双层探测器光谱CT胸部虚拟平扫与常规CT平扫影像质量比较分析.pdf

国际医学放射学杂志 23 Jul鸦46穴4雪：383-389双层探测器光谱CT胸部虚拟平扫与常规CT平扫影像质量比较分析穆荣华，李鑫，黄光仪，杨旭日，邓梅梅，朱西琪【摘要】目的探讨双层探测器光谱CT（DLCT）虚拟平扫（VNC）在肺鳞癌与腺癌中的应用价值。方法回顾性收集经手术病理证实为肺鳞癌或腺癌病人98例，男46例，女52例，平均年龄（55.47.7）岁。所有病人均于术前1周行胸部DLCT平扫及增强扫描检查，分别获得CT真实平扫（TNC）、动脉期VNC（VNCA）及静脉期VNC（VNCV）影像。2名放射诊断医师分别在3种影像上测量病灶、肺动脉干、胸主动脉、左心房、竖脊肌、胸壁皮下脂肪的CT值及SD值，并计算相应影像的对比噪声比（CNR）。对3种影像的影像质量采用5分法进行主观评价。分别记录平扫及增强扫描的辐射剂量。采用单因素方差分析对3种影像的客观评价指标进行比较，以TNC影像是的CT值为因变量，通过简单线性回归分析对双期VNC影像的CT值进行校正，然后绘制Bland-Altman plot散点图进行一致性分析。采用Friedman H检验比较3种影像的影像质量的主观评分。采用Kappa检验分析2名医师对3种影像主观评分的一致性。结果VNCA及VNCV影像上病灶、肺动脉干、胸主动脉、左心房、竖脊肌及胸壁皮下脂肪的CT值均高于TNC影像（均P0.05），VNCA影像上肺动脉干、胸主动脉、左心房的CT值均高于VNCV影像（均P0.05），VNCA影像上胸壁皮下脂肪的背景噪声高于TNC影像（P0.05）；经线性回归校正后，动脉期肺动脉干、胸主动脉、左心房、竖脊肌以及静脉期病灶、胸主动脉、左心房、竖脊肌、胸壁皮下脂肪VNC与TNC影像中CT值的差值在一致性界限外的数据点比例均5%，在上述各组织中2种影像方法具有良好的一致性。2名医师对3种影像的主观评分差异无统计学意义（P0.05）。VNC较TNC影像的总辐射剂量减少4.73 mSv，降低约33.4%。结论DLCT的VNC技术在肺部具有较好的碘抑制能力，VNC影像可替代TNC影像进行肺癌诊断。【关键词】双层探测器光谱CT；肺癌；虚拟平扫；影像质量；辐射剂量中图分类号：R814.4文献标志码：AImage quality of dual-layer spectral chest CT:virtual non-contrast in comparison to true non-contrastimagesMU Ronghua,LI Xin,HUANG Guangyi,YANG Xuri,DENG Meimei,ZHU Xiqi.Department of Radiology,Nanxishan Hospital of Guangxi Zhuang Autonomous Region,Guilin 541004,China.Corresponding author:ZHU Xiqi,E-mail:【Abstract】ObjectiveTo explore the diagnostic value of dual-layer detector spectral CT(DLCT)virtual non-contrast(VNC)in lung squamous cell carcinoma and adenocarcinoma.MethodsWe conducted a retrospective analysis of 98patients(46 males,average age 55.47.7 years)who underwent DLCT imaging of the lungs,including unenhanced andenhanced scans,one week prior to surgery.The imaging protocol resulted in three types of images:true non-contrast(TNC),arterial phase VNC(VNCA),and intravenous VNC(VNCV).Two radiologists recorded CT and standard deviation(SD)values oflesions,as well as those of the pulmonary trunk,thoracic aorta,left atrium,erector spinae muscles,and subcutaneous fat in allthree image types.Contrast-noise ratio(CNR)was calculated for various images,and image quality was subjectively evaluatedusing a five-point scale.The radiation dose during the plain and enhanced scan periods was recorded separately.One-wayanalysis of variance was used to compare the objective evaluation indices of each tissue among the three image types,with theCT values of TNC images serving as the dependent variable.Simple linear regression analysis was performed to correct theCT values of dual-stage VNC images,and a Bland-Altman scatter diagram was used to assess consistency.The Friedman Htest was employed to compare subjective ratings of image quality among the three image types.The Kappa test was used to作者单位：广西壮族自治区南溪山医院放射科，桂林541002通信作者：朱西琪，E-mail：基金项目：广西壮族自治区卫生健康委员会自筹经费科研课题（Z20201422）DOI:10.19300/j.2023.L20039论 著383国际医学放射学杂志 23 Jul鸦46穴4雪analyze the consistency between the subjective image ratings of the two radiologists.ResultsOur results showed that the CTvalues of lesions,pulmonary artery,thoracic aorta,left atrium,erector spinae muscles,and subcutaneous fat on VNCAand VNCVimages were significantly higher compared to those on TNC images(all P0.05).On VNCAimages,the CT values of pulmonaryartery,thoracic aorta,and left atrium were higher than those on VNCVimages(all P0.05).The noise of subcutaneous fat onVNCAimage was more prominent than that of TNC image(P0.05).Additionally,we observed a reduction of approximately 33.4%(4.73 mSv)in the total radiation dose for VNCscans.ConclusionVNC imaging using DLCT demonstrates effective iodine suppression in lung tissue,and VNC imagescan be used as a substitute for TNC images in the diagnosis of lung cancer.【Keywords】Dual-layer spectral detector CT;Lung cancer;Virtual non-contrast;Image quality;Radiation dose ，23，46（4）：383-389肺癌是常见的恶性肿瘤，也是死亡的主要原因，其中非小细胞肺癌约占 85%1。双层探测器光谱 CT（dual-layer spectral detector CT，DLCT）在获取光谱影像的同时可获取 CT 真实平扫（true non-contrast，TNC）影像，光谱影像通常包括虚拟单能级、虚拟平扫（virtual non-contrast，VNC）、碘浓度图以及有效原子序数图等。DLCT 中的 VNC 技术已较为广泛地应用于腹部的研究2-4。但目前尚未见研究其是否可以替代 TNC 影像对肺部肿瘤性病变进行定性分析的文献报道。本研究旨在分析 DLCT 双期胸部 VNC 影像替代 TNC 影像的可行性，并初步探讨其在肺鳞癌与腺癌诊断中的价值。1资料与方法1.1一般资料回顾性收集 2021 年 16 月在广西壮族自治区南溪山医院行胸部 DLCT 平扫及增强检查并经手术病理证实为肺鳞癌或腺癌的病人 98例，男 46 例，女 52 例，年龄 4169 岁，平均（55.47.7）岁。其中鳞癌 51 例，腺癌 47 例。纳入标准：（1）术前 1 周内行 DLCT 扫描；（2）肿瘤短径2 cm 呈实性结节或肿块；（3）临床资料完整；（4）未进行过临床抗肿瘤治疗；（5）CT 检查影像质量能够满足诊断要求。排除标准：（1）肿瘤与阻塞性肺炎、肺不张或纵隔淋巴结分界不清，影响肿瘤的观察与测量；（2）肿瘤内有超过 1/2 的坏死区；（3）肺内多发转移或伴有远处转移。（4）合并其他恶性肿瘤。1.2设备与方法采用 Philips 双层探测器 IQon光谱 CT 设备行胸部 CT 常规平扫及动、静脉双期增强扫描检查。病人仰卧位，扫描范围自肺尖至膈肌水平。采用双筒高压注射器经肘正中静脉注射非离子型对比剂碘普罗胺（含碘 300 mg/mL，拜耳公司），注射剂量 1.01.5 mL/kg 体质量，注射流率 3.0 mL/s，然后以相同的流率注射 30 mL 生理盐水。采用团注示踪技术以减少个体间的循环差异，监测点放置于气管隆嵴水平降主动脉，触发阈值为 150 HU；达到阈值后延迟 2 s 开始动脉期扫描，注射对比剂 36 s后进行静脉期扫描。扫描参数：管电压 120 kV，光谱CT 自适应管电流，准直器宽度 640.625 mm，螺距1.234，转速 0.27 s/r，矩阵 512512。扫描完成后将获得的数据分别进行混合迭代重建（iDose4，level 4）和投影空间光谱重建（Spectral，level 4），图像重建层厚和层间距均为 1 mm。分别获得 TNC、动脉期 VNC（VNCA）和静脉期 VNC（VNCV）影像（图 1）。1.3影像分析与客观评价将数据传送到 PhilipsSpectral Diagnost Suite 9.0 工作站进行分析。由 1 位具有 7 年胸部 CT 诊断经验的医师在动脉期增强影像上勾画兴趣区（ROI），选择病灶、肺动脉干、胸主动脉、左心房、竖脊肌及胸壁皮下脂肪最大横截面及上下相邻共 3 个层面影像，ROI 尽可能大（面积接近组织区域的 1/22/3），避开有明显血管、钙化、囊变和坏死的区域。采用复制功能将 ROI 粘贴到 TNC、VNCA及 VNCV影像中，根据需要进行手动调整以校正增强扫描影像和 CT 平扫影像之间的呼吸运动差异。测量每个 ROI 上的 CT 值及标准差（SD），取 3 个层面测量结果的平均值作为每个 ROI 的最终结果，并计算各结构对比噪声比（contrast noiseratio,CNR），计算公式：CNR=|CT 值组织CT 值竖脊肌/背景噪声；384国际医学放射学杂志 23 Jul鸦46穴4雪背景噪声=SD胸壁皮下脂肪。1.4主观评价由 2 名分别具有 3 年及 6 年胸部CT 诊断经验的放射科医师对影像质量进行主观评价，评分标准采用 5 分制5，若有分歧则通过商讨确定。1 分为优秀，无明显噪声及伪影，解剖结构和病变显示清晰，可以明确评估；2 分为良好，有轻微噪声及伪影，解剖结构和病变显示比较清晰，可以进行评估；3 分为中等，有部分噪声及伪影，大部分解剖结构和病变显示仍可用于诊断；4 分为差，有严重噪声及伪影，解剖结构和病变显示不清晰，多数部位不可用于诊断；5 分为无法诊断。由上述 名放射科医师记录 VNC 和 TNC 影像上肺癌形态学特征，包括病灶直径（长、短径）、外部特征（轮廓、边界、分叶征、毛刺征）、内部特征（空气支气管征、空泡征、液化坏死、钙化）及其他征象（胸膜凹陷征、纵隔/肺门淋巴结肿大）。1.5有效辐射剂量记录平扫及增强扫描 CT 剂量容积指数（computed tomography dose index volume，CTDIvol）和剂量长度乘积（dose-length product,DLP），计算有效辐射剂量（effective dose，ED），ED=kDLP，k 为转换因子 0.014 mSv mGy-1 cm-16。1.6统计学方法采用 SPSS 21.0.0 和 MedCalc19.0.4 软件进行数据分析，并使用 GraphPad Prism9.0.2 软 件 对 数 据 进 行 可 视 化 处 理。采 用Kolmogorov-Smirnov 法对计量资料进行正态分布检验，符合正态分布的计量资料以均数标准差（）表示，3 组间比较采用单因素方差分析，进一步两两比较采用 Bonferroni 检验；非正态分布的计量资料以中位数M（P25，P75）表示，3 组间比较采用 FriedmanH 检验。计数资料以例（%）表示，3 组间比较采用卡方检验。分别以双期 VNC 影像上的 CT 值为自变量，以 TNC 影像各组织的 CT 值为因变量，建立简单线性回归模型，利用线性回归模型得到的斜率作为比例常数，对双期 VNC 影像 ROI 上的 CT 值进行校正，绘制 Bland-Altman 散点图分析校正后的VNC 影像 CT 值与 TNC 影像 CT 值的一致性，一致性界限（limits of agreement，LOA）表示为差值均值（Mean）1.96 SD，界外占比5%则说明 2 种测量方法一致性较好。采用 Kappa 检验分析 2 名医师间主观评分的一致性，0.40 表示一致性较差；0.400.75 表示一致性中等；0.75 表示一致性较好。P0.05 为差异有统计学意义。2结果2.13 种影像客观评价指标比较3 种影像上病灶、肺动脉干、胸主动脉、左心房、竖脊肌及胸壁皮下脂肪的 CT 值差异均有统计学意义（均 P0.05），VNCA及 VNCV影像显示上述各组织的 CT 值均高于 TNC 影像（均 P0.05），VNCA影像上肺动脉干、胸主动脉、左心房的 CT 值均高于 VNCV影像（均 P0.05）。VNCA影像上胸壁皮下脂肪的背景噪声高于TNC 影像（P0.05）。3 种影像中病灶、肺动脉干、胸主动脉、左心房的 CNR 值差异均无统计学意义（均P0.05）。详见表 1。2.2VNC 与 TNC 影像中各组织 CT 值的线性拟合及其一致性分析双期 VNC 影像与 TNC 影像上所有组织 CT 值均具有良好的线性拟合关系（均 P0.05），见图 2。VNC 影像中各组织校正后的 CT 值与TNC影像的一致性分析显示，动脉期肺动脉干（4.08%）、胸主动脉（4.08%）、左心房（2.04%）、竖脊肌（3.06%）以及静脉期病灶（4.08%）、胸主动脉图 1肺癌病人光谱 CT TNC 及 VNC 影像。A1-A3 图分别为左肺鳞癌病人的 TNC、VNCA及 VNCV影像。B1-B3 图分别为右肺腺癌病人的 TNC、VNCA及 VNCV影像。A1A2A3B1B2B3385国际医学放射学杂志 23 Jul鸦46穴4雪表 1TNC 及双期 VNC 影像上各兴趣区的客观评价指标比较n=98影像病灶肺动脉干CT 值/HUCNRCT 值/HUCNRCT 值/HUTNC32.006.57*#1.720.99 45.916.94*#0.630.4746.236.77*#VNCA36.297.371.861.05 52.597.63#0.780.6553.077.84#VNCV34.607.001.941.02 47.477.170.820.64 50.367.13F5.3692.47920.8675.12222.043P0.0050.2890.0010.0770.001胸主动脉CNR0.650.450.770.680.840.692.8010.247左心房竖脊肌胸壁皮下脂肪CT 值/HUCNRCT 值/HUCT 值/HU背景噪声45.935.54*#0.570.4449.105.93*#-102.2110.50*#11.292.91*51.776.17#0.650.4855.427.45-97.5811.6812.553.3948.886.080.740.6453.126.63-98.9710.8511.843.1623.6553.29922.3754.5493.9200.0010.1920.0010.0110.021*与 VNCA比较，#与 VNCV比较，P0.05。（3.06%）、左心房（4.08%）、竖脊肌（4.08%）、胸壁皮下脂肪（3.06%）VNC 与 TNC 影像中 CT 值的差值在LOA 界限外的数据点比例均5%，在上述各组织中 2 种影像方法具有良好的一致性；而动脉期病灶、胸壁皮下脂肪以及静脉期肺动脉干 VNC 与TNC 影像中 CT 值的差值在 LOA 界限外的数据点比例均为 5.10%（均5%），见图 3。2.32 名医师主观评分的一致性分析TNC、VNCA与 VNCV3 种影像的主观评分均为 2.0（1.0，2.0），差异无统计学意义（H=1.078，P=0.581）。2 名医师对TNC、VNCA与 VNCV主观评分的一致性较好（分别为 0.89、0.91、0.89，均 P0.05），见表 2。2.43 种影像上肿瘤形态学特征指标比较TNC、VNCA与 VNCV3 种影像间肿瘤各形态学特征指标的差异均无统计学意义（均 P0.05），见表 3。2.52 种影像的辐射剂量比较VNC 影像的 CTDIvol为（19.674.33）mGy，DLP 为（674.28167.36）mGy cm，ED 为（9.44 2.45）mSv；TNC 影 像 的 CTDIvol为（28.116.67）mGy，DLP 为（1011.79238.32）mGy cm，ED 为（14.173.34）mSv；VNC 较 TNC 影像的总辐射剂量减少 4.73 mSv，降低约 33.4%。3讨论DLCT 采用 1 个 X 线球管和 2 个探测器进行影像采集，其成像技术与其他能谱 CT 不同，是基于上、下 2 层探测器分别采集高低 2 种能量的数据，同时保证时间和空间上完美地契合，避免了不同能量射线之间的相互干扰，保证了数据的精度7，真正实现了“同时、同源、同向、同步”成像8。VNC 影像是DLCT 后处理算法中的一种，它基于增强图像算法，通过从软组织中选择性地抑制碘对比剂及能量重建模拟出平扫影像9-10。DLCT 中 VNC 对碘对比剂有良好的抑制作用，并能与 TNC 影像之间保持良好的一致性，进而替代 TNC 影像进行定性诊断11-12。本研究使用增强双期 VNC 影像验证了 VNC 技术在胸部具有较好的碘抑制能力。研究发现双期VNC 影像对肺部肿瘤及胸部其他组织的 CT 值估算图 2双期增强 VNC 影像与 TNC 影像上各组织 CT 值的线性拟合关系图。A-F 图分别为病灶、肺动脉干、胸主动脉、左心房、竖脊肌及胸壁皮下脂肪的相应关系图，红色代表 VNCA，蓝色代表 VNCV。DEFABC386国际医学放射学杂志 23 Jul鸦46穴4雪稍高，在经过校正后通过 Bland-Altman plot 分析发现，除动脉期病灶、胸壁皮下脂肪及静脉期肺动脉干外，其他各组织 CT 值在 VNC 与 TNC 影像之间具有良好的一致性。考虑一方面可能是由于动脉期肿瘤及动、静脉期胸腔大血管对比剂充盈过度导致碘抑制不足引起的；另一方面与迭代重建算法有关13，即在进行物质分解算法的过程中，其准确性可能受到周围其他物质的干扰14。有研究15显示，胸部虚拟平扫技术能提供各部位较准确的 CT 值,获得良好的影像质量,满足肺癌的临床诊断需求,并降低辐射剂量，本研究结果与其基本一致。另有研究16-17显示，在胸部疾病诊断中，VNC 影像可替代 TNC 影像对食管癌及肺气肿进行评估。也有研究发现应用 VNC影像在临床应用中会有一定的局限性，如 Cao 等3研究表明，VNC 影像会高估肾上腺结节的 CT 值；而另一项研究9则表明 VNC 影像可能会过度抑碘，导图 3VNC 与 TNC 影像 CT 值一致性分析 Bland-Altman 散点图。A-F 图和 G-L 图分别为 VNCA影像与 TNC 影像、VNCV影像与TNC 影像上的病灶、肺动脉干、胸主动脉、左心房、竖脊肌及胸壁皮下脂肪 CT 值一致性的 Bland-Altman 散点图。ABCDEFGHIJKL表 22 名医师对 TNC 及双期 VNC 影像主观评分一致性分析例（%）观察者TNC 影像VNCA影像VNCV影像1 分2 分35 分1 分2 分35 分1 分2 分35 分P0.0010.0010.001医师 A38（38.8）60（61.2）0（0.0）33（33.7）65（66.3）0（0.0）39（39.8）59（60.2）0（0.0）医师 B43（43.9）55（56.1）0（0.0）37（37.8）61（62.2）0（0.0）44（44.9）54（55.1）0（0.0）0.890.910.89387国际医学放射学杂志 23 Jul鸦46穴4雪致甲状腺 CT 值降低。影响 VNC 影像 CT 值的因素很多，例如扫描设备、方案，对比剂注射方式、浓度以及背景器官的大小及组织成分等9，18-19。VNC 影像能否替代 TNC 影像还取决于其影像质量是否良好。CNR 作为客观评价影像质量的关键参数，其值越高代表影像质量越高。本研究发现，VNC 与 TNC 影像上各组织的 CNR 值无明显差异，这与既往研究20-21的结果基本一致。另有研究22发现，在双源能谱 CT 中，VNC 影像的主、客观影像质量均低于 TNC 影像，这可能是因为不同 CT 扫描设备及 VNC 技术会因基于重建图像进行抑碘、双能量射线存在交叉等原因造成物质分离、抑碘不足或数据丢失、未利用有关，从而出现部分碘仍存在于VNC 影像中且无法完全抑制的情况。但本研究发现DLCT 的 VNC 技术可以消除基于重建图像进行抑碘的部分误差，获得与 TNC 相同的影像质量，这与既往研究21，23-24结果一致。此外，2 名医师使用 5 分法对 TNC、VNCA与 VNCV3 种影像进行主观评分，结果发现评分均在 2 分以下，并且对 3 种影像间评分差异无统计学意义，这表明 VNC 具有良好的影像质量。CT 形态学参数是判断疾病良恶性及其病理分型的重要指标，为临床诊疗提供了重要价值。因此，本研究进一步探讨了通过观察肺部病变的形态学特征在 VNC 影像上对肺鳞癌与腺癌进行初步诊断的可行性，结果显示在 VNC 影像与 TNC 影像上，肿瘤的形态学特征表现相似，这为 VNC 影像替代TNC 影像在临床诊断中的应用提供了依据。这与牛丹丹等15关于肺癌的研究结果基本一致，但不同之处在于他们发现 VNC 影像无法准确显示细小钙化，这可能与扫描设备及重建算法有关。本研究还显示，在胸部动静脉双期增强扫描时，使用 VNC 技术替代 TNC，可减少约 1/3 的扫描剂量，这与以往研究5，9结果相仿。本研究存在以下局限性：（1）本研究是一项单中心、回顾性研究且样本量较少；（2）只评估了肺鳞癌与腺癌，未对其他类型肿瘤及良性病变进行分析；（3）仅纳入了短径2 cm 的实性病变，未对磨玻璃结节或混杂磨玻璃结节进行研究。未来需要进行多中心、前瞻性、大样本研究，对病种进行扩充，进一步对本研究结论进行支持与补充。综上所述，肺癌病人胸部 VNC 影像在降低辐射剂量的同时还能够保证影像质量，并有助于显示病灶，具有替代 TNC 影像的潜质，值得推广。参考文献：1NAGANO H,TAKUMI K,NAKAJO M,et al.Dual-energy CT-derived electron density for diagnosing metastatic mediastinal lymphnodes in non-small cell lung cancer:comparison with conventionalCT and FDG PET/CT findings J.AJR,2022,218:66-74.DOI:10.2214/AJR.21.26208.2NAGAYAMA Y,INOUE T,ODA S,et al.Adrenal adenomas versusmetastases:diagnostic performance of dual-energy spectral CTvirtual noncontrast imaging and iodine maps J.Radiology,2020,296:324-332.DOI:10.1148/radiol.2020192227.3CAO J,LENNARTZ S,PARAKH A,et al.Dual-layer dual-energyCT for characterization of adrenal nodules:can virtual unenhancedimages replace true unenhanced acquisitionsJ.Abdom Radiol(NY),2021,46:4345-4352.DOI:10.1007/s00261-021-03062-3.表 3TNC 及双期 VNC 影像上肿瘤形态学特征指标比较n=98影像直径/外部特征/例（%）长径短径轮廓不规则边界不清晰分叶征毛刺征TNC4.30（3.31，5.67）2.99（2.29，4.18）52（53.1）53（54.1）43（43.9）45（45.9）VNCA4.36（3.44，5.71）3.03（2.40，4.28）53（54.1）52（53.1）48（49.0）48（49.0）VNCV4.25（3.27，5.72）3.02（2.15，4.21）51（52.0）52（53.1）46（46.9）44（44.9）检验值0.078a0.214a0.082b0.027b0.519b0.355bP0.9620.8980.9600.9860.7710.837影像内部特征/例（%）其他征象/例（%）空气支气管征空泡征液化坏死钙化胸膜凹陷征纵隔/肺门淋巴结肿大TNC46（46.9）12（12.2）27（27.6）15（15.3）37（37.8）12（17.3）VNCA43（43.9）12（12.2）27（27.6）13（13.3）34（34.7）16（12.3）VNCV44（44.9）10（10.2）25（25.5）12（12.2）34（34.7）15（15.3）检验值0.148b0.266b0.338b0.405b0.267b0.149bP0.9280.8750.9930.8170.8750.928a为 H 值，b为 2值。388国际医学放射学杂志 23 Jul鸦46穴4雪4LIANG H,DU S,YAN G,et al.Dual-energy CT of the pancreas:comparison between virtual non-contrast images and true non-contrast images in the detection of pancreatic lesion J.AbdomRadiol(NY),2023.DOI:10.1007/s00261-023-03914-0.5ANANTHAKRISHNAN L,RAJIAH P,AHN R,et al.Spectraldetector CT-derived virtual non-contrast images:comparison ofattenuation values with unenhanced 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