HU。

1.3 圖像處理及數(shù)據(jù)分析

1.3.1 圖像質(zhì)量客觀評(píng)價(jià) 將圖像傳至Philips星云工作站，由分別具有11年及13年工作經(jīng)驗(yàn)的影像科醫(yī)師各1名，于顯示GGN最大橫截面積層面上以其圓心為中心放置ROI，面積為GGN最大橫截面的2/3，測(cè)量3次CT值，取平均值作為最終結(jié)果，并計(jì)算CT值標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation, SD)，以之代表圖像噪聲水平。

表1 不同方案及重建方式模擬肺GGN 的CT值的SD差異(n=20)

1.3.2 圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià) 由上述醫(yī)師在不知曉實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及圖像參數(shù)的前提下采用5分制標(biāo)準(zhǔn)獨(dú)立評(píng)估模擬肺GGN CT圖像質(zhì)量：1分，偽影嚴(yán)重，圖像質(zhì)量未達(dá)到診斷標(biāo)準(zhǔn)，不能用于檢出及診斷GGN；2分，偽影較嚴(yán)重，圖像質(zhì)量較差，診斷GGN的可信度低；3分，中等程度偽影，圖像質(zhì)量一般，診斷GGN的可信度中等；4分，少許偽影，圖像質(zhì)量較好，診斷GGN的可信度較高；5分，未見(jiàn)明顯偽影，圖像質(zhì)量非常好，可準(zhǔn)確診斷GGN。圖像質(zhì)量評(píng)分≥3分為可滿(mǎn)足診斷需求。

1.3.3 GGN體積定量分析 采用Philips Lung Nodule Assessment軟件，于模擬GGN最大橫截面積層面自動(dòng)分割圖像，生成GGN體積Vm，并計(jì)算GGN體積相對(duì)誤差(relative volume error, RVE)：RVE=|Vm-Vrs|/Vrs×100%，其中Vrs為參考GGN體積，即于預(yù)實(shí)驗(yàn)中以管電壓120 kV、管電流300 mAs的標(biāo)準(zhǔn)劑量掃描及FBP重建圖像中測(cè)得的體積[10]。

1.4 輻射劑量 完成掃描后，設(shè)備自動(dòng)輸出A、B方案的容積CT劑量指數(shù)(volume CT dose index, CTDIvol)及劑量長(zhǎng)度乘積(dose length product, DLP)，并計(jì)算有效劑量(effective dose, ED)：ED=DLP×0.014。

1.5 體型特異性劑量估算值(size-specific dose estimate, SSDE) 將A、B方案所得ADMIRE-4重建CT圖像傳至圖像存儲(chǔ)與傳輸系統(tǒng)(picture archiving and communications system, PACS)，參考美國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)家協(xié)會(huì)(American Association of Physicists in Medicine, AAPM)220號(hào)報(bào)告[11]，于Z軸方向掃描范圍中心層面的橫斷面圖像勾畫(huà)橢圓形ROI，包含所有解剖組織，測(cè)量ROI面積(area, AROI)和CT值(CTROI)，計(jì)算SSDE：

(1)

fw=a×e(-b×dw)

(2)

SSDE=fw×CTDIvol

(3)

其中，dw為水等校直徑；fw為轉(zhuǎn)換因子；a、b均為常數(shù)，a=3.704 69，b=0.367 193 7[11]；e為自然對(duì)數(shù)，為2.718 28。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。以±s表示符合正態(tài)分布的計(jì)量資料，行單因素方差分析、LSD法或t檢驗(yàn)。采用Kappa檢驗(yàn)評(píng)估2名醫(yī)師對(duì)圖像質(zhì)量主觀評(píng)分的一致性，Kappa值≥0.80為一致性極高。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 圖像質(zhì)量客觀評(píng)價(jià) 不同方案或不同重建方式下，模擬肺GGN 的CT值差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)，A方案模擬肺GGN 的CT值的SD均小于B方案(P均<0.05)；相同方案、不同重建方式下，模擬肺GGN的CT值的SD差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)，且兩兩比較差異亦有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)。見(jiàn)表1。

2.2 圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià) 相同方案下，不同重建方式模擬肺GGN CT圖像主觀質(zhì)量評(píng)分由高至低依次為ADMIRE-4、ADMIRE-3、ADMIRE-5、ADMIRE-2、ADMIRE-1及FBP；相同重建方式下，B方案CT圖像主觀質(zhì)量評(píng)分均低于A方案。見(jiàn)圖1。觀察者間主觀圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)的一致性極高(Kappa=0.81，P<0.001)。

圖1 不同方案及重建方式模擬肺GGN CT圖像質(zhì)量主觀評(píng)分分布

2.3 模擬肺GGN體積 相同方案不同重建方式模擬GGN RVE差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.001)；A方案下FBP及ADMIRE-1均與ADMIRE-3、ADMIRE-4及ADMIRE-5模擬GGN RVE差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)，ADMIRE-2與ADMIRE-4及ADMIRE-5差異亦有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)；B方案下，除ADMIRE-4與ADMIRE-5模擬GGN RVE差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)外，其余不同算法兩兩比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)。以FBP、ADMIRE-1、ADMIRE-2及ADMIRE-3重建時(shí)，B方案模擬GGN RVE均大于A方案(P均<0.05)。見(jiàn)表2及圖2、3。

2.4 輻射劑量及SSDE A方案的CTDIvol、DLP、ED及SSDE分別為1.10 mGy、36.1 mGy·cm、0.51 mSv及1.55 mGy，B方案分別為0.26 mGy、8.5 mGy·cm、0.12 mSv及0.36 mGy。

3 討論

低劑量CT可顯著提高檢出肺結(jié)節(jié)的敏感度及特異度，已成為早期篩查肺癌的首選影像學(xué)方法。利用CT能譜純化技術(shù)及先進(jìn)迭代算法，可在將ED降至0.06 mSv的同時(shí)檢出肺實(shí)性結(jié)節(jié)[12]。肺GGN惡性程度多高于實(shí)性結(jié)節(jié)，而CT值相對(duì)較低，較高的噪聲水平或使其非實(shí)性部分被掩蓋，故常需以較高輻射劑量方可檢出[13]。本研究結(jié)果顯示，能譜純化技術(shù)結(jié)合ADMIRE-4重建，可在將ED降至0.12 mSv的同時(shí)保持顯示GGN所需圖像質(zhì)量及測(cè)量其體積的精確度。

表2 不同方案及重建方式模擬肺GGN的 RVE(%，n=20)

圖2 A方案不同方式重建CT圖像顯示模擬肺GGN(直徑8 mm、Vrs 624.1 mm3) A.FBP，Vm=667.6 mm3，RVE=6.97%； B.ADMIRE-1，Vm=658.7 mm3，RVE=5.54%； C.ADMIRE-2，Vm=648.7 mm3，RVE=3.94%； D.ADMIRE-3，Vm=642.2 mm3，RVE=2.90%； E.ADMIRE-4，Vm=636.2 mm3，RVE=1.94%； F.ADMIRE-5，Vm=632.6 mm3，RVE=1.36%

圖3 B方案不同方式重建CT圖像顯示模擬肺GGN(直徑8 mm、Vrs 624.1 mm3) A.FBP，Vm=689.9 mm3，RVE=10.54%； B.ADMIRE-1，Vm=676.8 mm3，RVE=8.44%； C.ADMIRE-2，Vm=659.5 mm3，RVE=5.67%； D.ADMIRE-3，Vm=650.6 mm3，RVE=4.25%； E.ADMIRE-4，Vm=638.8 mm3，RVE=2.36%； F.ADMIRE-5，Vm=608.8 mm3，RVE=2.45%

傳統(tǒng)FBP算法無(wú)法分辨低劑量采集過(guò)程中的噪聲污染，重建圖像信噪比較低，具有明顯條紋狀偽影[14]。本研究以B方案FBP重建的CT圖像中，模擬肺GGN CT值的SD較A方案有所增加，噪聲水平提高，且圖像主觀質(zhì)量評(píng)分有所減低，其中3幀低于3分，提示單純采用能譜純化技術(shù)減少輻射劑量將降低圖像質(zhì)量。第三代雙源CT所用新一代ADMIRE結(jié)合了原始數(shù)據(jù)域統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)建模和圖像域基于模型的噪聲檢測(cè)及優(yōu)化，可顯著提高超低劑量CT檢出肺結(jié)節(jié)的敏感度和診斷置信度[15]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨ADMIRE強(qiáng)度逐級(jí)增大，B方案圖像噪聲逐漸減低、主觀質(zhì)量評(píng)分逐漸升高；且2種方案均以ADMIRE-4 CT圖像主觀質(zhì)量評(píng)分最高、FBP主觀評(píng)分最低，而客觀評(píng)分差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，與GORDIC等[16]結(jié)論基本相符，表明過(guò)高強(qiáng)度迭代重建方式在抑制圖像噪聲的同時(shí)也將降低圖像質(zhì)量，原因可能在于校正圖像過(guò)于平滑而致部分紋理細(xì)節(jié)缺失[17]。上述結(jié)果提示，低劑量CT篩查肺癌時(shí)，以ADMIRE-4重建是更佳選擇。

目前臨床多通過(guò)評(píng)估肺結(jié)節(jié)直徑或體積變化觀察其大小和生長(zhǎng)速度，進(jìn)而判斷其良惡性[5,18]。測(cè)量肺GGN體積誤差與圖像噪聲有關(guān)，而迭代算法可降低圖像噪聲以改善測(cè)量GGN體積的精確度[19]。本研究采用FBP時(shí)，B方案GGN RVE顯著高于A方案，表明能譜純化技術(shù)在降低輻射劑量的同時(shí)亦可使測(cè)量肺GGN體積的精確度下降；聯(lián)合ADMIRE后，A、B方案所測(cè)GGN體積的精確度均隨ADMIRE強(qiáng)度而增高，其RVE差異漸趨平緩，提示采用高強(qiáng)度新一代迭代算法可使超低劑量CT測(cè)量肺GGN體積的精確度與常規(guī)低劑量CT接近，與OHNO等[20]的結(jié)果一致。

本研究的不足：①僅針對(duì)模擬正常體型人體的體模，未涉及針對(duì)其他體型的CT掃描方案及重建參數(shù)；②以軟件自動(dòng)分割肺GGN測(cè)量其體積，未加以手動(dòng)調(diào)整；③未考慮臨床實(shí)際操作中，患者屏氣不佳或心臟搏動(dòng)等可能導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)偽影因素的影響。

綜上，對(duì)于體模模擬肺GGN，采用管電壓Sn 100 kV超低劑量CT能譜純化技術(shù)結(jié)合ADMIRE-4可在降低輻射劑量的同時(shí)維持圖像質(zhì)量及測(cè)量其體積的精確度。