低剂量CT与迭代重建技术在肺癌早期筛查中的应用进展

尹芳艳 综述，蒲 红 审校

(四川省医学科学院·四川省人民医院，四川 成都 610072)

△通讯作者

低剂量CT与迭代重建技术在肺癌早期筛查中的应用进展

尹芳艳 综述，蒲 红△审校

(四川省医学科学院·四川省人民医院，四川 成都 610072)

肺癌是当今世界范围内最常见的恶性肿瘤之一，其发病率及死亡率均占首位。肺癌的诊断一直是影像诊断的难点和热点。近年来，随着CT技术的发展，CT设备分辨力的提高，低剂量CT(low-dose computed tomography，LDCT)和迭代重建技术在肺癌早期筛查中的应用逐渐增多，成为当下基础和临床研究的热点，本文着重介绍目前这两个方面的研究现状及进展。

肺癌；早期筛查；低剂量CT；迭代重建

肺癌是当今世界范围内最常见的恶性肿瘤之一，其发病率及死亡率均占首位。由于临床上肺癌早期多无典型症状，患者有自觉症状前来就诊时多已属于疾病中晚期。随着近年来CT技术的发展，CT设备分辨力的提高，重建算法的改进和创新，低剂量CT(low-dose computed tomography，LDCT)结合迭代重建技术早期筛查肺癌成为当下基础和临床研究的热点，现就该研究现状及进展进行综述。

1 LDCT的提出与现状

从1973年CT应用于临床，经过30余年的发展，从单层到多层、从单源到多源，已成为临床上重要的辅助诊断工具之一。相较于传统X射线及其他影像学检查，它具有高密度分辨力、可进行密度量化分析、可进行各种后处理等优点。正因为这些优势，使其易于检出病变，尤其是能够较早地发现小病变、较准确地显示病变范围，因而被广泛应用于临床。

然而，CT检查的应用仍有一些限度，其中辐射所带来的危害最为人们关注[1]，CT检查使用X射线，且辐射剂量显著高于传统X射线检查，常规CT检查的辐射剂量根据扫描条件和部位的不同，其中头部平均有效剂量最低，骨盆和腹部相对较高。近几十年来的研究和实践中发现，CT检查所导致的单次辐射量远远超过其他检查如普通X射线片；另一方面，CT的利用度逐年增长，照射频数大幅增长，与早前相比辐射负担越来越大[2]。辐射的危害主要体现在可能诱发代谢异常、癌症、血液性疾病或其他遗传性疾病。特别是儿童，其对放射线较成人敏感，CT检查过程更易诱发癌症的发生，如腹部、脑部[3]。所以，如何在满足临床诊断的前提下，尽可能地降低CT的辐射剂量，达到与常规剂量扫描同等或者更高质量的图像即为LDCT应运而生的目标。

通常认为，与常规剂量相对比，辐射剂量降低20%才可认为是辐射降低。辐射剂量受很多因素的影响，其中最直接的因素是X射线的强度和照射时间。降低X射线发射球管的管电流或管电压，是目前临床上最常见的降低辐射剂量的方法。不可避免的，X射线强度的改变将会直接导致成像质量的改变，管电流的降低将会导致信噪比和密度分辨率下降，给密度相近区域影像的辨别增加的困难；管电压的降低会使射线穿透力下降，造成图像噪声增加，对软组织的观察影响很大，但对于增强的血管影像不大，国内已有相当多的研究对此结论得到证实[4]。基于这样的优劣势，管电流的降低更易操作，常用于高对比度病灶区域的检查诊断，降低管电压的方法则被用于碘基造影、血管成像等检查中。

除此之外，LDCT还在硬件和软件等方面不断改革创新，以达到改善图像质量或在不影响图像质量的前提下进一步降低辐射剂量的目的。比如，提高探测器的能量分辨率，或通过双源以改进发射球管的发射效率，使能谱集中于高频；软件方面，优化扫描序列，改进重建算法及后处理算法，利用更有效率的后处理技术均能在一定程度上改善LDCT的实用性。其中，迭代重建算法是目前研究的热点，迭代重建技术的选择性去噪能力非常适合低剂量扫描条件下的CT图像重建。

结合人体的生理特性，目前，LDCT常被临床应用于机体本身有较高的天然对比度或可通过人工增强对比度的组织器官，研究中发现颞骨外耳道、鼓室、乳突气房以及鼻窦区域等含气结构，适当的降低辐射剂量，产生的图像质量尚能满足临床诊断的需求，具有一定的临床可行性[5～7]。肺组织为含气结构，具有较好的天然对比度，LDCT被应用于肺癌的早期筛查，一方面可以减少肺癌的死亡率，另一方面，也规避了常规CT带来的剂量负担。此外，在心脏冠状动脉血管CTA成像、泌尿系统结石、结肠CT成像中等方面都具有临床研究价值。

2 迭代重建技术的研究现状

目前应用于LDCT的重建算法，包括以传统的滤波反投影算法(Filtered Back-Projection，FBP)为代表的解析类重建算法和迭代重建算法等。解析类算法目前仍是常规CT中使用的主流算法，其中FBP被常规应用于二维CT，它直接对投影数据进行校准、滤波、反投影、加权，整个重建过程的假设相对较简单，具有计算量小，算法简便，重建速度快，滤波过程与重建过程相互独立便于系统集成等优势。然而，这也要求了对投影数据的精确定量，X射线光子统计波动对其影响很大，对噪声的有效抑制较差，低剂量扫描条件下会引起严重的伪影和噪声污染，这些因素都对辐射剂量的降低形成了制约[8，9]。

迭代重建算法是根据成像系统的物理模型和探测数据的统计特性建立高斯或泊松分布的统计学模型，这一类算法并不是新兴的算法，在此之前，由于其计算量过大、重建时间过长，与FBP相比不具优势，仅仅被利用于PET、SPECT等领域。近年来多项研究证实迭代重建算法在散射噪声和消除伪影等方面优于FBP，即在辐射剂量相同的情况下，迭代重建技术可以显著提高图像的空间分辨力和密度分辨力；或在与FBP噪声相同的前提下，迭代重建技术可以降低辐射剂量并保证图像质量。这一特点目前被应用于LDCT的各项研究和临床试验中，通常使用期望最大似然估计算法(maximum likelihood expectation maximization，MLEM)。

迭代重建技术包括在图像数据空间基础上进行迭代、投影数据空间进行迭代以及在其两者中均进行迭代，以此为基础，各个厂家开发出了目前我们常见的作为研究热点的迭代重建技术，包括:①以图像数据空间为基础的图像空间迭代重建技术(iterative reconstruction in image space，IRIS)；②仅在投影数据空间的基于模型的迭代重建技术(model-based iterative reconstruction，MBIR)；③两者综合应用的自适应统计迭代重建技术(adaptive statistical iterative reconstruction，ASIR)、iDose技术、适应性迭代剂量减低技术(adaptive iterative dose reconstruction，AIDR)等。相关研究表示在肺部磨玻璃密度影(Ground-Glass Opacity，GGO)的检出，腹部LDCT扫描中对肝脏肿瘤、结肠息肉的诊断，以及降低辐射剂量的冠状动脉的CTA检查等方面结合迭代重建技术，获得的图像与常规剂量FBP进行对比，图像质量无统计学差异，或有所改善[10～12]。迭代重建技术结合LDCT，图像的噪声降低，信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)和对比度噪声比(contrast-to-noise ratio，CNR)提高，可以在辐射剂量降低的同时获得满足临床诊断的图像。其中，特别是iDose技术，作为新一代的迭代重建算法，具有双空间、多噪声模型，解剖模型的特点。在对噪声精确刻画和处理的同时，采取解剖模型加速了重建过程；在提高了图像分辨率的同时保持了图像真实性，改善了因图像空间迭代算法比例过高引起的图像边缘过于平滑的蜡像状外观。

3 运用迭代重建技术进行LDCT对肺癌的早期筛查的现状及进展

肺癌是原发于支气管上皮、腺上皮或肺泡上皮的恶性肿瘤，死亡率和发病率均为全球首位。从目前的相关研究和统计来看，肺癌的后果严重，世界卫生组织估算在2012年全球约180万新增肺癌病例并有1589925例死亡。临床上肺癌早期可有刺激性咳嗽、血痰、胸闷、胸痛、发热、气促等症状。但由于在疾病早期，肺癌多无明显临床症状，临床表现不具典型性，多数患者前来就诊时，多已属于中晚期，诊断不及时，未能在肺癌早期准确筛查，成为肺癌死亡率居高不下的原因之一。相关数据显示肺癌治疗后5年生存率仅为18%[13]。研究表明，2005～2011年美国非小细胞癌(non-small cell lung cancer，NSCLC)在原发阶段被诊断的死亡率为16%，而在已发生远处转移阶段被诊断的死亡率为57%[14]。在中国，肺癌不仅是最常见的癌症，5年生存率更是远低于世界平均水平，是近十年来最主要的癌症死亡原因。在疾病早期阶段通过手术切除治疗的患者可有效的提高5年生存率，所以早期筛查成为了降低肺癌死亡率的重要措施[15]。

肺癌的早期筛查一直都备受重视，自20世纪70年代，美国国家癌症研究所(National Cancer Institute，NCI)从胸部X射线检查(CXR)和痰细胞学检查出发，作出了多次实验和随访，结果发现并没有足够的证据能证明这些检查可以减少肺癌死亡率。在1993年发起的前列腺、肺、结肠和卵巢(PLCO)癌症筛查实验中，经过13年的随访结果证实CXR筛查并不能降低肺癌的死亡率[16]。

目前临床认为，CT是发现早期肺癌的最有效手段，但辐射危害限制了它成为早期筛查的工具，随着CT技术的发展，LDCT能够在保证足够的图像分辨率的基础上减轻辐射负担，这为LDCT成为肺癌的早期筛查工具提供了技术基础。国际早期肺癌行动项目(International Early Lung Cancer Action Project，I-ELCAP)的研究小组发现，在40岁以上的无症状高危患者样本中，与普通CXR相对比，LDCT能筛查出较之4倍多的恶性疾病，对于I期癌症的识别率为85%，明显高于CXR(仅为15%)[17]。2011年，美国最大的随机对照试验——美国国家肺癌筛查试验(National Lung Screening Trial，NLST)项目中发现，与连续3年的CXR检查相比，高危人群(试验中的被试对象为55～74岁的无症状患者伴有现吸烟史或戒烟不足15年的既往吸烟史，至少30包/年)每年以LDCT筛查，肺癌的死亡率降低了20%[18]。NLST对LDCT可以有效降低肺癌死亡率的证实，是肺癌早期筛查领域的一个重要里程碑式的研究项目，加快了LDCT临床应用于肺癌早期筛查的步伐。

肺内病变按是否含有GGO以及GGO是否能够完全遮盖肺实质分为实性、部分实性和非实性，在研究中发现，部分实性的NSCLC影像上表现为含GGO成分，非实性则表现为密度不均匀的纯磨玻璃密度结节(pure GGO，pGGO)[19]。虽然GGO不是特异性表现，但在肺癌的早期筛查中，肺内局灶性磨玻璃密度影(focal GGO，fGGO)越来越多的被检出。fGGO按是否含实性成分分为pGGO和混杂性磨玻璃密度影(mixed GGO，mGGO)，与实性结节相比，fGGO更具有恶性潜能，所以提高fGGO的检出率对提高早期肺癌的诊断率很有意义。LDCT筛查对肺内小结节检出率的限制因素主要是图像噪声，而联合迭代重建技术的低剂量胸部CT，可以保证辐射剂量降低的同时，迭代水平越高，图像噪声越低，图像质量越好[20]。近年来国内也已有多项研究层层深入地探讨LDCT在早期肺癌筛查和肺结节检出的应用价值，任法云等在对700例健康体检人群的随机分组对照分析中得出结论，与常规剂量相比，LDCT对肺结节的检出率无明显统计学差异，而相对辐射剂量小[21]；与FBP算法相比，迭代重建技术对肺结节的检出更有优势，王杰等研究分析表明SAFIRE算法对不同大小和密度的肺结节的检出和显示均优于FBP[22]。另有研究通过对不同ASIR重建程度进行对比，得出结论ASIR技术有助于降低胸部低剂量图像的噪声，在保证符合诊断要求的前提下，有效剂量可以降至0.35 mSV[23]。同时计算机辅助检测功能(computer-aided detection，CAD)提高了LDCT对肺内小结节的检出率。杨亮等通过研究证实在LDCT扫描的前提下使用肺结节加强观察功能有助于辅助诊断医师发现肺内小结节，尤其是<0.5 cm者[24]。而迭代重建算法在此基础上又可以增加CAD的敏感性。Masahiro在研究中发现，在LDCT的前提下，以100%-ASIR可使CAD敏感性与常规剂量CT无明显差异[25]。迭代重建算法与计算机辅助检测功能在LDCT对早期肺癌筛查和肺结节的检出上相辅相成的作用是近年来研究与临床工作应用的一个方向。

4 展望

不可否认，LDCT与迭代重建技术结合对肺癌的早期筛查极具研究价值和临床应用潜力。各项研究表明，它有通过早期诊断疾病，从而切除病灶达到治愈的可能。能为肺癌的早期筛查工作带来飞跃式的改变。然而，LDCT结合迭代重建技术能否被普及仍具有很多的挑战，一方面，迭代重建算法过大的计算量限制了它的应用，需要改进和创新以解决如何加快迭代算法的收敛速度、提高硬件计算水平等问题；另一方面，目前LDCT的普查能力增强，但仍缺乏标准化的、科学的依据来评估结节，需要进一步致力于解决如何改进风险评估，如何确立具体的筛选人群和统一的诊断标准，如何降低假阳性率，如何实现临床实践中对肺癌死亡率的控制与各项科研结果保持一致性。这些都是目前值得进一步探索和研究的课题及面临的挑战。

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