不同CT设备肺结节扫描参数优化的体模对照研究

刘俊七，程勇，陈澜菁，沈倩，兰永树

肺癌是我国发病和死亡增长最快的恶性肿瘤，并已经成为我国危害最严重的恶性肿瘤[1]。近年来，随着体检的临床普及和肺癌早期筛查工作的开展，肺结节尤其是磨玻璃结节(ground-glass nodule，GGN)的检出率不断上升。在检出的肺结节中，部分经术后病理检查证实为肺癌。对于首次发现的可疑肺结节，若无法判定其良、恶性，临床上通常会采用定期复查的处置方式，进而产生更多的CT检查需求，导致了医疗照射剂量日益增加，如何降低辐射剂量已成为研究的热点。目前普遍运用的方法为调整扫描参数，但过低的扫描参数会降低图像的密度和空间分辨率，从而可能导致图像的模糊和病变的遗漏[2]。本文旨在探讨通过对本院不同CT设备的肺结节扫描参数进行优化，筛选用于肺结节CT筛查的最佳设备和参数，为临床优化肺结节CT筛查提供新方案及新思路。

材料与方法

1.胸部模型

采用Kyoto Kagaku多用途男性胸部模型N1-Lungman及9个小结节体模。胸部模型中的各个模块(心脏、肺、肝脏)均可拆卸，仿真软组织及骨骼X线衰减等效性与真人相似。胸部仿真模型的大小为40 cm×43 cm×48 cm，胸围94 cm，其内部肺纹理与人体无显著差别(图1a)。9个肺结节体模为3种直径(0.8、0.5、0.3 cm)、3组标准CT值(分别为100、-630和-800 HU)的组合(图1b)。将肺结节体模随机置于胸部体模肺纹理之中。

2.检查方法

分别采用联影uCT 550(A组)、Philips iCT 256(B组)、GE optima CT 540(C组)CT机对胸部仿真模型进行扫描。体模置于检查床上，其正中矢状面与检查床的正中线重合，扫描范围自肺尖到肺底(上、下起止点相同)，3组的扫描参数相同：分别采用7组曝光量(10、15、20、30、50、100和200 mAs)进行扫描，管电压120 kV，0.7 s/r，螺距1，视野350 mm×350 mm，层间距0.625 mm。记录各组剂量报告中的CT容积剂量指数(volumetric CT dose index，CTDIvol)和剂量长度乘积(dose-length product，DLP)。

3.图像质量评估

客观评估：采用对比噪声比(CNR)和信号噪声比(SNR)来评估各组在不同曝光量时的图像质量[3]。在心脏中心层面测量心腔的CT值及对应水平椎体的CT值，并获得椎体CT值的标准差(SD)，ROI面积分别为3000和300 mm2，每个部位重复测量3次(图2a、3a、4a)。按照下列公式计算CNR和SNR：

(1)

(2)

主观评价：由两位工作年限在5年以上的主治医师采用单盲法独立评价所有图像。设置图像的阅片条件：肺窗的窗宽1500 HU、窗位-400 HU，纵隔窗的窗宽400 HU、窗位40 HU。对图像的整体质量进行评价，评估内容主要为肺血管、气管束、纵隔及其它细微结构的可视程度，评价标准：3分，图像无伪影，肺血管、气管束等细微结构显示清楚，完全满足诊断要求；2分，图像有伪影，肺血管、气管束等细微结构显示较好，基本满足诊断要求；1分，图像有较大伪影，肺血管、气管束等细微结构显示较差，不能满足诊断要求。若出现不同意见，由两位医师经过协商后达成一致意见。此外，对9个结节的显示情况进行独立评分(图2b、3b、4b)，主观评价采用4级评分：4分，结节清晰可见；3分，结节边缘稍模糊；2分，结节边界较模糊，但仍可见；1分，结节不可见。两位医师对每个结节分别评价3次，共计54次。

图1 本研究中使用的体模示意图。a)仿真胸部模型；b)9个肺结节模型的直径和密度。 图2 A组中在30 mAs条件下的体模扫描图像。a)纵隔窗图像，图像噪声较小，伪影少；b)肺窗图像，肺血管显示清晰，可见右肺上叶直径3 mm的GGO(箭；6次评价时均被检出)。 图3 B组在30 mAs条件下的体模扫描图像。a)纵隔窗图像，图像噪声较大，伪影多；b)肺窗图像，肺血管显示清晰，右肺上叶直径3 mm的GGO(箭)未被检出(6次评价仅检出1次)。 图4 C组在30 mAs条件下的体模扫描图像。a)纵隔窗图像，图像噪声稍高，伪影稍多；b)肺窗图像，肺血管显示清晰程度中等，可见右肺上叶直径3 mm的GGO(箭；6次评价时均被检出)。

4.统计学分析

使用SPSS 21.0软件进行统计学分析。符合正态分布的定量资料以均数±标准差表示。采用单因素方差分析比较相同曝光量时3组之间CNR和SNR(方差齐)的差异。应用Kruskal-WallisH检验比较同一曝光量时3组之间肺结节显示情况主观评分(方差不齐)的差异，并计算各组的结节检出率。以P<0.05为差异有统计学意义。

结 果

1.辐射剂量

三组中不同曝光量时的辐射剂量指标值见表1。辐射量随曝光量的减少而降低，在相同曝光量条件下，B组的CDTIvol最低，较A组降低了18.8%～34.0%，在曝光量为10 mAs时降低最多，在曝光量为200 mAs时降低最少。B组较C组降低了33.3%～46.1%，在曝光量为10 mAs时降低最多，在曝光量为15 mAs时降低最少。

表1 不同CT机型体模扫描时的辐射量

2.图像质量客观评价

三组之间不同曝光量条件下图像的客观评价结果的比较见表2。各组中图像质量均随曝光量的减少而降低。在同一曝光量条件下的三组间CNR和SNR的差异均具有统计学意义(P<0.05)。在相同曝光量条件下，A组的图像质量最高，C组次之，B组最差。

表2 不同曝光量条件3组图像质量的客观评价指标值

3.图像质量的主观评价

在不同曝光量条件下三组中肺结节显示情况的主观评分及检出率、图像的整体质量评分见表3～4。图像质量随曝光量的减少而降低。在曝光量为100、50、30和20 mAs时，三组之间肺结节主观评分的差异具有统计学意义(P<0.05)。在曝光量为50 mAs及以上时，三组的肺结节检出率均为100%；三组中均以曝光量为10 mAs时的结节检出率最低，其中又以C组的检出率最低，仅66.7%。低曝光量条件下微小磨玻璃结节的检出受限，详见表5。

表3 在不同曝光量条件下三组中肺结节显示情况的主观评分结果 /次

表4 不同曝光量条件下3组图像的整体质量评分和结节检出率

表5 低曝光量条件下微小结节(直径≤0.5cm)的检出数 /个

讨 论

肺结节在临床工作中较常见，其中钙化结节的边界清晰、以良性为主，而磨玻璃结节通常是鉴别的重点及难点，既可以是良性病变(如炎性改变、间质性纤维化等)，也可能为原位腺癌(adenocarcinoma in situ，AIS)和微浸润腺癌(minimally invasive adenocarcinoma，MIA)等[4]。若能早期发现肺部肿瘤性病变、早期治疗，患者的生存率可显著提高[5]，但当鉴别GGN的良恶性较困难时，定期复查是主要处置方式。反复的胸部CT检查所致辐射量的累积效应，可能对被检查者的身体产生危害。一般来说更大的CT曝光剂量会带来更好的图像质量，但代价是被检查者接受了更多的电离辐射，为了降低肺结节随访患者累计辐射剂量，对于CT图像质量应该是满足诊断要求即可而并非最高的图像质量。降低辐射剂量的方法有很多，如降低管电压、管电流及增加螺距等。降低管电压因兼具增加图像对比及减少对比剂剂量的用途，通常应用于CT血管成像的扫描方案中[6]，且管电压的变化对肿瘤检出率的影响程度高于管电流[7]，因此在肺结节筛查时不宜采用降低管电压的方法；增加螺距也能在一定程度上减少被检查者的辐射剂量，但当螺距超过一定限度后，可能丢失小病灶或图像细节[8]。故本研究采用固定管电压的条件下通过降低曝光量以达到降低辐射量的目的，为临床优化肺结节CT筛查提供新思路及方案。

本研究以仿真胸部体模为研究对象，既排除了人体检查中存在的生理运动、体重指数等因素的差异，保证了研究对象在扫描过程中的一致性，同时也有效避免了相应伦理问题。本研究结果显示，随着曝光量的降低，辐射剂量和图像质量也相应降低。当曝光量在50 mAs及以上时各设备能将所有结节全部检出。但在低曝光量条件下，对直径小(3 mm)的GGN(-800和-630 HU)的检出受限。A组中，在15和10 mAs条件下对直径3 mm结节的检出率仅为66%和33%；B组中，在30、20、15和10 mAs条件下对3 mm结节的检出率约为三分之一，在10 mAs条件下直径5 mm的GGO(-800 HU)的结节未被检出；C组中，在20、15和10 mAs条件下直径3 mm结节的检出率分别为81%、39%及33%，在10 mAs条件下直径5 mm的GGO(-800 HU)同样未被检出。这与Jin等[9]的研究结果类似，说明过低的曝光量对检出微小磨玻璃肺结节的影响很大。造成这种现象的原因可能是以降低曝光量来降低辐射剂量，会造成图像低对比分辨力降低，从而导致图像密度分辨力降低[10]。

评价肺结节恶性潜能的两大要素是肺结节的大小和生长方式，恶性的可能性与结节直径呈正相关关系[11]。关于肺结节的一项队列研究结果表明，当肺结节直径大于3.7 mm时癌变概率有增加的风险，新发肺结节为癌症的风险高于原有肺结节，而新发结节中包括因体积较小而未在上一次诊断报告中提出的结节，上述结果提示对肺结节进行定期复查尤为重要[12]。本研究中肺结节体模的形态规则且密度均匀，与临床工作中在患者人群中检出的肺结节有一定差异，因此在进行体模CT扫描时，能检出直径3 mm的磨玻璃结节应作为图像质量合格的评价要求之一。结合整体图像质量的主观评价结果，A、B、C组中图像质量达2分(即达到基本满足诊断条件)的最低曝光量分别为20、50和30 mAs。综合评估，A、B、C组合格图像质量的最优曝光量分别为20、50和30 mAs，对应的CTDIvol分别为1.75、3.38和3.45 mGy。这充分说明在GGN的临床筛查中联影uCT 550是最优化的CT设备，可能是近年来联影使用了KARL迭代重建算法，该技术较常规使用的滤波反投影法(filtered back projection，FBP)能显著降低图像噪声，从而达到降低曝光量的目的[13]。除此之外，CT设备之间探测器、滤过板及准直器等设备的不同也可能对扫描的辐射量和图像质量有一定影响[14-15]。

本研究的不足之处：①仅运用了模拟标准体型的人体模型，存在呼吸运动、心血管搏动的非标准体型的临床病例是否适用相应的CT扫描方案，本研究未涉及，尚需今后进一步进行深入研究；②仅仅针对本院现有的CT设备在进行胸部扫描时的情况进行了对比分析，对在其它部位的检查情况未作进一步研究。因此，这些不足之处有待我们下一步更深入的研究。

综上所述，随着曝光量的降低，辐射剂量和图像质量也相应降低。在使用不同CT设备筛查肺结节的对比中，联影uCT 550较Philips iCT 256和GE optima CT 540的检查性能更佳，在满足基本诊断要求的前提下，联影uCT 550螺旋CT机的曝光量最低、辐射剂量也最低，推荐作为临床肺结节筛查的CT设备。