Z-DOM技术下小螺距薄扫联合迭代重建对胸部体模GGN图像质量的影响

高洪岩， 于安宏， 马延贺， 万业达

随着CT筛查的普及，肺磨玻璃密度结节(ground-glass nodules，GGN)检出率越来越高， GGN是诊断早期肺腺癌重要的CT表现[1-2]。常规CT检查辐射剂量较大，目前多数研究是通过采用大螺距来降低辐射剂量，但随着辐射剂量的降低,图像质量亦随之降低，因此螺距的增加受到了限制[3]。为了平衡螺距、图像质量及辐射剂量的关系，选择合适螺距扫描成为影像工作者的重点研究课题。与窄体探测器CT相比，宽体探测器CT显著增加了单次旋转扫描的覆盖范围，减少实际扫描时间，这使采用小螺距行胸部CT扫描成为可能。本研究采用Z-DOM技术，小螺距薄扫联合迭代重建技术对仿真胸部体模行CT平扫，旨在保证肺内磨玻璃密度结节图像满足诊断要求前提下降低患者所受辐射剂量，更好的保护患者。

材料与方法

1.材料

采用中国成年男性CDP-IC型高端仿真胸部体模，该体模由胸壁、脊柱、肺组织、胸椎及心脏等组构成，体模X线衰减性能和人体组织等效。体模内放置12个GGN，两种直径(10 mm、15 mm)，参考CT值-600 HU，随机分布在肺野的上、中、下层面。

2.扫描方案

采用Philips Brilliance 256 iCT扫描仪。根据管电流不同分为2组：A方案为常规剂量组，参考管电流170 mAs，扫描过程中mAs保持不变，使用滤波反投影算法(FBP)重建；B方案采用Z-DOM自动管电流调节技术，使用FBP算法重建；C方案采用Z-DOM自动管电流调节技术，使用iDose4迭代算法(等级3)重建图像，每种方案分别以螺距0.993、0.804、0.601、0.399进行扫描；其余参数一致：固定管电压120 kV，准直器宽度128×0.625 mm，球管旋转速度0.5 s/r，扫描范围胸廓入口到肺底层面，FOV 350 mm，扫描长度(L)310 mm。重建参数：矩阵512×512，层厚1.5 mm，间距1.5 mm，肺窗(窗宽1600 HU、窗位-500 HU)。

3.图像质量评价

图像质量客观评价:将扫描数据传送至飞利浦星云工作站，由2名经验丰富影像科技师操作，保证数据采集和后处理图像一致性。读取层厚1.5 mm横断图像，两位技师各自在肺结节最大横截面积设置感兴趣区(ROI)，ROI大小是GGN大小的2/3，测量并记录ROI内的平均CT值和噪声值(standard deviation,SD)，同时测量同层面无组织区(空气)的平均CT值和SD值，全部数据取测量3次数值均数。根据测量CT值和SD值计算GGN对比噪声比(contrast noise ratio,CNR)，CNR=(CT值GGN-CT值空气)/SD值结节。

图像质量主观评价:由2名工作经验丰富CT阅片医师采用双盲法对GGN图像质量进行主观评估，应用统一的窗宽、窗位，当图像质量评分出现分歧时，由两位医师协商一致后评定。评估标准为5分：结节清晰可见，与周围肺组织分界明显，无伪影；4分：结节可见，与周围肺组织分界较清晰；3分：结节能检出，与周围肺组织分界稍模糊，但能达到诊断要求；2分：结节隐约可见，与周围肺组织分界模糊，未达到诊断标准；1分：结节不可见，与周围肺组织分界非常模糊。图像质量评分≥3分即认为图像满足诊断要求。

4.辐射剂量评估

记录患者扫描完成后机器自动生成的容积CT剂量指数(CT dose index of volume，CTDIvol)、剂量长度乘积(dose lenght product,DLP)。并计算有效剂量(effective dose,ED),ED=DLP×k,k=0. 014mSv·mGy-1·cm-1，单位为mSv。

5.扫描时间及Z轴过采集距离

记录患者扫描完成后机器自动生成扫描时间T；计算Z轴过采集距离(Z)，Z=DLP/CTDIvol-L[4]。

6.统计学分析

采用SPSS 19.0统计学分析软件。应用单因素方差分析比较同一方案不同螺距与相同螺距下不同扫描方案模拟GGN之间SD、CNR值差异，如差异有统计学意义，则结合LSD-t法进行两两比较；应用非参数检验(Kruskal-WallisH检验)比较不同扫描方案下模拟GGN之间主观评分差异，结果以P<0.05为差异有统计学意义。

结 果

1.GGN图像质量评价

GGN图像质量客观评价:同一方案下不同螺距模拟GGN的SD、CNR值差异均无统计学意义(F=0.303～1.603，P>0.05)；相同螺距下不同扫描方案模拟GGN的SD、CNR值差异有统计学意义(F=3.588～6.809，P<0.05)，其中C方案SD值显著低于A方案与B方案，CNR值显著高于A方案与B方案，差异有统计学意义(P<0.05)，A方案与B方案SD、CNR值差异无统计学意义(P>0.05，表1、表2、图1)。

图1 采用Z-DOM技术不同螺距下iDose4重建图像。a) 螺距0.993时GGN的SD值为11.0； b) 螺距0.804时GGN的SD值为11.5； c) 螺距0.601时GGN的SD值为11.5； d) 螺距0.399时GGN的SD值为12.5。

表1 不同扫描方案和不同重建下模拟GGN噪声值

表2 不同扫描方案和不同重建下模拟GGN的对比噪声比

GGN图像质量主观评分：对各组磨玻璃密度结节图像质量进行主观评价：不同方案全部模拟GGN主观评分均≥3分，图像质量较好，均满足临床诊断要求。A、B、C 3种方案之间的模拟GGN主观评分差异有统计学意义(H=34.263，P=0.000)，其中C方案的模拟GGN主观评分均≥4分，图像评分优于A方案与B方案，差异有统计学意义(P<0.05)；A方案与B方案之间差异无统计学意义(P>0.05，图2)。

图2 不同方案下模拟GGN的主观评分。

2.辐射剂量和扫描时间与Z轴过采集距离

A方案对应的CTDIvol、DLP、ED值分别为(11.33±0.33) mGy、(434.53±33.32) mGy·cm、(6.44±0.49) mSv；B方案与C方案对应的CTDIvol、DLP、ED值分别为(8.70±0.30) mGy、(333.93±27.99) mGy·cm、(4.67±0.39) mSv，与 A方案相比CTDIvol、DLP、ED值降低了(23.2±0.8)%。随螺距减小CT扫描CTDIvol、DLP、ED值与过采集距离均呈减小趋势，螺距0.399时，与0.993相比有效剂量D降低(17.2±0.8)%，Z轴过采集距离缩短45.9 mm。扫描时间随螺距减小而增加(表3)。

表3 不同螺距下胸部模体的辐射剂量与扫描时间

讨 论

肺磨玻璃密度结节在CT图像中是一种非特异性的影像学改变，由多种病变引起包括肺部局灶性感染、局灶性的纤维化及良性肿瘤等;或是癌前病变如不典型腺瘤样增生，原位腺癌等[5]。由于GGN早期症状不明显，随病情进展可发展为早期肺癌，出现临床症状时已为晚期，治疗难度大，预后差，严重威胁患者生活质量和生命安全[6]。对于初次发现GGN，如据形态学或者强化特点无法诊断良恶性，医生一般建议定期复查。2017年Fleischner协会更新的GGN诊疗指南提到对于偶然发现肺结节患者直径<6 mm单发GGN无需随访，≥6～8 mm单发GGN需6～12个月后复查胸CT，如果病灶仍然存在且大小没有变化则需每年随访胸CT，至少持续5年[7]。这就不可避免的增加了患者受照射的机会和辐射剂量。因此，如何有效降低CT辐射剂量是影像科医生需要解决的重要问题。

降低辐射剂量的方法有很多，其中包括降低管电压输出、自动管电流调制、改变螺距等[8-9]。以往研究大多讨论管球参数与辐射剂量的关系，对螺距影响图像质量与辐射剂量的机制少有研究。吴爱琴等[10]研究认为无论是采用固定mAs还是自动管电流调节模式，不同螺距下的CTDIvol均无明显变化，客观图像评价差异无统计学意义(P>0.05)，与本文结果相一致。我们发现不同螺距下DLP与ED值相差较大，这种差异主要是由于CT扫描沿Z轴方向会在扫描范围内产生半影现象，因此在扫描范围的两端会自动过采集一段距离用于均匀入射到探测器上X射线强度，Z轴过采集距离(Z)随螺距增大而增加[11]。经计算螺距0.993时Z=97.0 mm，实际扫描距离407 mm；螺距0.399时Z=51.1 mm，实际扫描距离仅为361.1 mm，因此减小螺距可在不损失影像信息的基础上缩短受检者实际采集距离，降低辐射剂量。本研究数据显示采用Z-DOM自动管电流调节技术与常规螺距(pitch=0.993)扫描时与固定mAs相比ED值降低22.5%，采用小螺距(pitch=0.399)可进一步降低辐射剂量17.8%。

通常情况下，增加螺距能够减少胸部CT扫描时间，降低呼吸及心脏运动伪影[12]。但是大螺距会导致图像层面敏感性曲线增宽，Z轴分辨力明显下降，不可避免地造成图像质量下降[13-14]。本研究采用Philips Brilliance 256 iCT扫描仪，探测器宽度达到80 mm，能大幅降低受检者检查时间。采用常规螺距(pitch=0.993)能在3 s之内完成一次胸部CT扫描，小螺距(pitch=0.399)扫描也仅需要6.73 s，对于一般患者均可完成10 s之内憋气。因此在调节螺距时笔者建议尽可能选用较小的螺距从而降低辐射剂量；对于不能配合屏气的患者可适当提高螺距减少呼吸伪影产生几率。Kim等[15]将平均年龄35.6周婴幼儿分为高呼吸频率组与低呼吸频率组行胸部常规CT检查发现无论是采用高螺距还是低螺距的CT扫描结果均可以满足诊断需求，尤其是对于呼吸频率较低婴幼儿不同螺距扫描方案之间图像质量差异无统计学意义(P>0.05)，而低螺距组ED值相比高螺距组降低26%，与本文结论相一致。

FBP算法是目前CT普遍采用的重建算法，该算法基于简单的模型假设，重建速度快，但对X线剂量波动变化较敏感，无法解决辐射剂量降低带来的图像质量问题[16]。iDose 4是飞利浦公司推出的第四代双空间多模型迭代重建技术，通过在投影空间和图像空间同时进行迭代，在不改变图像质量的基础上有效降低图像噪声，消除蜡像状伪影，提升影像分辨力[17]。本实验数据显示B方案采用FBP算法重建，GGN主观评分5分7个，4分30个，3分11个，与A方案相比分数略有降低，差异无统计学意义(P>0.05)；C方案采用iDose4迭代重建，5分增加至32个，4分16个，主观图像评价显著提高，与其他两组差异均有统计学意义(P<0.05)。因此应用iDose4迭代重建图像能在降低辐射剂量基础上更清楚显示GGN内部结构及其与周围组织关系，对临床判断GGN良恶性提升较大，与Den HAM等[18]研究结果相一致。

本研究采用的是胸部仿真体模，可多次重复实验，不受医学伦理学限制。不足之处：①实验中模拟GGN直径为10 mm、15 mm，对于直径更小的结节未纳入研究；②本研究为体模实验，仿真体模肺实质和正常肺组织有差别，不能完全模拟临床实际状况；③由于机器限制，实验采用的螺距均<1，对螺距>1的情况尚需进一步研究。如何将本研究结果更好地应用于临床个体化的检查是今后的研究重点。

综上所述，Z-DOM技术可在保证GGN图像质量前提下使受检者辐射剂量降低20%以上；结合小螺距(0.399)薄扫，辐射剂量可进一步降低至约36%；iDose4迭代技术在GGN临床应用价值较高，可在较低辐射剂量情况下改善GGN主观图像质量并降低图像噪声，能更清楚地显示其与周围组织的关系，对肺部GGN临床鉴别与诊疗方案具有更高参考价值。因此对肺磨玻璃密度结节进行CT检查时，推荐选择Z-DOM技术下小螺距(0.399)薄扫联合iDose4迭代进行采集。