CT 重建算法和顯示窗設置影響肺實性結節(jié)檢出和測量的研究

程燕南，李賢軍，李新雨，李劍穎，曹 樂，孫精濤，楊 健，郭建新

（1. 西安交通大學第一附屬醫(yī)院醫(yī)學影像科，陜西西安 710061；2. 通用電氣公司CT 研發(fā)中心，北京 100176）

肺癌仍然是世界范圍內(nèi)與癌癥死亡相關的最常見原因[1]。研究表明，I 期肺癌的5 年平均生存率高達70%[2]。肺結節(jié)作為早期肺癌的常見表現(xiàn)，對肺癌的早期發(fā)現(xiàn)和診斷具有重要意義。隨著多排探測器計算機斷層掃描（computed tomography, CT）的發(fā)展，低劑量CT 在肺結節(jié)檢出以及良、惡性判別中發(fā)揮了重要作用[3-4]。肺結節(jié)大小可以為疾病的診斷、分期和治療提供生物標記[5]。因此，結節(jié)檢出和測量準確性對肺癌篩查有重要意義。

根據(jù)Fleischner Society 對于肺結節(jié)診斷和測量的最新建議[6]，可以使用直徑測量或體積估計來評估肺結節(jié)的大小和生長。此外，部分研究證明，結節(jié)CT 值在評估結節(jié)生長、區(qū)分腫瘤亞型、評估進展和預后方面有重要意義[7-8]。另外，F(xiàn)leischner Society 建議在肺窗上進行結節(jié)測量[9-10]。但在肺窗和縱隔窗同時進行結節(jié)直徑和CT 值測量的研究尚少。既往研究表明，不同的重建算法可能會影響結節(jié)的體積評估，并且其直徑測量值可能會在不同閱片醫(yī)師間存在差異[11-15]。因此，本研究旨在評價重建算法和窗設置對肺實性結節(jié)檢出和測量的影響，以及在上述條件下肺結節(jié)測量值的可重復性和變異度。

1 資料與方法

1.1 研究對象

回顧性納入2017 年12 月至2018 年1 月間于西安交通大學第一附屬醫(yī)院接受胸部低劑量CT 篩查掃描的957 例患者。排除標準：①結節(jié)最大直徑大于15 mm；②鈣化及部分鈣化結節(jié)；③磨玻璃結節(jié)；④因存在呼吸偽影致圖像質量不佳者。最終有49 例患者符合入組標準。本研究獲得了西安交通大學第一附屬醫(yī)院倫理委員會的批準，且無需患者簽署書面知情同意。

1.2 圖像采集與重建

所有患者均在256 排CT 掃描儀（Revolution CT，GE，Waukesha, WI 美國）上進行非增強胸部低劑量CT 掃描，掃描范圍為肺尖到橫膈下部。參數(shù)如下：管電壓120 kVp，管電流采用SmartmA 技術，噪聲指數(shù)（noise index, NI）16，螺距0.992。圖像采集完成后分別用肺（lung）、骨（bone）、胸部（chest）、細節(jié)（detail）和標準（standard）算法（即肺算法、骨算法、胸部算法、細節(jié)算法、標準算法共5 種重建算法）重建原始數(shù)據(jù)，層厚1.25 mm，迭代算法為權重60% 的自適應統(tǒng)計迭代重建技術（adaptive statistical iterative reconstruction-V, ASIR-V）。將重建后的圖像傳輸?shù)紸W4.7 工作站（GE Healthcare，Waukesha, WI，美國）進行數(shù)據(jù)測量分析。

1.3 肺結節(jié)的檢出和測量

結節(jié)在CT 軸位圖像上進行識別。記錄結節(jié)數(shù)量并測量大小，按結節(jié)直徑（肺窗上5 種重建算法結節(jié)直徑的平均值）分為微結節(jié)（＜4 mm）和結節(jié)（4～6 mm；＞6 mm）。由于不同直徑結節(jié)的隨訪時間不同，需進一步根據(jù)結節(jié)直徑評價重建算法對結節(jié)檢出和測量的影響[11]。

兩名放射科醫(yī)師（分別有3 年和5 年的胸部影像診斷經(jīng)驗）在對重建算法不知情的情況下，評估以上5 組圖像。為了減少偏倚，5 種重建算法圖像隨機排序，評估過程中，閱片醫(yī)師可以在重建算法間切換。前后兩次評估的時間間隔為1 周。在結節(jié)顯示的最大軸向層面，兩名放射科醫(yī)師進行長徑和短徑測量：首先在顯示窗上找到結節(jié)的中心層面，將其放大到最大倍數(shù)然后測量長徑和短徑。為方便計算，將上述長、短徑的平均值用于最終分析。通過手動勾畫橢圓形的感興趣區(qū)測量肺結節(jié)CT 值（單位，HU），感興趣區(qū)至少包含實性結節(jié)的1/2～2/3。以上測量分別在肺窗和縱隔窗上完成。另外，每位醫(yī)師需對肺結節(jié)直徑和CT 值連續(xù)進行3 次測量，用于計算變異度。

1.4 可重復性和變異度的評估

通過使用相對平均偏差（relative average deviation, RAD）描述結節(jié)直徑和CT 值3 次測量間的變異度（可靠性），即該組值的平均偏差除以其平均值。使用Bland-Altman 圖評估兩位閱片醫(yī)師對結節(jié)直徑和CT 值測量的一致性（可重復性）。

1.5 統(tǒng)計學分析

使用SPSS 19.0 軟件（IBM Corp.，Armonk，NY，美國）進行統(tǒng)計分析。連續(xù)變量表示為平均值±標準差，各種重建算法間結節(jié)直徑和CT 值差異的比較采用重復測量方差分析（Bonferroni校正）和非參數(shù)檢驗，其中正態(tài)性檢驗基于Shapiro-Wilk 方法進行。分類變量表示為率或構成比，不同重建算法間的檢出率的比較采用卡方檢驗。雙尾P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結 果

2.1 人口學資料

49 例 患 者 中，男 性44 例，女 性5 例，年 齡 范 圍48～84 歲，平均年齡（65.1±8.0）歲。平均身高和體質量分別為（172.0±5.7）cm 和（72.0±10.8）kg。

2.2 結節(jié)分布

肺窗上共檢出77 個肺實性結節(jié)。其中，右上葉17個結節(jié)，右中葉15 個結節(jié)，右下葉10 個結節(jié)，左上葉和左下葉分別是20 個和15 個結節(jié)。直徑＜4 mm 的結節(jié)有21 個，4～6 mm 的 結 節(jié) 有35 個，≥6 mm 有21 個結節(jié)。

2.3 結節(jié)檢出和測量

兩位醫(yī)師均在肺窗上檢出所有結節(jié)，并且不同重建算法間結節(jié)檢出數(shù)量無統(tǒng)計學差異。而在縱隔窗上不同重建算法間結節(jié)檢出數(shù)量存在統(tǒng)計學差異（P=0.001，檢出率75.3%～98.7%），其中肺算法結節(jié)檢出率最高（圖1）。進一步對結節(jié)直徑分類后發(fā)現(xiàn)，不同重建算法僅影響縱隔窗上6 mm 以下結節(jié)的檢出率，并且肺算法可顯著提高6 mm 以下結節(jié)的檢出率（圖2）。

圖1 肺窗和縱隔窗對肺實性結節(jié)的檢出情況Fig.1 Detection of pulmonary solid nodules among different reconstruction kernels on the lung-window and the mediastinal-window

圖2 縱隔窗中不同重建算法間肺實性結節(jié)的檢出率差異Fig. 2 Differences in the detection rate of pulmonary solid nodules among different reconstruction kernels on the mediastinal-window

肺窗上不同重建算法間結節(jié)直徑測量值差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05），而縱隔窗上不同重建算法間結節(jié)直徑測量值差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.001）。Bonferroni 校正后發(fā)現(xiàn)該差異是由肺重建算法引起的（表1、表2，圖3）。無論是肺窗還是縱隔窗上，結節(jié)的CT 測量值在不同重建算法間均存在統(tǒng)計學差異（P＜0.001）。校正后發(fā)現(xiàn)該差異仍是肺重建算法引起（表1、表2）。另外，不同重建算法上，肺窗上結節(jié)的直徑均大于縱隔窗，而縱隔窗上結節(jié)的CT 值均大于肺窗。

圖3 不同重建算法下肺實性結節(jié)在肺窗(A)和縱隔窗上(B)的顯示Fig. 3 Pulmonary solid nodules on axial CT images on (A) lung-window and (B) mediastinal-window among different reconstruction kernels

表2 不同直徑的肺實性結節(jié)直徑和CT 值的測量結果Tab. 2 Size and CT value measurement of different sizes of pulmonary solid nodules

2.4 可重復性和變異度情況

肺窗上的結節(jié)直徑測量的變異度在不同重建算法間無顯著差異，而縱隔窗上結節(jié)直徑測量變異度在不同重建算法間差異有統(tǒng)計學意義（P=0.004）。結節(jié)CT 值測量變異度在不同重建算法間無統(tǒng)計學差異（縱隔窗上P=0.201；肺窗上P=0.163，表3），且結節(jié)CT 值測量變異度在縱隔窗小于肺窗。結節(jié)直徑和CT 值測量在兩位閱片醫(yī)師間的一致性良好，其中肺窗和縱隔窗上結節(jié)直徑測量的平均偏差相似，而結節(jié)CT 值測量的平均偏差在縱隔窗上小于肺窗（圖4）。

圖4 在不同窗設置及重建算法下兩名閱片醫(yī)師對肺實性結節(jié)直徑和CT 值測量的一致性分析Bland-Altman 散點圖Fig. 4 Bland-Altman scatterplots showing the consistency in pulmonary solid nodules diameter and CT value measurements of two readers under different window settings and reconstruction kernels

表3 肺窗和縱隔窗設置下的不同重建算法中肺實性結節(jié)直徑和CT 值測量的變異度Tab.3 Variability of pulmonary solid nodule diameter and CT value measurement among different reconstruction kernels and window settings （%）

3 討 論

本研究評價CT 不同重建算法和窗設置對肺實性結節(jié)檢出和測量的影響，以及在不同重建算法和窗設置下肺實性結節(jié)測量的可重復性和變異度。結果表明，肺窗和肺算法條件下，實性結節(jié)檢出率更高，尤其有助于6 mm 以下結節(jié)的檢出。從結節(jié)測量的穩(wěn)定性（變異度）和可重復性（一致性）角度上說，對結節(jié)直徑和CT 值的測量建議分別采用肺窗和縱隔窗。

變量以相對平均偏差表示。

重建算法不僅可以通過抑制或強化特定范圍的空間頻率來影響圖像的物理特性和視覺外觀，還會影響病變的檢出和準確性[16-17]。JUDY等[18]發(fā)現(xiàn)，平滑算法可提高圖像對于病變的檢出能力，EBNER 等[19-20]指出，微劑量CT 結合軟組織算法（有效劑量與X 線攝影相當）可提高實性結節(jié)和磨玻璃結節(jié)的檢出靈敏度；HE 等[21]也發(fā)現(xiàn)，相比于肺算法，標準算法得出的影像學特征對疾病的診斷能力更高。與既往研究不同之處在于，本研究尚未發(fā)現(xiàn)肺窗上不同重建算法對肺結節(jié)檢出率有影響。而這與LIU 等[22]研究一致，即CT 圖像重建方法對肺結節(jié)檢出無影響。然而，縱隔窗上不同重建算法影響結節(jié)檢出率，且肺算法下結節(jié)檢出率最佳，與HWANG 等[23]的發(fā)現(xiàn)一致。

對重建算法是否影響圖像定量分析如直徑或CT 值測量，目前尚存有爭議。例如，KO 等[15]發(fā)現(xiàn)，高頻重建算法可更準確地量化肺結節(jié)；而HONDA等[24]發(fā)現(xiàn)，高頻重建算法得到的肺容積大于低頻算法；RAVENEL 等[13]證明不同重建算法對模體肺結節(jié)體積的自動測量無影響。本研究也未觀察到重建算法對于肺窗結節(jié)直徑測量的影響。但縱隔窗上重建算法會顯著影響結節(jié)直徑測量，可能與結節(jié)密度或算法本身有關。另外，除了肺算法外，其余重建算法均不影響肺結節(jié)CT 值測量，這與Fleischner Society 的建議一致，他們認為除銳利算法外，其余窗設置不影響結節(jié)CT 值測量。因此，推薦在采用平滑算法重建的圖像上進行CT 值測量。

關于窗設置對肺結節(jié)大小影響的研究主要集中在亞實性結節(jié)上，并且多數(shù)研究通過肺窗評估結節(jié)測量的準確性。這是因為當使用軟組織窗時，低衰減（毛玻璃）成分會明顯減少[9,25]。而本研究重點關注實性結節(jié)，結果發(fā)現(xiàn)，實性結節(jié)直徑在肺窗上大于縱隔窗，可能是肺窗比軟組織窗在測量軟組織密度結節(jié)方面更準確[26]。另外，F(xiàn)leischner Society 專家建議采用肺窗和銳利算法測量亞實性結節(jié)的實性成分，本研究結果也支持該觀點。

關于CT 窗設置是否會影響肺結節(jié)CT 值測量的研究相對較少。本研究發(fā)現(xiàn)，無論肺窗還是縱隔窗上，除肺算法外，其余算法測得的結節(jié)CT 值均無差異。此外，結節(jié)CT 值在肺窗上低于縱隔窗，可能是由于肺窗上的部分容積效應導致結節(jié)勾畫的感興趣區(qū)內(nèi)混入周圍肺組織。這些發(fā)現(xiàn)對于肺結節(jié)的預后和治療是否有意義尚需要進一步驗證。

與縱隔窗相比，肺窗上不同重建算法并不影響肺結節(jié)直徑測量變異度，且測量可靠性更高。因此，建議在肺窗上進行結節(jié)直徑測量。此外，重建算法也不影響CT 值測量的變異度，并且縱隔窗上結節(jié)CT 值測量的變異度更小。因此，建議在縱隔窗上進行結節(jié)CT 值 測 量，這 與Fleischner Society 的 建 議 一 致[6]。不同重建算法間結節(jié)測量的可重復性和變異性可作為選擇胸部CT 特定重建設置的參考，尤其在肺癌篩查中。本研究發(fā)現(xiàn)，肺窗和縱隔窗上，結節(jié)直徑測量的平均偏差在兩名閱片醫(yī)師間相似，表明不同窗設置下結節(jié)直徑測量的一致性均較好，與YOO 等[10]的發(fā)現(xiàn)一致。然而，結節(jié)的CT 值測量平均偏差在縱隔窗上較低，表明縱隔窗上CT 值測量的可重復性更高，可能與縱隔窗上結節(jié)邊界清晰有關。

但本研究尚有局限性。一方面，納入結節(jié)僅為實性結節(jié)，因此結論外推尚需謹慎；另一方面，本研究側重于結節(jié)檢出而非評估診斷準確性，因此未評估潛在的假陽性率。另外，結節(jié)存在與否僅取決于兩位放射科閱片醫(yī)生的共同判斷，且由于本研究是回顧性研究，所有患者均未獲得病理結果。盡管人工測量存在誤差，本研究從臨床應用角度系統(tǒng)闡述了重建算法和窗設置對于肺實性結節(jié)檢出和測量的影響，未來希望可以在大樣本人群中進一步驗證。

綜上，肺窗和肺算法可提高6 mm 以下實性結節(jié)的檢出率。然而結節(jié)的CT 值測量應盡可能避免使用肺算法。結節(jié)直徑和CT 值測量建議分別采用肺窗和縱隔窗。以上結果表明，在肺結節(jié)的臨床診斷中，合理選擇重建算法和窗設置，可以最大程度地提高肺結節(jié)檢出率和測量的準確性。