基于体模的肺结节低剂量CT扫描参数优化的研究

谢铁明　邵国良　黄洁慧　李开　朱子羽　石磊

[摘要] 目的 比較不同管电流胸部CT图像质量及对肺小结节显示的影响，探讨肺小结节低剂量胸部CT的最佳扫描方案。方法 纳入2016年10月～2017年3月间行常规胸部CT扫描的孤立性肺结节患者50例，其中男28例，女22例，年龄29～65岁，平均（47.7±9.4）岁。并构建胸部体模及肺内结节灶。采用不同管电流对患者及体模进行CT扫描，体模管电流分别采用20、40、60、80、100、140及180 mA，患者扫描管电流分别采用30、50、90及180 mA。比较体模结节实测值与不同管电流CT图像结节测量值间的差别，不同管电流状态下患者结节平均测量值、SNR值及CT图像伪影分级的差别。 结果 采用20、40、60、80、100、140及180 mA管电流状态下，结节体模实测直径与CT图像下测值间均无显著性差异（P>0.05）。与常规剂量扫描相比，低剂量CT（30、50、90 mA管电流）可以检出全部直径>5 mm的肺结节，检出率为100%。患者结节平均径测量值间均无显著统计学差异（P>0.05）。随着管电流的升高，图像SNR逐渐升高；随着管电流的降低，图像伪影逐渐增加。 结论 尽管低管电流会降低胸部CT图像信噪比，但并未影响肺部小结节的检出敏感性及大小测量的准确性。胸部体模为低剂量螺旋CT扫描参数的优化设置提供可靠实验数据支持。

[关键词] 低剂量；体模；肺结节；计算机断层摄影术；X线

[中图分类号] R563；R816.4 [文献标识码] B [文章编号] 1673-9701（2018）16-0115-04

[Abstract] Objective To compare the chest CT image quality of different tube currents and the effect on the display of small pulmonary nodules， and to explore the best scanning scheme of low-dose chest CT for chest nodules. Methods 50 patients with solitary pulmonary nodules undergoing routine chest CT scan from October 2016 to March 2017 were included. There were 28 males and 22 females， aged 29-65 years， with an average age of（47.7±9.4） years. The chest phantom and pulmonary nodular foci were constructed. Different tube currents were used for CT scan of patients and phantom. Phantom tube currents were 20， 40， 60， 80， 100， 140 and 180 mA. Patient tube currents were 30， 50， 90 and 180 mA. The difference between the actual measured value of phantom nodules and the measured value of nodules by different tube currents of CT image were compared， and the differences of average measured value of nodules， SNR value and CT image artifact classification under different tube current states were compared. Results There was no statistically significant difference between the actual measured diameters of the nodule phantom and the measured values under CT images at 20， 40， 60， 80， 100， 140 and 180 mA tube currents（P>0.05）. Low-dose CT （30， 50， and 90 mA tube currents） was able to detect all lung nodules with diameters greater than 5 mm compared to conventional dose scanning， with the detection rate of 100%. There was no statistically significant difference between the average diameter measured value of nodules（P>0.05）. With the increase of tube currents， the image SNR was gradually increased. As the tube current decreased， the image artifacts were gradually increased. Conclusion Although low-tube currents reduce the signal-to-noise ratio of chest CT images， they do not affect the detection sensitivity and size measurement accuracy of small pulmonary nodules. Chest phantom provides reliable experimental data support for optimal setting of low-dose helical CT scan parameters.

[Key words] Low dose； Phantom； Pulmonary nodule； Computed tomography； X-ray

目前，胸部CT是肺小結节检出的首选检查方法，为肺结节的早期诊断及治疗提供了可靠的信息[1]。随着CT技术的进步，CT图像的空间分辨率显著提高，但其辐射剂量限制其在胸部体检中的广泛应用[2]。大量研究显示，降低管电流成为降低CT扫描辐射剂量并获得相对满意图像质量的首选方法，一定程度上降低管电流可使患者的辐射剂量明显减少，而不会影响肺部病变的检出和诊断[3]。但目前对于低剂量的合理范围尚无统一标准，既往研究中学者对于管电流设置的意见并不一致。国内外关于低剂量CT对肺结节检出的相关研究较多，但少见基于胸部体模及在肺小结节CT扫描参数的研究[4-5]。本研究在基于胸部体模研究的基础上，比较不同管电流胸部CT图像质量及对肺小结节显示的影响，探讨肺小结节低剂量胸部CT的最佳扫描方案。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取2016年10月～2017年3月间在我科行常规胸部CT扫描时发现孤立性肺结节患者。共纳入50例，其中男28例，女22例，年龄29～65岁，平均（47.7±9.4）岁。纳入标准：（1）肺内单发结节，结节长径≤2.0 cm；（2）结节周围无其他混合性病变，如渗出、索条等；排除标准：（1）多发结节及弥漫性结节，结节或肿块长径>2.0 cm患者；（2）CT图像存在运动伪影或其他假象等[6]。

1.2 构建体模及肺内结节灶

①对身高约1.75 m正常成人男性志愿者进行胸部CT扫描，通过容积重建采集胸廓结构数据。②采用厚度为2 mm的有机玻璃板仿制人体胸廓模型（包括肩背部）。将水与明胶粉按6：1比例混合溶解后，填入有机玻璃板围成的胸廓及纵膈腔内，模拟胸壁及纵膈内软组织，CT值为30～44 Hu。③用软木颗粒填充胸腔模拟肺组织，CT值约为-900 Hu。④用固体蜡溶化后与软木屑按一定比例混合后，铸型制作圆形结节灶，分别测量其直径后标记编号，分别置入体模内不同位置：肺尖、肺底、纵膈旁、胸膜下。

1.3 CT扫描方案

1.3.1 体模CT扫描方案 采用Siemens Somatom Definition Flash 双源螺旋CT扫描仪，参数设置：管电压120 kV，层厚5 mm，螺距1.5，螺旋速度0.5 s/r，扫描管电流分别采用20、40、60、80、100、140、180 mA，肺窗图像重建采用骨算法，重建间距5 mm。

1.3.2 患者CT扫描方案 采用Siemens Somatom Definition Flash 双源螺旋CT仪。受检者取仰卧位，扫描前由有经验的医师或技师多次训练患者用力吸气后屏气及吸气后用力呼出全部气体后屏气。扫描包括胸廓入口至膈肌范围，采用容积数据扫描。扫描参数设置：管电压120 kV，层厚5 mm，螺距1.5，螺旋速度0.5 s/r，扫描管电流分别采用30、50、90、180 mA，肺窗图像重建采用骨算法，重建间距5 mm。为降低受试患者辐射剂量，低剂量扫描（30、50和90 mA）范围局限于距肺结节上下缘约1～2 cm内。

1.4 CT图像分析

所有CT断层图像均在西门子后处理工作站（Syngo MMVP，VE36A，Siemens）进行分析，由两位高年资放射科医师分别对所有病例图像进行评价，判读结果不一致时协商取得一致。评价标准如下。

1.4.1 体模图像结节分析 测量不同管电流状态下体模CT图像所示病灶的直径及体模对应结节灶的真实值，扫描层面内多个结节取平均直径。

1.4.2 肺结节图像分析 ①肺窗（窗宽1000 Hu，窗位 -600 Hu）下，测量患者CT图像中所示病灶最大层面的长径和短径，取平均径：（长径+短径）/2；② 在结节区放置感兴趣区（region of interest，ROI），根据信噪比（signal noise rate，SNR）公式：SNR = CT值/标准差，计算不同管电流状态下CT图像的信噪比。③ 评价不同管电流状态下图像伪影的程度。伪影分级：0级，无伪影；1级，轻度伪影，不影响病灶观察；2级，中度伪影，不影响图像中结节灶的检出，但对于结节灶密度、形态已有一定影响，影响对结节灶图像信息的判断。3级，重度伪影，严重影响结节灶的检出及影像征象的观察。

1.5 统计学方法

采用SPSS 17.0统计学软件包进行分析。计量资料以均数±标准差（x±s）表示，计数资料以率或百分比表示。采用配对t检验比较体模结节实测值与不同管电流CT图像结节测量值间的差别；采用单因素方差分析比较不同管电流CT图像间患者结节平均测量值和SNR值的差别；采用χ2检验比较不同管电流CT图像间伪影分级的差别。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 体模结节实测值与不同管电流CT图像结节测量值间的比较

采用20、40、60、80、100、140及180 mA管电流状态下，体模CT图像下结节直径平均测量值分别为（9.03±0.99）mm、（8.91±1.06）mm、（8.95±1.10）mm、（9.01±1.08）mm、（9.00±1.07）mm、（9.04±0.99）mm及（9.06±1.02）mm，结节体模实测平均直径约为（8.96±1.07）mm，结节体模实测直径与各组CT图像下测值间均无显著统计学差别（P>0.05）。

2.2 不同管电流CT图像的患者结节平均径、图像信噪比及伪影分级间的比较

与常规剂量扫描相比，低剂量CT（30、50、90 mA管电流）可以检出全部直径>5 mm的肺结节，检出率为100%。见表1。分别采用30、50、90及180 mA管电流CT图像间，患者结节平均径测量值间均无显著统计学差别（P>0.05）。随着管电流的升高，图像SNR逐渐升高；随着管电流的降低，图像伪影逐渐增加（封三图3～4）。对于直径5～10 mm结节，低剂量CT图像有时难以显示结节的一些细节特征如空泡征、毛刺征等，而常规剂量薄层扫描可以明确显示（封三图3a～d）；对于直径>10 mm的结节，低剂量CT图像可以显示结节在常规剂量薄层扫描中的细节特征，两种剂量图像在显示结节细节能力上并无显著差异（封三图4a～d）。

3 讨论

目前，多层螺旋CT的空間分辨率显著提高，对肺结节的早期检出及定性诊断发挥着至关重要的作用，但CT较大的辐射剂量限制着其在高危人群筛查中的广泛应用[7]。肺部低剂量CT在1990年由Naidich等[8]首次提出，研究提示低管电流（20 mAs）情况下尽管图像噪声有所增加，但仍可显示正常肺部解剖结构及病变。本研究通过分析不同管电流状态下胸部体模及肺结节患者的图像质量及病变显示情况，分析了不同CT管电流设置对肺部成像质量的总体影响，以及低剂量扫描状态下，针对肺内各部位成像质量同质化的管电流优化设置方案。从而为临床肺癌筛查工作中低剂量螺旋CT扫描参数的优化提供实验数据支持。

近年来，随着低剂量螺旋CT概念的提出，国外多名学者开展了相关临床研究。其中，Ravi J等[9]报道了2003～2007年肺癌筛查的结果，50～83岁的3352名吸烟者中，65例发现肺癌，其中82%患者确诊时为肺癌早期，手术切除率为80.0%，肺癌筛查结节阳性率的敏感度和特异度分别为87.7%和99.3%。纽约早期肺癌行动组织（NY-ELCAP）对6295名60岁以上的吸烟者进行低剂量CT扫描，共发现肺癌患者101例[10]。本研究发现，与常规剂量胸部CT扫描相比，低剂量状态下仍可显示肺内病变结节，并未影响对肺内小结节检出的敏感性。研究结果与既往研究一致[11-13]。就其原因，可能是肺部结构自身含气较多，具有较高的对比度，图像噪声大小对病变的检出影响较小，为低剂量胸部CT应用于人体肺部病变检出的前提条件。

体模是根据人体参数，采用与人体组织具有相同或相近散射和吸收系数相似的所谓“组织等效材料”制成的人体模型，其具有外部形态相似性、组织辐射等效性、辐射剂量可测性等特点，已成为放射防护、诊断中作为人体替身的稳定受体[14-15]。但目前国内外基于胸部体模的螺旋CT扫描研究仍然很少，由于各厂家的CT设备性能和配置不同，且价格昂贵，一定程度限制了相关工作的开展[12]。借助胸部体模对低剂量螺旋CT扫描参数设置进行研究，一方面可以大大减低受试者的辐射剂量，另一方面通过大量的扫描图像质量的客观分析，可以优化低剂量CT扫描参数。本研究成功地构建了胸部体模，为后续研究的展开提供了保证。

CT图像质量与图像信噪比相关，而图像信噪比会直接影响病变大小的测量及细节的显示。与既往研究结果类似[13，16-17]，本研究结果也证实，对于直径5 mm以上的结节，不同管电流状态下对体模和患者2.0 cm以下结节大小测量均无显著差别。另外，本研究病例发现，与常规剂量CT图像比较，对于直径<1 cm的结节，病变的周边及内部细节特征，如较小的毛刺、空泡征等特征显示较差；而对于结节直径>1 cm患者，低mAs的CT图像可同时显示结节的细节特征，并不影响病变细节的观察，可有效地进行鉴别诊断。

低剂量螺旋CT是通过扫描设备的参数设置，最大限度的降低受检者接受的辐射剂量。用于降低CT扫描剂量的方法主要有降低管电流、管电压，增加螺距[18，19]。当管电压降低到某一限值时，X线的穿透力会迅速减弱，CT图像受伪影干扰，质量明显下降。而适当增加螺距，能够减少实际扫描时间[20，21]。因此，可联合增加螺距并降低管电流的方式来减少患者的辐射剂量。

总之，尽管低管电流会降低胸部CT图像信噪比，但并未影响肺部小结节的检出敏感性及大小测量的准确性，因此管电流30 mAs时可满足肺结节筛查及诊断的需要，同时显著降低了受检者的辐射剂量。另外，胸部体模可完全代替人体进行CT扫描，为低剂量螺旋CT扫描参数的优化设置提供可靠实验数据支持。

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（收稿日期：2018-01-05）