不同CT設備肺結節掃描參數優化的體模對照研究

劉俊七，程勇，陳瀾菁，沈倩，蘭永樹

肺癌是我國發病和死亡增長最快的惡性腫瘤，并已經成為我國危害最嚴重的惡性腫瘤[1]。近年來，隨著體檢的臨床普及和肺癌早期篩查工作的開展，肺結節尤其是磨玻璃結節(ground-glass nodule，GGN)的檢出率不斷上升。在檢出的肺結節中，部分經術后病理檢查證實為肺癌。對于首次發現的可疑肺結節，若無法判定其良、惡性，臨床上通常會采用定期復查的處置方式，進而產生更多的CT檢查需求，導致了醫療照射劑量日益增加，如何降低輻射劑量已成為研究的熱點。目前普遍運用的方法為調整掃描參數，但過低的掃描參數會降低圖像的密度和空間分辨率，從而可能導致圖像的模糊和病變的遺漏[2]。本文旨在探討通過對本院不同CT設備的肺結節掃描參數進行優化，篩選用于肺結節CT篩查的最佳設備和參數，為臨床優化肺結節CT篩查提供新方案及新思路。

材料與方法

1.胸部模型

采用Kyoto Kagaku多用途男性胸部模型N1-Lungman及9個小結節體模。胸部模型中的各個模塊(心臟、肺、肝臟)均可拆卸，仿真軟組織及骨骼X線衰減等效性與真人相似。胸部仿真模型的大小為40 cm×43 cm×48 cm，胸圍94 cm，其內部肺紋理與人體無顯著差別(圖1a)。9個肺結節體模為3種直徑(0.8、0.5、0.3 cm)、3組標準CT值(分別為100、-630和-800 HU)的組合(圖1b)。將肺結節體模隨機置于胸部體模肺紋理之中。

2.檢查方法

分別采用聯影uCT 550(A組)、Philips iCT 256(B組)、GE optima CT 540(C組)CT機對胸部仿真模型進行掃描。體模置于檢查床上，其正中矢狀面與檢查床的正中線重合，掃描范圍自肺尖到肺底(上、下起止點相同)，3組的掃描參數相同：分別采用7組曝光量(10、15、20、30、50、100和200 mAs)進行掃描，管電壓120 kV，0.7 s/r，螺距1，視野350 mm×350 mm，層間距0.625 mm。記錄各組劑量報告中的CT容積劑量指數(volumetric CT dose index，CTDIvol)和劑量長度乘積(dose-length product，DLP)。

3.圖像質量評估

客觀評估：采用對比噪聲比(CNR)和信號噪聲比(SNR)來評估各組在不同曝光量時的圖像質量[3]。在心臟中心層面測量心腔的CT值及對應水平椎體的CT值，并獲得椎體CT值的標準差(SD)，ROI面積分別為3000和300 mm2，每個部位重復測量3次(圖2a、3a、4a)。按照下列公式計算CNR和SNR：

(1)

(2)

主觀評價：由兩位工作年限在5年以上的主治醫師采用單盲法獨立評價所有圖像。設置圖像的閱片條件：肺窗的窗寬1500 HU、窗位-400 HU，縱隔窗的窗寬400 HU、窗位40 HU。對圖像的整體質量進行評價，評估內容主要為肺血管、氣管束、縱隔及其它細微結構的可視程度，評價標準：3分，圖像無偽影，肺血管、氣管束等細微結構顯示清楚，完全滿足診斷要求；2分，圖像有偽影，肺血管、氣管束等細微結構顯示較好，基本滿足診斷要求；1分，圖像有較大偽影，肺血管、氣管束等細微結構顯示較差，不能滿足診斷要求。若出現不同意見，由兩位醫師經過協商后達成一致意見。此外，對9個結節的顯示情況進行獨立評分(圖2b、3b、4b)，主觀評價采用4級評分：4分，結節清晰可見；3分，結節邊緣稍模糊；2分，結節邊界較模糊，但仍可見；1分，結節不可見。兩位醫師對每個結節分別評價3次，共計54次。

圖1 本研究中使用的體模示意圖。a)仿真胸部模型；b)9個肺結節模型的直徑和密度。 圖2 A組中在30 mAs條件下的體模掃描圖像。a)縱隔窗圖像，圖像噪聲較小，偽影少；b)肺窗圖像，肺血管顯示清晰，可見右肺上葉直徑3 mm的GGO(箭；6次評價時均被檢出)。 圖3 B組在30 mAs條件下的體模掃描圖像。a)縱隔窗圖像，圖像噪聲較大，偽影多；b)肺窗圖像，肺血管顯示清晰，右肺上葉直徑3 mm的GGO(箭)未被檢出(6次評價僅檢出1次)。 圖4 C組在30 mAs條件下的體模掃描圖像。a)縱隔窗圖像，圖像噪聲稍高，偽影稍多；b)肺窗圖像，肺血管顯示清晰程度中等，可見右肺上葉直徑3 mm的GGO(箭；6次評價時均被檢出)。

4.統計學分析

使用SPSS 21.0軟件進行統計學分析。符合正態分布的定量資料以均數±標準差表示。采用單因素方差分析比較相同曝光量時3組之間CNR和SNR(方差齊)的差異。應用Kruskal-WallisH檢驗比較同一曝光量時3組之間肺結節顯示情況主觀評分(方差不齊)的差異，并計算各組的結節檢出率。以P<0.05為差異有統計學意義。

結 果

1.輻射劑量

三組中不同曝光量時的輻射劑量指標值見表1。輻射量隨曝光量的減少而降低，在相同曝光量條件下，B組的CDTIvol最低，較A組降低了18.8%～34.0%，在曝光量為10 mAs時降低最多，在曝光量為200 mAs時降低最少。B組較C組降低了33.3%～46.1%，在曝光量為10 mAs時降低最多，在曝光量為15 mAs時降低最少。

表1 不同CT機型體模掃描時的輻射量

2.圖像質量客觀評價

三組之間不同曝光量條件下圖像的客觀評價結果的比較見表2。各組中圖像質量均隨曝光量的減少而降低。在同一曝光量條件下的三組間CNR和SNR的差異均具有統計學意義(P<0.05)。在相同曝光量條件下，A組的圖像質量最高，C組次之，B組最差。

表2 不同曝光量條件3組圖像質量的客觀評價指標值

3.圖像質量的主觀評價

在不同曝光量條件下三組中肺結節顯示情況的主觀評分及檢出率、圖像的整體質量評分見表3～4。圖像質量隨曝光量的減少而降低。在曝光量為100、50、30和20 mAs時，三組之間肺結節主觀評分的差異具有統計學意義(P<0.05)。在曝光量為50 mAs及以上時，三組的肺結節檢出率均為100%；三組中均以曝光量為10 mAs時的結節檢出率最低，其中又以C組的檢出率最低，僅66.7%。低曝光量條件下微小磨玻璃結節的檢出受限，詳見表5。

表3 在不同曝光量條件下三組中肺結節顯示情況的主觀評分結果 /次

表4 不同曝光量條件下3組圖像的整體質量評分和結節檢出率

表5 低曝光量條件下微小結節(直徑≤0.5cm)的檢出數 /個

討 論

肺結節在臨床工作中較常見，其中鈣化結節的邊界清晰、以良性為主，而磨玻璃結節通常是鑒別的重點及難點，既可以是良性病變(如炎性改變、間質性纖維化等)，也可能為原位腺癌(adenocarcinoma in situ，AIS)和微浸潤腺癌(minimally invasive adenocarcinoma，MIA)等[4]。若能早期發現肺部腫瘤性病變、早期治療，患者的生存率可顯著提高[5]，但當鑒別GGN的良惡性較困難時，定期復查是主要處置方式。反復的胸部CT檢查所致輻射量的累積效應，可能對被檢查者的身體產生危害。一般來說更大的CT曝光劑量會帶來更好的圖像質量，但代價是被檢查者接受了更多的電離輻射，為了降低肺結節隨訪患者累計輻射劑量，對于CT圖像質量應該是滿足診斷要求即可而并非最高的圖像質量。降低輻射劑量的方法有很多，如降低管電壓、管電流及增加螺距等。降低管電壓因兼具增加圖像對比及減少對比劑劑量的用途，通常應用于CT血管成像的掃描方案中[6]，且管電壓的變化對腫瘤檢出率的影響程度高于管電流[7]，因此在肺結節篩查時不宜采用降低管電壓的方法；增加螺距也能在一定程度上減少被檢查者的輻射劑量，但當螺距超過一定限度后，可能丟失小病灶或圖像細節[8]。故本研究采用固定管電壓的條件下通過降低曝光量以達到降低輻射量的目的，為臨床優化肺結節CT篩查提供新思路及方案。

本研究以仿真胸部體模為研究對象，既排除了人體檢查中存在的生理運動、體重指數等因素的差異，保證了研究對象在掃描過程中的一致性，同時也有效避免了相應倫理問題。本研究結果顯示，隨著曝光量的降低，輻射劑量和圖像質量也相應降低。當曝光量在50 mAs及以上時各設備能將所有結節全部檢出。但在低曝光量條件下，對直徑小(3 mm)的GGN(-800和-630 HU)的檢出受限。A組中，在15和10 mAs條件下對直徑3 mm結節的檢出率僅為66%和33%；B組中，在30、20、15和10 mAs條件下對3 mm結節的檢出率約為三分之一，在10 mAs條件下直徑5 mm的GGO(-800 HU)的結節未被檢出；C組中，在20、15和10 mAs條件下直徑3 mm結節的檢出率分別為81%、39%及33%，在10 mAs條件下直徑5 mm的GGO(-800 HU)同樣未被檢出。這與Jin等[9]的研究結果類似，說明過低的曝光量對檢出微小磨玻璃肺結節的影響很大。造成這種現象的原因可能是以降低曝光量來降低輻射劑量，會造成圖像低對比分辨力降低，從而導致圖像密度分辨力降低[10]。

評價肺結節惡性潛能的兩大要素是肺結節的大小和生長方式，惡性的可能性與結節直徑呈正相關關系[11]。關于肺結節的一項隊列研究結果表明，當肺結節直徑大于3.7 mm時癌變概率有增加的風險，新發肺結節為癌癥的風險高于原有肺結節，而新發結節中包括因體積較小而未在上一次診斷報告中提出的結節，上述結果提示對肺結節進行定期復查尤為重要[12]。本研究中肺結節體模的形態規則且密度均勻，與臨床工作中在患者人群中檢出的肺結節有一定差異，因此在進行體模CT掃描時，能檢出直徑3 mm的磨玻璃結節應作為圖像質量合格的評價要求之一。結合整體圖像質量的主觀評價結果，A、B、C組中圖像質量達2分(即達到基本滿足診斷條件)的最低曝光量分別為20、50和30 mAs。綜合評估，A、B、C組合格圖像質量的最優曝光量分別為20、50和30 mAs，對應的CTDIvol分別為1.75、3.38和3.45 mGy。這充分說明在GGN的臨床篩查中聯影uCT 550是最優化的CT設備，可能是近年來聯影使用了KARL迭代重建算法，該技術較常規使用的濾波反投影法(filtered back projection，FBP)能顯著降低圖像噪聲，從而達到降低曝光量的目的[13]。除此之外，CT設備之間探測器、濾過板及準直器等設備的不同也可能對掃描的輻射量和圖像質量有一定影響[14-15]。

本研究的不足之處：①僅運用了模擬標準體型的人體模型，存在呼吸運動、心血管搏動的非標準體型的臨床病例是否適用相應的CT掃描方案，本研究未涉及，尚需今后進一步進行深入研究；②僅僅針對本院現有的CT設備在進行胸部掃描時的情況進行了對比分析，對在其它部位的檢查情況未作進一步研究。因此，這些不足之處有待我們下一步更深入的研究。

綜上所述，隨著曝光量的降低，輻射劑量和圖像質量也相應降低。在使用不同CT設備篩查肺結節的對比中，聯影uCT 550較Philips iCT 256和GE optima CT 540的檢查性能更佳，在滿足基本診斷要求的前提下，聯影uCT 550螺旋CT機的曝光量最低、輻射劑量也最低，推薦作為臨床肺結節篩查的CT設備。