超低剂量CT能谱纯化技术定量肺气肿

高燕莉，翟晓力，李 坤，徐晓莉，张卫国，黄克武

(1.首都医科大学附属北京朝阳医院放射科，2.呼吸与危重症医学科，北京 100020)

肺气肿是慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease, COPD)的重要影像学特征。传统上常通过医师主观评价定性诊断肺气肿。CT定量分析能提供肺密度和容积的准确数据，已成为近年研究热点[1-4]。新一代双源CT能谱纯化(selective photon shield, SPS)技术为超低剂量扫描提供了新方法，目前主要用于检测肺结节和儿科检查[5-6]。本研究探讨采用超低剂量CT SPS技术定量诊断肺气肿的可行性。

1 资料与方法

1.1 一般资料 收集2017年3月-2018年2月45例于首都医科大学附属北京朝阳医院就诊的COPD患者，男39例，女6例，年龄54～81岁，平均(66.6±6.5)岁。纳入标准：①有慢性呼吸系统症状，包括喘息、咳嗽、咳痰和呼吸困难；②给予支气管扩张剂后第1秒用力呼气容积(forced expiratory volume in one second，FEV1)/用力肺活量(forced vital capacity, FVC)<70%，且符合慢性阻塞性肺疾病全球倡议(global initiative for chronic obstructive lung disease, GOLD)中的COPD诊断标准[7]，处于COPD稳定期。排除标准：①不能配合屏气；②患有其他严重肺部疾病，包括肺癌、肺结核及急性肺部感染，或有肺部手术史；③CT显示无明显肺气肿表现；④患有严重心脏、肝脏或肾脏疾病。本研究经院伦理委员会批准(批准号：2016-科-183)，检查前所有患者均签署知情同意书。

1.2 仪器与方法 采用Siemens Somatom Force第三代双源CT行全肺容积扫描，于X射线管前安放厚度0.6 mm的锡片预滤器以吸收较低能量X射线光子而达到能谱纯化。检查前对患者行呼吸及屏气训练。嘱患者取仰卧位，于最大吸气相下行常规低剂量CT(low-dose CT, LDCT)及超低剂量CT(ultra low-dose CT, ULDCT)扫描，采集单能量数据，探测准直器96×0.6 mm，转速0.5 s/r，螺距1.0。LDCT扫描采用管电压120 kV，管电流50 mAs，自动管电流调节(CARE DOSE 4D)。ULDCT扫描使用X射线光谱锡片过滤器，管电压Sn 100 kV，自动管电流调节，其他参数同LDCT。

以滤波反投影法(filtered back projection, FBP)重建LDCT图像(LDCT-FBP组)；分别以FBP(ULDCT-FBP组)、高级模型迭代重建(advanced modeled iterative reconstruction, ADMIRE)3级(ULDCT-ADMIRE 3组)和5级(ULDCT-ADMIRE 5组)重建ULDCT图像。重建层厚1 mm，间隔1 mm，采用软组织算法，显示孔径280～350 mm，矩阵512×512。

采用肺定量分析软件(Siemens Pulmo 3D)自动提取肺组织，获取肺密度直方图，计算肺气肿指数(emphysema index, EI)、15%肺衰减值(percentile 15%, Perc 15)、平均肺密度(mean lung density, MLD)和全肺容积(total lung volume, TLC)。以图像中CT值<-950 HU的低密度区为肺气肿区域，EI为上述区域内的体素占全肺总体素的百分比。

由1名具有10年胸部影像学诊断经验的主治医师于气管隆嵴上方1 cm层面气管腔内放置0.5 cm2ROI，测量CT值，以CT值的标准差为图像噪声。由该医师(医师1)及另1名具有22年胸部影像学诊断经验的副主任医师(医师2)采用双盲法根据噪声、伪影及分辨率对图像质量进行主观评分：1分，图像质量差，肺气肿无法显示；2分，图像质量较差，肺气肿显示不清；3分，图像质量中等，肺气肿可显示；4分，图像质量较好，肺气肿显示较清；5分，图像质量好，肺气肿显示清晰。评分≥3分的图像可用于肺气肿诊断。

记录每次扫描的容积CT剂量指数(volumetric CT dose index, CTDIvol)及剂量-长度乘积(dose length product, DLP)，乘以转换系数k(0.014 mSv/mGycm)，估算有效剂量(effective dose, ED)。

1.3 统计学分析 采用SPSS 21.0统计分析软件。符合正态分布的计量资料以±s表示，不符合者以中位数(上下四分位数)表示。以单向重复测量方差分析比较4组图像的CT定量指标和图像噪声，采用Bonferroni法进行两两比较。以配对t检验比较LDCT与ULDCT的ED。以Friedman检验比较4组图像质量主观评分。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 组间肺气肿定量指标比较 4组间EI、Perc 15及MLD差异均有统计学意义(P均<0.01)，TLV差异无统计学意义(P=0.77)。两两比较，与LDCT-FBP组相比，ULDCT-FBP组EI增加约2.34%、Perc 15降低约5 HU、MLD增加约3 HU(P均<0.01)，ULDCT-ADMIRE 5组EI减少约1.44%、Perc 15增加约3 HU(P均<0.01)；ULDCT各重组图像间EI、Perc 15及MLD差异均有统计学意义(P均<0.01)；其余各组间参数差异均无统计学意义(P均>0.05)。见图1及表1。

表1 LDCT与ULDCT各组肺气肿定量参数比较(±s)

表1 LDCT与ULDCT各组肺气肿定量参数比较(±s)

组别EI(%)Perc 15(HU)MLD(HU)TLV(ml)LDCT-FBP组19.14±11.63-955.58±17.88-877.80±17.186 252.31±1 027.97ULDCT-FBP组21.48±9.40*-960.29±16.42*-874.58±17.42*6 246.04±1 004.20ULDCT-ADMIRE 3组19.77±10.42#-956.51±17.60#-876.82±17.49#6 251.22±1 004.58ULDCT-ADMIRE 5组17.70±11.13*#★-952.64±18.44*#★-877.87±17.53#★6 255.76±1 005.14F值54.8686.8614.740.09P值<0.01<0.01<0.010.77

注：*：与LDCT-FBP组比较，P<0.05；#：与ULDCT-FBP组比较，P<0.05；★：与ULDCT-ADMIRE 3组比较，P<0.05

2.2 组间图像质量主观评分及噪声比较 4组间图像质量主观评分和噪声总体差异均有统计学意义(P均<0.01)。两两比较，LDCT-FBP组图像质量主观评分均高于其余3组(P均<0.05)；ULDCT-ADMIRE 3组和ULDCT-ADMIRE 5组图像质量主观评分均达3分，均高于ULDCT-FBP组(P均<0.05)；ULDCT-ADMIRE 3组与ULDCT-ADMIRE 5组差异无统计学意义(P=0.06)；LDCT-FBP组图像噪声低于ULDCT-FBP组及ULDCT-ADMIRE 3组(P均<0.05)，与ULDCT-ADMIRE 5组差异无统计学意义(P>0.05)；ULDCT-FBP组、ULDCT-ADMIRE 3组及ULDCT-ADMIRE 5组间噪声差异均有统计学意义(P均<0.05)；见表2。ULDCT-ADMIRE 5组噪声较ULDCT-FBP组降低41.61%。

表2 LDCT与ULDCT各组图像质量主观评分及噪声比较

2.3 LDCT与ULDCT的ED比较 ULDCT的ED较LDCT降低88.64%，见表3。

表3 LDCT与ULDCT的ED比较(±s)

表3 LDCT与ULDCT的ED比较(±s)

扫描方法CTDIvol(mGy)DLP(mGy·cm)ED(mSv)LDCT3.14±0.66125.60±27.891.76±0.39ULDCT0.37±0.0914.64±4.000.20±0.06t值27.6926.4226.42P值<0.01<0.01<0.01

3 讨论

超低剂量SPS技术现已作为降低辐射剂量的新手段而用于全身[8-9]，而用于肺部CT定量分析的相关研究尚少。本研究采用管电压Sn 100 kV及ADMIRE迭代重建定量分析COPD患者肺气肿，探讨采用超低剂量CT SPS技术定量诊断肺气肿、在保证结果准确性的前提下降低辐射剂量的可行性。

降低CT辐射剂量的常用方法包括降低管电流、管电压、自动曝光控制和迭代重建等[10-11]。常规胸部CT采用120 kV管电压，其中包含30～120 keV能量级的射线[5]，而低能量射线穿透力差并增加ED，亦增加图像本底噪声。第三代双源CT在X线管球射线窗前放置锡滤过板，以去除低能量光子，提高射线利用率；但降低射线剂量必然导致图像质量下降，也可能影响CT定量参数[12]。本研究采用FBP重建时，相比LDCT，ULDCT图像噪声增加，EI增加约2.34%，Perc 15降低约5 HU，提示在临床工作中降低射线剂量可能影响对COPD患者的评价。第三代双源CT配备的ADMIRE为第三代迭代重建法，包含1～5级，1级降噪程度最低，5级最高，用于改善LDCT图像质量[13-14]，而其对定量肺密度的影响尚不明确。本研究比较观察采用FBP、ADMIRE 3级和ADMIRE 5级重建的ULDCT图像，发现ADMIRE 5级重建的ULDCT图像噪声较FBP重建图像下降约41.61%，但反复迭代可使肺部正常结构及病变边缘显示不清，可能造成低估肺气肿；而采用ADMIRE 3级重建时肺气肿各定量参数与LDCT差异均无统计学意义，且主观评分结果显示图像质量达到诊断肺气肿标准，提示以ULDCT取代LDCT进行肺定量分析具有可行性。

既往SPS在胸部方面的主要应用是检测肺结节[5,15]，肺结节与含气肺组织存在密度差。肺气肿为低密度病变，与正常肺组织的密度差较小，肺气肿定量需更高的密度分辨率，也会引起ED有增高。考虑到不同患者或同一患者不同部位之间X线衰减存在差异，本研究采用自动管电流调节技术，以保持图像噪声平稳并适当降低辐射剂量。既往研究[16]以CT定量分析COPD患者时，常规采用管电压120 kV、管电流50 mAs，ED低于普通胸部CT，定性、定量诊断疾病均能满足临床需要；而本研究采用ULDCT SPS技术，使ED进一步降低88.64%。

综上所述，ULDCT SPS联合ADMIRE(3级)迭代重建可用于定量诊断肺气肿，并能大幅度降低辐射ED。本研究存在的不足：①为控制ED，以LDCT而不是常规剂量CT为ULDCT的参照；②未对ADMIRE 1～5级重建图像进行全面分析；③样本量较小。