超低剂量CT能谱纯化技术联合高级建模迭代重建对显示肺磨玻璃结节及测量其体积的影响：体模研究

于安宏，杨雅朋，马延贺，高洪岩，张 洪

(天津市胸科医院影像科，天津 300222)

磨玻璃结节(ground-glass nodules, GGN)是早期肺癌的重要影像学表现之一。低剂量CT筛查可显著提高GGN检出率[1-2]。体积测量法可基于三维空间反映结节形态，对评估GGN具有一定价值[3]；采用迭代重建算法可提高测量低剂量CT所示肺结节体积的精确度[4-5]。第三代双源CT可通过能谱纯化技术滤过低能级射线，降低辐射剂量[6]。有学者[7]认为采用管电压Sn 100 kV能谱纯化技术及迭代重建算法可于低辐射剂量下准确检出肺结节，但未评估肺结节体积。本研究基于仿真体模观察管电压Sn 100 kV超低剂量CT能谱纯化技术联合高级建模迭代重建(advanced modeled iterative reconstruction, ADMIRE)对显示GGN质量及测量其体积的影响。

1 材料与方法

1.1 仿真胸部体模 采用中国成年男性CDP-IC型高端仿真胸部体模(成都方拓仿真技术有限公司)，由胸壁、合成骨骼、肺、心脏、腹部脏器等模拟器官及组织组成，有效原子序数、密度、体积及形状均与真实人体相似；以“准元素等效”及“无机元素代替法”保证其对X线的吸收和衰减等效于真实人体。

1.2 仪器与方法

1.2.1 模拟肺GGN 将20枚模拟GGN(参考CT值-600 HU，直径5、8、10、12 mm各5枚)随机置于仿真胸部体模双侧肺野。

1.2.2 CT 采用Siemens SOMATOM Force双源CT，以2种方案进行全肺扫描。A方案：常规低剂量扫描，管电压100 kV，采用CareDose4D，参考管电流30 mAs[8]；B方案，能谱纯化技术扫描，管电压Sn 100 kV，采用CareDose4D，参考管电流80 mAs[9]；其余参数保持一致，准直192×0.6 mm，螺距0.75，转速0.5 s/rot，FOV 350 mm，扫描长度300 mm。分别采用滤波反投影法(filtered back projection, FBP)及ADMIRE(强度1、2、3、4、5级，ADMIRE-1、2、3、4、5)重建图像，重建层厚1 mm，层间隔0.7 mm，矩阵512×512，卷积核Br40，肺窗窗宽1 600 HU、窗位-600 HU。

1.3 图像处理及数据分析

1.3.1 图像质量客观评价 将图像传至Philips星云工作站，由分别具有11年及13年工作经验的影像科医师各1名，于显示GGN最大横截面积层面上以其圆心为中心放置ROI，面积为GGN最大横截面的2/3，测量3次CT值，取平均值作为最终结果，并计算CT值标准差(standard deviation, SD)，以之代表图像噪声水平。

表1 不同方案及重建方式模拟肺GGN 的CT值的SD差异(n=20)

1.3.2 图像质量主观评价 由上述医师在不知晓实验设计及图像参数的前提下采用5分制标准独立评估模拟肺GGN CT图像质量：1分，伪影严重，图像质量未达到诊断标准，不能用于检出及诊断GGN；2分，伪影较严重，图像质量较差，诊断GGN的可信度低；3分，中等程度伪影，图像质量一般，诊断GGN的可信度中等；4分，少许伪影，图像质量较好，诊断GGN的可信度较高；5分，未见明显伪影，图像质量非常好，可准确诊断GGN。图像质量评分≥3分为可满足诊断需求。

1.3.3 GGN体积定量分析 采用Philips Lung Nodule Assessment软件，于模拟GGN最大横截面积层面自动分割图像，生成GGN体积Vm，并计算GGN体积相对误差(relative volume error, RVE)：RVE=|Vm-Vrs|/Vrs×100%，其中Vrs为参考GGN体积，即于预实验中以管电压120 kV、管电流300 mAs的标准剂量扫描及FBP重建图像中测得的体积[10]。

1.4 辐射剂量 完成扫描后，设备自动输出A、B方案的容积CT剂量指数(volume CT dose index, CTDIvol)及剂量长度乘积(dose length product, DLP)，并计算有效剂量(effective dose, ED)：ED=DLP×0.014。

1.5 体型特异性剂量估算值(size-specific dose estimate, SSDE) 将A、B方案所得ADMIRE-4重建CT图像传至图像存储与传输系统(picture archiving and communications system, PACS)，参考美国医学物理学家协会(American Association of Physicists in Medicine, AAPM)220号报告[11]，于Z轴方向扫描范围中心层面的横断面图像勾画椭圆形ROI，包含所有解剖组织，测量ROI面积(area, AROI)和CT值(CTROI)，计算SSDE：

(1)

fw=a×e(-b×dw)

(2)

SSDE=fw×CTDIvol

(3)

其中，dw为水等校直径；fw为转换因子；a、b均为常数，a=3.704 69，b=0.367 193 7[11]；e为自然对数，为2.718 28。

1.6 统计学分析 采用SPSS 20.0统计分析软件。以±s表示符合正态分布的计量资料，行单因素方差分析、LSD法或t检验。采用Kappa检验评估2名医师对图像质量主观评分的一致性，Kappa值≥0.80为一致性极高。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 图像质量客观评价 不同方案或不同重建方式下，模拟肺GGN 的CT值差异均无统计学意义(P均>0.05)，A方案模拟肺GGN 的CT值的SD均小于B方案(P均<0.05)；相同方案、不同重建方式下，模拟肺GGN的CT值的SD差异均有统计学意义(P均<0.05)，且两两比较差异亦有统计学意义(P均<0.05)。见表1。

2.2 图像质量主观评价 相同方案下，不同重建方式模拟肺GGN CT图像主观质量评分由高至低依次为ADMIRE-4、ADMIRE-3、ADMIRE-5、ADMIRE-2、ADMIRE-1及FBP；相同重建方式下，B方案CT图像主观质量评分均低于A方案。见图1。观察者间主观图像质量评价的一致性极高(Kappa=0.81，P<0.001)。

图1 不同方案及重建方式模拟肺GGN CT图像质量主观评分分布

2.3 模拟肺GGN体积 相同方案不同重建方式模拟GGN RVE差异均有统计学意义(P均<0.001)；A方案下FBP及ADMIRE-1均与ADMIRE-3、ADMIRE-4及ADMIRE-5模拟GGN RVE差异有统计学意义(P均<0.05)，ADMIRE-2与ADMIRE-4及ADMIRE-5差异亦有统计学意义(P均<0.05)；B方案下，除ADMIRE-4与ADMIRE-5模拟GGN RVE差异无统计学意义(P>0.05)外，其余不同算法两两比较差异均有统计学意义(P均<0.05)。以FBP、ADMIRE-1、ADMIRE-2及ADMIRE-3重建时，B方案模拟GGN RVE均大于A方案(P均<0.05)。见表2及图2、3。

2.4 辐射剂量及SSDE A方案的CTDIvol、DLP、ED及SSDE分别为1.10 mGy、36.1 mGy·cm、0.51 mSv及1.55 mGy，B方案分别为0.26 mGy、8.5 mGy·cm、0.12 mSv及0.36 mGy。

3 讨论

低剂量CT可显著提高检出肺结节的敏感度及特异度，已成为早期筛查肺癌的首选影像学方法。利用CT能谱纯化技术及先进迭代算法，可在将ED降至0.06 mSv的同时检出肺实性结节[12]。肺GGN恶性程度多高于实性结节，而CT值相对较低，较高的噪声水平或使其非实性部分被掩盖，故常需以较高辐射剂量方可检出[13]。本研究结果显示，能谱纯化技术结合ADMIRE-4重建，可在将ED降至0.12 mSv的同时保持显示GGN所需图像质量及测量其体积的精确度。

表2 不同方案及重建方式模拟肺GGN的 RVE(%，n=20)

图2 A方案不同方式重建CT图像显示模拟肺GGN(直径8 mm、Vrs 624.1 mm3) A.FBP，Vm=667.6 mm3，RVE=6.97%； B.ADMIRE-1，Vm=658.7 mm3，RVE=5.54%； C.ADMIRE-2，Vm=648.7 mm3，RVE=3.94%； D.ADMIRE-3，Vm=642.2 mm3，RVE=2.90%； E.ADMIRE-4，Vm=636.2 mm3，RVE=1.94%； F.ADMIRE-5，Vm=632.6 mm3，RVE=1.36%

图3 B方案不同方式重建CT图像显示模拟肺GGN(直径8 mm、Vrs 624.1 mm3) A.FBP，Vm=689.9 mm3，RVE=10.54%； B.ADMIRE-1，Vm=676.8 mm3，RVE=8.44%； C.ADMIRE-2，Vm=659.5 mm3，RVE=5.67%； D.ADMIRE-3，Vm=650.6 mm3，RVE=4.25%； E.ADMIRE-4，Vm=638.8 mm3，RVE=2.36%； F.ADMIRE-5，Vm=608.8 mm3，RVE=2.45%

传统FBP算法无法分辨低剂量采集过程中的噪声污染，重建图像信噪比较低，具有明显条纹状伪影[14]。本研究以B方案FBP重建的CT图像中，模拟肺GGN CT值的SD较A方案有所增加，噪声水平提高，且图像主观质量评分有所减低，其中3帧低于3分，提示单纯采用能谱纯化技术减少辐射剂量将降低图像质量。第三代双源CT所用新一代ADMIRE结合了原始数据域统计数据建模和图像域基于模型的噪声检测及优化，可显著提高超低剂量CT检出肺结节的敏感度和诊断置信度[15]。本研究发现，随ADMIRE强度逐级增大，B方案图像噪声逐渐减低、主观质量评分逐渐升高；且2种方案均以ADMIRE-4 CT图像主观质量评分最高、FBP主观评分最低，而客观评分差异均无统计学意义，与GORDIC等[16]结论基本相符，表明过高强度迭代重建方式在抑制图像噪声的同时也将降低图像质量，原因可能在于校正图像过于平滑而致部分纹理细节缺失[17]。上述结果提示，低剂量CT筛查肺癌时，以ADMIRE-4重建是更佳选择。

目前临床多通过评估肺结节直径或体积变化观察其大小和生长速度，进而判断其良恶性[5,18]。测量肺GGN体积误差与图像噪声有关，而迭代算法可降低图像噪声以改善测量GGN体积的精确度[19]。本研究采用FBP时，B方案GGN RVE显著高于A方案，表明能谱纯化技术在降低辐射剂量的同时亦可使测量肺GGN体积的精确度下降；联合ADMIRE后，A、B方案所测GGN体积的精确度均随ADMIRE强度而增高，其RVE差异渐趋平缓，提示采用高强度新一代迭代算法可使超低剂量CT测量肺GGN体积的精确度与常规低剂量CT接近，与OHNO等[20]的结果一致。

本研究的不足：①仅针对模拟正常体型人体的体模，未涉及针对其他体型的CT扫描方案及重建参数；②以软件自动分割肺GGN测量其体积，未加以手动调整；③未考虑临床实际操作中，患者屏气不佳或心脏搏动等可能导致运动伪影因素的影响。

综上，对于体模模拟肺GGN，采用管电压Sn 100 kV超低剂量CT能谱纯化技术结合ADMIRE-4可在降低辐射剂量的同时维持图像质量及测量其体积的精确度。