重建算法对低剂量肺部CT图像质量和诊断的影响

杨会军 胡永胜 高 斌 巢惠民 徐 宁 何新华 贺克武

一些医学检查方法已应用于疾病普查,如超声、胸部X线摄影等。CT由于辐射剂量大而未用于疾病普查,但CT检查对肺部的疾病,尤其是小结节灶、早期肺癌等显示远远超过胸部X线摄影[1,2]。尤其对藏匿于心脏后、膈穹窿内、纵隔内的病灶,CT显示有不可比拟的优势。早在1990年Naidich等[3]首先提出了CT低剂量扫描的概念。国外对低剂量螺旋CT扫描已做了大量的研究,一般采用50m As、40m As或25m As进行扫描,甚至抵达20m As或10mAs[4]。如今国内很多学者开始重视CT胸部普查的作用,并进行了相应的研究。例如有使用 GE公司Light Speed Ultra 8层螺旋CT低剂量扫描,发现120kV、30m A扫描获得的图像较为满意[5]。低辐射剂量固然是应该追求的目标,但图像的质量是否影响诊断更为重要,如果图像质量影响诊断,则低剂量扫描失去了意义。就此问题笔者在低剂量扫描中运用各种图像重建方法,将处理所得的图像质量及诊断符合率与常规辐射剂量扫描图像进行对比研究,探讨理想的图像后处理方法,以达到降低剂量而不影响诊断的目的。

方 法

1.研究对象

病例为来院就诊的61位志愿者,年龄在15～79岁之间。其中正常病例27例,肺部小结节灶7例,肺结核15例,肺部肿瘤3例,炎症9例。病例按随机和志愿的原则选取。

2.成像设备和扫描方法

使用GE公司Light Speed Ultra 8层螺旋CT机进行扫描。常规剂量扫描(对照组)30人,低剂量扫描 (实验组)31人。扫描参数选择:常规剂量扫描为120kV、200m As,低剂量扫描为120kV、30m A s,其他参数设置相同,如层厚为10mm,螺距1.35:1,探测器设置选择8×2.5。

3.图像后处理方法

GE公司Light Speed Ultra 8层螺旋CT后处理功能中重建算法(reconstruction algorithm)依次包括软组织算法(soft tissue reconstruction algorithm)、标准算法 (standard reconstruction algorithm)、肺算法(lung reconstruction algorithm)、骨算法(bone reconstruction algorithm)等。软组织算法处理的图像平滑,主要用于肝、肾、软组织等显示。标准算法多用于脊柱、脑等重建。肺算法常用于肺组织的显示。骨算法多适合于密度差异较大组织的显示,如骨、肺等。为比较这些重建算法对图像质量的影响,在常规剂量扫描后采用标准算法及肺算法重建图像,低剂量扫描后利用软组织算法、标准算法、肺算法、骨算法重建图像;其他重建参数一致,重建层厚5mm,重建层厚间隔5mm,重建处理后获得6组图像,传到 GE ADW 4.1后处理工作站。

4.图像分析及评价方法

图像质量及图像诊断符合率由一名主任医师、一名副主任技师、两名主管技师,两名主治医师组成的小组评分。评分前不知图像进行何种重建处理,采用单盲法评分。图像评分标准从图像的分辨率 (包括空间分辨率、密度分辨率)、对比度、边缘锐利度、颗粒度、伪影五方面考虑,每个影响因素设为1分,满分为5分,除伪影外把每个影响因素又分三级(差为0分、一般为0.5分、良好为1分),伪影分两级(无伪影为1分、有伪影为0分)。图像质量评分值取各成员评分的均值,图像质量评分越高,图像质量越好。

诊断符合率的评估基于正常的解剖结构及病变的显示情况,主要包括大小、位置、密度、数量以及边缘五个方面,每个方面设为1分,以5分制为等级进行评分,大于等于3分的图像被认为符合诊断要求,即正常的解剖结构及病变至少在位置、密度、数量方面显示情况符合诊断要求。评分组成员在评估图像是否符合诊断要求时,坚持少数服从多数的原则。

为了解低剂量扫描运用各种重建算法处理后图像噪声的改变,由一名主管技师测定肺尖平面、主动脉平面、膈肌平面特定区域大小为40mm×40mm～65mm×65mm感兴区的噪声值,然后对六组图像的噪声进行统计学分析。

5.统计学分析方法

6组图像质量之间的比较应用SPSS13.0软件中单因素方差分析(One-Way ANOVA)进行检验分析。常规剂量标扫描后应用标准算法处理后的图像,能进行诊断图像所占比率分别与低剂量组应用4种算法处理后图像的能诊断率之间的比较,使用SPSS13.0软件列联表中的Fisher确切概率法分析。各组图像噪声的比较仍然使用单因素方差分析进行统计学分析。以上为 P<0.05有统计学意义。

结 果

六种算法图像质量评分值分布特征见表1,但在使用单因素方差分析对六组图像质量进行比较前须进行方差齐性检验,结果为 F=8.382,P=0.00,由此可见方差不齐。只能应用Brown-Forsythe法进行统计学分析,其结果如表,P<0.05有统计学意义,需要进一步对组间进行多重比较,由于不满足方差齐性,故选择Dunnett T3多重比较方法。结果常规剂量标准算法、肺算法图像质量优于低剂量组4种算法图像 (P<0.05);而低剂量组软组织算法、标准算法及骨算法之间比较无统计学意义 (P>0.05),即它们之间无差异;但这三组与低剂量肺算法组之间比较 P<0.05有统计学意义,C、D、F组图像质量优于F组。

图像噪声比较见表1,在单因素方差分析前,进行方差齐性检验,F=12.31,P=0.00,P<0.05所以结果为方差不齐,使用Brown-Forsythe近似方差分析及Dunnett T3多重比较方法进行统计学分析,Brown-Forsythe近似方差分析结果见表1(P<0.05)有统计学意义,说明6组图像噪声存在差异。Dunnett T3多重比较各组间噪声均有差别(P值均小于0.05),它们噪声大小之间关系为E>F>B>D>C>A。

表 1 A、B、C、D、E、F组图像质量及噪声比较

图1 低剂量肺部平扫不同重建算法的纵隔窗图像。A.常规剂量标准算法图像。B.常规剂量肺算法图像。C.低剂量标准算法图像。D.低剂量肺算法图像。E.低剂量软组织算法图像。F.低剂量骨算法图像。A、B图像质量较好,图像清晰、颗粒度较细腻;D图像质量较差,噪声较大,颗粒较粗;与常规剂量标准算法图像比较,解剖结构显示稍差。C、E、F图像质量一般,与常规剂量标准算法图像比较,解剖结构显示相仿。

A、C、D、E、F各组图像中符合诊断要求图像所占的比率(诊断符合率)分别为98.04%、94%、96.61%、86.67%、96.43%。将常规剂量标准算法图像诊断符合率分别与低剂量组4种算法图像诊断符合率进行比较,应用χ2检验Fisher确切概率法进行统计学分析。A组与C组比较 P=0.36;A组与D组比较 P=1.00;A组与 E组比较 P=0.04;A组与F组比较P=1.00,不难看出A组与C、D、F组图像诊断符合率不存在差别,只有低剂量E组与常规剂量A组图像诊断符合率有差异,E组诊断符合率小于A组。

图2 低剂量肺部平扫不同重建算法的肺窗图像。A.常规剂量标准算法图像。B.常规剂量肺算法图像。C.低剂量标准算法图像。D.低剂量肺算法图像。E.低剂量软组织算法图像。F.低剂量骨算法图像。A、B、C、D、E、F图像质量及解剖结构显示情况相仿。

讨 论

1.选择较低管电流的低剂量扫描的原因及意义

电离辐射对人体有潜在的损害,辐射剂量越大损害程度就越大。降低辐射剂量有利于对病人的防护,有利于肺部疾病普查如肺癌等,提高疾病的早期诊断率。降低CT辐射剂量有多种方法包括增加螺距、降低管电压、降低管电流等。增加螺距虽然可以降低辐射剂量,但图像噪声会随之增大。降低管电压产生的噪声远远大于降低管电流产生的噪声,管电压由120kV降至80kV时,需增加4倍管电流才能保持原来的噪声大小[6]。因此降低管电流是减少X线辐射剂量的有效方法,也是最常用的方法。管电流的降低可低达50m A以下,虽然辐射剂量显著减少,但图像噪声的增加可能会严重影响图像质量,进而影响临床诊断。

2.图像重建算法对图像质量有重要影响

CT噪声是图像质量的重要指标,噪声增大即每个像素点上CT值上下波幅,噪声增大,图像密度分辨率下降,势必会引起图像质量下降。图像噪声会随着管电流的降低而增大,如何在降低管电流的情况下,使图像噪声波动较小,在众多影响图像噪声的因素中,不可忽视重建算法的影响。分辨率越高的重建算法,产生的噪声就越大。在低剂量肺部CT扫描时,通过选择适当重建算法,以降低图像噪声的增加,提高图像质量。8层螺旋CT低剂量扫描中,软组织算法、标准算法、骨算法较肺算法图像噪声小,图像质量相对较高。

3.肺部低剂量扫描的图像质量必须满足诊断要求

无论使用何种方法降低辐射剂量,成像质量要符合诊断要求,否则胸部低剂量CT扫描将失去临床意义。而且降低射线剂量满足临床诊断要求也是合理使用低剂量的原则 (as low as reasonably achievable,ALARA)[7]。8层螺旋CT低剂量组的软组织算法、标准算法以及骨算法与正常剂量标准算法图像诊断符合率无差别,完全满足诊断要求。虽然低剂量组的肺算法图像质量较差,与正常剂量组的标准算法诊断符合率有差别,低于正常剂量组的诊断符合率,但仍能满足诊断要求。

4.本文研究的肺部低剂量扫描不足之处及解决方法

本研究中,仅使用GE公司Light Speed Ultra 8层螺旋CT机,研究的方法及结果不能普及到其他类型的CT设备。不同类型的CT机有各自的图像重建算法,因此需要大家共同努力、广泛探索,寻找最佳的方法。

总而言之,多层螺旋CT低剂量扫描越来越被人们关注,但低剂量扫描的图像噪声会增大,势必降低图像质量,通过适当选择重建算法可降低图像噪声,能够提高图像质量。

1.Prasad SR,Wittram C,Shepard JA,et al.Standard-dose and 50%-reduced-dose chest CT:comparing the effect on image quality.AJR,2002,179:299

2.Choi YW,McAdams HP,Jeon SC,et al.Low-dose spiral CT:application to surface-rendered three-dimensional imaging of central airways.JCAT,2002,26:335-341

3.Naidich DP,Marshall CH,Gribbin C,et al.Low-does CT of the lungs:preliminary observations.Radiology,1990,175:729-731

4.Ohno Y,Takenaka D,Watanabe H,et al.Low-dose lung cancer screening using multidetector-row CT system:utility of the MIP image for improvement of detect ability.Radiology,2001,221(Supp l):313-315

5.何新华,胡永胜,郑 吉力,等.8层螺旋CT低剂量扫描在肺部疾病检查中的应用比较.中国医学计算机成像杂志,2005,11:384-387

6.Nyman U,Ahl TL,Kristiansson M,et al.Patient-circumference-adapted dose regulation in body computed tomography,a practical and flexible formula.Acta Radiol,2005,46:396-406

7.彭 云,李剑颖,马大庆.CT检查中低X射线剂量技术的应用和进展.中华放射学杂志,2008,42:1117-1119