Z-DOM技術下小螺距薄掃聯合迭代重建對胸部體模GGN圖像質量的影響

高洪巖， 于安宏， 馬延賀， 萬業達

隨著CT篩查的普及，肺磨玻璃密度結節(ground-glass nodules，GGN)檢出率越來越高， GGN是診斷早期肺腺癌重要的CT表現[1-2]。常規CT檢查輻射劑量較大，目前多數研究是通過采用大螺距來降低輻射劑量，但隨著輻射劑量的降低,圖像質量亦隨之降低，因此螺距的增加受到了限制[3]。為了平衡螺距、圖像質量及輻射劑量的關系，選擇合適螺距掃描成為影像工作者的重點研究課題。與窄體探測器CT相比，寬體探測器CT顯著增加了單次旋轉掃描的覆蓋范圍，減少實際掃描時間，這使采用小螺距行胸部CT掃描成為可能。本研究采用Z-DOM技術，小螺距薄掃聯合迭代重建技術對仿真胸部體模行CT平掃，旨在保證肺內磨玻璃密度結節圖像滿足診斷要求前提下降低患者所受輻射劑量，更好的保護患者。

材料與方法

1.材料

采用中國成年男性CDP-IC型高端仿真胸部體模，該體模由胸壁、脊柱、肺組織、胸椎及心臟等組構成，體模X線衰減性能和人體組織等效。體模內放置12個GGN，兩種直徑(10 mm、15 mm)，參考CT值-600 HU，隨機分布在肺野的上、中、下層面。

2.掃描方案

采用Philips Brilliance 256 iCT掃描儀。根據管電流不同分為2組：A方案為常規劑量組，參考管電流170 mAs，掃描過程中mAs保持不變，使用濾波反投影算法(FBP)重建；B方案采用Z-DOM自動管電流調節技術，使用FBP算法重建；C方案采用Z-DOM自動管電流調節技術，使用iDose4迭代算法(等級3)重建圖像，每種方案分別以螺距0.993、0.804、0.601、0.399進行掃描；其余參數一致：固定管電壓120 kV，準直器寬度128×0.625 mm，球管旋轉速度0.5 s/r，掃描范圍胸廓入口到肺底層面，FOV 350 mm，掃描長度(L)310 mm。重建參數：矩陣512×512，層厚1.5 mm，間距1.5 mm，肺窗(窗寬1600 HU、窗位-500 HU)。

3.圖像質量評價

圖像質量客觀評價:將掃描數據傳送至飛利浦星云工作站，由2名經驗豐富影像科技師操作，保證數據采集和后處理圖像一致性。讀取層厚1.5 mm橫斷圖像，兩位技師各自在肺結節最大橫截面積設置感興趣區(ROI)，ROI大小是GGN大小的2/3，測量并記錄ROI內的平均CT值和噪聲值(standard deviation,SD)，同時測量同層面無組織區(空氣)的平均CT值和SD值，全部數據取測量3次數值均數。根據測量CT值和SD值計算GGN對比噪聲比(contrast noise ratio,CNR)，CNR=(CT值GGN-CT值空氣)/SD值結節。

圖像質量主觀評價:由2名工作經驗豐富CT閱片醫師采用雙盲法對GGN圖像質量進行主觀評估，應用統一的窗寬、窗位，當圖像質量評分出現分歧時，由兩位醫師協商一致后評定。評估標準為5分：結節清晰可見，與周圍肺組織分界明顯，無偽影；4分：結節可見，與周圍肺組織分界較清晰；3分：結節能檢出，與周圍肺組織分界稍模糊，但能達到診斷要求；2分：結節隱約可見，與周圍肺組織分界模糊，未達到診斷標準；1分：結節不可見，與周圍肺組織分界非常模糊。圖像質量評分≥3分即認為圖像滿足診斷要求。

4.輻射劑量評估

記錄患者掃描完成后機器自動生成的容積CT劑量指數(CT dose index of volume，CTDIvol)、劑量長度乘積(dose lenght product,DLP)。并計算有效劑量(effective dose,ED),ED=DLP×k,k=0. 014mSv·mGy-1·cm-1，單位為mSv。

5.掃描時間及Z軸過采集距離

記錄患者掃描完成后機器自動生成掃描時間T；計算Z軸過采集距離(Z)，Z=DLP/CTDIvol-L[4]。

6.統計學分析

采用SPSS 19.0統計學分析軟件。應用單因素方差分析比較同一方案不同螺距與相同螺距下不同掃描方案模擬GGN之間SD、CNR值差異，如差異有統計學意義，則結合LSD-t法進行兩兩比較；應用非參數檢驗(Kruskal-WallisH檢驗)比較不同掃描方案下模擬GGN之間主觀評分差異，結果以P<0.05為差異有統計學意義。

結 果

1.GGN圖像質量評價

GGN圖像質量客觀評價:同一方案下不同螺距模擬GGN的SD、CNR值差異均無統計學意義(F=0.303～1.603，P>0.05)；相同螺距下不同掃描方案模擬GGN的SD、CNR值差異有統計學意義(F=3.588～6.809，P<0.05)，其中C方案SD值顯著低于A方案與B方案，CNR值顯著高于A方案與B方案，差異有統計學意義(P<0.05)，A方案與B方案SD、CNR值差異無統計學意義(P>0.05，表1、表2、圖1)。

圖1 采用Z-DOM技術不同螺距下iDose4重建圖像。a) 螺距0.993時GGN的SD值為11.0； b) 螺距0.804時GGN的SD值為11.5； c) 螺距0.601時GGN的SD值為11.5； d) 螺距0.399時GGN的SD值為12.5。

表1 不同掃描方案和不同重建下模擬GGN噪聲值

表2 不同掃描方案和不同重建下模擬GGN的對比噪聲比

GGN圖像質量主觀評分：對各組磨玻璃密度結節圖像質量進行主觀評價：不同方案全部模擬GGN主觀評分均≥3分，圖像質量較好，均滿足臨床診斷要求。A、B、C 3種方案之間的模擬GGN主觀評分差異有統計學意義(H=34.263，P=0.000)，其中C方案的模擬GGN主觀評分均≥4分，圖像評分優于A方案與B方案，差異有統計學意義(P<0.05)；A方案與B方案之間差異無統計學意義(P>0.05，圖2)。

圖2 不同方案下模擬GGN的主觀評分。

2.輻射劑量和掃描時間與Z軸過采集距離

A方案對應的CTDIvol、DLP、ED值分別為(11.33±0.33) mGy、(434.53±33.32) mGy·cm、(6.44±0.49) mSv；B方案與C方案對應的CTDIvol、DLP、ED值分別為(8.70±0.30) mGy、(333.93±27.99) mGy·cm、(4.67±0.39) mSv，與 A方案相比CTDIvol、DLP、ED值降低了(23.2±0.8)%。隨螺距減小CT掃描CTDIvol、DLP、ED值與過采集距離均呈減小趨勢，螺距0.399時，與0.993相比有效劑量D降低(17.2±0.8)%，Z軸過采集距離縮短45.9 mm。掃描時間隨螺距減小而增加(表3)。

表3 不同螺距下胸部模體的輻射劑量與掃描時間

討 論

肺磨玻璃密度結節在CT圖像中是一種非特異性的影像學改變，由多種病變引起包括肺部局灶性感染、局灶性的纖維化及良性腫瘤等;或是癌前病變如不典型腺瘤樣增生，原位腺癌等[5]。由于GGN早期癥狀不明顯，隨病情進展可發展為早期肺癌，出現臨床癥狀時已為晚期，治療難度大，預后差，嚴重威脅患者生活質量和生命安全[6]。對于初次發現GGN，如據形態學或者強化特點無法診斷良惡性，醫生一般建議定期復查。2017年Fleischner協會更新的GGN診療指南提到對于偶然發現肺結節患者直徑<6 mm單發GGN無需隨訪，≥6～8 mm單發GGN需6～12個月后復查胸CT，如果病灶仍然存在且大小沒有變化則需每年隨訪胸CT，至少持續5年[7]。這就不可避免的增加了患者受照射的機會和輻射劑量。因此，如何有效降低CT輻射劑量是影像科醫生需要解決的重要問題。

降低輻射劑量的方法有很多，其中包括降低管電壓輸出、自動管電流調制、改變螺距等[8-9]。以往研究大多討論管球參數與輻射劑量的關系，對螺距影響圖像質量與輻射劑量的機制少有研究。吳愛琴等[10]研究認為無論是采用固定mAs還是自動管電流調節模式，不同螺距下的CTDIvol均無明顯變化，客觀圖像評價差異無統計學意義(P>0.05)，與本文結果相一致。我們發現不同螺距下DLP與ED值相差較大，這種差異主要是由于CT掃描沿Z軸方向會在掃描范圍內產生半影現象，因此在掃描范圍的兩端會自動過采集一段距離用于均勻入射到探測器上X射線強度，Z軸過采集距離(Z)隨螺距增大而增加[11]。經計算螺距0.993時Z=97.0 mm，實際掃描距離407 mm；螺距0.399時Z=51.1 mm，實際掃描距離僅為361.1 mm，因此減小螺距可在不損失影像信息的基礎上縮短受檢者實際采集距離，降低輻射劑量。本研究數據顯示采用Z-DOM自動管電流調節技術與常規螺距(pitch=0.993)掃描時與固定mAs相比ED值降低22.5%，采用小螺距(pitch=0.399)可進一步降低輻射劑量17.8%。

通常情況下，增加螺距能夠減少胸部CT掃描時間，降低呼吸及心臟運動偽影[12]。但是大螺距會導致圖像層面敏感性曲線增寬，Z軸分辨力明顯下降，不可避免地造成圖像質量下降[13-14]。本研究采用Philips Brilliance 256 iCT掃描儀，探測器寬度達到80 mm，能大幅降低受檢者檢查時間。采用常規螺距(pitch=0.993)能在3 s之內完成一次胸部CT掃描，小螺距(pitch=0.399)掃描也僅需要6.73 s，對于一般患者均可完成10 s之內憋氣。因此在調節螺距時筆者建議盡可能選用較小的螺距從而降低輻射劑量；對于不能配合屏氣的患者可適當提高螺距減少呼吸偽影產生幾率。Kim等[15]將平均年齡35.6周嬰幼兒分為高呼吸頻率組與低呼吸頻率組行胸部常規CT檢查發現無論是采用高螺距還是低螺距的CT掃描結果均可以滿足診斷需求，尤其是對于呼吸頻率較低嬰幼兒不同螺距掃描方案之間圖像質量差異無統計學意義(P>0.05)，而低螺距組ED值相比高螺距組降低26%，與本文結論相一致。

FBP算法是目前CT普遍采用的重建算法，該算法基于簡單的模型假設，重建速度快，但對X線劑量波動變化較敏感，無法解決輻射劑量降低帶來的圖像質量問題[16]。iDose 4是飛利浦公司推出的第四代雙空間多模型迭代重建技術，通過在投影空間和圖像空間同時進行迭代，在不改變圖像質量的基礎上有效降低圖像噪聲，消除蠟像狀偽影，提升影像分辨力[17]。本實驗數據顯示B方案采用FBP算法重建，GGN主觀評分5分7個，4分30個，3分11個，與A方案相比分數略有降低，差異無統計學意義(P>0.05)；C方案采用iDose4迭代重建，5分增加至32個，4分16個，主觀圖像評價顯著提高，與其他兩組差異均有統計學意義(P<0.05)。因此應用iDose4迭代重建圖像能在降低輻射劑量基礎上更清楚顯示GGN內部結構及其與周圍組織關系，對臨床判斷GGN良惡性提升較大，與Den HAM等[18]研究結果相一致。

本研究采用的是胸部仿真體模，可多次重復實驗，不受醫學倫理學限制。不足之處：①實驗中模擬GGN直徑為10 mm、15 mm，對于直徑更小的結節未納入研究；②本研究為體模實驗，仿真體模肺實質和正常肺組織有差別，不能完全模擬臨床實際狀況；③由于機器限制，實驗采用的螺距均<1，對螺距>1的情況尚需進一步研究。如何將本研究結果更好地應用于臨床個體化的檢查是今后的研究重點。

綜上所述，Z-DOM技術可在保證GGN圖像質量前提下使受檢者輻射劑量降低20%以上；結合小螺距(0.399)薄掃，輻射劑量可進一步降低至約36%；iDose4迭代技術在GGN臨床應用價值較高，可在較低輻射劑量情況下改善GGN主觀圖像質量并降低圖像噪聲，能更清楚地顯示其與周圍組織的關系，對肺部GGN臨床鑒別與診療方案具有更高參考價值。因此對肺磨玻璃密度結節進行CT檢查時，推薦選擇Z-DOM技術下小螺距(0.399)薄掃聯合iDose4迭代進行采集。