自適應統計迭代重建技術在低劑量CT結腸成像中息肉檢出能力的評價

劉曉冬 劉愛連* 劉義軍 付維利 劉靜紅 方 鑫 趙 瑩 徐明哲 袁 剛

CT結腸造影(CT colonography，CTC)因其優良的診斷效能及良好的患者耐受性，成為目前腸道疾病廣為接受的篩查工具，其輻射劑量問題一直為人們所關注。近年來，眾多研究證實統計迭代重建(iterative reconstruction，IR)技術可在低劑量掃描下顯著提高圖像質量，因此低劑量CTC的研究重點也已從前期單獨降低掃描X射線管劑量到目前聯合使用新的圖像重建算法[1]。Revolution CT是最新開發的新型CT，其獨特的全模型實時自適應統計迭代重建(adaptive statistical iterative reconstruction-Veo，ASIR-V)算法，能夠在降低輻射劑量的同時提高圖像質量，ASIR-V算法為更低劑量的CT結腸成像開辟了新的可能。為此，本研究建立離體豬結腸息肉模型，探究不同管電流結合不同水平ASIR-V重建對CTC息肉檢出能力的影響，評價ASIR-V技術對提高息肉檢出率及其降低輻射劑量的應用價值。

1 資料與方法

1.1 模型建立

取新鮮離體豬結腸，清洗腸壁后外翻，用無齒鑷夾提小塊黏膜組織，用醫用絲線結扎其根部形成模擬息肉，以一定間隔連續排列，根據息肉長徑(D)不同將其分為1～5 mm組、5～10 mm組和10～15 mm組，每組息肉10枚，共計30枚。翻轉恢復原腸壁結構，結扎腸管一端注入空氣。將88 ml碘對比劑(濃度300 mgI/ml)溶于白開水中，即配置成0.1%的碘水溶液，CT值約25 HU，再將充氣膨脹后的結腸模型固定于塑料容器內，容器大小為30 cm×19 cm×49 cm，腸管呈自然卷曲狀態。

1.2 儀器設備

使用Revolution CT機(美國GE公司)掃描結腸息肉模型；AW 4.6工作站(美國GE公司)。

1.3 掃描方法

定位掃描后，固定掃描范圍，將千伏電壓峰值設置為120 kVp，掃描速度0.5 s/轉，層厚及層間距均為5 mm，X射線管旋轉時間0.5 s，螺距0.992∶1，顯示野(displayed field of view，DFOV)40 cm，分別應用10 mA、30 mA、50 mA、70 mA、90 mA、100 mA、120 mA、140 mA、160 mA、180 mA、200 mA、220 mA、240 mA和260 mA不同的管電流重復掃描。掃描結束后，分別應用權重為0、10%、30%、50%、70%和90%的ASIR-V算法對原始圖像數據進行標準算法重建，重建層厚均為0.625 mm。0% ASIR-V重建即為濾波反投影(filtered back projection，FBP)重建，共計84組不同掃描條件(14種掃描管電流×6種重建算法)的CTC圖像。

1.4 圖像分析及處理

將數據傳至AW 4.6工作站進行圖像后處理，包括CT仿真內鏡(computed tomographic virtual endoscopy，CTVE)、虛擬分割(virtual dissection，VD)、多平面重建(multiplanar Reformation，MPR)以及容積再現(volume rendering，VR)，由兩名有CTC診斷經驗的醫師盲法對每一枚息肉的檢出信心進行評分，檢出信心分為5個等級[2]：①5分，確定為息肉；②4分，很可能是息肉：③3分：可能是息肉；④2分：很可能不是息肉；⑤1分，確定不是息肉。當檢出信心為5分、4分或3分時，息肉陽性；當檢出信心為2分或1分時，息肉陰性。分別計算1 mm≤D＜5 mm組、5 mm≤D＜10 mm組和10 mm≤D≤15 mm組息肉的檢出率。記錄并計算每次掃描的輻射劑量，劑量長度乘積(dose length product，DLP)由CT機自動生成，其有效劑量(effective dose，E)計算為公式1[3]：

式中k=0.015 mSv/mGy·cm。

1.5 觀察與評價指標

(1)檢出信息評分。兩名觀察者息肉檢出信心評分一致性；Kappa系數k值為0.00～0.20，一致性差；k值為0.21～0.40，一致性尚可；k值為0.41～0.60，一致性中等；k值為0.61～0.80，一致性好，k值為0.81～1.00，一致性非常好，評分一致性好及以上時，使用兩名觀察者平均分進行統計分析。

(2)輻射劑量。統計息肉全部檢出的最低輻射劑量，計算輻射劑量的降低幅度。

1.6 統計學方法

采用SPSS17.0統計分析軟件進行數據分析。采用Kappa檢驗進行一致性分析。息肉大小、管電流及ASIR-V的改變對息肉檢出信心及息肉檢出率的影響采用線性回歸進行分析，以P＜0.05為差異具有統計學意義。

2 結果

2.1 結腸息肉檢出結果

(1)息肉檢出信心評分結果：兩名醫師息肉檢出一致性好(Kappa=0.831)。管電流及ASIR-V水平的變化均會影響息肉檢出信心的評分，兩者間呈顯著正相關，差異均具有統計學意義(r=0.884，r=0.861；P＜0.05)。

2.2 1～15 mm全部息肉檢出率

兩名醫師對30枚息肉的14種掃描管電流及6種重建算法獲得息肉圖像(2520幅)進行評判，其中陽性息肉圖像2487幅，陰性息肉圖像19幅。息肉全部檢出的最低掃描條件為30 mA、權重50% ASIR-V算法重建。當管電流≥50 mA時，息肉檢出率均達100%，管電流及ASIR-V算法權重的改變均不會影響息肉檢出率，且差異無統計學意義。當管電流≤30 mA時，管電流及ASIR-V算法權重的變化均會影響1～15 mm全部息肉檢出率，兩者間均呈顯著相關(r=0.677，r=0.644；P＜0.05)。隨著管電流增加，息肉檢出率逐漸增加。相同管電流水平(10 mA或30 mA)下，ASIR-V權重的變化與息肉檢出率呈顯著相關(r=0.832，r=0.932；P=0.007)。息肉的大小與息肉檢出率呈顯著相關(r=0.688，P=0.000)，隨著息肉直徑增大，息肉檢出率逐漸升高。

2.3 1～5 mm組息肉檢出率

1～5 mm組息肉全部檢出的最低掃描條件為30 mA、權重50% ASIR-V算法重建，管電流增加可提高1～5 mm組息肉檢出率，兩者間均呈顯著相關(r=0.729，P＜0.05)；管電流為10 mA，ASIR-V算法權重變化對息肉檢出率的影響不相關(r=0.756，P＞0.05)；當提高管電流至30 mA時，ASIR-V算法權重的改變對息肉檢出率的影響具有顯著相關性(r=0.924，P＜0.05)。2.5 mm息肉的CTC后重建圖像見圖1。

圖1 2.5 mm息肉的CTC后處理圖像

2.4 5～10 mm組息肉檢出率

5～10 mm組息肉全部檢出的最低掃描條件為30 mA、30% ASIR-V重建。根據線性回歸分析，管電流的改變可影響5～10 mm組息肉檢出率，兩者間均呈顯著相關(r=0.612,P=0.034)；當管電流為10 mA和30 mA時，ASIR-V算法權重的變化與息肉檢出率呈顯著正相關(r=0.878，r=0.831；P＜0.05)。

2.5 10～15 mm組息肉檢出率

在84幅圖像中，對10～15 mm組息肉檢出率均達到100%，且差異無統計學意義。

2.6 輻射劑量比較

通過CT機自動輸出的輻射劑量報告統計，隨著管電流從10 mA增加至260 mA，CT容積劑量指數(volume CT dose index，CTDIvol)隨之增加，約為0.31～8.17 mGy，有效劑量(E)為0.20～5.29 mSv，管電流為10 mA時有效劑量(E)最小，為0.20 mSv。息肉全部檢出的最低管電流為30 mA，有效劑量(E)為0.61 mSv，較50 mA(1.02 mSv)時降低67%。

3 討論

結直腸癌是消化道常見的惡性腫瘤，其發病率及病死率逐年攀升[4]。有研究認為，結直腸腫瘤由早期的腺瘤性息肉緩慢惡變而來，從腺瘤性息肉到惡性腫瘤的演變大約需要10～15年的時間[5]。因此，早期檢出息肉并加以切除對于結直腸癌的預防或早期治療具有重要的意義。CTC是近年新興的結直腸病變的影像學新技術，具有操作簡便、定位準確、疾病檢出敏感性及準確率高、患者依從性好、安全無創等優勢，可為臨床治療方案的選擇提供更多有價值的信息。隨著CTC的臨床普及化，其輻射劑量所致患癌風險不可忽視，因此，平衡電離輻射劑量與圖像質量，滿足診斷需要是低劑量CTC篩查的關鍵性技術問題。

輻射劑量與X射線管電流劑量呈線性相關，既往降低輻射劑量最直截了當的方法為單純降低X射線管電流劑量，但勢必會增加圖像噪聲，降低圖像質量繼而影響病變的診斷。近年來，有學者曾分別使用15 mA、30 mA和50 mA管電流行低劑量寶石能譜CTC，結果顯示，當管電流為30 mA和50 mA時對CTC的后處理圖像CTVE和透明顯示圖像(ray-summation，Raysum)質量影響不明顯，并不影響息肉診斷，且輻射劑量較腹部常規劑量分別下降80%和88%；當管電流為15 mA時圖像質量則無法達到診斷要求[6]。沈和松等[1]應用20 mA超低劑量CTC結合三維自適應迭代劑量降低算法(adaptive iterative dose reduction three-dimensional，AIDR3D)可使息肉檢出敏感性達100%，且有效電離輻射(1.62 mSv)降低了60%。本研究結果顯示，隨著管電流增加，息肉檢出率逐漸增加，息肉全部檢出的最低掃描協議為120 kVp、30 mA，此時對應的CTDIvol已降至0.94 mGy，有效輻射劑量僅為0.61 mSv，均低于上述體模研究的輻射劑量。

ASIR-V技術具有自適應統計迭代重建(adaptive statistical iterative reconstruction，ASIR)的實時迭代優勢和基于模型的迭代重建(model-based iterative reconstruction，MBIR)的多模型迭代優勢。李磊等[7]研究顯示，應用10 mA結合ASIR重建時，5 mm以上息肉檢出率隨應用ASIR水平升高而提高。Lambert等[8]應用10 mA結合MBIR重建行超低劑量CTC的結果表明，MBIR不僅可提高圖像質量，且較FBP，重建提高息肉檢出率達10.7%。本研究結果表明，在低劑量條件下，ASIR-V重建可提高息肉檢出率。Lim等[1]研究指出，對于迭代重建并非權重比越高，圖像質量就越好，針對人體不同部位，要通過實驗得到最適宜的迭代重建權重值。本研究中，應用50% ASIR-V重建可獲得較高的圖像評分，并可提高息肉的檢出信心。

有研究[9]發現，直徑＜5 mm的息肉10年惡變率僅為0.08%，而直徑＞5 mm的息肉惡變率顯著增加(15.7%)，因此，低劑量CTC能否對5 mm以上息肉精確診斷尤為重要。李家言等[10]在能譜CT結腸成像與結腸鏡對比研究中發現，在低管電流(30 mA)掃描條件下，對于＞5 mm的息肉，低劑量CTC(1.31 mGy)的息肉符合率為91.07%，＜5 mm的息肉符合率為50%。本研究中，所有掃描條件下對于1 cm以上息肉檢出率均達100%；對于6～10 mm的息肉全部檢出的最低管電流為30 mA，而此時輻射劑量僅為0.94 mGy，明顯低于上述研究的輻射劑量。本研究證實，ASIR-V權重變化與息肉檢出率有顯著相關性，當管電流相同時，隨著ASIR-V水平增大，息肉檢出率逐漸增大，至50% ASIR-V重建最大，其后略有降低。對于1～5 mm的息肉，10 mA時，ASIR-V的改變對息肉檢出率的影響不顯著，此時可能由于息肉過小所致，而隨著管電流及ASIR-V水平增加，息肉檢出率不斷增加，且ASIR-V的改變對提高息肉檢出率有明顯相關性。由此可見，ASIR-V算法可明顯提高＞5 mm息肉的檢出率，并滿足臨床需求。因此，ASIR-V算法在保證圖像質量、不影響診斷信心的前提下，可提高息肉的檢出率并大幅降低輻射劑量。

美國健康物理學會(Health Physics Society，HPS)推薦的安全輻射劑量，包括職業及環境的照射在內，當輻射劑量＜10 mSv，對于人體的危害微小，甚至可認為無害。本研究雖為離體實驗，但體模設計已盡量模仿人體腹部內環境，腸管設計盡量符合在體結腸狀態。根據國際醫學成像和技術協會和美國食品藥品管理局所推薦的MITA-FDA CT IQ體模對ASIR-V的性能測試，對比FBP重建，ASIR-V可以降低多達82%的輻射劑量[11]。本研究實驗當管電流為30 mA時，有效輻射劑量僅為0.61 mSv，且此時圖像質量、息肉診斷信心均滿足診斷需要。

4 結論

CT結腸成像中，應用ASIR-V算法可以顯著降低噪聲，提高圖像質量和結腸息肉檢出率。同時，ASIR-V算法可以滿足結腸CT在保證低劑量的前提下達到發現病灶并診斷病灶的目的，為低劑量CTC篩查提供依據。隨著成像條件的不斷優化及臨床應用研究的不斷深入，低劑量CTC會給臨床診斷帶來更大的幫助。