低剂量CT结合自适应统计迭代重建测量体模肺结节

段海峰，贾永军，马光明，张喜荣，3，陈 静，樊丽华，于 楠*，杨创勃

(1.陕西中医药大学附属医院医学影像科，陕西 咸阳 712000；2.西安交通大学第一附属医院影像科，陕西 西安 710061；3.陕西中医药大学医学技术学院，陕西 咸阳 712000)

图1 含有9个圆球形结节的仿真男性胸部体模 A.胸部体膜； B.不同密度球形结节

CT主要依据病灶大小[1]、吸收特征[2]、形态、边界、实性成分大小及其比例等诊断和鉴别肺结节，随访中需准确测量肺结节大小并评价其形态变化、倍增时间等[3]。目前低剂量CT(low-dose CT, LDCT)越来越多地用于临床检查及健康查体[4]，对直径>4 mm结节检出率高[5]，已成为降低肺癌死亡率的有效手段[6]；但对于LDCT是否可能导致肺结节体积测量误差增大尚存在争论[7-8]。本研究采用Revolution CT扫描联合自适应统计迭代重建(adaptive statistical iterative reconstruction, ASIR)[9]最佳迭代权重(60%)扫描仿真体模观察LDCT测量肺部不同大小、密度结节的影响因素。

1 材料与方法

1.1 材料 仿真胸部体模(Chest Phantom N1，Kyoto Kagaku Co., Ltd)，高度45 cm，胸围94 cm，质量18 kg，胸壁、纵隔、肺、椎体等部位几何大小及X线衰减性能与男性人体组织等效[10]。结节直径8、10、12 mm，CT值：-800 HU(聚氨酯泡沫，低密度磨玻璃结节)、-630 HU(聚氨酯泡沫，高密度磨玻璃结节)、100 HU(聚氨酯和羟基磷灰石，实性结节)，见图1。

1.2 仪器与方法 采用GE Revolution CT扫描仪，8 cm探测器螺旋扫描模式，转速0.5 s/rot，螺距1.531∶1，显示视野36.0 cm，初始层厚5 mm，层间距5 mm，管电压120 kVp，噪声指数(noise index, NI)为14，分别以前置ASIR 0、20%、40%、60%调整管电流，60%后置ASIR 重建，共得到4组1.25 mm肺算法图像。

1.3 数据测量与结节评价 由1名具有9年工作经验的放射科医师在GE AW 4.6工作站Reformat软件上测量并记录肺算法重建轴位图像上各结节最大截面长径和短径(mm)，窗宽/窗位：1450/-550 HU，并计算长短径误差和及失圆度：长短径误差和=(长径-结节实际直径)+(短径-结节实际直径)，失圆度=(最大径-最小径)/2。由分别具有9年和17年工作经验的放射科医师各1名采用随机顺序盲法4分法对重建图像内结节清晰光滑度、失真度进行主观评分。清晰光滑度[11]：1分，明显噪声导致结节轮廓模糊；2分，噪声导致结节边缘显示欠清晰；3分，少量噪声使结节边缘欠光滑；4分，噪声小，结节边缘平滑。失真度[12]：1分，失真严重，呈明显不规则形；2分，失真较严重，呈不规则圆形；3分，轻度失真，呈类圆形；4分，无失真，呈圆形。

1.4 统计学分析 采用SPSS 20.0统计分析软件。计量资料以±s表示。采用单因素方差分析及LAD-t检验比较不同密度、辐射剂量对肺结节长短径误差及失圆度的影响。以Kappa检验评价医师间主观评分的一致性，Kappa值0.41～0.60为一致性一般，0.61～0.80为一致性良，0.81～1为一致性优。对结节清晰光滑度、失真度评分行多个相关样本间Friedman检验，对差异有统计学意义则进一步行两相关样本Wilcoxon符号秩和检验。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 辐射剂量 随前置ASIR迭代权重增大(0～60%)，扫描管电流及辐射剂量逐渐减小。相比常规剂量(ASIR 0)，20%前置ASIR扫描有效剂量(effective dose, ED)减少约19.10%，40%前置ASIR扫描ED减少约50.61%，60%前置ASIR扫描ED减少约73.72%。见表1。

表1 不同权重前置ASIR扫描辐射剂量比较

2.2 客观评价 不同辐射剂量ASIR图像上肺结节的检出敏感度为100%，未发现假阳性结节。结节密度影响低剂量扫描结节长短径误差，磨玻璃密度结节长短径误差、失圆度均比实性结节明显增大(P均<0.05)。辐射剂量影响各结节长短径误差和及失圆度，随着辐射剂量减低，各结节长短径误差和及失圆度增大(图2)，且前置ASIR 40%和60%条件下长短径误差和、失圆度与常规剂量扫描间差异均有统计学意义(P均<0.05)，前置ASIR 60%条件下长短径误差和与前置ASIR 20%间差异有统计学意义(P<0.05)。结节密度及辐射剂量对肺结节长短径误差和、失圆度的影响见表2、3。

表2 不同密度肺结节长短径误差和及失圆度均值比较(±s)

表2 不同密度肺结节长短径误差和及失圆度均值比较(±s)

不同密度肺结节长短径误差和失圆度低密度磨玻璃结节1.14±0.520.41±0.27高密度磨玻璃结节0.91±0.39*0.33±0.16实性结节0.78±0.32*0.32±0.18F值3.3430.848P值0.0430.434

注：*：与低密度磨玻璃结节比较P<0.05

表3 不同辐射剂量重建各肺结节长短径误差和及失圆度比较(±s)

表3 不同辐射剂量重建各肺结节长短径误差和及失圆度比较(±s)

不同辐射剂量长短径误差和失圆度常规剂量(ASIR 0)0.65±0.320.17±0.17低剂量 前置ASIR 20%0.77±0.260.24±0.20 前置ASIR 40%0.85±0.49*0.32±0.23* 前置ASIR 60%0.92±0.40*#0.42±0.16*F值3.4715.221P值0.0090.001

注：*：与常规剂量比较P<0.05；#：与前置ASIR 20%比较P<0.05

2.3 主观评价 前置ASIR 60%条件下，2名医师对结节清晰光滑度评分的一致性一般(Kappa值为0.561)，其余辐射剂量条件下对不同密度结节边界噪声与清晰度、失真度评分一致性均好(Kappa值>0.60)。辐射剂量和结节密度影响结节清晰光滑度和失真度；低剂量条件下不同密度磨玻璃结节噪声与清晰光滑度、失真度评分减小，且辐射剂量越小评分越低(图3)。辐射剂量相差≥40%时，各结节间噪声与清晰度、失真度评分差异均有统计学意义(P均<0.05)。见表4、5。

图2 轴位最大层面图像显示不同密度肺结节 A～D.分别为前置ASIR 0、20%、40%和60%扫描重建图像显示10 mm实性结节(箭)；E～F.分别为前置ASIR 0、20%、40%和60%扫描重建图像显示10 mm低密度磨玻璃结节(箭)

图3 不同权重前置ASIR扫描条件下冠状位重建图像显示低密度磨玻璃结节 A～D.分别为前置ASIR 0、20%、40%和60%扫描重建图像显示8 mm(长箭)和12 mm(短箭)低密度磨玻璃结节，随辐射剂量逐渐降低，结节清晰度、失真度评分逐渐降低。2名医师对4次扫描重建图像中2枚球形结节清晰度/失真度评分的一致性：前置ASIR 0 3分/3分；前置ASIR 20% 2分/3分；前置ASIR 40% 2分/2分；前置ASIR 60% 1分/1分

表4 2名医师对不同密度肺结节噪声与清晰度及失真度主观评分比较(±s)

表4 2名医师对不同密度肺结节噪声与清晰度及失真度主观评分比较(±s)

医师噪声与清晰度低密度磨玻璃结节高密度磨玻璃结节实性结节Z值P值甲3.00±0.773.17±0.71*3.67±0.4918.000<0.001乙3.06±0.733.06±0.80*3.67±0.4915.846<0.001Kappa值0.7390.8291.000--医师失真度低密度磨玻璃结节高密度磨玻璃结节实性结节Z值P值甲2.44±1.043.00±0.843.50±0.5123.532<0.001乙2.50±0.993.00±0.843.50±0.5123.000<0.001Kappa值0.7720.8331.000--

注：*：与低密度磨玻璃结节比较P>0.05，余两两比较P<0.05

表5 2名医师对不同辐射剂量重建图像中结节清晰度及失真度主观评分比较(±s)

表5 2名医师对不同辐射剂量重建图像中结节清晰度及失真度主观评分比较(±s)

医师噪声与清晰度常规剂量(ASIR 0)前置ASIR 20%前置ASIR 40%前置ASIR 60%Z值P值甲4.00±0.003.78±0.443.44±0.53*3.22±0.44*#14.5000.002乙4.00±0.003.67±0.503.44±0.53*2.89±0.60*#18.000<0.001Kappa值1.0000.7271.0000.561--医师失真度常规剂量(ASIR 0)前置ASIR 20%前置ASIR 40%前置ASIR 60%Z值P值甲3.78±0.443.67±0.503.33±0.50*2.67±0.71*#18.536<0.001乙3.89±0.333.78±0.443.33±0.50*2.67±0.71*#19.918<0.001Kappa值0.6090.7271.0000.625--

注：*：与常规剂量比较P<0.05；#：与前置ASIR 20%比较P<0.05

3 讨论

本研究发现，增加前置ASIR智能降低管电流、进而降低70%辐射剂量时，LDCT检出≥8 mm磨玻璃结节(-800 HU、-630 HU)、实性结节(100 HU)的敏感性均为100%。结节密度影响低剂量扫描结节长短径误差和及失圆度。相对于实性结节，磨玻璃结节在低剂量条件下更可能变形而致长短径误差和、失圆度增加，与KO等[7]的结论相同，原因可能为磨玻璃结节与正常肺实质之间衰减差异小，确定边界起止点时的准确性通常不及实性结节[13]。通过降低固定管电流降低扫描辐射剂量可增大肺结节体积测量误差[14]。本研究中辐射剂量影响结节长短径误差和及失圆度，且辐射剂量相差≥40%时各结节噪声与清晰度、失真度评分差异均有统计学意义，原因是低剂量扫描导致图像噪声增大，导致重建图像失真[15]。降低管电流后，探测器接收到的光子数量减少,转换电子数据随之减少，导致图像质量下降，出现较为明显的条纹样伪迹及颗粒状斑点、网纹结构、雪花状噪声、条纹伪影和部分容积伪影。低剂量导致CT图像小结构变形的主要原因在于分布复杂的图像噪声和部分容积伪影。CT探测器单元具有一定宽度，同一探测器接收的病变边缘区域各含有一定比例高、密度投影数据，输出者则为其均值，导致部分容积伪影，对LDCT的影响较常规CT更大[16]。

本研究利用X线组织等效吸收仿真胸部体模扫描已知大小及吸收特征的球形结节，避免了患者体型不同及呼吸等因素的影响。临床胸部扫描图像质量受骨骼硬化伪影、呼吸心跳运动干扰，且肺结节均非标准球形，分布于双肺各部位，本研究所获结论是否适用于临床尚需探讨。另外，本研究未对其他大小、形态(特别是≤8 mm)结节进行图像质量评价；亦未对密度及均匀度等进行分析。

总之，通过增加ASIR迭代权重降低约73.72%辐射剂量，胸部LDCT对直径>8 mm结节的检出敏感度为100%；过度降低辐射剂量将导致肺结节边界清晰度下降和结节形态失真，且对磨玻璃结节影响更大。