探讨能谱CT单能量图像对计算机辅助检测系统肺栓塞检出率的影响

窦越群，于楠，郭佑民，于勇，段海峰，杨创勃，马光明

肺动脉栓塞(pulmonary embolism，PE)是内源或外源性栓子阻塞肺动脉主干或其分支引起肺循环障碍的临床综合征。肺栓塞是常见的心血管疾病，发病率和死亡率高居第3位，仅次于冠心病和高血压性脑卒中[1]。目前CT肺动脉成像(CT pulmonary angiography，CTPA)是诊断PE的首选无创性检查方法。随着CT技术的发展，对PE的检出敏感度和特异度明显提高，但临床上对PE的诊断仍面临挑战。主要包括：图像数量较多，诊断耗时，医师易出现视觉疲劳；低年资医师可能因经验不足或者图像的窗宽、窗位设置不合适而漏诊。计算机辅助诊断(computer aided diagnosis，CAD)系统能够缩短放射医师的工作时间，降低单独阅片的疏漏，同时能够增强低年资放射医师的诊断信心，提高其对栓子的检出能力[2]。但是，CAD系统诊断PE也存在一定缺点，主要是假阳性率偏高或不稳定，有文献报道CAD的假阳性率高达25%[3]，其中图像质量差及图像噪声较大均可能导致阳性预测值降低。

能谱CT单能量图像能够使同一种物质的衰减系数恒定，避免硬化效应的产生，从而显著提高图像质量[4]。近期有文献报，对于PE的检出，能谱CT单能量图像(65～70 keV)能够显著降低图像的噪声，增加对比噪声比和医师的诊断信心[5]。而能谱CT不同水平单能量图像对CAD检出肺栓塞的影响是未知的，本研究的旨在探讨不同水平单能量图像对CAD诊断PE准确性的影响。

材料与方法

1.一般资料

本研究经本院伦理委员会审批通过。所有患者在增强检查前知情同意并签署知情同意书。

搜集2017年7月-2017年12月在本院诊断为肺动脉栓塞的29例患者的病例资料。排除标准：①单能量图像不能导入CAD分析软件；②肺部有其它病变；③胸腔积液较多；④图像信息不全。经筛选后共20例患者纳入本研究，男11例，女性9例，年龄36～78岁，平均(53.9±12.9)岁。患者主要临床表现为咳嗽、胸闷、胸痛及呼吸困难等。有下肢血栓史6例，骨折术后4例，肿瘤病史4例，高血压病史2例，无基础病史4例。

2.检查方法

使用GE Discovery CT750 HD能谱CT机。扫描范围自胸廓入口至膈肌水平，扫描参数： 80/140 kVp瞬时切换(选用GSI-1协议)，螺距1.375，0.5 s/r，视野50 cm×50 cm，探测器宽度0.625 mm×64，层厚5 mm。使用高压注射器经静脉注入非离子型对比剂碘海醇(350 mg I/mg)，总量50 mL，注射流率4.0 mL/s，对比剂注射完毕后，以相同流率注入生理盐水40 mL。使用团注触发扫描技术，感兴趣区(region of interest，ROI)放置于肺动脉主干所在层面，阈值设为120 HU。

3.图像重建

扫描完成后对原始数据进行薄层重建，层厚1.250 mm，层距0.625 mm；40～80 keV的单能量图像每间隔5 keV进行重建，共有9组图像，其中60～80 keV单能量图像采用60%自适应迭代重建算法(adaptive statistical iterative reconstruct，ASIR)进行重建，而40～55 keV单能量图像由于AW4.6工作站软件的限制只能采用常规滤波反投影算法(filtered back projection，FBP)进行重建。然后将所有图像导入ADW 4.6工作站进行数据测量。

4.图像分析及测量

两位分别有10和15年胸部影像学诊断经验的放射科医师分别在AW 4.6工作站上独立阅片，对每例患者的9组单能量图像进行评价，窗宽和窗位分别设置为600和200 HU，可根据实际情况调整。标记每个栓子的位置，当两位医师标记不一致时，则由另1位具有20年胸部影像学诊断经验的上级放射科医师进行判断。以AW4.6工作站上医师的阅片结果结合CAD的诊断结果来共同确定真性栓子，作为最终诊断结果(金标准)。

在65 keV单能量图像上于肺动脉分叉层面放置ROI，大小1.5～2.0 cm2，测量肺动脉的CT值；其它8组单能量图像上在相同层面、相同位置放置相同的ROI进行测量。此外，选取栓子最大层面，在栓子中心实性区域勾画ROI，大小约占栓子最大横断面积的2/3，测量栓子的CT值和标准差(SD)。计算栓子的对比噪声比(contrast-to-noise ratio，CNR)和肺动脉与栓子CT值的差值(△CT)：

(1)

CT=CT1-CT2

(2)

其中，CT1为肺动脉主干的CT值，CT2为栓子的CT值，SD为栓子CT值的标准差。

5.CAD分析

将各组单能量图像导入 “数字肺”CAD软件用于栓子的检测，主要包括以下几个步骤：①应用三维骨架提取算法对肺动脉进行分割，采用血管追踪技术对图像上血管中断处进行修补。②提取所有肺动脉血管骨架，以血管树形式显示。③利用密度阈值法在肺动脉中自动检出连续低密度区，即定义为栓子。将各组单能量图像上CAD检测结果与真性栓子(参考标准)的情况进行比较，若相符合则认定为真阳性栓子，否则为假阳性栓子，计算不同水平单能量图像上CAD对栓子的检出率和假阳性率。

6.统计分析

使用SPSS 17.0软件进行统计分析。计量资料采用均值±标准差的形式表示，计数资料采用例数和百分比的形式表示。不同单能量图像上栓子CNR的比较采用重复测量的单因素方差分析。以P<0.05为差异有统计学意义。

结 果

1.栓子检测结果

20例患者中两位医师共标记出132个栓子，其中97个标记一致，确定为真性栓子；35个标记不一致，其中19个经上级医师确定为真性栓子。4个位于亚段以下肺动脉内的栓子两位医师均未能标记出，经CAD检出后经上级医师再次审查确定为栓子。最终共确定了120个栓子(作为参考标准)，平均每例患者6.0个栓子。其中，位于肺动脉主干7个(5.83%)，叶级肺动脉19个(15.83%)，位于段级肺动脉35个(29.17%)，亚段级43个(35.83%)，亚段级以下肺动脉16个(13.33%)。

各级单能量图像上CAD对栓子的检出率和假阳性率见表1。低keV(<60 keV)单能量图像上CAD检出栓子的敏感度较低(图1)；高keV(>65 keV)单能量图像上假阳性率较高(图2)。在60和65 keV单能量水平，检出敏感度相对较高且假阳性率相对较低。

表1 各单能量图像上CAD对栓子的检出结果

2.CT值和栓子的CNR

不同单能量图像上△CT值和栓子的CNR测量结果见表2。在65 keV水平栓子的CNR最高，相对于其它单能量水平分别增加了约51.69%(40 keV)、48.89%(45 keV)、42.5%(50 keV)、45.85%(55 keV)、1.08%(60 keV)、23.17%(70 keV)、51.41%(75 keV)和54.39%(80 keV)。不同单能量水平间栓子CNR的差异有统计学意义(F=13.31，P=0.000)。进一步进行各单能量水平组间两两比较，60和65 keV水平栓子的CNR高于其它单能量水平，差异均有统计学意义(P<0.05)；而这二者之间差异无统计学意义(P>0.05)。

表2 各单能量图像上△CT值和栓子的CNR

讨 论

CAD在临床工作中应用日益广泛，它能够明显提升对疾病检测的敏感性，CAD亦由仅仅帮助放射科医师发现疾病，发展到具有潜在诊断功能的领域[6-7]。肺血管系统也是实现CAD诊断的一个重要领域[8]。近期的几项研究中对CAD作为辅助工具在诊断PE中的作用进行了评估，结果显示CAD有助于PE的诊断，尤其是对缺乏经验的放射科医师[3,9]。Engelke等[10]报道CAD辅助技术能显著提高初学者对肺动脉主干及叶、段及段以下肺动脉的检出率，而对于年资较高者，仅提高了对肺段及肺段以下肺动脉栓塞的检出率。需要指出的是，CAD诊断PE也存在一定缺点，即阳性预测值过低，有时甚至低至20%。有很多因素可导致CAD对PE的阳性预测值降低，如扫描时相不准，肺动脉强化程度未达到理想值；上腔静脉、右心内对比剂高密度伪影；呼吸或心脏运动伪影以及图像噪声等[3]。有研究结果表明单能量图像能够提升CNR，有利于放射科医师发现PE[11]，但是目前基于不同单能量水平的CAD系统对于PE的诊断价值的相关报道较少。本研究主旨在探讨不同水平单能量图像对CAD检出PE准确率的影响，并探寻有利于CAD检测的最佳单能量水平。

能谱CT最佳单能量图像既有合适的噪声又有较高的CNR，这为提高CAD结合单能量图像对栓子的检出率及准确性提供了理论依据。能谱CT探测器对X线的余晖效应减少了10倍，而发射速度提升了150倍；低余辉效应和高速射线，能够使数据采集更快，减少硬化伪影，避免平均衰减效应，提高图像质量[4]。能谱CT单次扫描可以获得40～140 keV的多组单能量图像，能够降低线束硬化所致的CT值“漂移”的影响。不同keV的单能量图像具有不同的特征，低能量时X线穿透力弱，但组织对比度大，能得到更高的CT值和噪声值，而高能量水平时X线穿透力强，但获得的组织对比度小；当某个能量水平组织的对比度和噪声达到平衡时，即组织对比度最好而CT值和噪声相对较小，这一能量水平称为最佳单能量图像。笔者发现栓子的噪声随着能量水平的改变变化幅度较大，尤其是在低keV时噪声明显增大，而血管噪声随能量水平变化的曲线较平滑，笔者认为栓子噪声的增加对于CAD准确检出栓子的影响较大，因此本研究中对于栓子CNR的计算选取栓子的SD作为分母。本研究结果显示在60和65 keV栓子的CNR高于其它单能量水平，这与cheng等[5]的研究结果不同，他们发现50keV可获得最好的CNR，笔者分析可能的原因是他们计算CNR时以血管的SD作为分母，而笔者采用栓子的SD作为分母。

本研究结果显示，低keV(40～55 kev)时CAD检出栓子的假阳性率很低(0%～5.75%)，但敏感度也很低(40.00%～68.33%)；高keV(70～80 keV)时CAD检出栓子的敏感度很高(80.00%～85.38%)，但假阳性率也很高(30.43%～54.42%)。因此，在强化的血管中利用CAD检出无强化的栓子时，仅仅优化CNR是不够的。图像整体质量、栓子与肺动脉CT值的差值及栓子的噪声、密度和大小同样影响CAD对于栓子的检出。通过不同水平单能量图像可以协调肺动脉和栓子的CT值，并使其差异最大。本研究中在低keV单能量水平图像上肺动脉与栓子的CT值差异较大，但是CAD对栓子的检出率却较低，分析原因如下：①低光子(低keV)条件下能提高对比剂的增强效果，血管内CT值最高，肺动脉和栓子的CT值差异最大，然而光子量减少也伴随着图像噪声的增加，因此低keV图像上栓子的检出率较低；②可能是由于低keV单能量图像上血管内CT值过高，产生高密度伪影或增强了“容积效应”而导致CAD漏诊体积较小或者长条形的栓子(图2b)；③肺动脉与栓子CT值差值的标准差随着能量水平的降低而增加，这也会影响CAD对栓子的检出率。而在高keV(≥70 keV)单能量水平肺动脉和栓子的CT值差异随着单能量水平的增加而降低，假阳性率则随之升高，这与高keV水平下肺动脉和栓子的CT值较低有关，另外高keV图像更能体现出对比剂在血管内混合的不均一性，间接放大了这种差异，导致血管内对比剂较少的低密度区被误诊为栓子。因此，栓子的CNR、肺动脉与栓子的CT值差值和图像噪声三者之间相互平衡，才更有利于CAD检出栓子。本研究中在60和65 keV栓子的CNR高于其它单能量水平，差异有统计学意义(P<0.05)；而60～65 keV肺动脉与栓子CT值差值为413.14和483.17 HU；CAD结合60和65 keV单能量图像检出栓子的敏感度较高，而假阳性率较低，所以，对于CAD检出栓子而言最佳单能量水平位于60～65 keV。

本研究存在的不足之处：首先，由于机器及软件的限制，40～55 keV的4组单能量图像只能采用FBP法进行重建，而60～80 keV的单能量图像可采用ASIR进行重建，这可能造成研究结果有一定偏倚；其次，样本量相对较少；再者，对60～80 keV单能量水平的图象进行重建时ASIR的选择，仅仅根据文献研究和个人经验，选择60%的ASIR重建，不同个体重建时最佳ASIR可能不同，还需要进一步增加样本量，拓展研究范围。