胸部低剂量CT扫描中迭代重建算法与滤波反投影算法肺结节检出率和准确性比较

王 杰,曾勇明,彭 刚,郁仁强,孙静坤,金 瑞

(重庆医科大学附属第一医院放射科,重庆 400016)

胸部低剂量CT扫描中迭代重建算法与滤波反投影算法肺结节检出率和准确性比较

王 杰,曾勇明,彭 刚,郁仁强,孙静坤,金 瑞

(重庆医科大学附属第一医院放射科,重庆 400016)

目的:比较胸部CT中原始数据域迭代重建(SAFIRE)算法与滤波反投影(FBP)算法重建图像肺结节检出率的差异,评价其检出的准确性。方法:在新双源CT上预设80、100和120 k V 3组管电压值,采用自动毫安秒技术对置入模拟肺结节的仿真胸部体模进行扫描,分别用SAFIRE(等级1～5)及FBP算法重建图像,比较SAFIRE(等级1～5)与FBP胸部CT重建图像中模拟肺结节的检出率,并测量其直径及CT值。结果:相同管电压胸部CT扫描,SAFIRE(等级1～5)与FBP模拟肺结节检出率比较差异无统计学意义(P＞0.05),SAFIRE(等级3)模拟结节直径偏差度小于FBP,且SAFIRE(等级3)与FBP模拟结节的平均CT值比较差异无统计学意义(P＞0.05);100 k V模拟结节检出率与120 k V模拟结节检出率相同,80 k V模拟结节(－800 HU和3 mm)检出率低于120 k V模拟结节检出率;随着管电压降低、模拟结节直径减小、模拟结节密度降低,模拟结节直径偏差度增大。结论:与FBP比较,SAFIRE算法对于不同密度、不同大小肺结节检出有相同的能力,并有助于肺结节的准确显示,可用于低剂量CT肺癌筛查方案。

体层摄影术,X线计算机;肺结节;图像重建;计算机辅助

肺癌是癌症死亡的最常见原因,由于许多肺癌被发现时已处于相对较晚的阶段,尽管治疗方法不断进步,其5年生存率仍只有15.5%,甚至更少[1]。肺癌最初多表现为肺结节,早期诊断可改善肺癌预后。有效的肺癌筛查包括在灵敏检出肺结节的基础上,准确区别病变的良恶性。肺结节的检出及其CT值对于病变定性具有重要意义[2-6]。原始数据域迭代重建(sinogram affirmed iterative reconstruction,SAFIRE)算法是由西门子公司开发,已有较多研究[7-9]表明:与传统滤波反投影(filtered back projection,FBP)算法比较, SAFIRE可以在保证图像质量的基础上,降低辐射剂量。但关于胸部CT迭代算法重建图像中,肺结节显示的准确性研究[3-4]较少。本研究基于胸部低剂量CT扫描,评估SAFIRE算法对肺结节检出的影响,并研究其检出的准确性。

1 资料与方法

1.1 研究对象日本Kyoto Kagaku公司生产的Lungman N1型多用途男性胸部仿真体模,大小约为43 cm×40 cm×48 cm,胸围约94 cm,质量约18 kg。该体模双臂上举与胸部CT扫描时患者体位相同,其仿真软组织及骨骼的X线衰减性能与标称等效,体模内部结构可拆卸,包括肺血管、纵膈和部分腹部结构,见图1(插页六)。3种密度(相应标称CT值分别为－800、－650和100 HU)的球形肺部模拟结节,每种密度的模拟结节包括5种标称直径(3、5、8、10和12 mm),合计15个。

1.2 实验设备及方法使用西门子双源炫速CT (somatom definition flash)。扫描参数:预设3组管电压(80、100和120 k V),采用自动毫安秒care dose 4D技术,准直128 mm×0.6 mm,螺距1,层厚5 mm,FOV 325 mm。从胸骨上窝扫描至肋弓下缘。采用FBP及SAFIRE(等级1～5)2种算法对每组原始数据分别进行重建,层厚均为1 mm。将球形模拟结节分别置入双肺上、中和下肺野,每个部位随机置入15枚模拟结节后,分别用80、100及120 k V行胸部CT检查,检查结束后换部位重新置入模拟结节后扫描。每种标称CT值的模拟结节合计置入30个,每种标称直径模拟结节合计置入18个。

1.3 模拟结节观察及评价肺内模拟结节未显示或不确定计为未检出,结节清晰显示计为检出。由2名放射医师对CT图像进行观察,评价每组图像结节检出情况并计算检出率(检出率＝检出个数/置入总数×100%)。选取3种管电压下SAFIRE(等级3)及FBP 2种重建算法的6组重建图像,根据实性肿瘤测量标准(response evaluation criteria in solid tumors,RECIST),选取模拟结节显示最大横截面测量其直径[10],在该截面结节中心勾画60%结节面积的感兴趣区(region of interest, ROI)测量其CT值[11],均计算其平均值(x)。分别计算SAFIRE(等级3)与FBP 2种算法模拟结节直径的偏差度,模拟结节直径偏差度＝(模拟结节平均测量直径－标称直径)/标称直径×100%。

1.4 统计学分析采用SPSS 17.0统计软件进行统计学分析。模拟结节检出率的比较,以120 k V/FBP为对照组采用χ2检验;相同管电压下SAFIRE(等级3)与FBP 2种算法中模拟结节平均CT值以±s表示,组间比较采用配对t检验。

2 结果

2.1 模拟结节检出率评价①采用自动毫安秒技术,3种管电压下,胸部CT扫描SAFIRE与FBP 2种重建算法图像的100 HU模拟钙化结节检出率为100%,直径大于5 mm的3种CT值的模拟结节均检出。②同一管电压下,SAFIRE(等级1～5) 与FBP算法模拟结节检出率比较差异无统计学意义(P＞0.05)。③－800 HU模拟结节的检出率比较:80 k V各组算法均低于100 k V和120 k V,其中80 k V/SAFIRE(等级3)的检出率为80%, 120 k V/FBP的检出率为93.33%,两者比较差异有统计学意义(P＜0.01);－650 HU及100 HU的模拟结节检出率比较差异无统计学意义(P＞0.05)。④直径为3 mm模拟结节的检出率比较: 80 k V各组算法均低于100 k V和120 k V,其中80 k V/SAFIRE(等级3)的检出率为66.67%, 120 k V/FBP的检出率为88.89%,两者比较差异有统计学意义(P＜0.01)。直径为5～8 mm的模拟结节检出率组间比较差异无统计学意义(P＞0.05)。⑤100 k V/SAFIRE(等级1～5)与120 k V/FBP比较:3种密度5种直径的模拟结节检出率组间比较差异均无统计学意义(P＞0.05)。见表1。

表1 胸部CT扫描SAFIRE与FBP算法重建图像中模拟结节检出率Tab.1 Simulated nodule detection rate of chest CT images reconstructed with SAFIRE and FBP algorithm(η/%)

2.2 模拟结节直径偏差度评价①采用自动毫安秒技术,分别行80、100、120 k V胸部CT扫描, SAFIRE(等级3)及FBP 2种算法重建图像,随着管电压升高,模拟结节直径偏差度减小。②3种管电压下,SAFIRE(等级3)及FBP 2种重建算法图像中,3和5 mm的模拟结节直径测量偏差度较大,随着模拟结节直径增大,偏差度减小。③3种管电压2种重建算法中,－800 HU的极低密度磨玻璃结节直径偏差度较大,随着－650 HU和100 HU结节密度增高,结节直径偏差度减小。④相同管电压下,SAFIRE(等级3)重建图像中模拟结节直径测量偏差度小于FBP。见表2。

2.3 模拟结节CT值评价①自动毫安秒技术下, 行80、100、120 k V胸部体模CT扫描,SAFIRE(等级3)及FBP 2种算法重建图像,随着管电压升高,模拟结节的平均CT值均降低。②相同管电压下,SAFIRE(等级3)与FBP比较,模拟结节的平均CT值差异无统计学意义(P＞0.05)。③相同管电压下,SAFIRE(等级3)及FBP 2种算法重建图像中,与标称CT值比较,直径3和5 mm模拟结节的平均CT值较直径8～12 mm模拟结节的偏差度更大。

表2 不同管电压SAFIRE(等级3)与FBP算法模拟结节直径偏差度比较Tab.2 Comparison of diameter deviation of simulated nodules between SAFIRE(grade 3)and FBP in different tube voltages (η/%)

表3 不同管电压SAFIRE(等级3)与FBP算法模拟结节平均CT值比较Tab.3 Comparison of average CT values of simulated nodules between SAFIRE(grade 3)and FBP algorithm in different tube voltages(±s,HU)

表3 不同管电压SAFIRE(等级3)与FBP算法模拟结节平均CT值比较Tab.3 Comparison of average CT values of simulated nodules between SAFIRE(grade 3)and FBP algorithm in different tube voltages(±s,HU)

“－”:Not detected.

CT value /diameter Average CT value of simulated nodule 80 k V SAFIRE(3) FBP 100 k V SAFIRE(3) FBP 120 k V SAFIRE(3) FBP －800HU 3 mm－－－775.00±26.71－784.00±21.56－788.00±16.39－803.00±10.24 5 mm－820.00±17.90－822.00±21.12－814.00±11.26－816.00±10.65－814.00±14.93－813.00±11.21 8 mm－811.00±7.01－812.00±9.95－819.00±4.44－818.00±7.56－817.00±6.09－820.00±6.17 10 mm－816.00±6.17－817.00±10.92－822.00±6.86－823.00±5.53－824.00±4.00－826.00±6.36 12 mm－812.00±9.02－814.00±10.78－814.00±6.05－816.00±6.30－817.00±3.88－819.00±4.45 －650HU 3 mm－614.00±31.89－621.00±24.59－610.00±34.82－616.00±23.01－635.00±45.86－638.00±41.01 5 mm－634.00±13.03－638.00±8.77－654.00±12.49－660.00±12.38－657.00±17.18－659.00±12.56 8 mm－639.00±5.83－640.00±8.32－651.00±6.82－656.00±9.56－658.00±6.08－660.00±5.17 10 mm－632.00±10.01－635.00±7.06－650.00±5.08－652.00±6.79－658.00±7.17－658.00±6.53 12 mm－640.00±6.97－643.00±5.81－648.00±3.44－652.00±3.77－656.00±3.83－660.00±2.42 100HU 3 mm 138.00±30.60 135.00±33.95 152.00±17.16 138.00±36.24 122.00±22.13 119.00±18.56 5 mm 131.00±17.18 124.00±12.75 111.00±21.47 107.00±28.20 110.00±18.68 97.00±19.40 8 mm 109.00±12.59 102.00±16.70 91.00±7.87 88.00±10.89 81.00±8.18 79.00±10.92 10 mm 101.00±10.19 95.00±7.25 90.00±8.44 85.00±6.94 73.00±4.67 72.00±6.36 12 mm 96.00±8.06 94.00±8.80 85.00±6.78 82.00±6.02 73.00±5.68 68.00±9.04

3 讨 论

本实验结果表明:①采用自动毫安秒技术, 80、100和120 k V 3种管电压胸部体模CT扫描,相同管电压下,SAFIRE(等级1～5)与FBP算法模拟结节的检出率相同;②－800HU模拟结节和3 mm模拟结节的检出率比较,80 k V/SAFIRE(等级1～5)及80 k V/FBP低于120 k V/FBP,差异有统计学意义;③100 k V/SAFIRE(等级1～5) 及100 k V/FBP与120 k V/FBP的模拟结节检出率比较差异均无统计学意义。由于邻近组织可能会干扰图像重建和结节检出,尤其是低密度结节,随着辐射剂量的降低,这种干扰会增加,因此80 k V 时SAFIRE和FBP 2种算法均未检测到3 mm的－800 HU模拟结节。

Aberle等[12]研究显示:低剂量CT图像上最大横向轴线≥4 mm的结节表示肺癌可能。荷兰和比利时随机肺癌筛查试验(尼尔森)[13]研究显示:直径≥5 mm并快速增长的结节,或体积≥500 mm3的结节被定义为阳性。本实验中,低剂量胸部体模CT扫描,100 k V/SAFIRE(等级1～5) 及100 k V/FBP所有的钙化结节和直径≥5 mm的非实性结节均检出。

早期发现的肺癌大多是小结节,为了评估体积倍增时间,准确测量结节直径是必要的。为了区分实性和非实性结节,并评价非实性的情况下随着时间推移,结节密度的增加,准确测量CT值也非常重要。对于肺内小结节,结节与邻近肺组织之间会形成部分容积效应,结节直径越小CT值越低,受容积效应影响越大[14],本研究中以下结果与之相符:①3种管电压,SAFIRE(等级3)及FBP 2种重建算法下,－800 HU及直径3、5 mm的模拟结节直径偏差度较大。②同一扫描条件及重建算法下,直径3和5 mm模拟结节的平均CT值与标称值差异较大。本研究证明:采用自动毫安秒技术,相同管电压下SAFIRE(等级3)胸部CT重建图像中模拟结节直径偏差度小于FBP,可能与SAFIRE算法使图像噪声降低,导致模拟结节边缘更为清晰,有利于直径测量有关。本研究同样证明:与FBP比较,采用SAFIRE算法时平均CT值差异无统计学意义,与已有研究[15-16]结果一致。

综上所述,80 k V对于－800 HU模拟结节的检出率低于常规剂量120 k V,尤其是微小结节(直径3 mm)。100 k V 3种标称CT值的模拟结节检出率等同于120 k V,且在CT值稳定的情况下, 100 k V/SAFIRE(等级3)模拟结节直径测量值比FBP更接近标称值。因此,与FBP比较, SAFIRE算法对于不同密度、不同大小的肺结节检出有相同的能力,100 k V/SAFIRE(等级3)可作为可靠的低剂量CT肺癌筛查方案。

本研究的局限性主要是仿真体模仅模拟健康肺组织,而肺部病变如纤维化、肺气肿等均可影响肺结节的检测。本研究结果对于了解扫描参数与重建算法的相关性及变化趋势、优化胸部低剂量CT扫描参数具有一定的意义。

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Comparison of pulmonary nodule detection rate and accuracy in low-dose chest CT between iterative reconstruction algorithm and filtered back projection algorithm

WANG Jie,ZENG Yong-ming,PENG Gang,YU Ren-qiang,SUN Jing-kun,JIN Rui
(Department of Radiology,First Affiliated Hospital,Chongqing Medical University,Chongqing 400016,China)

ObjectiveTo compare the differences of pulmonary nodule detection rates between iterative reconstruction(sinogram affirmed iterative reconstruction,SAFIRE)algorithm and filtered back projection(FBP) algorithm in chest CT,and to evaluate the detection accuracy.MethodsThree groups of tube voltage values of 80, 100,and 120 k V were defaulted on the new dual-source CT,with automatic m As care dose 4D technology,the chest phantom with simulated pulmonary nodules was scanned,then the images were reconstructed with FBP and SAFIRE(grade 1－5),respectively.The detection rates of simulated pulmonary nodules in the chest CT images reconstructed of SAFIRE(grade 1－5)and FBP were compared,and their diameters and CT values were measured.ResultsWith the same tube voltage,no significant difference was found in the detection rate of simulated pulmonary nodules between SAFIRE(grade 1－5)and FBP(P＞0.05),the diameter deviation of simulated nodules of SAFIRE(grade 3)was less than FBP,and the difference in the average CT value of the simulated nodules between SAFIRE(grade 3)and FBP was not statistically significant(P＞0.05);the simulated noduledetection rate of 100 k V was equivalent to the detection rate of 120 k V,the simulated nodule(－800 HU and 3 mm )detection rate of 80 k V was less than that of 120 k V;as the tube voltage reduced,or simulated nodule diameter decreased,or the density of simulated nodule reduced,the nodule’s diameter deviation was increased.ConclusionCompared with FBP,the capabilities of SAFIRE in pulmonary nodule detection in different densities and different sizes are same,and SAFIRE algorithm is helpful for accurate displaying of pulmonary nodules,and it can be used for low-dose CT lung cancer screening program.

tomography,X-ray computed;pulmonary nodule;image reconstruction;computer-aided

R734.2

A

2014-01-07

重庆市卫生局科研基金资助课题(08-2-29)

王 杰(1986－),女,四川省南充市人,医学硕士,主要从事图像处理及辐射剂量优化的研究。

曾勇明(Tel:023-89011721,E-mail:zeng-ym＠vip.sina.com)

1671-587Ⅹ(2014)05-1098-06

10.13481/j.1671-587x.20140537