自适应统计迭代重建技术在低剂量CT结肠成像中息肉检出能力的评价

2020-12-30刘晓冬刘爱连刘义军付维利刘静红徐明哲

中国医学装备 2020年12期

刘晓冬刘爱连* 刘义军付维利刘静红方鑫赵莹徐明哲袁刚

CT结肠造影(CT colonography，CTC)因其优良的诊断效能及良好的患者耐受性，成为目前肠道疾病广为接受的筛查工具，其辐射剂量问题一直为人们所关注。近年来，众多研究证实统计迭代重建(iterative reconstruction，IR)技术可在低剂量扫描下显著提高图像质量，因此低剂量CTC的研究重点也已从前期单独降低扫描X射线管剂量到目前联合使用新的图像重建算法[1]。Revolution CT是最新开发的新型CT，其独特的全模型实时自适应统计迭代重建(adaptive statistical iterative reconstruction-Veo，ASIR-V)算法，能够在降低辐射剂量的同时提高图像质量，ASIR-V算法为更低剂量的CT结肠成像开辟了新的可能。为此，本研究建立离体猪结肠息肉模型，探究不同管电流结合不同水平ASIR-V重建对CTC息肉检出能力的影响，评价ASIR-V技术对提高息肉检出率及其降低辐射剂量的应用价值。

1 资料与方法

1.1 模型建立

取新鲜离体猪结肠，清洗肠壁后外翻，用无齿镊夹提小块黏膜组织，用医用丝线结扎其根部形成模拟息肉，以一定间隔连续排列，根据息肉长径(D)不同将其分为1～5 mm组、5～10 mm组和10～15 mm组，每组息肉10枚，共计30枚。翻转恢复原肠壁结构，结扎肠管一端注入空气。将88 ml碘对比剂(浓度300 mgI/ml)溶于白开水中，即配置成0.1%的碘水溶液，CT值约25 HU，再将充气膨胀后的结肠模型固定于塑料容器内，容器大小为30 cm×19 cm×49 cm，肠管呈自然卷曲状态。

1.2 仪器设备

使用Revolution CT机(美国GE公司)扫描结肠息肉模型；AW 4.6工作站(美国GE公司)。

1.3 扫描方法

定位扫描后，固定扫描范围，将千伏电压峰值设置为120 kVp，扫描速度0.5 s/转，层厚及层间距均为5 mm，X射线管旋转时间0.5 s，螺距0.992∶1，显示野(displayed field of view，DFOV)40 cm，分别应用10 mA、30 mA、50 mA、70 mA、90 mA、100 mA、120 mA、140 mA、160 mA、180 mA、200 mA、220 mA、240 mA和260 mA不同的管电流重复扫描。扫描结束后，分别应用权重为0、10%、30%、50%、70%和90%的ASIR-V算法对原始图像数据进行标准算法重建，重建层厚均为0.625 mm。0% ASIR-V重建即为滤波反投影(filtered back projection，FBP)重建，共计84组不同扫描条件(14种扫描管电流×6种重建算法)的CTC图像。

1.4 图像分析及处理

将数据传至AW 4.6工作站进行图像后处理，包括CT仿真内镜(computed tomographic virtual endoscopy，CTVE)、虚拟分割(virtual dissection，VD)、多平面重建(multiplanar Reformation，MPR)以及容积再现(volume rendering，VR)，由两名有CTC诊断经验的医师盲法对每一枚息肉的检出信心进行评分，检出信心分为5个等级[2]：①5分，确定为息肉；②4分，很可能是息肉：③3分：可能是息肉；④2分：很可能不是息肉；⑤1分，确定不是息肉。当检出信心为5分、4分或3分时，息肉阳性；当检出信心为2分或1分时，息肉阴性。分别计算1 mm≤D＜5 mm组、5 mm≤D＜10 mm组和10 mm≤D≤15 mm组息肉的检出率。记录并计算每次扫描的辐射剂量，剂量长度乘积(dose length product，DLP)由CT机自动生成，其有效剂量(effective dose，E)计算为公式1[3]：

式中k=0.015 mSv/mGy·cm。

1.5 观察与评价指标

(1)检出信息评分。两名观察者息肉检出信心评分一致性；Kappa系数k值为0.00～0.20，一致性差；k值为0.21～0.40，一致性尚可；k值为0.41～0.60，一致性中等；k值为0.61～0.80，一致性好，k值为0.81～1.00，一致性非常好，评分一致性好及以上时，使用两名观察者平均分进行统计分析。

(2)辐射剂量。统计息肉全部检出的最低辐射剂量，计算辐射剂量的降低幅度。

1.6 统计学方法

采用SPSS17.0统计分析软件进行数据分析。采用Kappa检验进行一致性分析。息肉大小、管电流及ASIR-V的改变对息肉检出信心及息肉检出率的影响采用线性回归进行分析，以P＜0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 结肠息肉检出结果

(1)息肉检出信心评分结果：两名医师息肉检出一致性好(Kappa=0.831)。管电流及ASIR-V水平的变化均会影响息肉检出信心的评分，两者间呈显著正相关，差异均具有统计学意义(r=0.884，r=0.861；P＜0.05)。

2.2 1～15 mm全部息肉检出率

两名医师对30枚息肉的14种扫描管电流及6种重建算法获得息肉图像(2520幅)进行评判，其中阳性息肉图像2487幅，阴性息肉图像19幅。息肉全部检出的最低扫描条件为30 mA、权重50% ASIR-V算法重建。当管电流≥50 mA时，息肉检出率均达100%，管电流及ASIR-V算法权重的改变均不会影响息肉检出率，且差异无统计学意义。当管电流≤30 mA时，管电流及ASIR-V算法权重的变化均会影响1～15 mm全部息肉检出率，两者间均呈显著相关(r=0.677，r=0.644；P＜0.05)。随着管电流增加，息肉检出率逐渐增加。相同管电流水平(10 mA或30 mA)下，ASIR-V权重的变化与息肉检出率呈显著相关(r=0.832，r=0.932；P=0.007)。息肉的大小与息肉检出率呈显著相关(r=0.688，P=0.000)，随着息肉直径增大，息肉检出率逐渐升高。

2.3 1～5 mm组息肉检出率

1～5 mm组息肉全部检出的最低扫描条件为30 mA、权重50% ASIR-V算法重建，管电流增加可提高1～5 mm组息肉检出率，两者间均呈显著相关(r=0.729，P＜0.05)；管电流为10 mA，ASIR-V算法权重变化对息肉检出率的影响不相关(r=0.756，P＞0.05)；当提高管电流至30 mA时，ASIR-V算法权重的改变对息肉检出率的影响具有显著相关性(r=0.924，P＜0.05)。2.5 mm息肉的CTC后重建图像见图1。

图1 2.5 mm息肉的CTC后处理图像

2.4 5～10 mm组息肉检出率

5～10 mm组息肉全部检出的最低扫描条件为30 mA、30% ASIR-V重建。根据线性回归分析，管电流的改变可影响5～10 mm组息肉检出率，两者间均呈显著相关(r=0.612,P=0.034)；当管电流为10 mA和30 mA时，ASIR-V算法权重的变化与息肉检出率呈显著正相关(r=0.878，r=0.831；P＜0.05)。

2.5 10～15 mm组息肉检出率

在84幅图像中，对10～15 mm组息肉检出率均达到100%，且差异无统计学意义。

2.6 辐射剂量比较

通过CT机自动输出的辐射剂量报告统计，随着管电流从10 mA增加至260 mA，CT容积剂量指数(volume CT dose index，CTDIvol)随之增加，约为0.31～8.17 mGy，有效剂量(E)为0.20～5.29 mSv，管电流为10 mA时有效剂量(E)最小，为0.20 mSv。息肉全部检出的最低管电流为30 mA，有效剂量(E)为0.61 mSv，较50 mA(1.02 mSv)时降低67%。

3 讨论

结直肠癌是消化道常见的恶性肿瘤，其发病率及病死率逐年攀升[4]。有研究认为，结直肠肿瘤由早期的腺瘤性息肉缓慢恶变而来，从腺瘤性息肉到恶性肿瘤的演变大约需要10～15年的时间[5]。因此，早期检出息肉并加以切除对于结直肠癌的预防或早期治疗具有重要的意义。CTC是近年新兴的结直肠病变的影像学新技术，具有操作简便、定位准确、疾病检出敏感性及准确率高、患者依从性好、安全无创等优势，可为临床治疗方案的选择提供更多有价值的信息。随着CTC的临床普及化，其辐射剂量所致患癌风险不可忽视，因此，平衡电离辐射剂量与图像质量，满足诊断需要是低剂量CTC筛查的关键性技术问题。

辐射剂量与X射线管电流剂量呈线性相关，既往降低辐射剂量最直截了当的方法为单纯降低X射线管电流剂量，但势必会增加图像噪声，降低图像质量继而影响病变的诊断。近年来，有学者曾分别使用15 mA、30 mA和50 mA管电流行低剂量宝石能谱CTC，结果显示，当管电流为30 mA和50 mA时对CTC的后处理图像CTVE和透明显示图像(ray-summation，Raysum)质量影响不明显，并不影响息肉诊断，且辐射剂量较腹部常规剂量分别下降80%和88%；当管电流为15 mA时图像质量则无法达到诊断要求[6]。沈和松等[1]应用20 mA超低剂量CTC结合三维自适应迭代剂量降低算法(adaptive iterative dose reduction three-dimensional，AIDR3D)可使息肉检出敏感性达100%，且有效电离辐射(1.62 mSv)降低了60%。本研究结果显示，随着管电流增加，息肉检出率逐渐增加，息肉全部检出的最低扫描协议为120 kVp、30 mA，此时对应的CTDIvol已降至0.94 mGy，有效辐射剂量仅为0.61 mSv，均低于上述体模研究的辐射剂量。

ASIR-V技术具有自适应统计迭代重建(adaptive statistical iterative reconstruction，ASIR)的实时迭代优势和基于模型的迭代重建(model-based iterative reconstruction，MBIR)的多模型迭代优势。李磊等[7]研究显示，应用10 mA结合ASIR重建时，5 mm以上息肉检出率随应用ASIR水平升高而提高。Lambert等[8]应用10 mA结合MBIR重建行超低剂量CTC的结果表明，MBIR不仅可提高图像质量，且较FBP，重建提高息肉检出率达10.7%。本研究结果表明，在低剂量条件下，ASIR-V重建可提高息肉检出率。Lim等[1]研究指出，对于迭代重建并非权重比越高，图像质量就越好，针对人体不同部位，要通过实验得到最适宜的迭代重建权重值。本研究中，应用50% ASIR-V重建可获得较高的图像评分，并可提高息肉的检出信心。

有研究[9]发现，直径＜5 mm的息肉10年恶变率仅为0.08%，而直径＞5 mm的息肉恶变率显著增加(15.7%)，因此，低剂量CTC能否对5 mm以上息肉精确诊断尤为重要。李家言等[10]在能谱CT结肠成像与结肠镜对比研究中发现，在低管电流(30 mA)扫描条件下，对于＞5 mm的息肉，低剂量CTC(1.31 mGy)的息肉符合率为91.07%，＜5 mm的息肉符合率为50%。本研究中，所有扫描条件下对于1 cm以上息肉检出率均达100%；对于6～10 mm的息肉全部检出的最低管电流为30 mA，而此时辐射剂量仅为0.94 mGy，明显低于上述研究的辐射剂量。本研究证实，ASIR-V权重变化与息肉检出率有显著相关性，当管电流相同时，随着ASIR-V水平增大，息肉检出率逐渐增大，至50% ASIR-V重建最大，其后略有降低。对于1～5 mm的息肉，10 mA时，ASIR-V的改变对息肉检出率的影响不显著，此时可能由于息肉过小所致，而随着管电流及ASIR-V水平增加，息肉检出率不断增加，且ASIR-V的改变对提高息肉检出率有明显相关性。由此可见，ASIR-V算法可明显提高＞5 mm息肉的检出率，并满足临床需求。因此，ASIR-V算法在保证图像质量、不影响诊断信心的前提下，可提高息肉的检出率并大幅降低辐射剂量。

美国健康物理学会(Health Physics Society，HPS)推荐的安全辐射剂量，包括职业及环境的照射在内，当辐射剂量＜10 mSv，对于人体的危害微小，甚至可认为无害。本研究虽为离体实验，但体模设计已尽量模仿人体腹部内环境，肠管设计尽量符合在体结肠状态。根据国际医学成像和技术协会和美国食品药品管理局所推荐的MITA-FDA CT IQ体模对ASIR-V的性能测试，对比FBP重建，ASIR-V可以降低多达82%的辐射剂量[11]。本研究实验当管电流为30 mA时，有效辐射剂量仅为0.61 mSv，且此时图像质量、息肉诊断信心均满足诊断需要。