基于非线性融合技术肺支气管血管成像在肺结节术前定位的应用.pdf

CorresA临床研究BME&Clin Med,July 2023,Vol.27,No.4483-生物医学工程与临床2 0 2 3年7 月第2 7 卷第4期网络出版时间：2 0 2 3-0 6-2 8 15：33：42 D0I：10.13339/j.c n k i.s g l c.2 0 2 30 6 2 6.0 2 0网络出版地址：https:/ 0 2 0 年4月至2 0 2 2 年3月在扬州大学附属医院行双能量肺静脉成像并拟行肺结节切除的患者115例，其中男性55例，女性6 0 例；年龄2 4 8 1岁，平均年龄6 1.3岁；病灶直径0.4 2.4cm，平均直径1.19 cm；病程1天 2 年，平均病程2.5个月。所有患者双能量扫描获得8 0 kV(A组）、（Sn)150kV(B组）、线性融合M-0.6(C组）和非线性融合（D组)4组图像。计算肺静脉干信噪比(SNR）、对比噪声比(CNR）、右肺上叶静脉与右肺中叶动脉平均CT值差值。将最佳组数据导入Mimics软件进行三维肺支气管血管成像，进行图像等级评分。结果经一致性分析，4组图像肺静脉干的组内相关系数（ICC)分别为0.9 9 1、0.9 8 7、0.9 8 5、0.9 9 4，竖脊肌的ICC分别为0.8 7 7、0.8 8 5、0.8 8 7、0.8 9 5。D组图像的SNR和CNR最高,SNR为16 7.12 2.9、CNR为150.12 1.2。D组与其他3组SNR和CNR比较,差异有统计学意义(P0.05),B组、C组与D组图像差异有统计学意义（P0.05）。用最佳组D组进行三维肺支气管血管成像，111例图像评为优，3例为良，1例为差。结论用非线性融合技术进行肺静脉图像重建，图像SNR和CNR更高，且肺静脉与动脉差值最大，更容易重建出高质量的肺支气管血管图像,更利于观察肺支气管血管是否存在变异及血管与病灶的三维关系，为胸外科医生手术方案的制定提供重要的理论依据。关键词：双能量CT；肺支气管血管成像；非线性融合；肺结节中图分类号：R734.2；R445.3文献标识码：A文章编号：10 0 9-7 0 9 0(2 0 2 3)0 4-0 48 3-0 5pplication of pulmonary bronchial angiography based on nonlinear fusion technology in preoperative localization ofpulmonary nodulesGU Xiu-ting,YIN Xiao-xiao,WU Yun-jiang,ZHANG Yong,ZHAO Yi,XIE Xiao-lianga(a.Department of Imaging;b.Department of Thoracic Surgery,Afiliated Hospital of Yangzhou University,Yangzhou225003,Jiangsu,China)ponding author:YIN Xiao-xiao.E-mail:.Abstract:Objective To evaluate the application of dual energy CT nonlinear fusion technique in pulmonary bronchial an-giography,and explore its clinical application in preoperative localization of pulmonary nodules.Methods From April 2020to March 2022,a total of 115 patients who underwent dual energy pulmonary vein imaging and planned pulmonary nodule re-section were retrospectively enrolled,which included 55 males and 60 females,aged 24-81 years old,with mean age of 61.3years old;lesion diameter were 0.4-2.4 cm with mean diameter of 1.19 cm,disease course was 1-day to 2-year with meancourse of 2.5-month.Four groups of images were obtained by dual energy scanning:80 kV(group A),(Sn)150 kV(group B),linear fusion M-0.6(group C)and nonlinear fusion(group D).The signal-to-noise ratio(SNR)of pulmonary vein trunk,con-trast-to-noise ratio(CNR),and mean CT value difference between right superior pulmonary vein and right middle pulmonaryartery were calculated.The best group data were imported into Mimics software for three-dimensional pulmonary bronchial an-giography,and the image grade was scored.Results According to consistency analysis,the intraclass correlation coefficient(ICC)of pulmonary vein trunk in 4 group images were 0.991,0.987,0.985 and 0.994,and ICC of erector spinae were 0.877,0.885,0.887 and 0.895,respectively.There were significant differences in SNR and CNR in 4 groups,and the images of group Dwith the highest SNR(167.1 22.9)and CNR(150.1 21.2),which was significant difference compared with other 3 groups(P0.05).The difference between pulmonary vein and artery(328.5 98.9)in group D was the highest,and there were statisticallysignificant in image of group D,group B and group C(P 0.05).The best group D was used forthree-dimensional pulmonary bronchial angiography,and 111 cases were evaluated as excellent,3 were good and 1 was poor.Conclusion It is demonstrated that nonlinear fusion technique for pulmonary vein image reconstruction have higher SNR and作者单位：扬州大学附属医院a.影像科；b.胸外科，江苏扬州1225003作者简介：顾秀婷（19 8 6），女，江苏扬州市人，研究生，主管技师，主要从事CT、M R工作。电话：150 6 2 8 2 0 8 2 3。E-mail：g u x i u t i n g 112 2 12 6.c o m。基金项目：扬州市卫生计生委医学重点学科资助课题（6)通信作者：尹笑笑(19 8 6 一),男，江苏扬州市人，研究生，主治医师，主要从事妇产影像学研究。E-mail:。版权保护，不得翻录。484-BME&Clin Med,July 2023,Vol.27,No.4生物医学工程与临床2 0 2 3年7 月第2 7 卷第4期CNR of image,and the difference between pulmonary vein and artery is the largest.It is easier to reconstruct high-quality pul-monary bronchial vascular images,and more conducive to observation of pulmonary bronchial vascular variation and three-di-mensional relationship between blood vessels and lesions.It provides important theoretical basis for formulation of thoracic surgi-cal plans.Key words:dual energy CT;pulmonary bronchial angiography;nonlinear fusion;pulmonary nodules随着计算机体层成像（computedtomography，CT）快速的发展，低剂量CT扫描普遍用于肺癌的筛查，使肺癌能够在早期得到确诊。这为肺癌的微创手术开创了新的时代，肺解剖节段切除已经成为早期肺癌肺叶切除的替代品，解剖节段切除可以最大程度地保留健康肺组织，保证患者后期的生存质量，而且可以取得与肺叶切除相当的手术效果 2.3。肺静脉是肺段与亚肺段之间功能解剖单元的解剖间隙，靶肺段的解剖性切除目的是完整地切除靶段，切断靶段的动脉、静脉和支气管，保留段间静脉，最大程度地保留余肺结构和功能。因此,肺段的解剖性切除需要胸外科医生对于肺部支气管血管有一个空间上的立体感，准确地定位及判断其血管有无变异。西门子双源CT双能量扫描可以得到不同能量级的图像，不同能量组织的对比度也不同 5。因此,笔者旨在比较肺结节患者行双能量肺静脉扫描后获取不同能量图像，总结出对比度、信噪比（signal-to-noiseratio,SNR)及肺部血管显示较好的图像,构建清晰的肺三维支气管血管成像(three-dimensional computed tomography bronchography,3D-CTBA）,从而为胸外科医生手术方案的确定提供可靠的理论依据。1资料与方法1.1临床资料回顾性分析2 0 2 0 年4月至2 0 2 2 年3月在扬州大学附属医院行肺结节手术患者115例，其中男性55例，女性6 0 例；年龄2 4 8 1岁，平均年龄6 1.3岁（标准差11.8 岁）；病灶直径0.4 2.4cm，平均直径1.19cm(标准差0.50 cm);病程1天 2 年,平均病程2.5个月（标准差4.2 4个月）。选择标准：肺部局灶性病变疑似恶性结节；所有患者均在术前进行肺静脉成像；肺静脉检查前签署增强检查知情同意书并且要求家属陪同；此次研究经医院伦理审查委员会批准（审批号为2 0 2 2-YKL5-18-008），患者均知情同意。排除标准：多发原位癌、淋巴结转移、肺楔形切除术、小细胞肺癌及以往有对比剂过敏者。1.2方法1.2.1CT扫描采用德国西门子Force双源CT。对所有患者行肺静脉双能量扫描，A球管8 0 kV,B球管(Sn)150kV,CAREDose4D自动毫安监测，层厚5.0 mm，旋转时间0.2 5s，准直宽度19 2.0 mm0.6mm，螺距0.55。扫描方法：患者水平仰卧位，两臂上举抱头，训练患者吸气屏气，扫描范围包括整个胸部；获取定位像后在气管隆突下2 cm扫监测层，同时显示肺动脉干及升主动脉，采用小剂量监测法(testbolus），高压注射器设置32 0 mgl/mL的碘克沙醇15mL,流率4mL/s，同时按下曝光键及注射药物按钮，至肺动脉及升主动脉内造影剂由暗变亮再变暗后停止扫描；绘制造影剂在肺动脉干及升主动脉的峰值曲线，获得造影剂在肺动脉干及升主动脉峰值时间高压注射器A管设置好30 mL的造影剂,B管设置30 mL0.9%氯化钠溶液（生理盐水），调取胸部肺静脉的双源序列,将升主动脉造影剂峰值时间输入后同时按下曝光按钮及注射药物按钮，药物注射结束后注射0.9%氯化钠溶液（生理盐水）,扫描结束1.2.2图像处理图像扫描结束后在Syngovia工作站上进行后处理。8 0 kV(A组）、(Sn)150kV(B组)及线性融合M-0.6(C组)是扫描后获得。然后将A组和B组图像调人Syngovia工作站上,选取优化对比软件，采用系统默认融合系数，默认融合窗位150 HU，窗宽2 0 0 HU，获得重组非线性融合图像(D组）。由2 名主治及以上的影像科医师分别测量4组图像的肺静脉干CT值、竖脊肌CT值、右肺上静脉及右肺中动脉CT值,并计算平均值。选取感兴趣区约0.2 cm，同一层面胸前正中处空气标准差为噪声（noise,N)，计算肺静脉干SNR=肺静脉干平均CT值/N,肺静脉干对比噪声比（contrast-to-noiseratio,CNR）=（肺静脉平均CT值-竖脊肌平均CT值)/N。右肺上叶静脉与右肺中叶动脉差值(V上-A中和右肺上叶静脉CT值较右肺中叶动脉CT值增加的比率(V上-A中)/A,比较4组间SNR、CNR、(V上-A中)差值及(V上-A中)/A中1.2.3图像评价根据比较结果选取最佳组数据导入Mimics软件进行3D-CTBA，根据临床需求将图像分为优、良、差3个等级。肺静脉标记为黄色，肺动脉标记为红色，支气管标记为白色。优：亚段肺动静脉及支气管伪彩区485-生物医学工程与临床2 0 2 3年7 月第2 7 卷第4期BME&Clin Med,July 2023,Vol.27,No.4分显示清晰。良：段肺动静脉及支气管伪彩区分显示清晰。差：肺动静脉及支气管不能通过伪彩显示清晰1.3统计学方法采用SPSS23.0统计软件进行数据分析。计量资料采用均数标准差表示，对4组数据先进行Lev-ene方差齐性检验，各组间比较用单因素方差检验。观察者间测量的一致性用组内相关系数(intraclasscorrelation coefficient,ICC)分析,ICC0.75,观察者间测量的一致性好。P0.05为差异有统计学意义。2结果2.1观察者间测量一致性结果分析两名主治及以上的影像科医师分别测量4组图像对应组织的CT值，两者间的测量值经一致性分析，一致性均较好,其中4组图像肺静脉干的ICC分别为0.9 9 1、0.9 8 7、0.9 8 5、0.9 9 4,竖脊肌的ICC分别为0.8770.885、0.8 8 7、0.8 9 5。2.24组图像比较结果4组图像的SNR和CNR均不同且差异有统计学意义(P0.05）,与B、C 组差异有统计学意义(tv*-A=-9.207、-4.16 7,t -*=-4.39 6、-3.10 2,P 0.05)。表1不同能量4组数据比较Tab.11 Comparison of energy data in 4 groups项目A组B组C组D组FPSNR118.5 16.8*50.9 7.6*79.8 17.7*167.1 22.928.7580.05CNR107.1 15.2*35.5 8.2*67.9 17.1*150.1 21.227.4900.05V上-A中299.5 99.482.8 29.9*199.3 68.2*328.5 98.923.4500.05(V上-A)/A 中2.30 1.201.40 0.55*1.80 0.84*3.20 1.547.8850.05*与对应的D组比较,P0.052.3三维肺支气管血管成像评价将D组图像导人Mimics软件进行3D-CTBA，根据临床需求评价图像，111例图像为优,3例为良，1例为差。见图1、2。可见病灶位于RS2b(右肺上叶前段外亚段）与RS3a(后段水平亚段）之间，大小13mm7mm。动静脉CT值差值为430 HU，经非线性融合技术处理后的图像导入Mimics软件进行肺动静脉及支气管重建，亚段肺动静脉及支气管伪彩区分显示清晰，图像评价优图11例47 岁女性患者双能量肺静脉评分为优3D-CTBAFig.1 Image of 3D-CTBA in 47-year-old female patient withdual-energy pulmonary vein score of excellentA右肺中叶见大小约10 mm9mm结节，动静脉CT值差值为244HU，肺动静脉主干伪彩区分清晰，亚段肺动脉及支气管显示欠清，段肺动脉及静脉显示尚可，图像评为良图2 1例6 7 岁男性患者双能量肺静脉评分为良3D-CTBAFig.2 Image of 3D-CTBA in 67-year-old male patient withdual-energy pulmonary vein score of good3讨论近些年随着低剂量螺旋CT的快速发展，肺癌的检出率大大提高，手术方案直接影响患者术后肺功能的恢复。电视辅助胸腔镜手术逐渐替代肺部恶性肿瘤的开胸手术，有文献报道早期肺癌的胸腔镜下肺解486-BME&Clin Med,July 2023,Vol.27,No.4生物医学工程与临床2 0 2 3年7 月第2 7 卷第4期剖节段性切除可以最大程度地保留健康肺组织，有利于保护肺功能,减少术后并发症的产生。肺静脉是肺段及亚肺段之间功能解剖单元的解剖间隙，术前需了解结节与段间静脉的关系,判断需要切除的血管及支气管，保留段间静脉18。段间静脉的误切是导致术后咯血的主要原因,因此肺血管的准确定位及判断其有无变异，可有效减少术后咯血及肺损伤漏气机会，更好地保护余肺结构和功能的完整性。三维肺支气管血管成像的出现满足了这一技术要求，不仅能显示变异血管还能精确地测量血管至病灶的距离 9。因此，做出满足临床需求的三维肺支气管血管非常重要，这对影像科医生提出了巨大的挑战。在肺支气管血管成像中，肺动静脉内造影剂要达到一定的浓度差，才能重组出比较理想的图像。在笔者研究中胸外科的医生希望得到充满高浓度造影剂的肺静脉，而肺动脉没有或者只有少量造影剂,因此在检查过程采用test bolus测试法充分考虑患者的个体循环差异，先用小剂量测试肺动脉及升主动脉造影剂的峰值时间，这样避免因设置固定的触发阈值而导致扫描失败。而且用testbolus测试法，通过精准地测试造影剂在血管内的峰值时间，减少注射过多造影剂而给患者带来后续的不良反应 0 。在笔者研究中D组图像的肺静脉与动脉CT值差值最大，平均值达到328.5HU，重建图像能清晰的分清亚段肺动静及支气管,这与钟晶等的研究一致叫。B、C组的肺静脉与动脉CT值差值平均值在2 0 0 HU以下，重建出的三维肺支气管血管图像不能满足胸外科医生的要求。双源CT使用两套独立的球管-探测器系统，可同时获得同一物质在高低不同能量下的物质衰减系数。在双能量肺静脉CT扫描时可以得到高低两组能量的图像，即8 0 kV和（Sn)150kV的图像，8 0 kV图像组织内造影剂的CT值高，便于观看血管且容易发现病灶，但是图像噪声大，（Sn)150kV的图像噪声小，图像看起来更细腻，但组织造影剂CT值低，血管和病灶与正常组织对比差,容易遗漏病灶 12 。目前临床上经常用的图像是线性融合图像即融合了6 0%的80kV的图像及40%的（Sn)150kV的图像，兼顾了血管及病灶的显示也提高了图像SNR。但是在实际工作中笔者希望软组织噪声更低，采用更多的高kV图像的CT值，而少采用低kV图像的CT值，血管及病灶多采用低kV图像的CT值，因此非线性融合软件根据不同的CT值进行不同的融合，并根据融合的窗位和窗宽自动优化图像的CNR。非线性融合技术是双源CT独有的图像处理技术，根据显示要求可以对每一个像素进行不同能量的融合。笔者研究对双能量肺静脉CT各组图像进行统计学分析，发现非线性融合的图像SNR、CNR较其他组均高，肺静脉较肺动脉CT值增加的百分比最高，用非线性融合图像进行三维支气管血管重建得出的优质图像达9 7%，为临床手术方案的确定提供了必要的理论依据。在卢光明等 13 研究中也证明了非线性融合技术在肺部血管成像中的应用。非线性融合技术在其他部位成像中也得到了广泛的应用14。有研究报道对于肺部的解节段切除手术,开发了很多肺部血管及3D-CTPA软件 15 17 ,但是3D-CTPA在临床应用中存在一些局限性 18 ,因为软件包并不是全自动的，而是把影像科做出的图像导人软件程序然后人工进行处理，需要依赖影像科医生扫描的图像质量，因此笔者研究以在实际工作中进一步提高肺静脉的图像质量为目标，充分利用了双能量CT的优势,将非线性融合技术用于改善肺血管的显示。最终经统计发现，9 7%图像能较好地满足胸外科医生术前的定位，为胸外科手术方案的确定提供可靠的理论依据。综上所述，基于非线性融合技术肺支气管血管图像SNR、CNR更高，且肺静脉与动脉CT值差值最大，能够精确地发现肺血管是否有变异及还原肺部结节与支气管、动静脉及周围组织的关系，为胸外科医生手术方案的制定提供重要的理论依据，从而减少手术出血和并发症的发生，提高患者术后生存质量。参考文献：1 J Balata H,Fong KM,Hendriks LE,et al.Prevention and earlydetection for NSCLC:Advances in thoracic oncology 2018JJ.JThorac Oncol,2019,14(9):1513-1527.2 Qu X,Wang K,Zhang T,et al.Long-term outcomes of stage INSCLC(3 cm)patients following segmentectomy are equiv-alent to lobectomy under analogous extent of lymph node re-moval:A PSM based analysisJJ.J Thorac Dis,2017,9(11):4561-4573.3 J Handa Y,Tsutani Y,Mimae T,et al.Complex segmentectomyin the treatment of stage IA non-small-cell lung cancerJj.EurJ Cardiothorac Surg,2020,57(1):114-121.【4 陈亮,吴卫兵.胸腔镜解剖性肺段切除术技术要点 J.中国肺癌杂志,2 0 16,19(6)：37 7-38 1.CHEN Liang,WU Wei-bing.The main technical points ofthoracoscopic anatomical lung segment 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