宋婷妮 曾勇明 周 旸 高志梅 周 蜜 王國樹

作者單位：重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院放射科

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雙能CT單能譜成像檢測不同性質(zhì)孤立性肺結(jié)節(jié)的實驗研究

宋婷妮 曾勇明 周 旸 高志梅 周 蜜 王國樹

作者單位：重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院放射科

【摘要】目的：分析單能譜圖像與孤立性肺結(jié)節(jié)檢出率及其圖像質(zhì)量的關(guān)系。方法：采用男性胸部仿真體模，并隨機置入不同密度（-800HU、-650HU與100HU）及大小（3mm、5mm、8mm、10mm、12mm）的球形模擬結(jié)節(jié)，使用西門子雙源炫速CT（SOMATOM definition flash）雙能量模式（80/140kV）對體模進行掃描，提取出不同能量水平的單能譜圖像后對每組圖像進行圖像質(zhì)量及結(jié)節(jié)檢出率分析。分組1：每種密度結(jié)節(jié)中各包含5種不同直徑結(jié)節(jié)各6枚，共計90枚；分組2：選取-650HU磨玻璃結(jié)節(jié)，每種直徑結(jié)節(jié)各9枚，共計45枚。使用SPSS軟件進行統(tǒng)計分析，結(jié)節(jié)的噪聲、SNR、CNR采用ANOVA方差分析，若差異有統(tǒng)計學(xué)意義，則進一步進行兩兩對比（若方差齊則使用LSD檢驗，方差不齊使用Dunnett T3檢驗）；結(jié)節(jié)檢出率的比較采用Fisher確切概率法。結(jié)果：-800HU、-650HU與100HU的模擬結(jié)節(jié)在不同單能譜圖像上噪聲、SNR及CNR的差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0．05），且通過繪制折線圖發(fā)現(xiàn)在70keV圖像上，各密度結(jié)節(jié)的噪聲低而SNR、CNR最高；以70keV為對照組，65keV、75keV與70keV兩兩比較，相同密度結(jié)節(jié)圖像噪聲、SNR及CNR的差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0．05）； 在-650HU結(jié)節(jié)中，5種不同直徑的結(jié)節(jié)在每個單能量水平圖像上的噪聲、SNR及CNR的差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0．05）。在60～140keV圖像上-800HU、-650及100HU結(jié)節(jié)檢出率為100%，＞5mm的模擬結(jié)節(jié)在所有單能譜圖像上均檢出。在40和50keV圖像上-800HU及3mm模擬結(jié)節(jié)檢出率低于60～140keV（P＜0．05）。結(jié)論：胸部雙能CT孤立性肺結(jié)節(jié)成像時，70keV時圖像的噪聲最小，其SNR與CNR最高；選擇60keV以上單能譜圖像可提高孤立性肺結(jié)節(jié)的檢出率。

【關(guān)鍵詞】雙能CT；單能譜圖像；肺結(jié)節(jié)

中國醫(yī)學(xué)計算機成像雜志，2016，22：33-38

Chin Comput Med Imag，2016，22：33-38

Department of Radiology, the First Affiliated Hospital of Chongqing Medical University

Address: Department of Radiology, the First Affiliated Hospital of Chongqing Medical University, Chongqing 400016, P.R.C.

Address Correspondence to ZENG Yong-ming （E-mail: zeng-ym@vip.sina. com）

Foundation items: 1. The National key clinical specialist construction Programs of China No. ［2013］544; 2. The health bureau of Chongqing（08-2-29）

孤立性肺結(jié)節(jié)（solitary pulmonary nodules，SPN）的臨床診斷及良惡性的鑒別是胸部影像學(xué)研究的重點與難點之一。對SPN的病因做出及時、準(zhǔn)確的診斷能夠極大地提高肺癌患者的生存率并改善預(yù)后。雙能CT已成為近年來研究的熱點，在自動去骨［1］、虛擬平掃［2-3］及尿路結(jié)石［4］等方面已有其優(yōu)勢。目前多數(shù)關(guān)于雙能CT孤立性肺結(jié)節(jié)的研究以注射對比劑的虛擬平掃圖像為主［2-3］。關(guān)于雙能CT胸部平掃單能譜成像檢測不同性質(zhì)孤立性肺結(jié)節(jié)研究報道尚少。本文基于置入模擬結(jié)節(jié)仿真體模的雙能CT掃描，以不同性質(zhì)的球形模擬結(jié)節(jié)為研究對象，旨在分析單能譜圖像與孤立性肺結(jié)節(jié)檢出率及其圖像質(zhì)量的關(guān)系。

方 法

1．研究對象

日本公司生產(chǎn)的“Lungman N1”型男性胸部體模，大小約43 cm×40 cm×48 cm，胸圍約94 cm，重約18 kg，包括仿真的胸壁、橫膈膜、縱隔、心臟、肺及肺血管，均與實際人體組織的衰減性相同，胸腔內(nèi)的肺血管之間的空間內(nèi)包含空氣。該體模雙臂向上舉起，體位與病人實際掃描時一致。

模擬球形結(jié)節(jié)表面光滑，分別有5種不同的直徑（3mm、5mm、8mm、10mm、12mm）與3種不同的密度（-800HU、-650HU、100HU）（見圖1）。

2．實驗設(shè)備及方法

使用西門子雙源炫速CT（SOMATOM definition flash）對體模進行掃描。2個X線管的電壓分別設(shè)置為80kV/140kV，采用自動毫安秒（CARE Dose 4D）技術(shù)，準(zhǔn)直 0．6 mm×128，旋轉(zhuǎn)速度0．5s/r，螺距1，重建層厚與層間距為1mm，F(xiàn)OV 為350mm。

分組1（分析不同密度結(jié)節(jié)檢出及圖像質(zhì)量與單能譜圖像關(guān)系）：每種密度結(jié)節(jié)中各包含5種不同直徑結(jié)節(jié)各6枚，共計90枚；分組2（分析不同大小結(jié)節(jié)檢出及圖像質(zhì)量與單能譜圖像關(guān)系）：選取-650HU磨玻璃結(jié)節(jié)，5種不同直徑結(jié)節(jié)，每種直徑各9枚，共計45枚。將球形模擬結(jié)節(jié)分別隨機置入雙肺，所有的結(jié)節(jié)都應(yīng)附著于模擬肺紋理，不能附著于胸膜及胸膜下。每次按照預(yù)先設(shè)定的結(jié)節(jié)的組合隨機放置于雙肺的上、中、下肺野后進行掃描，每次掃描3次以排除誤差影響。檢查結(jié)束后換部位重新置入模擬結(jié)節(jié)后掃描。

在MMP4后處理工作站使用monoenergetic軟件得到不同單能譜的圖像（40keV、50keV、60keV、65keV、70keV、75keV、80keV、100keV、120keV、140keV）。

3．模擬結(jié)節(jié)評價

3．1雙能量CT掃描不同大小、密度肺結(jié)節(jié)單能譜圖像質(zhì)量客觀指標(biāo)： 本研究選取已檢出肺結(jié)節(jié)模型顯示最大橫截面中心勾畫60%～70%結(jié)節(jié)面積的圓形ROI［5］分別測量結(jié)節(jié)及結(jié)節(jié)旁的正常肺組織CT值及其標(biāo)準(zhǔn)差SD值（保證在不同能譜圖像上的同層面使用同樣大小的ROI進行測量），均計算其平均值（肺結(jié)節(jié)及肺）。每次測量重復(fù)3次取其平均值。利用公式計算噪聲、信噪比（signal noise ratio， SNR）、對比噪聲比（contrast noise ratio，CNR）。噪聲即為結(jié)節(jié)CT值的標(biāo)準(zhǔn)差值，

3．2雙能量CT掃描不同大小、密度肺結(jié)節(jié)單能譜圖像肺結(jié)節(jié)檢出率： 由2名5年以上工作經(jīng)驗的放射科醫(yī)師利用后處理工作站對不同單能譜圖像進行評價：結(jié)節(jié)顯示清晰則記為檢出，未見顯示、顯示不清晰或者不能確定為肺結(jié)節(jié)則記為未檢出。最后分別計算總檢出率，每種直徑結(jié)節(jié)的檢出率以及每種密度結(jié)節(jié)的檢出率：

檢出率=檢出結(jié)節(jié)個數(shù)/結(jié)節(jié)總數(shù)×100%

4．統(tǒng)計分析

使用SPSS軟件進行統(tǒng)計分析，同一密度的結(jié)節(jié)10組不同單能譜圖像及在同一單能量水平下-650HU 的5種不同直徑的結(jié)節(jié)的噪聲、SNR、CNR采用ANOVA方差分析，若差異有統(tǒng)計學(xué)意義，則進一步進行兩兩對比（若方差齊則使用LSD檢驗，方差不齊使用Dunnett T3檢驗）；10組不同單能譜圖像的結(jié)節(jié)檢出率采用Fisher確切概率法。

結(jié) 果

1．雙能量CT掃描不同密度肺結(jié)節(jié)單能譜圖像質(zhì)量客觀指標(biāo)比較

方差分析結(jié)果表明：①-800HU、-650HU與100HU的模擬結(jié)節(jié)在不同單能譜圖像上噪聲、SNR 及CNR的差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0．05），且通過繪制折線圖發(fā)現(xiàn)在70keV圖像上，各密度的結(jié)節(jié)的噪聲低而SNR、CNR最高；②以70keV為對照組，65keV、75keV與70keV兩兩比較，相同密度結(jié)節(jié)圖像噪聲、SNR及CNR的差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0．05）； ③在-650HU結(jié)節(jié)中，5種不同直徑的結(jié)節(jié)在每個單能量水平圖像上的噪聲、SNR及CNR的差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0．05）。見表1、表2與圖2。

2．雙能量CT掃描不同大小、密度肺結(jié)節(jié)單能譜圖像肺結(jié)節(jié)檢出率比較

實驗表明：①在60～140keV圖像上-800HU、-650及100HU結(jié)節(jié)檢出率為100%，大于5mm的模擬結(jié)節(jié)在所有單能譜圖像上均檢出。②-800HU模擬結(jié)節(jié)檢出率比較，40keV及50keV檢出率為73．3%，且與其余單能譜圖像的檢出率差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0．003）；100HU與-650HU模擬結(jié)節(jié)檢出率差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0．05）。③3mm模擬結(jié)節(jié)檢出率比較，40keV及50keV與其余各單能譜圖像的檢出率差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P ＜0．05）。40keV與50keV相比檢出率的差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0．05），其中40keV檢出率為44．44%，50keV檢出率為55．56%；5～12mm模擬結(jié)節(jié)在各單能譜圖像上檢出率差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0．05），見表3。

圖1 A．Lungman N1仿真體模軀干。B．肺血管及縱隔。 C．球形模擬結(jié)節(jié)。

圖2 不同單能譜圖像噪聲（A）、SNR（B）、CNR（C）變化趨勢。

表1 3種密度模擬結(jié)節(jié)不同單能譜圖像客觀指標(biāo)比較（±）

表1 3種密度模擬結(jié)節(jié)不同單能譜圖像客觀指標(biāo)比較（±）

注：-800HU、-650HU與100HU的模擬結(jié)節(jié)在不同單能譜圖像上噪聲的差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0．05）；◇：70keV圖像上，各密度的結(jié)節(jié)的噪聲低而SNR、CNR最高

單能譜值噪聲　SNR　CNR -800HU　 -650HU　100HU　 -800HU　 -650HU　 100HU　 -800HU　 -650HU　 100HU 40keV　 282．42±65．40 307．62±54．06 358．91±54．08　 2．78±0．61　 1．91±0．39 0．52±0．16 1．11±0．36 2．58±0．85　 8．53±2．55 50keV　 175．15±42．27 203．07±59．39 208．64±39．54 4．81±0．99　 3．22±0．74 0．73±0．18 1．21±0．26 2．96±0．60 10．40±1．53 60keV　 108．87±31．24 113．64±37．65 133．62±34．85　 8．01±1．88　 5．96±1．40 1．02±0．40 2．94±1．11 6．48±2．21　 22．24±6．07 65keV　 87．20±24．74　 92．95±27．95 113．03±32．76 10．00±2．44　 7．28±1．56 1．15±0．40 3．79±1．49 7．94±2．74　 26．95±7．06 70keV　 78．90±20．79◇83．62±21．57◇99．83±22．51◇11．10±3．27◇8．16±2．10◇1．35±0．67◇4．24±1．55◇8．57±2．63◇29．44±7．47◇75keV　 81．07±16．60　 85．84±17．42 111．04±31．12 10．47±2．06　 7．87±1．72 1．08±0．37 4．20±1．43 8．50±2．17　 28．80±6．73 85keV　 95．51±16．56　 97．51±18．57 122．26±28．16　 8．78±1．44　 6．91±1．15 0．94±0．41 3．66±1．27 7．34±1．40　 25．04±5．44 100keV　 116．50±22．82 116．85±23．63 139．77±25．80 7．24±1．26　 5．82±0．94 0．79±0．44 3．00±1．13 6．00±1．01 20．85±4．36 120keV　 131．94±27．39 133．73±24．57 154．29±26．30　 6．39±1．15　 5．09±0．80 0．72±0．53 2．66±1．04 5．34±0．88　 18．70±3．86 140keV　 140．23±29．53 143．62±25．36 163．35±27．08　 6．01±1．10　 4．76±0．76 0．68±0．55 2．50±1．00 4．95±0．82　 17．65±3．63 F　46．872　58．275　75．835　27．08　35．847　 4．956　 11．264　 21．998　 27．235 P　0．000　0．000　0．000　0．000　0．000　 0．000　 0．000　 0．000　0．000

表2 5種直徑（-650HU）模擬結(jié)節(jié)單能譜圖像客觀指標(biāo)比較（）（以70keV為例）

表2 5種直徑（-650HU）模擬結(jié)節(jié)單能譜圖像客觀指標(biāo)比較（）（以70keV為例）

注：在-650HU結(jié)節(jié)中，5種不同直徑的結(jié)節(jié)在每個單能量水平圖像上的噪聲、SNR及CNR的差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0．05）

直徑（mm）　　噪聲　SNR　CNR 3 95．63±23．97　6．82±1．43　6．40±3．79 5 102．77±30．71　7．08±2．78　5．40±2．52 8 109．56±31．73　6．48±1．90　5．22±2．87 10　110．33±25．91　6．25±1．58　5．60±2．74 12　119．49±38．45　6．03±1．97　4．91±2．11 F 0．768　0．406　0．684 P 0．552　0．803　0．844

表3 雙能量CT掃描不同大小、密度肺結(jié)節(jié)單能譜圖像肺結(jié)節(jié)檢出率（%）

討 論

肺癌是全世界癌癥致死的首要原因，肺癌每年的死亡人數(shù)超過了乳腺癌、結(jié)腸癌和前列腺癌的總和［6］。國際早期肺癌行動計劃I-ELCAP（International Early Lung Cancer Action Program）已經(jīng)證實I 期肺癌患者術(shù)后的10年生存率可達到88%［7］。肺癌的早期診斷是提高患者生存率的關(guān)鍵。孤立性肺結(jié)節(jié)（solitary pulmonary nodules， SPN）是指肺實質(zhì)內(nèi)單發(fā)孤立的圓形或類圓形、直徑≤3 cm，不伴有肺不張、無淋巴結(jié)腫大或肺內(nèi)其他異常的病變［8］，SPN包括肺癌、感染、轉(zhuǎn)移瘤和良性腫瘤等，SPN的診斷及良惡性的鑒別是胸部影像學(xué)研究的重點與難點之一。因此，對SPN的病因做出及時、準(zhǔn)確的診斷能極大地提高肺癌患者的生存率并改善預(yù)后。

雙能CT（dual energy computed tomography，DECT）顧名思義使用了兩種光子能量譜，因此也被稱為能譜CT。目前，實現(xiàn)DECT成像并應(yīng)用于臨床的主要有快速管電壓切換和雙源CT兩種技術(shù)。本實驗使用雙源CT，雙源CT的雙能技術(shù)采用兩套呈正交排列的X線管-探測器系統(tǒng)，分別采用高低管電壓（80kVp/140kVp），可同步掃描獲得2套不同的采集數(shù)據(jù)，得到常規(guī)混合能量圖像，并可通過后處理工作站的monoenergetic軟件得到不同單能譜的圖像（40～190keV，共151個連續(xù)能量圖） ，且其輻射劑量與單能CT沒有明顯差異［9］。

單能譜圖像是指處于某一能量水平的X線穿過物質(zhì)后得到的衰減圖像，對于同一能量水平的單能圖像，物質(zhì)的衰減系數(shù)取決于其本身密度，從而保證了同一物質(zhì)衰減系數(shù)的恒定，可以避免硬化效應(yīng)和容積效應(yīng)，優(yōu)化病灶與背景的對比度，可以提高小病灶和多發(fā)病灶的檢出率［10］。不同能量水平的CT值反映病變在不同能量水平下的衰減系數(shù)，所以能譜曲線就反映了物質(zhì)衰減系數(shù)隨能量變化的關(guān)系。通過雙能CT成像的單能譜圖像、能譜曲線、碘基圖像和碘物質(zhì)定量分析，可以反映SPN的血供特點及增強幅度，有助于良惡性的鑒別診斷。

目前的研究已經(jīng)證明了雙能CT單能譜圖像在優(yōu)化顯示腹部惡性腫瘤細(xì)小的供血動脈［11］、肝占位性病變［12］等方面的診斷應(yīng)用價值，但關(guān)于雙能CT胸部平掃單能譜成像檢測不同性質(zhì)孤立性肺結(jié)節(jié)應(yīng)用與研究報道尚少，本研究基于置入模擬結(jié)節(jié)仿真體模的雙能CT掃描，以不同性質(zhì)的球形模擬結(jié)節(jié)為研究對象，旨在分析單能譜圖像與孤立性肺結(jié)節(jié)檢出率及其圖像質(zhì)量的關(guān)系。

由于低能量的X線其衰減以光電吸收為主，而高能量的X線衰減以康普頓散射為主。所以選擇合適的單能譜水平對提高圖像的質(zhì)量以及病灶的檢出是很有意義的。實驗表明，各組的單能譜-800HU、-650HU與100HU的模擬結(jié)節(jié)在不同單能譜圖像上噪聲、SNR、CNR的差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0．05）。在70keV時各密度結(jié)節(jié)噪聲最低 ，40～70keV范圍內(nèi)隨著keV增加，在70keV后噪聲隨keV增加而增大；70keV時各密度結(jié)節(jié)的SNR及CNR最高，且SNR、CNR 在40～70keV范圍內(nèi)隨著keV增加而增加，在70keV后隨keV增加而減少。Yamada等［13］發(fā)現(xiàn)門脈期乏血供的肝轉(zhuǎn)移瘤在大約70keV時（69～70 keV）CNR最高且肝實質(zhì)的噪聲最低。Lin等［14］認(rèn)為70keV與傳統(tǒng)混合能量圖像（140kVp）相比可以同時減少射線硬化偽影及降低圖像噪聲（11%），且周旸等［15］研究提示在相同的輻射劑量下，DECT 70keV與120kVp圖像具有相同的噪聲水平。本研究結(jié)果顯示在70keV時SNR、CNR最高，此時肺組織和結(jié)節(jié)之間的衰減差異達到最大而噪聲值最低，圖像質(zhì)量最好。本研究也發(fā)現(xiàn)尚不能認(rèn)為結(jié)節(jié)大小與圖像質(zhì)量客觀指標(biāo)有關(guān)，其原因在于各指標(biāo)測量與計算均基于CT值，而相同密度不同大小結(jié)節(jié)CT值相差不大。

對于肺結(jié)節(jié)檢出率， 3mm模擬結(jié)節(jié)在40keV及50keV檢出率與其余各單能譜圖像的檢出率相比明顯降低，且其差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0．05）。由于在40keV及50keV圖像上噪聲較大，圖像質(zhì)量粗糙，所以對于-800HU和-650HU的小結(jié)節(jié)顯示欠佳，尤其是對極低密度的磨玻璃結(jié)節(jié)（-800HU）檢出率較低，約73．33%，而在60～140keV范圍內(nèi)對于結(jié)節(jié)檢出率是100%。因此，選擇合適能量水平（60keV以上）的單能譜圖像可以提高孤立性肺結(jié)節(jié)的檢出率。

本實驗局限性在于：①仿真體模僅能模擬健康的肺組織，而肺部病變?nèi)绶螝饽[、肺部炎癥、肺纖維化等均可影響對肺結(jié)節(jié)的檢測；②模擬球形結(jié)節(jié)邊緣清晰光整、密度均勻，而實際病例中有些結(jié)節(jié)的形態(tài)不規(guī)則、密度不均勻，并可有分葉、毛刺征等。但本研究的結(jié)論對于了解不同密度、大小肺結(jié)節(jié)單能譜圖像質(zhì)量的變化趨勢，以及單能譜圖像與肺結(jié)節(jié)檢出的關(guān)系，為臨床合理運用單能譜成像仍然具有一定的指導(dǎo)意義。

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Virtual Monochromatic Spectral Imaging on Solitary Pulmonary Nodules：a Phantom Study

SONG Ting-ni，ZENG Yong-ming，ZHOU Yang，GAO Zhi-mei，ZHOU Mi，WANG Guo-shu

【Abstract】Purpose: To analyze the relationship between virtual monochromatic spectral （VMS） images and the detection rate of simulated solitary pulmonary nodules and image quality. Methods: The simulated pulmonary nodules ［diameter 3, 5, 8, 10 and 12 mm; CT densities -800, -650 and 100 Hounsfield Units （HU）］ were randomly placed inside an anthropomorphic chest phantom. The phantom was examined on SOMATOM definition flash with dual mode （80/140 kV）. The different levels of VMS image were reconstructed and the detection rate and image quality of each group were analyzed. Group 1: A total of 90 nodules included 6 nodules in each diameter and each density. Group 2: A total of 45book=39,ebook=39nodules included 9 nodules in each diameter, their CT density was -650 HU. The noise of nodules, SNR and CNR of the images were analyzed by one-way ANOVA; if there were significant differences, then the post hoc test was used （equal variance: LSD; unequal variance: Dunnett T3）; The detection rate of nodules was analyzed by Fisher's exact Test. Results: There were significant differences in the image noise of nodules, SNR and CNR for -800, -650 and 100 HU nodules among different levels of VMS images （P＜0.05）. VMS image at 70 keV yielded the lowest image noise of nodules and the highest SNR and CNR. However, there was no statistical significant difference in the image noise of nodules, SNR and CNR for the same density nodules between the 65 keV and 70 keV images （P＞0.05） or between the 75 keV and 70 keV images. There was no statistical significant difference in the image noise of nodules, SNR and CNR for each diameter nodules with CT density of -650 HU at the same level of VMS images （P＞0.05）. The detection rate of -800, -650 and 100 HU at 60-140 keV was 100%, ＞5mm nodules were all detected at different levels of VMS images. The detection rate of -800 HU and 3mm nodules at 40 and 50 keV was lower than that at 60～140keV （P＜0.05）. Conclusion: VMS image of chest DECT at 70 keV yields the lowest image noise of nodules and the highest SNR and CNR. Choosing VMS image of chest DECT higher than 60 keV can improve the detection rate of solitary pulmonary nodules.

【Key words】Dual energy CT; Virtual monochromatic spectral image; Pulmonary nodule

收稿時間:（2015.10.12;修回時間：2015.12.01）

基金項目：國家臨床重點專科建設(shè)項目基金（國衛(wèi)辦［2013］544號）；重慶市衛(wèi)生局科研基金（08-2-29）

通信作者：曾勇明（電子郵箱：zeng-ym@vip.sina.com）

通信地址：重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院放射科, 重慶 400016

中圖分類號：R445.3

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1006-5741（2016）-01-0033-06