雙能量CT不同圖像融合技術(shù)在胃癌中的初步應(yīng)用

Preliminary Application of Different Image Fusion Technology in Dual Energy CT for Improving Visualization of Gastric Cancer

王 瑋 WANG Wei郭小超 GUO Xiaochao王霄英 WANG Xiaoying劉建新 LIU Jianxin楊俊哲 YANG Junzhe

論著

雙能量CT不同圖像融合技術(shù)在胃癌中的初步應(yīng)用

Preliminary Application of Different Image Fusion Technology in Dual Energy CT for Improving Visualization of Gastric Cancer

王 瑋 WANG Wei
郭小超 GUO Xiaochao
王霄英 WANG Xiaoying
劉建新 LIU Jianxin
楊俊哲 YANG Junzhe

作者單位北京大學(xué)第一醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科 北京100034

目的常規(guī)CT胃癌病灶對比度欠佳，本研究探討雙能量CT圖像融合技術(shù)在提高胃癌對比度中的應(yīng)用價值。資料與方法回顧性分析30例胃癌患者的腹部雙能量CT增強(qiáng)圖像，將雙能量圖像進(jìn)行線性及非線性融合，比較100 kVp、140 kVp及各組融合圖中胃癌-正常胃壁對比度及對比噪聲比（CNR），并對圖像質(zhì)量進(jìn)行主觀評價。結(jié)果100 kVp、140 kVp及3組線性融合圖胃癌對比度及CNR比較，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（F=29.6、26.1，P＜0.001），M=0.7時線性融合圖的CNR最大。3組非線性融合圖胃癌對比度及CNR比較，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（F=268.5、49.5，P＜0.001），BW=0HU時圖像具有最大對比度及CNR。與線性融合圖相比，BW=0HU非線性融合圖對胃癌的對比度提高36%，CNR提高47%。圖像主觀評價中，BW=0HU非線性融合圖被最多選為適于胃癌病灶觀察的圖像。結(jié)論BW=0HU非線性融合圖可以提高胃癌病灶的顯示效果，對于胃癌準(zhǔn)確分期有潛在的臨床價值。

胃腫瘤；體層攝影術(shù)，X線計算機(jī)；圖像處理，計算機(jī)輔助；質(zhì)量控制

胃癌是世界范圍內(nèi)第四大常見惡性腫瘤[1]，胃癌與正常胃壁的良好對比度是評價病灶的基礎(chǔ)。常規(guī)CT增強(qiáng)掃描胃癌與正常胃壁對比度較小，故提高胃癌的對比度對于影像評價非常重要。近年，雙能量CT在臨床上廣泛應(yīng)用，其掃描得到的兩組圖像各具優(yōu)劣勢，低管電壓可以提高圖像對比度，但圖像噪聲增大；高管電壓降低了圖像噪聲，但也降低了圖像對比度，而融合圖像在一定程度上平衡了上述兩組圖像的優(yōu)缺點(diǎn)。既往研究報道了雙能量CT融合技術(shù)在提高病變對比度方面的應(yīng)用價值[2-5]，而圖像融合技術(shù)在胃癌中的應(yīng)用鮮有報道。因此，本研究擬評價雙能量CT不同圖像融合技術(shù)在提高胃癌對比度中的應(yīng)用價值。

1 資料與方法

1.1 研究對象 回顧性分析2014年4—7月在北京大學(xué)第一醫(yī)院因胃癌行腹部CT增強(qiáng)掃描的30例患者，均經(jīng)胃鏡活檢證實(shí)為胃癌，且未行治療，其中男24例，女6例；年齡39～80歲，平均（61±11）歲；體重指數(shù)（24±4）kg/m2；病灶部位：賁門癌12例，胃底部癌1例，胃小彎癌4例，胃大彎癌3例，胃竇部癌10例。本研究經(jīng)北京大學(xué)第一醫(yī)院倫理委員會審核批準(zhǔn)，患者掃描前均簽署知情同意書。

1.2 CT掃描 采用Siemens Somatom Definition Flash第二代雙源CT機(jī)，患者檢查前空腹4～6 h，掃描前飲水約1000 ml充盈胃腔。所有患者行三期掃描，第一期為平掃，范圍包括整個胃腔，掃描參數(shù)：管電壓120 kVp，有效電流200 mAs，準(zhǔn)直器128×0.6 mm，螺距0.6。然后行增強(qiáng)掃描，采用雙筒高壓注射器，經(jīng)右側(cè)肘前靜脈注射非離子型對比劑碘帕醇（320 mgI/ml），注射速度3.0ml/s，對比劑用量為1.5 ml/kg，然后以相同速度注射生理鹽水30 ml。分別于注射對比劑后40 s、70 s行動脈期及門靜脈期雙能量掃描，動脈期掃描范圍為整個胃腔，門靜脈期掃描范圍為膈頂至恥骨聯(lián)合下緣，掃描參數(shù)：管電壓：A管100 kVp，B管Sn 140 kVp，參考管電流分別為230 mAs、178 mAs，準(zhǔn)直器128×0.6 mm，螺距0.6。所有數(shù)據(jù)采集均采用實(shí)時動態(tài)曝光劑量調(diào)節(jié)（Care DOSE 4D，Siemens Medical Solutions）。

1.3 圖像后處理 選擇病灶強(qiáng)化顯著的時期進(jìn)行圖像重建，其中動脈期11例，門靜脈期19例。將重建kernel值為D30f、層厚0.75 mm、層間隔0.5 mm的100 kVp和140 kVp圖像進(jìn)行M=0.3、0.5、0.7（100 kVp所占比例分別為30%、50%、70%）的線性融合，共得到3組線性融合圖像（linear blending，LB：0.3LB，0.5LB，0.7LB）。

將雙能量圖像傳送至MWWP工作站，應(yīng)用雙能量分析中的“Optimum contrast”軟件進(jìn)行非線性融合。非線性融合是將100 kVp和140 kVp根據(jù)每個像素的CT值進(jìn)行不同比例的融合，從而增加高CT值組織的對比度、同時減少低CT值組織的噪聲。該融合模型包含2個參數(shù)：融合中心（blending center，BC）和融合寬度（blending width，BW），如果某像素CT值＞BC+BW/2，將會以100 kVp進(jìn)行重建；如果CT值＜BC－BW/2，將會以更高比例的140 kVp重建；如果某像素CT值介于BC±BW/2的范圍內(nèi)，隨著CT值的增加，則100 kVp與140 kVp呈近似線性融合，直到100%比例100 kVp的圖像用于重建。根據(jù)非線性融合原理及既往研究[4,6-8]，BC應(yīng)置于2個感興趣區(qū)（ROI）CT值之間。因此，本研究將BC設(shè)置為胃癌與正常胃壁CT值平均值位置，BW分別設(shè)置為0、250 HU、500 HU。最終可以得到3組非線性融合圖像（nonlinear blending，NLB：NLB1，NLB2，NLB3）。

1.4 圖像分析 將100 kVp、140 kVp和6組融合圖像調(diào)入Viewing軟件，利用復(fù)制-粘貼功能將同樣ROI置入8組圖像同層面同部位，測量并記錄胃癌病灶、正常胃壁CT值及前腹壁皮下脂肪的標(biāo)準(zhǔn)差。胃癌病灶及正常胃壁ROI面積為10～20 mm2，腹壁ROI面積為50 mm2。病灶對比度定義為CT值胃癌－CT值正常胃壁。病灶對比噪聲比（CNR）定義為病灶對比度/標(biāo)準(zhǔn)差皮下脂肪。選擇CNR最高的非線性融合圖作為最佳非線性融合圖。將皮下脂肪CT值的標(biāo)準(zhǔn)差作為圖像背景噪聲。

1.5 圖像主觀評價 由1名主任醫(yī)師和1名主治醫(yī)師對最佳非線性融合圖及3組線性融合圖（M=0.3、0.5、0.7）采用盲法進(jìn)行主觀讀片評價，根據(jù)圖像質(zhì)量、病灶顯示情況選出主觀上最適合觀察胃癌病灶的圖像。2名醫(yī)師判斷不一致時協(xié)商達(dá)成統(tǒng)一。圖像的窗寬及窗位根據(jù)閱片者習(xí)慣進(jìn)行調(diào)節(jié)。

1.6 統(tǒng)計學(xué)方法 采用SPSS 17.0軟件，100 kVp、140 kVp、3組線性融合及3組非線性融合圖像病灶對比度、CNR及背景噪聲比較采用方差分析，組間比較采用t檢驗(yàn)，P＜0.05表示差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 圖像客觀評價 100 kVp、140 kVp、3組線性融合及3組非線性融合圖像共8組圖像中胃癌病灶對比度、CNR及圖像背景噪聲見表1及圖1。3組非線性融合圖胃癌病灶對比度及CNR比較，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（F=268.5、49.5，P＜0.001），隨著BW的增大，胃癌病灶對比度及CNR遞減，BW=0HU時，胃癌病灶對比度及CNR最大，故將BW=0HU的非線性融合圖作為最佳非線性融合圖。BC為（72.3±9.6）HU。

100 kVp、140 kVp及3組線性融合圖像中胃癌病灶對比度及CNR比較，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（F=29.6、26.1，P＜0.001），其中M=0.7時胃癌病灶對比度及CNR最大。與線性融合圖相比，最佳非線性融合圖病灶對比度及CNR進(jìn)一步提高，NLB1較0.7LB病灶對比度提高36%，CNR提高47%，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（t=17.4、8.5，P＜0.001）。

圖1 雙能量CT不同融合方法胃癌-正常胃壁CNR

表1 雙能量CT不同融合方法胃癌病灶對比度、CNR及背景噪聲比較

2.2 圖像主觀評價 主觀評價病灶結(jié)果顯示，24例（80%）患者最佳融合圖最適合于胃癌病灶觀察，3例（10%）患者M(jìn)=0.7圖像適合于病灶觀察，3例（10%）患者M(jìn)=0.5圖像適合于病灶觀察。圖2和圖3為2例胃癌患者雙能量CT圖像應(yīng)用不同融合方法的融合后圖像示例。

3 討論

雙能量CT應(yīng)用廣泛[9-10]，臨床工作中通常將雙能量圖像進(jìn)行融合后分析。對于100 kVp和140 kVp雙能量圖像，線性融合因子0.5（100 kVp和140 kVp各占50%比例）為系統(tǒng)默認(rèn)融合方法。既往鮮有關(guān)于雙能量CT不同融合技術(shù)對于胃癌病灶顯示情況的研究，同時不同融合參數(shù)對于圖像的影響尚未明確。本研究通過比較不同融合技術(shù)和參數(shù)，發(fā)現(xiàn)雙能量CT融合圖像可以提高胃癌相對于正常胃壁的對比度。

對于線性融合而言，隨著融合權(quán)重的增大，胃癌對比度逐漸增大。胃癌CNR先逐漸升高，而后又逐漸降低，當(dāng)融合權(quán)重為0.7時，胃癌CNR最大，大于臨床常規(guī)用于診斷的融合權(quán)重為0.5的線性融合圖。對于非線性融合，當(dāng)BC位于胃癌與正常胃壁CT值均值時，隨著BW的增大，胃癌病灶CNR逐漸減小，因此較窄BW（BW=0HU）的非線性融合圖具有最大的CNR，且其明顯高于融合權(quán)重為0.7的線性融合圖，胃癌對比度提高36%，CNR提高47%，進(jìn)一步提高了胃癌病灶的可見度。

主觀評價得到類似的結(jié)果，非線性融合圖被最多選為適合病灶觀察的圖像。100 kVp圖較140 kVp圖具有更高的對比度，理論上非線性融合技術(shù)使得相對高CT值的胃癌灶傾向于100 kVp，而使得相對低CT值的正常胃壁傾向于140 kVp，從而提高了兩者的對比度，本研究所得結(jié)果也印證了非線性融合技術(shù)的基本原理。

圖2 男，58歲，胃賁門及小彎癌。A～D為腹部CT增強(qiáng)掃描門靜脈期融合圖像（窗寬400 HU，窗位100 HU）。A：0.3LB；B：0.5LB；C：0.7LB；D：最佳非線性融合圖。箭示胃癌。由圖可見小彎側(cè)胃壁局限性增厚伴強(qiáng)化，隨著線性融合權(quán)重的增大（A～C），病灶強(qiáng)化對比度逐漸明顯。最佳非線性融合圖（D）病灶具有最大對比度，清晰顯示癌灶

圖3 男，52歲，胃竇癌。A～D為腹部CT增強(qiáng)掃描動脈期融合圖像的矢狀位MPR圖像（窗寬400 HU，窗位100 HU）。A：0.3LB；B：0.5LB；C：0.7LB；D：最佳非線性融合圖。箭示胃癌。由圖可見胃竇壁增厚，壁內(nèi)可見不規(guī)則強(qiáng)化區(qū)。隨著線性融合權(quán)重的增大（A～C），病灶強(qiáng)化對比度逐漸明顯。最佳非線性融合圖（D）病灶具有最大對比度，清晰顯示癌灶范圍及輪廓

目前對于雙能量CT不同融合方式的研究很多。對于線性融合而言，隨著融合權(quán)重的增大，100 kVp所占比例增大，圖像對比度和噪聲均增高，而最大CNR會出現(xiàn)在中間某個融合權(quán)重因子上，既往關(guān)于最佳線性融合比例的研究提出了不同的推薦線性融合參數(shù)[3,11-12]，包括0.5、0.6、0.7。對于胃癌，本研究推薦的線性融合權(quán)重因子為0.7，該融合圖像具有最佳病灶對比度及CNR。非線性融合包含2個參數(shù)：BC和BW，BC決定曲線的位置，BW決定曲線的斜率，非線性融合參數(shù)的設(shè)定不是一成不變的，而是具有組織特異性，根據(jù)所研究疾病不同而有所變化[2-3,11,13]。既往關(guān)于非線性融合的研究提出了推薦的非線性融合參數(shù)，認(rèn)為BC應(yīng)置于想要提高對比度的2個感興趣區(qū)的CT值之間[14-15]，而對于BW大多數(shù)研究推薦窄寬重建[7-8,16]，該結(jié)論與本研究結(jié)果一致，當(dāng)BW為0HU時，胃癌病灶對比度及CNR最大。然而，Kim等[3]的研究認(rèn)為BW不應(yīng)該過小，該研究提出窄寬融合類似于雙極融合，無法充分利用非線性融合的優(yōu)勢，但該研究并未給出相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持。盡管如此，目前尚無公認(rèn)的雙能量CT非線性融合參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，有待更多研究探討雙能量非線性融合參數(shù)的選擇。

本研究的局限性在于：①本研究僅評價不同融合技術(shù)在胃癌對比度方面的差異，并未與手術(shù)病理結(jié)果進(jìn)行對照分析。提高病灶對比度是病變評價的基礎(chǔ)，未來的研究方向是評估不同融合方法對于胃癌分期準(zhǔn)確性的影響，以更好地解決臨床問題。②根據(jù)研究者的經(jīng)驗(yàn)，對于非線性融合，需要胃癌與正常胃壁間存在一定的密度差異，才有可能通過非線性融合技術(shù)提高病灶CNR。如果胃癌與正常胃壁CT值相似，非線性融合技術(shù)將不一定會提高病灶CNR。

總之，對于線性融合，較高的融合權(quán)重因子（M=0.7）可以較常規(guī)應(yīng)用的M=0.5提高胃癌病灶的對比度。非線性融合技術(shù)較線性融合進(jìn)一步提高了病灶對比度，當(dāng)BC置于胃癌與正常胃壁CT值中間值時，較窄的BW（BW=0HU）具有最高的病灶對比度。

[1]Jemal A,Bray F,Center MM,et al. Global cancer statistics. CA Cancer J Clin,2011,61(2): 69-90.

[2]Behrendt FF,Schmidt B,Plumhans C,et al. Image fusion in dual energy computed tomography: effect on contrast enhancement,signal-to-noise ratio and image quality in computed tomography angiography. Invest Radiol,2009,44(1): 1-6.

[3]Kim KS,Lee JM,Kim SH,et al. Image fusion in dual energy computed tomography for detection of hypervascular liver hepatocellular carcinoma: phantom and preliminary studies. Invest Radiol,2010,45(3): 149-157.

[4]Bauer RW,Kerl JM,Fischer N,et al. Dual-energy CT for the assessment of chronic myocardial infarction in patients with chronic coronary artery disease: comparison with 3-T MRI. Am J Roentgenol,2010,195(3): 639-646.

[5]王怡寧,金征宇,孔令燕,等. 雙能量CT冠狀動脈和心肌成像的優(yōu)化對比噪聲比研究. 中國醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志,2010,18(5): 449-453.

[6]劉歡歡,張歡,石磊,等. 雙源CT雙能量融合圖像在直腸癌應(yīng)用中的研究初探. 實(shí)用放射學(xué)雜志,2013,29(10): 1610-1612.

[7]Kartje JK,Schmidt B,Bruners P,et al. Dual energy CT with nonlinear image blending improves visualization of delayed myocardial contrast enhancement in acute myocardial infarction. Invest Radiol,2013,48(1): 41-45.

[8]Wichmann JL,Hu X,Kerl JM,et al. Non-linear blending of dual-energy CT data improves depiction of late Iodine enhancement in chronic myocardial infarction. Int J Cardiovasc Imaging,2014,30(6): 1145-1150.

[9]汪飛,李梁,余成新. 雙能量CT對痛風(fēng)的診斷及評價. 中國醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志,2014,22(1): 53-55.

[10]Johnson TR,Krauss B,Sedlmair M,et al. Material differentiation by dual energy CT: initial experience. Eur Radiol,2007,17(6): 1510-1517.

[11]Wichmann JL,Bauer RW,Doss M,et al. Diagnostic accuracy of late iodine-enhancement dual-energy computed tomography for the detection of chronic myocardial infarction compared with late gadolinium-enhancement 3-T magnetic resonance imaging. Invest Radiol,2013,48(12): 851-856.

[12]薛華丹,劉煒,孫昊,等. 第二代雙源CT雙能掃描模式對胰腺癌的影像診斷價值初探. 中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院學(xué)報,2010,32(6): 640-644.

[13]Chu AJ,Lee JM,Lee YJ,et al. Dual-source,dual-energy multidetector CT for the evaluation of pancreatic tumours. Br J Radiol,2012,85(118): E891-E898.

[14]Holmes DR,Fletcher JG,Apel A,et al. Evaluation of non-linear blending in dual-energy computed tomography. Eur J Radiol,2008,68(3): 409-413.

[15]王琦,劉響,王麗佳,等. 雙能CT非線性融合技術(shù)提高門靜脈血管圖像質(zhì)量. 中國醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志,2014,22(6): 427-430.

[16]Wang Q,Shi GF,Liu X,et al. Optimal contrast of computed tomography portal venography using dual-energy computed tomography. J Comput Assist Tomogr,2013,37(2): 142-148.

（本文編輯 張春輝）

PurposeConventional gastric CT provides poor contrast for gastric cancer lesions,the purpose of this study is to investigate the application value of dual energy CT image fusion technology in the improvement of lesion contrast in gastric cancer.Materials and MethodsAbdominal dual energy contrast-enhanced CT images of 30 gastric cancer patients were retrospectively analyzed,dual-energy images were reconstructed with different linear and nonlinear fusion settings,contrast between lesions and normal gastric wall,lesion contrast to noise ratio (CNR) were compared among 100 kVp,140 kVp and different fusion groups,and image quality was evaluated subjectively.ResultsThere were statistically significant differences among the gastric cancer contrast and CNR of 100 kVp,140 kVp and three linear blending images (F=29.6 and 26.1,P＜0.001),with M=0.7 linear fusion group showing the highest CNR. The gastric cancer contrast and CNR was significantly higher with a bandwidth (BW) of 0HU when compared among the three groups of nonlinear blending images (F=268.5 and 49.5,P＜0.001). Moreover,the nonlinear group with a width of 0HU had a 36% and 47% increase in lesion contrast and CNR over that of a linear blending image. In the subjective evaluation of images,the BW=0HU nonlinear fusion image was most frequently estimated as the most preferred images for lesion observation of gastric cancer.ConclusionNonlinear blending with a BW of 0HU improves display of gastric cancer,and has the potential clinical value to increase the accuracy of staging.

Stomach neoplasms; Tomography,X-ray computed; Image processing,computer-assisted; Quality control

10.3969/j.issn.1005-5185.2015.12.018

王霄英

Department of Radiology,Peking University First Hospital,Beijing 100034,China

Address Correspondence to: WANG Xiaoying E-mail: cjr.wangxiaoying@vip.163.com

R735.2；R730.42

2015-05-03

修回日期：2015-09-18

中國醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志2015年第23卷12期：947-950

Chinese Journal of Medical Imaging 2015 Volume 23(12): 947-950