掃描及重建條件對肺結(jié)節(jié)三維容積及CT值定量影響的體模研究

蘇大同 馮磊 姜英健 王穎

我國肺癌發(fā)病率及死亡率均居首位[1].肺癌的早期診斷對提高生存率尤為重要[2].肺結(jié)節(jié)的生長特性是判斷其良惡性的重要指標之一,惡性結(jié)節(jié)常表現(xiàn)出相對持續(xù)快速增長的特性,而良性結(jié)節(jié)的生長速度則一般相對較慢[3].目前臨床上針對不定性小結(jié)節(jié)最常采用的策略是利用計算機斷層掃描(computed tomography, CT)隨訪觀察結(jié)節(jié)的容積變化.肺結(jié)節(jié)容積定量技術是近些年新研發(fā)的一種計算機后處理技術,其基本原理是利用肺結(jié)節(jié)與周圍肺組織間的密度差,利用計算機軟件將肺結(jié)節(jié)從肺實質(zhì)中分割出來,自動重建出結(jié)節(jié)的三維立體圖像并計算出基于體素的結(jié)節(jié)容積及CT值.對于非實性結(jié)節(jié),在容積測量的基礎上引入質(zhì)量測量.質(zhì)量的計算是基于結(jié)節(jié)的容積及CT值,具體方法是通過容積定量測出容積,將結(jié)節(jié)的CT值加上1,000作為密度,二者的乘積轉(zhuǎn)化為質(zhì)量[4].

隨訪研究的發(fā)展方向?qū)Ψ谓Y(jié)節(jié)的精確容積及CT值定量提出需求.同時,隨訪過程中的多次CT掃描必須要考慮到CT掃描的放射劑量,應盡量減小對受檢者的放射損傷.基于上述原因,我們的研究旨在評估不同掃描條件對肺結(jié)節(jié)的容積及CT值測量的影響.

1 材料與方法

1.1 肺結(jié)節(jié)體模 肺結(jié)節(jié)模型是采用FUYO公司制造的體模模型(圖1).該模型內(nèi)固定四種直徑(2.5 mm、5.0 mm、10.0 mm、20.0 mm)的球狀物代表肺結(jié)節(jié).每種直徑的結(jié)節(jié)分別由亞克力、單體澆鑄尼龍和聚丙烯三種不同材料制成,其CT值分別為-100 HU、60 HU、100 HU.另兩個為直徑10.0 mm的混雜密度結(jié)節(jié),其平均CT值分別約為0 HU、-60 HU.模型內(nèi)共有5種密度的16個結(jié)節(jié),因為直徑20 mm結(jié)節(jié)在臨床中沒有容積分析價值,另2種混雜密度結(jié)節(jié)不具有2.5 mm及5 mm直徑的類型而無法對比,故僅納入10.0 mm、5.0 mm、2.5 mm的不同密度結(jié)節(jié).

1.2 檢查方法 本研究使用64排螺旋CT機(GE Lightspeed VCT)對體模進行掃描,掃描范圍自體模一端至另一端,螺旋掃描方式,120 kV,螺距1.375:1,機架旋轉(zhuǎn)一周時間0.5 s,顯示野(field of view, FOV)360 mm,圖像矩陣512X512,默認重建層厚和重建間距均為1.25 mm,在管電流為10 mA、20 mA、50 mA、80 mA、100 mA、150 mA、350 mA分別進行掃描.掃描完成后,將數(shù)據(jù)利用傳統(tǒng)濾波反投影法(filtered back projection, FBP)、自適應統(tǒng)計迭代重建技術(adaptive statistical iterative reconstruction, ASIR)(30%, 50%, 80%)分別進行4次重建,共獲得28套CT圖像.

1.3 容積分析及CT值測定 將CT圖像傳輸?shù)紾E AW4.6工作站中,使用ALA軟件對圖像進行后處理及容積定量、CT值測量.選擇要進行測量的一組軸位圖像數(shù)據(jù),找到體模結(jié)節(jié)的最大直徑層面,選取待測結(jié)節(jié),用鼠標單擊結(jié)節(jié)的中心區(qū),進入容積分析界面.軟件自動實現(xiàn)對結(jié)節(jié)的分割并顯示出結(jié)節(jié)的三維立體圖像及其容積與平均CT值.在容積分析時,針對結(jié)節(jié)的大小及密度的不同,有三種模式可供選擇,分別為磨玻璃密度結(jié)節(jié)模式、亞實性結(jié)節(jié)模式及實性結(jié)節(jié)模式.操作者在軸、矢及冠狀位圖像上觀察結(jié)節(jié)分割情況,對分割不滿意及未能顯示的結(jié)節(jié),可更換容積分析模式以達到最佳效果.最終對分割滿意的結(jié)節(jié),記錄其容積V(單位為mm3)與平均CT值(HU).每個結(jié)節(jié)可獲得28組數(shù)據(jù).

1.4 統(tǒng)計分析 所有統(tǒng)計分析都在統(tǒng)計學軟件SPSS 17.0中完成,P<0.05定義為差異具有統(tǒng)計學意義.肺體模結(jié)節(jié)的參考容積根據(jù)結(jié)節(jié)的直徑按照球體的容積計算公式得出.計算容積的相對誤差(relative volume error, RVE)的95%一致性區(qū)間[5],RVE定義為測量值與參考值的差值與參考值的比值,計算CT值的絕對誤差(absolute attenuation error, AAE)的95%一致性區(qū)間,AAE定義為軟件測量的平均CT值與標準CT值的差值.以容積相對差值及CT值絕對差值作為自變量,管電流及重建算法作為組內(nèi)影響因素,結(jié)節(jié)大小及密度作為組間影響因素,應用重復測量方差分析不同管電流及原始數(shù)據(jù)重建算法對節(jié)容積定量及CT值測量的影響.

2 結(jié)果

2.1 肺體模結(jié)節(jié)的分割與自動測量 28套CT圖像中所有待測結(jié)節(jié)的測量均達到分割滿意,其中直徑為2.5 mm的小結(jié)節(jié)必須采用磨玻璃密度結(jié)節(jié)模式方可以實現(xiàn)容積分析,其余直徑為5.0 mm及10.0 mm的小結(jié)節(jié)均使用實性結(jié)節(jié)模式.通過軟件自動測量,分別記錄每套CT圖像中9個結(jié)節(jié)容積及平均CT值.

2.2 結(jié)節(jié)的容積測量相對誤差及CT值測量絕對誤差 根據(jù)9個結(jié)節(jié)在28套CT圖像中所得的數(shù)據(jù)計算其容積RVE及CT值AAE(表1).直徑為2.5 mm結(jié)節(jié)的容積測量相對誤差(100.8%±28%)及CT值絕對誤差(-756±80)HU均較大;直徑為5 mm及10 mm結(jié)節(jié)的容積相對誤差很小[(-0.9%±1.1%) vs (0.9%±1.4%)],CT值絕對誤差很大[(-243±26) HU vs (-129±7) HU].其中直徑為2.5 mm體模結(jié)節(jié)的容積被明顯高估,且測量CT值與標準CT值相差懸殊.直徑為5 mm及10 mm結(jié)節(jié)的測量容積幾乎與標準容積相等,誤差值很小,但測量CT值與標準CT值仍存在很大誤差.

表 1 結(jié)節(jié)的容積測量相對誤差及CT值測量絕對誤差Tab 1 The relative error of volume and the absolute error of CT value of nodules

將所得原始數(shù)據(jù)按照不同的管電流及重建算法進行分類處理(圖2-圖5),結(jié)果顯示:對于直徑為2.5 mm的結(jié)節(jié)在7種不同管電流及4種不同重建算法下,結(jié)節(jié)的容積相對誤差及CT值絕對誤差均較大.對于直徑為5.0 mm及10.0 mm的結(jié)節(jié),不同管電流及重建算法對結(jié)節(jié)的容積相對誤差幾乎沒有影響;但CT值絕對誤差較大.

2.3 結(jié)節(jié)容積測量相對誤差及CT值測量絕對誤差的影響因素 由于直徑2.5 mm的結(jié)節(jié)在7種不同管電流及4種不同重建算法下,結(jié)節(jié)的容積相對誤差及CT值絕對誤差均較5 mm及10 mm結(jié)節(jié)明顯增大,將其納入重復測量方差分析意義不大,故僅對直徑為5.0 mm及10.0 mm的結(jié)節(jié)做進一步方差分析,結(jié)果顯示:不同管電流及原始數(shù)據(jù)重建算法對容積相對誤差沒有顯著影響(F=5.6,P=0.10; F=11.13, P=0.08),對CT值絕對誤差有顯著影響(F=34.79, P<0.001; F=156.14, P<0.001).

3 討論

我們的研究發(fā)現(xiàn)直徑為2.5 mm的結(jié)節(jié),無論采用何種掃描條件,軟件的容積分析均存在很大誤差.對于5 mm及10 mm的結(jié)節(jié),不同管電流及重建算法對結(jié)節(jié)的容積定量沒有影響.軟件測量所得的CT值在所有結(jié)節(jié)中均存在較大誤差.

3.1 結(jié)節(jié)的容積測量影響因素 當結(jié)節(jié)直徑為2.5 mm時,容積測量誤差很大,且往往被高估,其主要原因在于容積自動分析時的部分容積效應.部分容積效應是指CT圖像上各個像素的數(shù)值代表相應單位組織全體的平均CT值,它不能如實反映該單位內(nèi)各種組織本身的CT值.在CT圖像中結(jié)節(jié)邊緣所經(jīng)過的每一個像素的CT值是結(jié)節(jié)的真正部分和周圍結(jié)構(gòu)的平均值,如果平均值超過軟件采用的閾值,則被納入容積分割的范圍,反之則被除外.我們的研究發(fā)現(xiàn)直徑2.5 mm的結(jié)節(jié)容積被明顯高估.其原因在于相對于重建視野(FOV)360 mm、矩陣512X512,CT圖像的像素大小約為0.7 mmX0.7 mm.直徑2.5 mm的結(jié)節(jié)其最大層面在X、Y軸可完全或部分占據(jù)4個-5個像素,其中2個-3個像素為受部分容積效應影響的像素.此外,軟件容積分析對這種小結(jié)節(jié)僅能采用針對磨玻璃密度結(jié)節(jié)的算法,其容積分割的閾值較低.因此,結(jié)節(jié)部分占據(jù)的像素可能均被納入容積分割中,導致測量容積增大.相對較大的結(jié)節(jié),一方面其占據(jù)的像素較多,受部分容積影響的像素在總體中所占比例較小,另一方面,較大結(jié)節(jié)容積分析采用的是針對實性結(jié)節(jié)的算法,其閾值較高,被結(jié)節(jié)部分占據(jù)的像素會部分納入分割,部分被排除.因此,結(jié)節(jié)的容積分析誤差在較大結(jié)節(jié)中很小,而在較小結(jié)節(jié)中很大.

圖 1 體模結(jié)節(jié)的CT掃描圖Fig 1 The CT image of the nodule phantom

圖 2 不同管電流對結(jié)節(jié)容積相對誤差Fig 2 The RVE for different cube current

圖 3 不同管電流對結(jié)節(jié)CT值絕對誤差Fig 3 The AAE for different cube current

3.2 結(jié)節(jié)CT值測量的影響因素 三維軟件自動分析結(jié)節(jié)的CT值和真實CT值相差較大,一方面這可能與軟件結(jié)節(jié)分割所采用的閾值法有關,軟件分割的閾值在不同算法需要對像素識別及算法做出調(diào)整.

圖 4 不同重建算法對結(jié)節(jié)容積相對誤差Fig 4 The RVE for different reconstruction algorithm

圖 5 不同重建算法對結(jié)節(jié)CT值絕對誤差Fig 5 The AEE for different reconstruction algorithm

3.3 低劑量CT掃描和使用迭代重建算法的可行性 無論在肺癌篩查還是結(jié)節(jié)隨訪中,容積定量都是相當關鍵的,同時容積倍增時間也是輔助判斷結(jié)節(jié)良惡性的重要指標[6].本實驗結(jié)果顯示,對于直徑為5.0 mm及10.0 mm的結(jié)節(jié),不同管電流及重建算法對結(jié)節(jié)的容積定量沒有影響,為在肺癌篩查及結(jié)節(jié)隨訪中選擇最合適的管電流及重建算法提供了可行性.

根據(jù)美國美國國立綜合癌癥網(wǎng)絡(National Comprehensive Cancer Network, NCCN)指南建議,推薦低劑量CT作為肺癌的主要篩查手段[7].根據(jù)我們的實驗結(jié)果,直徑5 mm以上結(jié)節(jié),降低管電流對容積定量影響很小.CT掃描的劑量與電流呈正相關,因此,在不影響結(jié)節(jié)容積定量的前提下,降低電流可顯著降低輻射劑量,減少受檢者的放射損傷,對肺癌的預防有著極為重要的意義.盡管我們的研究提示10 mA的管電流對結(jié)節(jié)的容積分析沒有顯著影響,但其受結(jié)節(jié)體模整體密度較低的影響,人體肺組織外尚包含骨骼及肌肉組織,會造成X射線的衰減,因此在臨床應用中尚需要適當提高管電流.

實驗中使用了4種重建算法,包括FBP及ASIR.ASIR技術自2009年底用于臨床,其特點在于噪聲消除、偽影抑制以及雙能成像.國外很多研究[8-10]表明,采用該技術可以大大降低受檢者接受的輻射劑量,而掃描中所獲得圖像質(zhì)量及影像信息完全可以滿足診斷要求.ASIR與FBP相比最大的優(yōu)勢是可以降低由于輻射劑量的降低而增加的噪聲,這就可以彌補使用低劑量CT掃描時,降低管電流等而增加的噪聲.同時由于不同重建算法對結(jié)節(jié)容積定量影響很小,故可以使用自適應統(tǒng)計迭代重建技術配合低電流CT掃描,最終達到降低輻射劑量的目的.

綜上所述,使用較低的電流及自適應迭代重建算法實現(xiàn)低劑量掃描對直徑為5.0 mm及10.0 mm的結(jié)節(jié)容積定量沒有影響,對2.5 mm結(jié)節(jié)的容積定量誤差較大,測量的容積明顯被高估,不建議對此類結(jié)節(jié)進行容積分析.三維軟件自動分析結(jié)節(jié)的CT值和真實CT值相差較大,所以目前臨床上還是要采用傳統(tǒng)的手動測量法.