胸部低劑量CT掃描中迭代重建算法與濾波反投影算法肺結(jié)節(jié)檢出率和準(zhǔn)確性比較

王 杰,曾勇明,彭 剛,郁仁強(qiáng),孫靜坤,金 瑞

(重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院放射科,重慶 400016)

胸部低劑量CT掃描中迭代重建算法與濾波反投影算法肺結(jié)節(jié)檢出率和準(zhǔn)確性比較

王 杰,曾勇明,彭 剛,郁仁強(qiáng),孫靜坤,金 瑞

(重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院放射科,重慶 400016)

目的:比較胸部CT中原始數(shù)據(jù)域迭代重建(SAFIRE)算法與濾波反投影(FBP)算法重建圖像肺結(jié)節(jié)檢出率的差異,評(píng)價(jià)其檢出的準(zhǔn)確性。方法:在新雙源CT上預(yù)設(shè)80、100和120 k V 3組管電壓值,采用自動(dòng)毫安秒技術(shù)對(duì)置入模擬肺結(jié)節(jié)的仿真胸部體模進(jìn)行掃描,分別用SAFIRE(等級(jí)1～5)及FBP算法重建圖像,比較SAFIRE(等級(jí)1～5)與FBP胸部CT重建圖像中模擬肺結(jié)節(jié)的檢出率,并測(cè)量其直徑及CT值。結(jié)果:相同管電壓胸部CT掃描,SAFIRE(等級(jí)1～5)與FBP模擬肺結(jié)節(jié)檢出率比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05),SAFIRE(等級(jí)3)模擬結(jié)節(jié)直徑偏差度小于FBP,且SAFIRE(等級(jí)3)與FBP模擬結(jié)節(jié)的平均CT值比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05);100 k V模擬結(jié)節(jié)檢出率與120 k V模擬結(jié)節(jié)檢出率相同,80 k V模擬結(jié)節(jié)(－800 HU和3 mm)檢出率低于120 k V模擬結(jié)節(jié)檢出率;隨著管電壓降低、模擬結(jié)節(jié)直徑減小、模擬結(jié)節(jié)密度降低,模擬結(jié)節(jié)直徑偏差度增大。結(jié)論:與FBP比較,SAFIRE算法對(duì)于不同密度、不同大小肺結(jié)節(jié)檢出有相同的能力,并有助于肺結(jié)節(jié)的準(zhǔn)確顯示,可用于低劑量CT肺癌篩查方案。

體層攝影術(shù),X線計(jì)算機(jī);肺結(jié)節(jié);圖像重建;計(jì)算機(jī)輔助

肺癌是癌癥死亡的最常見(jiàn)原因,由于許多肺癌被發(fā)現(xiàn)時(shí)已處于相對(duì)較晚的階段,盡管治療方法不斷進(jìn)步,其5年生存率仍只有15.5%,甚至更少[1]。肺癌最初多表現(xiàn)為肺結(jié)節(jié),早期診斷可改善肺癌預(yù)后。有效的肺癌篩查包括在靈敏檢出肺結(jié)節(jié)的基礎(chǔ)上,準(zhǔn)確區(qū)別病變的良惡性。肺結(jié)節(jié)的檢出及其CT值對(duì)于病變定性具有重要意義[2-6]。原始數(shù)據(jù)域迭代重建(sinogram affirmed iterative reconstruction,SAFIRE)算法是由西門(mén)子公司開(kāi)發(fā),已有較多研究[7-9]表明:與傳統(tǒng)濾波反投影(filtered back projection,FBP)算法比較, SAFIRE可以在保證圖像質(zhì)量的基礎(chǔ)上,降低輻射劑量。但關(guān)于胸部CT迭代算法重建圖像中,肺結(jié)節(jié)顯示的準(zhǔn)確性研究[3-4]較少。本研究基于胸部低劑量CT掃描,評(píng)估SAFIRE算法對(duì)肺結(jié)節(jié)檢出的影響,并研究其檢出的準(zhǔn)確性。

1 資料與方法

1.1 研究對(duì)象日本Kyoto Kagaku公司生產(chǎn)的Lungman N1型多用途男性胸部仿真體模,大小約為43 cm×40 cm×48 cm,胸圍約94 cm,質(zhì)量約18 kg。該體模雙臂上舉與胸部CT掃描時(shí)患者體位相同,其仿真軟組織及骨骼的X線衰減性能與標(biāo)稱等效,體模內(nèi)部結(jié)構(gòu)可拆卸,包括肺血管、縱膈和部分腹部結(jié)構(gòu),見(jiàn)圖1(插頁(yè)六)。3種密度(相應(yīng)標(biāo)稱CT值分別為－800、－650和100 HU)的球形肺部模擬結(jié)節(jié),每種密度的模擬結(jié)節(jié)包括5種標(biāo)稱直徑(3、5、8、10和12 mm),合計(jì)15個(gè)。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法使用西門(mén)子雙源炫速CT (somatom definition flash)。掃描參數(shù):預(yù)設(shè)3組管電壓(80、100和120 k V),采用自動(dòng)毫安秒care dose 4D技術(shù),準(zhǔn)直128 mm×0.6 mm,螺距1,層厚5 mm,FOV 325 mm。從胸骨上窩掃描至肋弓下緣。采用FBP及SAFIRE(等級(jí)1～5)2種算法對(duì)每組原始數(shù)據(jù)分別進(jìn)行重建,層厚均為1 mm。將球形模擬結(jié)節(jié)分別置入雙肺上、中和下肺野,每個(gè)部位隨機(jī)置入15枚模擬結(jié)節(jié)后,分別用80、100及120 k V行胸部CT檢查,檢查結(jié)束后換部位重新置入模擬結(jié)節(jié)后掃描。每種標(biāo)稱CT值的模擬結(jié)節(jié)合計(jì)置入30個(gè),每種標(biāo)稱直徑模擬結(jié)節(jié)合計(jì)置入18個(gè)。

1.3 模擬結(jié)節(jié)觀察及評(píng)價(jià)肺內(nèi)模擬結(jié)節(jié)未顯示或不確定計(jì)為未檢出,結(jié)節(jié)清晰顯示計(jì)為檢出。由2名放射醫(yī)師對(duì)CT圖像進(jìn)行觀察,評(píng)價(jià)每組圖像結(jié)節(jié)檢出情況并計(jì)算檢出率(檢出率＝檢出個(gè)數(shù)/置入總數(shù)×100%)。選取3種管電壓下SAFIRE(等級(jí)3)及FBP 2種重建算法的6組重建圖像,根據(jù)實(shí)性腫瘤測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)(response evaluation criteria in solid tumors,RECIST),選取模擬結(jié)節(jié)顯示最大橫截面測(cè)量其直徑[10],在該截面結(jié)節(jié)中心勾畫(huà)60%結(jié)節(jié)面積的感興趣區(qū)(region of interest, ROI)測(cè)量其CT值[11],均計(jì)算其平均值(x)。分別計(jì)算SAFIRE(等級(jí)3)與FBP 2種算法模擬結(jié)節(jié)直徑的偏差度,模擬結(jié)節(jié)直徑偏差度＝(模擬結(jié)節(jié)平均測(cè)量直徑－標(biāo)稱直徑)/標(biāo)稱直徑×100%。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。模擬結(jié)節(jié)檢出率的比較,以120 k V/FBP為對(duì)照組采用χ2檢驗(yàn);相同管電壓下SAFIRE(等級(jí)3)與FBP 2種算法中模擬結(jié)節(jié)平均CT值以±s表示,組間比較采用配對(duì)t檢驗(yàn)。

2 結(jié)果

2.1 模擬結(jié)節(jié)檢出率評(píng)價(jià)①采用自動(dòng)毫安秒技術(shù),3種管電壓下,胸部CT掃描SAFIRE與FBP 2種重建算法圖像的100 HU模擬鈣化結(jié)節(jié)檢出率為100%,直徑大于5 mm的3種CT值的模擬結(jié)節(jié)均檢出。②同一管電壓下,SAFIRE(等級(jí)1～5) 與FBP算法模擬結(jié)節(jié)檢出率比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)。③－800 HU模擬結(jié)節(jié)的檢出率比較:80 k V各組算法均低于100 k V和120 k V,其中80 k V/SAFIRE(等級(jí)3)的檢出率為80%, 120 k V/FBP的檢出率為93.33%,兩者比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.01);－650 HU及100 HU的模擬結(jié)節(jié)檢出率比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)。④直徑為3 mm模擬結(jié)節(jié)的檢出率比較: 80 k V各組算法均低于100 k V和120 k V,其中80 k V/SAFIRE(等級(jí)3)的檢出率為66.67%, 120 k V/FBP的檢出率為88.89%,兩者比較差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＜0.01)。直徑為5～8 mm的模擬結(jié)節(jié)檢出率組間比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)。⑤100 k V/SAFIRE(等級(jí)1～5)與120 k V/FBP比較:3種密度5種直徑的模擬結(jié)節(jié)檢出率組間比較差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)。見(jiàn)表1。

表1 胸部CT掃描SAFIRE與FBP算法重建圖像中模擬結(jié)節(jié)檢出率Tab.1 Simulated nodule detection rate of chest CT images reconstructed with SAFIRE and FBP algorithm(η/%)

2.2 模擬結(jié)節(jié)直徑偏差度評(píng)價(jià)①采用自動(dòng)毫安秒技術(shù),分別行80、100、120 k V胸部CT掃描, SAFIRE(等級(jí)3)及FBP 2種算法重建圖像,隨著管電壓升高,模擬結(jié)節(jié)直徑偏差度減小。②3種管電壓下,SAFIRE(等級(jí)3)及FBP 2種重建算法圖像中,3和5 mm的模擬結(jié)節(jié)直徑測(cè)量偏差度較大,隨著模擬結(jié)節(jié)直徑增大,偏差度減小。③3種管電壓2種重建算法中,－800 HU的極低密度磨玻璃結(jié)節(jié)直徑偏差度較大,隨著－650 HU和100 HU結(jié)節(jié)密度增高,結(jié)節(jié)直徑偏差度減小。④相同管電壓下,SAFIRE(等級(jí)3)重建圖像中模擬結(jié)節(jié)直徑測(cè)量偏差度小于FBP。見(jiàn)表2。

2.3 模擬結(jié)節(jié)CT值評(píng)價(jià)①自動(dòng)毫安秒技術(shù)下, 行80、100、120 k V胸部體模CT掃描,SAFIRE(等級(jí)3)及FBP 2種算法重建圖像,隨著管電壓升高,模擬結(jié)節(jié)的平均CT值均降低。②相同管電壓下,SAFIRE(等級(jí)3)與FBP比較,模擬結(jié)節(jié)的平均CT值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P＞0.05)。③相同管電壓下,SAFIRE(等級(jí)3)及FBP 2種算法重建圖像中,與標(biāo)稱CT值比較,直徑3和5 mm模擬結(jié)節(jié)的平均CT值較直徑8～12 mm模擬結(jié)節(jié)的偏差度更大。

表2 不同管電壓SAFIRE(等級(jí)3)與FBP算法模擬結(jié)節(jié)直徑偏差度比較Tab.2 Comparison of diameter deviation of simulated nodules between SAFIRE(grade 3)and FBP in different tube voltages (η/%)

表3 不同管電壓SAFIRE(等級(jí)3)與FBP算法模擬結(jié)節(jié)平均CT值比較Tab.3 Comparison of average CT values of simulated nodules between SAFIRE(grade 3)and FBP algorithm in different tube voltages(±s,HU)

表3 不同管電壓SAFIRE(等級(jí)3)與FBP算法模擬結(jié)節(jié)平均CT值比較Tab.3 Comparison of average CT values of simulated nodules between SAFIRE(grade 3)and FBP algorithm in different tube voltages(±s,HU)

“－”:Not detected.

CT value /diameter Average CT value of simulated nodule 80 k V SAFIRE(3) FBP 100 k V SAFIRE(3) FBP 120 k V SAFIRE(3) FBP －800HU 3 mm－－－775.00±26.71－784.00±21.56－788.00±16.39－803.00±10.24 5 mm－820.00±17.90－822.00±21.12－814.00±11.26－816.00±10.65－814.00±14.93－813.00±11.21 8 mm－811.00±7.01－812.00±9.95－819.00±4.44－818.00±7.56－817.00±6.09－820.00±6.17 10 mm－816.00±6.17－817.00±10.92－822.00±6.86－823.00±5.53－824.00±4.00－826.00±6.36 12 mm－812.00±9.02－814.00±10.78－814.00±6.05－816.00±6.30－817.00±3.88－819.00±4.45 －650HU 3 mm－614.00±31.89－621.00±24.59－610.00±34.82－616.00±23.01－635.00±45.86－638.00±41.01 5 mm－634.00±13.03－638.00±8.77－654.00±12.49－660.00±12.38－657.00±17.18－659.00±12.56 8 mm－639.00±5.83－640.00±8.32－651.00±6.82－656.00±9.56－658.00±6.08－660.00±5.17 10 mm－632.00±10.01－635.00±7.06－650.00±5.08－652.00±6.79－658.00±7.17－658.00±6.53 12 mm－640.00±6.97－643.00±5.81－648.00±3.44－652.00±3.77－656.00±3.83－660.00±2.42 100HU 3 mm 138.00±30.60 135.00±33.95 152.00±17.16 138.00±36.24 122.00±22.13 119.00±18.56 5 mm 131.00±17.18 124.00±12.75 111.00±21.47 107.00±28.20 110.00±18.68 97.00±19.40 8 mm 109.00±12.59 102.00±16.70 91.00±7.87 88.00±10.89 81.00±8.18 79.00±10.92 10 mm 101.00±10.19 95.00±7.25 90.00±8.44 85.00±6.94 73.00±4.67 72.00±6.36 12 mm 96.00±8.06 94.00±8.80 85.00±6.78 82.00±6.02 73.00±5.68 68.00±9.04

3 討 論

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:①采用自動(dòng)毫安秒技術(shù), 80、100和120 k V 3種管電壓胸部體模CT掃描,相同管電壓下,SAFIRE(等級(jí)1～5)與FBP算法模擬結(jié)節(jié)的檢出率相同;②－800HU模擬結(jié)節(jié)和3 mm模擬結(jié)節(jié)的檢出率比較,80 k V/SAFIRE(等級(jí)1～5)及80 k V/FBP低于120 k V/FBP,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義;③100 k V/SAFIRE(等級(jí)1～5) 及100 k V/FBP與120 k V/FBP的模擬結(jié)節(jié)檢出率比較差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。由于鄰近組織可能會(huì)干擾圖像重建和結(jié)節(jié)檢出,尤其是低密度結(jié)節(jié),隨著輻射劑量的降低,這種干擾會(huì)增加,因此80 k V 時(shí)SAFIRE和FBP 2種算法均未檢測(cè)到3 mm的－800 HU模擬結(jié)節(jié)。

Aberle等[12]研究顯示:低劑量CT圖像上最大橫向軸線≥4 mm的結(jié)節(jié)表示肺癌可能。荷蘭和比利時(shí)隨機(jī)肺癌篩查試驗(yàn)(尼爾森)[13]研究顯示:直徑≥5 mm并快速增長(zhǎng)的結(jié)節(jié),或體積≥500 mm3的結(jié)節(jié)被定義為陽(yáng)性。本實(shí)驗(yàn)中,低劑量胸部體模CT掃描,100 k V/SAFIRE(等級(jí)1～5) 及100 k V/FBP所有的鈣化結(jié)節(jié)和直徑≥5 mm的非實(shí)性結(jié)節(jié)均檢出。

早期發(fā)現(xiàn)的肺癌大多是小結(jié)節(jié),為了評(píng)估體積倍增時(shí)間,準(zhǔn)確測(cè)量結(jié)節(jié)直徑是必要的。為了區(qū)分實(shí)性和非實(shí)性結(jié)節(jié),并評(píng)價(jià)非實(shí)性的情況下隨著時(shí)間推移,結(jié)節(jié)密度的增加,準(zhǔn)確測(cè)量CT值也非常重要。對(duì)于肺內(nèi)小結(jié)節(jié),結(jié)節(jié)與鄰近肺組織之間會(huì)形成部分容積效應(yīng),結(jié)節(jié)直徑越小CT值越低,受容積效應(yīng)影響越大[14],本研究中以下結(jié)果與之相符:①3種管電壓,SAFIRE(等級(jí)3)及FBP 2種重建算法下,－800 HU及直徑3、5 mm的模擬結(jié)節(jié)直徑偏差度較大。②同一掃描條件及重建算法下,直徑3和5 mm模擬結(jié)節(jié)的平均CT值與標(biāo)稱值差異較大。本研究證明:采用自動(dòng)毫安秒技術(shù),相同管電壓下SAFIRE(等級(jí)3)胸部CT重建圖像中模擬結(jié)節(jié)直徑偏差度小于FBP,可能與SAFIRE算法使圖像噪聲降低,導(dǎo)致模擬結(jié)節(jié)邊緣更為清晰,有利于直徑測(cè)量有關(guān)。本研究同樣證明:與FBP比較,采用SAFIRE算法時(shí)平均CT值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,與已有研究[15-16]結(jié)果一致。

綜上所述,80 k V對(duì)于－800 HU模擬結(jié)節(jié)的檢出率低于常規(guī)劑量120 k V,尤其是微小結(jié)節(jié)(直徑3 mm)。100 k V 3種標(biāo)稱CT值的模擬結(jié)節(jié)檢出率等同于120 k V,且在CT值穩(wěn)定的情況下, 100 k V/SAFIRE(等級(jí)3)模擬結(jié)節(jié)直徑測(cè)量值比FBP更接近標(biāo)稱值。因此,與FBP比較, SAFIRE算法對(duì)于不同密度、不同大小的肺結(jié)節(jié)檢出有相同的能力,100 k V/SAFIRE(等級(jí)3)可作為可靠的低劑量CT肺癌篩查方案。

本研究的局限性主要是仿真體模僅模擬健康肺組織,而肺部病變?nèi)缋w維化、肺氣腫等均可影響肺結(jié)節(jié)的檢測(cè)。本研究結(jié)果對(duì)于了解掃描參數(shù)與重建算法的相關(guān)性及變化趨勢(shì)、優(yōu)化胸部低劑量CT掃描參數(shù)具有一定的意義。

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Comparison of pulmonary nodule detection rate and accuracy in low-dose chest CT between iterative reconstruction algorithm and filtered back projection algorithm

WANG Jie,ZENG Yong-ming,PENG Gang,YU Ren-qiang,SUN Jing-kun,JIN Rui
(Department of Radiology,First Affiliated Hospital,Chongqing Medical University,Chongqing 400016,China)

ObjectiveTo compare the differences of pulmonary nodule detection rates between iterative reconstruction(sinogram affirmed iterative reconstruction,SAFIRE)algorithm and filtered back projection(FBP) algorithm in chest CT,and to evaluate the detection accuracy.MethodsThree groups of tube voltage values of 80, 100,and 120 k V were defaulted on the new dual-source CT,with automatic m As care dose 4D technology,the chest phantom with simulated pulmonary nodules was scanned,then the images were reconstructed with FBP and SAFIRE(grade 1－5),respectively.The detection rates of simulated pulmonary nodules in the chest CT images reconstructed of SAFIRE(grade 1－5)and FBP were compared,and their diameters and CT values were measured.ResultsWith the same tube voltage,no significant difference was found in the detection rate of simulated pulmonary nodules between SAFIRE(grade 1－5)and FBP(P＞0.05),the diameter deviation of simulated nodules of SAFIRE(grade 3)was less than FBP,and the difference in the average CT value of the simulated nodules between SAFIRE(grade 3)and FBP was not statistically significant(P＞0.05);the simulated noduledetection rate of 100 k V was equivalent to the detection rate of 120 k V,the simulated nodule(－800 HU and 3 mm )detection rate of 80 k V was less than that of 120 k V;as the tube voltage reduced,or simulated nodule diameter decreased,or the density of simulated nodule reduced,the nodule’s diameter deviation was increased.ConclusionCompared with FBP,the capabilities of SAFIRE in pulmonary nodule detection in different densities and different sizes are same,and SAFIRE algorithm is helpful for accurate displaying of pulmonary nodules,and it can be used for low-dose CT lung cancer screening program.

tomography,X-ray computed;pulmonary nodule;image reconstruction;computer-aided

R734.2

A

2014-01-07

重慶市衛(wèi)生局科研基金資助課題(08-2-29)

王 杰(1986－),女,四川省南充市人,醫(yī)學(xué)碩士,主要從事圖像處理及輻射劑量?jī)?yōu)化的研究。

曾勇明(Tel:023-89011721,E-mail:zeng-ym＠vip.sina.com)

1671-587Ⅹ(2014)05-1098-06

10.13481/j.1671-587x.20140537