低剂量CT扫描结合模型迭代重建术前评估乳腺癌的图像质量研究

2017-06-01郭勇

中国医学影像学杂志 2017年5期

关键词：时相伪影胸部

郭勇

姜彦2JIANG Yan

张静1ZHANG Jing

史丽静1SHI Lijing

王庆军1WANG Qingjun

郑奎宏1ZHENG Kuihong

低剂量CT扫描结合模型迭代重建术前评估乳腺癌的图像质量研究

郭勇1GUO Yong

姜彦2JIANG Yan

张静1ZHANG Jing

史丽静1SHI Lijing

王庆军1WANG Qingjun

郑奎宏1ZHENG Kuihong

目的探讨低剂量CT扫描结合模型迭代重建（IMR）技术对乳腺癌及胸部转移病灶评估的价值，比较IMR、混合迭代重建（HIR）和滤波反投影重建（FBP）对图像质量的影响。资料与方法收集2016年1月－5月海军总医院经乳腺X线和（或）超声检查发现孤立肿块，且乳腺影像报告与数据系统4级及以上的患者21例。所有患者行变化管电流的乳腺CT动态增强扫描（6 min内6次扫描）和胸部扫描，即注药后2 min时相采用常规管电流（61 mAs），其他5个时相采用低管电流（10 mAs）。分别采用FBP、HIR和IMR进行图像重建。对2 min时相图像行乳腺病灶及胸部图像的主客观质量评估。结果平均有效辐射剂量为（2.15±0.39）mSv。2 min时相3种重建技术比较，IMR图像的图像噪声最低、对比噪声比最优，差异有统计学意义（P＜0.05）；主观评估3种重建图像均达到可接受的质量，其中IMR优于HIR及FBP，差异有统计学意义（P＜0.05）。结论低剂量CT扫描结合IMR技术可达到2 mSv的低辐射剂量，同时保持良好的图像质量，在乳腺癌术前评估中可同时评估乳腺病灶以及胸部转移情况。

乳腺肿瘤；体层摄影术，X线计算机；迭代重建算法；辐射剂量；质量控制

对于乳腺肿块X线和（或）超声乳腺影像报告与数据系统（BI-RADS）分级4级及以上患者，一般术前常规行乳腺MRI检查及胸部CT检查以明确乳腺肿块侵犯范围及胸部转移情况[1]；而对于在胸部CT检查的同时完成乳腺肿块评估并省略MRI检查的效果尚未明确。目前MRI已广泛应用于乳腺肿块检查。除少数用于易患人群筛查及肿块良恶性鉴别外，主要目的在于更准确地评估肿块的侵犯范围，从而确定外科手术方式[2-6]。尽管CT在评估乳腺肿块上也有较高的准确性，但由于辐射剂量的原因，未能成为乳腺肿块评价的常规方法[7-9]。基于迭代模型重建（iterative model reconstruction，IMR）的新型全迭代CT重建技术为CT低剂量扫描提供了新的手段。针对胸部、腹部、心血管、脑部的研究显示，IMR能够极大幅度降低辐射剂量，同时提高低对比分辨力[10-14]；但尚未见IMR用于乳腺低剂量CT的研究报道。本研究采用IMR的低剂量CT术前评估乳腺癌患者乳腺和胸部病变，并比较IMR、部分迭代（hybrid iterative reconstruction，HIR）、滤波反投影（ fi ltered back projection，FBP）的图像质量。

1 资料与方法

1.1 研究对象收集2016年1月—5月因发现乳腺肿块于海军总医院就诊且经乳腺X线和（或）超声检查显示为孤立肿块的BI-RADS 4级以上女性患者21例。年龄33～74岁，平均（50.9±9.2）岁；体重指数（ BMI）19.5～32 kg/m2，平均（24.5±2.8）kg/m2。术前行胸部CT检查评估乳腺病灶及胸部转移情况。CT清楚显示并经手术或活检证实的病灶共24个，其中20个侵袭性导管癌、3个纤维腺瘤、1个囊腺病；胸部CT显示腋窝淋巴结增大4例，心包旁结节1例。未发现明确胸椎转移者。排除严重心功能不全、肾功能不全（肌酐清除率≤120 μmol/L）、妊娠或哺乳期妇女、已知碘造影剂过敏史者。

1.2 仪器与方法采用Philips Brilliance iCT 256层CT机。患者取仰卧位，静脉注入碘对比剂碘普胺（320 mgI/ml）70～80 ml，流速4 ml/s，再等速注入生理盐水15 ml冲洗。为绘制乳腺病变动态增强的时间-密度曲线，分别在注药前、注药后1、2、3、4、6 min开始屏气状态扫描。2 min时间点扫描范围为自锁骨上窝至双侧膈下，其他时间点扫描范围包括全乳腺。扫描参数：准直128×0.625 mm；重建层厚1 mm，间隔0.5 mm；管电压80 kVp（BMI≤24 kg/m2）或100 kVp（BMI＞24 kg/m2）；2 min时间点扫描采用X线管旋转速度0.5 s/圈，螺距0.304，自动管电流调控技术（Dose Right，Philips Healthcare），参考管电流61 mAs；其他时间点扫描采用X 线管旋转速度0.75 s/圈，螺距0.992，固定管电流10 mAs。

1.3 图像重建及后处理原始数据分别采用FBP、HIR和IMR进行重建。所得3组横断位图像均传入Philips EBW 4.5.2 工作站，应用最大密度投影（MIP）和多平面重组（MPR）技术进行后处理。

1.4 图像分析在2 min及3 min时相所得图像中进行乳腺病灶图像主、客观质量分析。客观图像质量由1名放射科主治医师在病灶显示最佳层面进行测量。在乳腺病灶、肩胛下肌以及腋窝脂肪内放置感兴趣区（ROI）。病灶内ROI设定为略小于病灶的圆形或椭圆形，其余ROI为圆形，面积约100 mm2。记录ROI内CT及SD值，以腋窝脂肪SD值为图像噪声，CNR计算公式为CNR=（CTl－CTm）/N，其中CTl代表病灶内CT值，CTm代表肩胛下肌内CT值，N代表图像噪声。

主观图像质量由乳腺专业1名主任医师和1名副主任医师采用盲法进行评估，最终应用2名医师共同评价得到的一致意见进行比较。所有主观指标均采用5分法进行评定[11]。①病灶轮廓：1分，模糊，不可接受；2分，可接受；3分，平均值；4分，良好，优于平均值；5分，清晰锐利。②伪影：1分，严重伪影，不可接受；2分，伪影存在，且干扰主要结构显示；3分，伪影中等，但不干扰主要结构显示；4分，伪影较小，优于平均值；5分，无伪影或很小。③诊断信心：1分，不能诊断；2分，仅提示明显病变；3分，中等信心，可能诊断；4分，较大信心；5分，很有信心。

在2 min时相进行胸部图像主、客观质量评估。客观图像质量由1名放射科主治医师在标准纵隔窗（WW=350、WL=40）条件下进行测量。在降主动脉内放置面积100 mm2的圆形ROI，记录其CT及SD值，以SD值作为图像噪声。主观图像质量则由上述2名主任医师采用盲法评估，采用5分法针对图像整体质量进行评分：1分，不可接受；2分，较差，解剖结构轮廓和分界显示欠清，较多伪影和噪声干扰；3分，解剖结构轮廓分界显示尚清，伪影和噪声存在但不影响主要结构显示；4分，良好，解剖结构轮廓分界较清晰，轻微伪影和噪声；5分，优秀，解剖结构轮廓分界显示清晰，无伪影噪声[15]。

1.5 辐射剂量计算容积CT剂量指数（CTDIvol）和剂量长度乘积（dose-length product，DLP）由机器完成扫描后自动测算生成。有效辐射剂量（effective dose，ED）根据Shrimpton等[16]的方法进行确定。1.6 统计学方法采用SPSS 21.0 软件，连续资料采用±s表示。客观图像质量比较采用重复方差分析，两两比较采用SNK法。主观图像质量比较采用Friedman检验，两两比较采用Steel-Dwass法。观察者间一致性分析采用Kappa检验。P＜0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

2.1 乳腺病灶图像质量 2 min时相与3 min时相中，3种重建技术所得病灶CT值组间比较，差异无统计学意义（P＜0.05）；图像噪声与CNR组间比较，差异均有统计学意义（P＜0.05）。见表1、2及图1。

乳腺病灶主观质量评分，2名评价者之间一致性良好（Kappa=0.81～0.91）。2 min时相3组在各主观指标中均达到诊断要求（＞3分），但各指标评分差异有统计学意义（P＜0.05）。而3 min时相，仅IMR在病灶轮廓显示指标中达到诊断要求，IMR在伪影及诊断信心指标以及HIR和FBP在各指标中均未达到诊断要求。见表3、4。

表1 2 min时相乳腺病灶客观图像质量比较（±s）

注：与FBP组比较，*P＜0.05；与HIR组比较，#P＜0.05

客观指标FBPHIRIMRP值病灶CT值（HU）98.5±17.892.9±18.194.4±19.2＞0.05图像噪声（HU）31.5±5.821.6±3.6*10.4±4.5*#＜0.001 CNR1.47±0.662.00±0.81*4.53±1.80*#＜0.001

表2 3 min 时相乳腺病灶客观图像质量比较（±s）

注：与FBP组比较，*P＜0.05；与HIR组比较，#P＜0.05

客观指标FBPHIRIMRP值病灶CT值（HU）77.0±27.770.3±27.067.7±27.4＞0.05图像噪声（HU）111.6±33.6 53.6±12.1*15.5±6.6*#＜0.001 CNR0.29±0.200.60±0.39*2.07±1.56*#＜0.001

图1 女，54 岁，乳腺浸润性导管癌2级。A～F：平扫以及增强扫描后1、2、3、4、6 min乳腺病灶的IMR重建图像；6期图像层面重复性好，病灶轮廓可准确勾画ROI（箭头）；C'、C''为2 min时相不同重建技术乳腺病灶图像，C'：HIR，C''：FBP，IMR（C）病灶轮廓显示清晰，噪声和伪影也明显较HIR和FBP降低；三者主观评分诊断信心分别为5分、5分和4分；D'、D''为3 min时相不同重建技术乳腺病灶图像，D'：HIR，D''：FBP，IMR（D）病灶轮廓显示清晰，达到诊断要求，图像质量显著高于HIR和FBP；FBP图像伪影噪声均较为严重，未达到诊断要求三者主观评分诊断信心分别为4分、3分和2分

表3 2 min时相乳腺病灶主观图像质量比较[M（Q1，Q3）]

表4 3 min时相乳腺病灶主观图像质量比较[M（Q1，Q3）]

2.2 整体胸部图像质量客观噪声IMR＜HIR＜FBP，差异均有统计学意义（P＜0.05）；主观评分IMR和HIR间无显著差异，但两者均优于FBP。见表5。

2.3 辐射剂量本研究中乳腺及胸部联合扫描方案总有效辐射剂量不超过常规诊断用胸部CT，见表6。

表5 胸部主客观图像质量比较

表6 CT扫描方案中各时相辐射剂量（±s）

注：胸部诊断时相即注射对比剂后2 min时相，扫描范围自锁骨上窝至双侧膈下，在用作乳腺病灶评估的同时用作乳腺癌患者胸部情况评估；乳腺动态扫描时相包括平扫以及注射对比剂后1、3、4、6 min时相，扫描范围仅限于乳腺，扫描参数设置较低，仅用作乳腺动态扫描时乳腺病灶评估

CTDIvol（mGy）ED（mSv）总剂量5.14.±1.022.15±0.39胸部诊断时相3.52±0.731.55±0.32乳腺动态扫描时相（单个）0.33±0.100.12±0.03乳腺动态扫描时相（合计）1.63±0.500.60±0.18项目

3 讨论

CT迭代重建技术经过近20年的发展，从最初的简单迭代到部分迭代，再到目前最先进的模型迭代。简单迭代仅基于图像域对数据进行简单处理，提高图像质量有限，目前临床鲜有应用。目前应用最广泛的迭代技术为部分迭代，虽然同时基于图像域和原始数据域，但其通常混有FBP成分，优点在于重建速度快、可适性较强，但在大幅度降低剂量等严苛条件下，图像质量难以达到诊断要求[14]；而模型迭代不同于部分迭代。该技术采用统计学模型以及CT系统模型进行对比校正，最终可得到低噪声高分辨的CT图像，较部分迭代降低辐射剂量的潜力更大[17]。

本研究中，乳腺CT检查包括乳腺动态增强扫描及常规胸部扫描。乳腺动态增强扫描可同时提供乳腺病灶形态信息及病灶增强的动态变化（即时间-密度曲线）信息，可进一步鉴别病灶良恶性；而常规胸部扫描则用以评估患者胸部有无转移灶。因动态扫描多达6个时相，故降低辐射剂量成为关键。Izzo等[8]采用减少扫描时相的方法，但减少时相可能会导致时间-密度曲线结果不准确；而Seo等[18]对所有时相采用相同方案进行扫描，虽然对管电流进行调控，但辐射剂量仍存在较大的下降空间。此外，既往研究扫描范围仅覆盖双侧乳腺，对胸部的评估不完整。本研究针对于以上缺点设计了变化管电流的动态扫描方案，仅在2 min时相采用较高管电流（约60 mAs）以及小螺距方案，同时覆盖范围为整个胸部，用以提供高质量的乳腺病变形态学信息以及胸部形态学信息；其余5个时相则采用低管电流（10 mAs）及大螺距方案，扫描范围覆盖双侧乳腺，仅用以提供乳腺病灶动态过程中的CT值，从而大幅度降低了动态增强扫描的辐射剂量，5个时相的有效辐射剂量合为0.60 mSv，仅为总剂量的28%；整个扫描方案中，管电压根据患者BMI选择。本研究中2 min时相剂量条件（3.5 mGy、1.5 mSv）略低于常规，在进行乳腺病灶及整体胸部图像质量评估时，虽然IMR表现出显著优势，但3种重建技术均可达到诊断要求，提示该时相扫描在应用IMR的条件下仍有较大的剂量降低空间；而在3 min时相，即极低剂量（0.33 mGy、0.12 mSv）条件下，相较FBP和HIR，IMR则表现出更明显的优势，不仅在乳腺病灶的客观噪声及病灶CNR方面显著优于HIR和FBP，同时在主观评分病灶轮廓方面也达到诊断要求；而HIR和FBP则均未在主观评分中达到诊断要求，这反映出IMR在低对比分辨力方面的优势，有利于在低剂量时相乳腺病灶的观察与CT值测量。此外，FBP、HIR、IMR 3种重建技术在CT值方面未表现出差异，可保证应用IMR或HIR等迭代技术时，乳腺动态扫描在各个时相中病灶CT值取值的可信度。

根据最新NCCN乳腺癌临床指南，乳腺癌临床分期I～IIB期合并肺部症状的患者和IIIA 期术前评估的患者需要行胸部CT检查[19]。目前临床上分别采用MRI术前评估乳腺病灶，CT评估胸部转移情况。本研究所述乳腺CT检查方法可提供一站式乳腺病变和胸部病变评估，即一次检查完成乳腺、肺、腋窝淋巴结、胸椎、肋骨等组织器官病灶和转移的评估，流程明显简化，在实际应用中有临床推广价值。

本研究的不足：①着重于图像质量评估，缺乏诊断效能（如乳腺病变诊断的准确性）的评估；②本研究中用以评估乳腺病变和胸部转移情况的2 min时相的剂量方案相对保守，可在后续研究中优化；③样本量相对较小。

总之，结合IMR和变化管电流技术的乳腺动态增强CT检查可达到2 mSv的低辐射剂量，同时保持良好的图像质量，且在乳腺癌术前评估中可同时评估乳腺病灶以及胸部转移情况，值得临床推广。此外，结合IMR技术的乳腺专用CT检查仍有进一步降低剂量的潜力。

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（本文编辑闻浩）

Image Quality of Low Dose Computed Tomography Combined with Iterative Model Reconstruction Technique in Preoperative Evaluation of Breast Cancer

PurposeTo investigate the value of low dose CT combined with iterative model reconstruction (IMR) technique for evaluation of both breast lesion and pulmonary metastasis in patients with breast cancer, and compare the effects of IMR, hybrid iterative reconstruction (HIR) and filtered back projection (FBP) techniques on image quality.Materials and MethodsTwenty-one patients with solitary tumor confirmed by mammography and/ or ultrasonography at Navy General Hospital from January to May in 2016 were enrolled, and the related breast imaging reporting and data system reached to level 4 and above. All patients underwent dynamic contrast-enhanced CT with different tube current for breast (scanning 6 times within 6 minutes) and chest scans; the conventional tube current (61 mAs) was used at the 2 minutes phase after injection, and the low tube current (10 mAs) was used at the other 5 phases. CT images were reconstructed with FBP, HIR and IMR techniques, respectively. The images of breast lesions and chest in 2 minutes scans were evaluated objectively and subjectively.ResultsThe mean effective radiation dose was (2.15±0.39) mSv. The images of 3 reconstruction techniques at the 2 minutes phase were compared, and the IMR images showed the lowest image noise and the optimal contrast to noise ratio (P＜0.05). The images quality of 3 kinds of reconstruction techniques was acceptable, of which IMR was better than HIR and FBP (P＜0.05).ConclusionLow dose CT scan combined with IMR technique can remain low radiation with dose of 2 mSv, while maintaining good image quality, which can be used for preoperative evaluation of both breast lesion and pulmonary metastasis in patients with breast cancer.

Breast neoplasms; Tomography, X-ray computed; Iterative reconstruction technique algorithm; Radiation dosage; Quality control

1. 海军总医院影像科北京 100048

2.飞利浦中国影像研究院上海 200000

郭勇

Department of Radiology, Navy General Hospital, Beijing 100048, China

Address Correspondence to:GUO Yong

E-mail: guoyong27@hotmail.com

R445.3；R737.9

2016-10-08

修回日期：2016-12-12

中国医学影像学杂志

2017年第25卷第5期：360-364