极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究

《极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

１日２８５，学校制；１３学号：２０５２＾０％■系訓乂爭ｉｍＳＯＯＣＨＯＷＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ■ＨＤＱＱ＾＾Ｈ，．Ｍ■■ＷＫｉｍＩ，｜Ｍｔ＾｜＂Ｉ画！琴Ｉ极低剂量ＣＴ联合全模型迭代重建算法ＯＭＩＯ评价胸部病变显示能力的模体和临床硏究＇ＴｈｅｐｈａｎｔｏｍａｎｄｃｌｉｎｉｃｓｔｕｄｙｏｌｉｍｐａｃｔｏｆＩｔｅｒａｔｉｖｅＭｏｄｅｌ民ｅｃｏｎｓｔｍｅｔｉｏｎｏｎ１：ｈｅＣＴｉｍａｅｕａｌｉｔｙａｎｄｎｉｄｉａｔｉｏｎｄｏｓｅ…ｇｑ…ｉ＂．”＾’．’……―—＂＂＾＂＂＇．ｉ：；；．；：；研究生姓名袁殊她指导教！１瞧名蜜建平专业名称纖ｉｌ学与核医学研究方向胸部影像所在院部苏州大学画第二医院论文提交日期２０化年５月 苏州大学学位论文独创性声明本人郑重声明：所提交的学位论义是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。论文作者签名：请森日期： 苏州大学学位论文使用授权声明本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定，即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院义献信息情报中也、中国科学技术信息研究所（含万方数据电子出版化）、中国学术斯刊（光盘版）电子杂志化送交本学位论文的复印件和电子文档，允许论文被査阅和借阅，可Ｗ采用影印、缩印或其他复制手段保存和汇编学位论文，可将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。涉密论文〇本学位论文属在年月解密后适用本规定。非涉密论：．论义作者签名’玉：期：）乂＿日导师签名：日期：、气 极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究中文摘要第一部分全模型迭代重建算法（IMR）的Catphan模体研究目的：评价全模型迭代重建算法（knowledgebasediterativemodelreconstruction，IMR）对CT客观图像质量的影响，探讨IMR降低扫描剂量的潜力。3D资料与方法：采用飞利浦微平板iCT，在管电压120kV条件下，分别采用11/20/30/40/50/60/70/80/90/100/200/300/400/500mAs的管电流扫描Catphan600模体，原始数据分别使用FBP和iDose4（Standard(B)）/IMR2（Routine、Soft和SharpPlus）重建,记录并比较扫描剂量及图像的CT值测量准确性、空间分辨率、密度分辨率、图像均匀性和噪声。结果：①.IMR迭代重建可提高水及低密度物质的｜CT值｜（P<0.05），对高密度物质的CT值无影响（P>0.05）；②.FBP和iDose4（Standard(B)）、IMR2（Routine、Soft和SharpPlus）重建图像的空间分辨率分别为6.48±0.60、6.51±0.46、8.29±0.38、7.16±0.32、9.49±0.37lp/cm，总体差异有统计学意义（P<0.05），IMR（SharpPlus）的空间分辨率最高；③.图像对比度分别为0.70±0.44、0.50±0.31、0.33±0.17、0.18±0.10、1.20±0.48%，整体差异有统计学意义（P<0.05），IMR（Soft）的密度分辨率最高；④.SD值分别为8.29±4.91、5.87±3.34、3.70±1.24、2.11±0.78、14.71±5.13Hu，整体差异有统计学意义（P<0.05），IMR（Soft）的噪声最低；⑤.图像均匀性分别为2.80±1.36、2.73±1.24、2.21±0.90、2.20±0.78、2.01±1.08Hu，差异无统计学意义（P>0.05）；⑥.低剂量CT（LDCT）联合IMR的空间分辨率和密度分辨率分别为8.0lp/cm@10%MTF、0.21%@5mm@2.2mGy，极低剂量CT（ULDCT）联合IMR的空间分辨率和密度分辨率分别为7.6lp/cm@10%MTF、0.50%@5mm@0.8mGy。结论：相对于FBP及iDose4重建，IMR（Soft）迭代重建算法可以显著降低噪声、提高密度分辨率，IMR（SharpPlus）可以明显提高空间分辨率；LDCT和ULDCT联合IMR可用于胸部CT肺癌筛查。关键词：全模型迭代重建算法，Catphan模体，辐射剂量，图像质量，CT 第二部分极低剂量CT联合IMR评价胸部解剖结构及病变显示能力的临床研究目的：评价ULDCT联合IMR迭代重建显示胸部解剖结构及病变的能力。资料与方法：收集胸部CT平扫的门诊或住院病人40例。同时行低剂量（120Kv，30mAs）和极低剂量（120Kv，10mAs）扫描，原始数据行iDose4和IMR2重建，并分别用相应的重建参数重建肺窗和纵隔窗，共得到八组图像：LD-iDose(L)/(M)组，LD-IMR(L)/(M)组，ULD-iDose(L)/(M)组和ULD-IMR(L)/(M)组。记录各组的有效剂量、图像噪声及病变显示数目，按1-3分主观评分法评价外周支气管血管束、纵隔和胸壁正常解剖结构的显示质量。结果：①.ULDCT组的有效剂量为0.37±0.03mSv，较LDCT组（1.07±0.09mSv）降低了65.42%（P<0.05）；②.IMR重建的SD值明显低于iDose重建（P<0.008）；③.外周支气管血管束的图像质量主观评分，LD-iDose(L)，LD-IMR(L)，ULD-IMR(L)三组间的差异均无统计学差异（P>0.008），ULD-iDose(L)与前三组的差异均有统计学意义（P<0.008）；④.纵隔、胸部解剖结构的图像质量主观评分，LD-iDose(M)，LD-IMR(M)，ULD-IMR(M)三组间的差异均无统计学差异（P>0.008），ULD-iDose(M)与前三组的差异均有统计学意义（P<0.008）；⑤.ULD-IMR与LD-iDose，LD-IMR显示肺部、纵隔、胸膜等病变的能力相同，ULD-iDose则有4个磨玻璃结节和4个肺大泡漏检。结论：IMR迭代算法可以显著降低噪声，在极低剂量胸部CT平扫中获得满足临床疾病诊断需求的图像。关键词：全模型迭代重建算法，肺部病变，纵隔病变，极低剂量，图像质量，CT作者：袁姝娅指导教师：龚建平II ThephantomandclinicstudyofimpactofIterativeModelReconstructionontheCTimagequalityandradiationdoseABSTRACTPartone.ThephantomstudyofknowledgebasedIterativeModelReconstructionObject:ToevaluationtheCTimagequalityanddosereductionusingknowledgebasediterativemodelreconstruction(IMR)inaphantomstudy.MaterialsandMethods:Catphan600phantomwasscannedbya256-sliceCT(PhilipsBrilliance256iCT)with120kVandvariedmAsfrom11to500,rawdatawerereconstructedbyfilteredbackprojection(FBP),iDose4andIMR2(Routine,SoftandSharpPlus).ThevolumeCTdoseindex(CTDIvol)wererecordedfordoseevaluation.TheevaluatedimagequalityparameterswereCTvalues,spatialandlow-contrastresolution,imageuniformityandnoise.Results:①.TheCTvaluesofPMP,LDPEandpolystyrenewerelowerusingIMR2thanusingFBPandiDose4(P<0.05),theCTvaluesofwaterwerehigherusingIMR2thanusingFBPandiDose4(P<0.05).②.Thedifferencesofspatialresolution6.48±0.60、6.51±0.46、8.29±0.38、7.16±0.32、9.49±0.37,low-contrastresolution0.70±0.44、0.50±0.31、0.33±0.17、0.18±0.10、1.20±0.48andnoise8.29±4.91、5.87±3.34、3.70±1.24、2.11±0.78、14.71±5.13forFBP,iDose4andIMR2(Routine、SoftandSharpPlus)werestatisticallysignificant(P<0.05).③.Therewasnosignificantdifferenceinimageuniformity2.80±1.36、2.73±1.24、2.21±0.90、2.20±0.78、2.01±1.08betweendifferentIRalgorithms(P>0.05).④.Thespatialandlow-contrastresolutionofLDCT-IMRis8.0lp/cm@10%MTFand0.21%@5mm@2.2mGy，ofULDCT-IMRis7.6lp/cm@10%MTF、0.50%@5mm@0.8mGy.Conclusion:ComparedtoFBPandiDose4algorithms,IMR2(Soft)canIII significantlyreducenoiseandimprovelow-contrastresolution,IMR(SharpPlus)cansignificantlyimprovespatialresolution,IMRcombinewithLDCT/ULDCTcanbeusedforlungcancercancer.KeyWords:knowledgebasediterativemodelreconstruction(IMR);Catphanphantom,radiationdose,imagequality,ComputedTomography.Parttwo.TheeffectofIterativeModelReconstructiononclinicalapplicationofultralow-dosenon-enhancedchestCTObject:ToevaluatethefeasibilityofusingIterativeModelReconstructioninultralow-dosenon-enhancedchestCT.MaterialsandMethods:40patientswhounderwenttwoconsecutivenon-enhancedscansincludinglow-doseCT(120kV,30mAs)andultralow-doseCT(120kV,10mAs)withrawdatareconstructionusingiDose4(Sharp(C)/Smooth(A))andIMR(SharpPlus/Soft)wereenrolled.Theeffectivedose,imagenoise,detectionfrequenciesoflesion,subjectiveevaluationofnormallungandmediastinalstructurewereassessed.Results:①Effectivedosewas65.42%lessfortheultralow-doseprotocol(P<0.001).②ComparedtoLD-iDose,theimagenoisewerelower(P<0.008)inLD-IMRandULD-IMR.③ImagequalityofULD-iDosewaslowerthanLD-iDose，LD-IMR，ULD-IMR（P<0.008）.④ImagequalityofULD-iDosewassignificantlyinferiorfordetectionofGGO,emphysema.Conclusion:IMRallowsultralow-doseCTandaffordsdiagnosticacceptableimagequality.KeyWords:IMR,pulmonarylesions,mediastinallesions,ultralow-dose,imagequality,CT.Writtenby:YuanShuyaSupervisedby:GongJianpingIV 目录前言....................................................................................................................................1参考文献............................................................................................................................4第一部分全模型迭代重建算法（IMR）的CATPHAN模体研究...............................7材料与方法........................................................................................................................7结果................................................................................................................................11讨论................................................................................................................................18参考文献..........................................................................................................................22第二部分极低剂量CT联合IMR评价胸部解剖结构及病变显示能力的临床研究.24材料与方法......................................................................................................................24结果................................................................................................................................28讨论................................................................................................................................31参考文献..........................................................................................................................34结论..................................................................................................................................37综述..................................................................................................................................38参考文献..........................................................................................................................42攻读学位期间公开发表的论文..........................................................................................45中英文缩略词表..................................................................................................................46致谢..................................................................................................................................47 极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究前言前言[1]肺癌的发病率和死亡率是全球恶性肿瘤中最高的。在中国，肺癌每年新发病例约60万，死亡病例约49万占肿瘤相关死亡人数的26.85%，现居我国肿瘤相关死[2]因的首位。降低肺癌死亡率的关键在于早期发现，而早期肺癌常无明显临床症状，需要通过健康体检来达到早期诊断的目的。常规胸部X线摄片是肺癌筛查的主要手段之一，但由于组织结构重叠、密度分辨率低，早期肺癌的诊断效能低。CT具有较高的空间分辨率、密度分辨率及各向[3]同性的特点，明显提高了早期肺癌的检出率。2011年，美国全国肺癌筛查试验（NationalLungCancerScreeningTrial，NLST）结果证实，低剂量CT（LowDoseCT，[4]LDCT）肺癌筛查可降低20%的肺癌病死率，LDCT肺癌筛查已成为研究热点。普[5]通CT一次扫描的放射剂量约为8mSv，而LDCT的剂量约为普通CT剂量的1/5。LDCT是指在维持图像质量满足诊断要求的前提下，降低辐射剂量。扫描技术[6,7]参数的优化是以往降低剂量的主要方法，包括：①降低管电流：剂量与管电流成线性关系，合理降低管电流来降低辐射剂量效果直接且易操作，是最常用的方法；②降低管电压：辐射剂量与管电压的2-3次幂成正比，即管电压的小幅度降低即可[8]引起辐射剂量的较大变化，但同时噪声会明显增加、图像分辨率下降；③增加螺距：增大螺距可缩短扫描时间，相应降低辐射剂量；④自动管电流调制技术：根据[9]被检人体结构的厚薄自动调制管电流，优化调整管电流并维持图像质量不变，提高X线的利用效率。降低剂量最主要的后果是减少了X线的光子量、增加图像噪声。传统滤波反投影（filteredbackprojection，FBP）算法过去一直被作为CT图像[10]重建算法的基础和“金标准”，利用滤过功能或卷积算法平衡最终重建图像的噪声[11]和空间分辨力，这类算法对投影数据量的要求较高，实际上限制了CT扫描剂量的降低。为了解决LDCT所产生的图像噪声增加问题，国内外学者致力于CT迭代重建技术的研究。随着计算机软硬件技术的发展，逐步克服了其重建时间长的缺点，并逐渐应用于临床。2008年，GE公司首推了基于系统统计模型的自适应统计迭代重建技术（AdaptiveStatisticalIterativeReconstruction，ASiR）,随后西门子公司推出1 前言极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究了图像空间迭代重建技术（IterativeReconstructioninImagespace，IRIS）、东芝公司发布了自适应剂量降低迭代重建算法（AdaptiveIterativeDoseReduction，AIDR）；4[12]2011年，飞利浦公司的混合迭代重建技术iDose（第4版）（iDose）问世。上述4迭代重建算法可归类于混合迭代重建技术。以iDose技术为例，其采用双模型迭代重建算法，首先对投影数据以FBP法重组，再利用数学模型及矩阵代数有效的识别[13][14]4并去除噪声。Arapakis等研究表明，iDose重建同一患者的图像，噪声较FBP[15]图像明显降低。李金霞等进行的模体研究结果显示，扫描剂量降低至50%-60%44后应用iDose重建可以得到与FBP图像相似的密度分辨率。但是，iDose迭代重建技术仍是基于FBP的部分迭代技术，在进行图像重建时未能考虑系统硬件和部分入[16]射X线的光子特征对图像的影响，限制了辐射剂量的进一步降低。4继iDose之后，飞利浦公司又发布了最新的不含FBP成分的完全迭代重建技术──全模型迭代重建（knowledgebasediterativemodelreconstruction，IMR）技术，其原理是，在图像空间和数据空间通过不断对图像统计模型、数据统计模型及系统[17]4模型进行最优化而达到降噪目的。与iDose技术相比，可进一步降低噪声，并能[18]提高密度分辨率。Mehta的模型研究表明，与FBP相比较，IMR可以降低60%-80%的辐射剂量，同时减少70%-83%的噪声并提高43%-80%的密度分辨率。西门子公司推出了基于原始数据的迭代重建技术（SinogramaffirmedIterativeReconstruction，SAFIRE）,GE公司推出了基于模型的迭代重建技术（ModelbasedIterativeReconstruction，MBIR，商品名VEO）。上述这类迭代重建算法可归类于全模型迭代重建技术。由于全模型迭代重建强大的降噪能力，国内外学者已开始研究极低剂量CT[19,20]（Ultra-LowDoseCT，ULDCT）在早期肺癌筛查及肺部病变检测中的价值。[21]ULDCT是指一次胸部CT检查的辐射剂量小于1mSv，ULDCT联合全模型迭代重建技术能明显改善图像客观评价指标【图像噪声、信噪比（SNR）和对比噪声比[22]（CNR）】。ULDCT模式下的空间分辨率与肺部病变的显示和诊断密切相关（肺窗观察），密度分辨率与纵隔和胸壁病变的显示和诊断密切相关（纵隔窗观察）。有[23,24]学者使用Catphan模研究了全模型迭代对图像噪声和密度分辨率的影响，但对IMR重建联合ULDCT模式下的空间分辨率、密度分辨率、CT值准确性及图像均2 极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究前言匀性等指标尚无文献报道。在临床实际工作中，并不能单从客观图像质量指标考虑，迭代算法固然可以显著降低图像噪声，但过高的迭代重建所产生的“模糊效应”对解剖结构可视程度及病变检测率的影响亦不可忽视。目前，国外关于IMR在极低剂[21]量扫描时对病变检测率影响的研究较少，而国内关于IMR的研究仅见于对腹部[16,17,25]增强CT及冠状动脉CT血管成像的研究。本课题研究分为两个部分：第一部分为《全模型迭代重建算法（IMR）的Catphan模体研究》，基于Catphan4600模体，以FBP及iDose重建图像作参照，全面评估IMR对CT值准确性、空间分辨率、密度分辨率、图像均匀性和噪声五项图像质量指标的影响，分析不同级别的CT剂量指数（CTDIvol）与上述图像质量指标的关系。第二部分为《极低剂量CT联合IMR评价胸部解剖结构及病变显示能力的临床3D研究》，使用飞利浦公司的微平板iCT，对临床病人行LDCT和ULDCT胸部平扫，比较两者在正常解剖结构显示和胸部病变检测能力上的差异，评价IMR应用于胸部ULDCT平扫的可行性。3 前言极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究参考文献1.TorreLA,BrayF,SiegelRL,etal.Globalcancerstatistics.2012.CACancerJClin.2015,65(2):87-108.2.陈万青，张思维，曾红梅，等.中国2010年恶性肿瘤发病与死亡.中国肿瘤.2014,23(1):1-10.3.石清磊，赵红梅，张玲，等.自适应统计迭代重建算法对腹部CT扫描中图像质量和辐射剂量影响的体模研究.中华放射学杂志.2013,47(4):326-329.4.NationalLungScreeningTrialResearchTeam,AberleDR,AdamsAAM,etal.Reducedlung-cancermortalitywithlow-dosecomputedtomographicscreening.NEnglJMed.2011,365(5):395-409.5.MettlerFAJr,HudaW,YoshizumiTT,ettal.Effectivedosesinradiologyanddiagnosticnuclearmedicine:acatalog.Radiology.2008,248(1):254-263.6.高宇.迭代重建算法的研究进展.中国医疗设备.2013,28(3):23-25.7.McColloughCH,PrimakAN,BraunN,etal.StrategiesforreducingradiationdoseinCT.RadiolClinNorthAm.2009,47(1):27-40.8.路鹤晴，朱圉英，卓维海，等.医用X射线CT辐射剂量影响因素研究.上海医学影像.2008,17(2):93-96.9.潘红.螺旋CT低剂量扫描技术在胸部扫描中的应用及进展.实用医技杂志.2013,20(7):751-752.10.WangG,YuH,DeManB.AnoutlookonX-rayCTresearchanddevelopment.Medphys.2008,35(3):1051-1064.411.李琼，刘士远，于红，等.应用iDose软件对低剂量胸部CT增强扫描图像质量的影响.中国介入影像与治疗学.2012,9(10):762-765.12.KlinkT,ObmannV,HeverhagenJ,etal.ReducingCTradiationdosewithiterativereconstructionalgorithms:TheinfluenceofscanandreconstructionparametersonimagequalityandCTDIvol.EurJRadiol.2014,83(9):1645-1654.13.FunamaY,TaguchiK,UtsunomiyaD,etal.Combinationofalow-tube-voltage4 极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究前言techniquewithhybriditerativereconstruction(iDose)algorithmatcoronarycomputedtomographicangiography.JComputAssistTomogr.2011,35(4):480-485.414.ArapakisI,EfstathopoulosE,TsitsiaV,etal.Using“iDose”iterativereconstructionalgorithminadults’Chest-abdomen-pelvisCTexaminations:effectonimagequalityinrelationtopatientradiationexposure.BrJRadiol.2014,87(1036):20130613.415.李金霞，王文生，任华，等.iDose双模型迭代重建算法对CT图像质量及扫描剂量影响的模体研究.中国临床医学影像杂志.2014,25(3):190-194.16.潘丹，陈鑫，姜彦，等.迭代模型重组设置对不同辐射剂量下肝脏增强CT图像噪声及质量的影响.中华放射学杂志.2015,49(3):173-178.417.王平，高玉颖，卢再鸣，等.迭代重组IMR技术和iDose技术在腹部低剂量CT扫描乏血供肝转移瘤中的图像质量.中华放射学杂志.2015,49(4):283-287.18.D.Mehta,R.Thompson,T.Morton,etal.Iterativemodelreconstruction:simultaneouslyloweredcomputedtomographyradiationdoseandimprovedimagequality.MedicalPhysicsInternationalJournal.2013,20(4):147-155.19.张丽，于红，刘士远，等.迭代重建技术对低剂量肺部平扫CT图像质量的影响.中华放射学杂志.2013,47(4):316-320.20.KhawajaRD,SinghS,GilmanM,etal.ComputedTomography(CT)ofthechestatlessthan1mSv:anongoingprospectiveclinicaltrialofchestctatsubmillisievert4radiationdoseswithiterativemodelimagereconstructionandiDosetechnique.JComputAssistTomogr.2014,38(4):613-619.21.KimY,KimYK,LeeSJ,etal.Ultra-low-doseCTofthethoraxusingiterativereconstruction:evaluationofimagequalityandradiationdosereduction.AJRAmJRoentgenol.2015,204(6):1197-1202.22.KhawajaRD,SinghS,MadanR,etal.Ultralow-dosechestCTusingfilteredbackprojection:Comparisonof80-,100-and120kVpprotocolsinaprospectiverandomizedstudy.EurJRadiol.2014,83(10):1934-1944.23.VonFalckC.InfluenceofsinogramaffirmediterativereconstructionofCTdataon5 前言极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究imagenoisecharacteristicsandlow-contrastdetectability:anobjectiveapproach.PlosOne.2013,8(2):e56875.24.FunamaY,AwaiK,NakayamaY,etal.Radiationdosereductionwithoutdegradationoflow-contrastdetectabilityatabdominalmultisectionCTwithalow-tubevoltagetechnique:phantomstudy.Radiology.2005,237:905-910.25.蒋骏，黄美萍，雷益，等.全模型迭代重建技术在心脏CT成像中应用的实验研究.中华放射学杂志.2015,49(6):473-477.6 极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究第一部分第一部分全模型迭代重建算法（IMR）的Catphan模体研究自1972年CT应用于临床，经过几十年的迅速发展，极大的扩展了CT的临床[1]适用范围，但同时也带来了射线辐射剂量安全问题。如何能在图像质量满足临床诊断需求的前提下，尽可能降低CT辐射剂量，已成为现代医学影像学研究的重点。[2]Hara等首次提出迭代重建算法能明显降低CT图像噪声，是降低CT辐射剂量的[3]有效方法，曾用于GE商用CT机，但因运算复杂、重建时间长而被废弃。随着近年来计算机软硬件技术的飞速发展，迭代重建算法处理时间长的缺点正在逐步解决，越来越多新的迭代重建算法应用于临床。2013年，飞利浦公司在北美放射学会议上首次推出了全模型迭代重建（knowledgebasediterativemodelreconstruction，IMR），2015年经中国FDA批准引入中国，西门子公司和GE公司也先后推出了SAFIRE和VEO全模型迭代重建技术[4,5]，这使得极低剂量CT（ULDCT）肺癌筛查成为可能，2016年美国FDA首次批准GE公司生产的CT可用于LDCT肺癌筛查。根据美国放射学会的规定，临床应[6]3D用的胸部CT空间分辨率应大于8个线对。使用飞利浦公司生产的微平板iCT，LDCT和ULDCT扫描联合IMR重建的图像空间分辨率和密度分辨率目前尚无文献报道。本课题对Catphan600模体进行多次不同剂量的CT扫描，分别使用FBP、iDose及IMR算法进行重建，评价IMR对图像质量及扫描剂量的影响。材料与方法一、设备及扫描参数3DCT机：BrillianceiCTElite（微平板iCT）（飞利浦公司，美国，克利夫兰）模体：Catphan600（模体实验室，美国，格林威治）。该模体由CTP404、CTP528、CTP515、CTP486等模块组成[图1]，分别测量CT值准确性、空间分辨率、密度分辨率、图像均匀性和图像噪声。模体悬挂在体模箱外，调整位置，使准直激光线与[7]Catphan600模体上的定位点重合。7 第一部分极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究扫描参数：螺旋扫描，管电压120kV，管电流分别采用500、400、300、200、100、90、80、70、60、50、40、30、20、11mAs，共14组。球管旋转时间1s/r，准直64×0.625mm，螺距0.920，SFOV50cm。根据本课题研究需要，设定LDCT组（30mAs）和ULDCT组（11mAs）。图1Catphan600模体示意图二、数据重建及测量1.数据重建参数：原始数据分别以FBP、iDose4和IMR2算法进行重建。FBP和iDose的重建参数均为Standard(B)，iDose迭代重建共有7个等级，本研究使用第4等级，记录为iDose4。IMR迭代重建也有3个等级，本研究使用第二等级，记录为IMR2，其重建参数分别为Soft、Routine和SharpPlus。DFOV25cm，层厚5mm，层间隔5mm，矩阵512×512。重建图像数据刻盘保存。2.图像检测：在中国医科大学附属盛京医院，使用Iris图像质量自动检测软件（V2.4，2009，IrisQA，LLC，美国），进行计算机自动分析检测Catphan模扫描数据，计算机给出检测报告。3.CT值准确性测量：CTP404模块中含8种不同物质的插件[图2]：空气（Air）的标准CT值为-1000HU，聚甲基戊烯（PMP）为-200HU，低密度聚乙烯（LDPE）为-100HU，聚苯乙烯（Polystyrene）为-35HU，水（Water）为0HU，丙烯酸（Acrylic）为120HU，聚甲醛树脂（Delrin）为340HU，聚四氟乙烯（Teflon）为990HU。8 极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究第一部分图2CTP404模块的示意图4.空间分辨率测量CTP528模块中，含有用于目测的21个线对和用于软件计算调制传递函数（MTF）的点源（钨珠）[图3a]。本研究在预实验期，随机抽取部分图像，对照比较了MTF法与目测法评价空间分辨率的差异，得出MTF10%所对应的空间分辨率[8]与目测法基本一致[图3b，3c]，这与朱向红的研究结果一致。故本研究采用自动检测的MTF10%数据作为图像空间分辨率的参考值。在本研究中，当管电流不足50mAs时，由于剂量过低软件无法自动检测点源，将图像传至后处理工作站（PhilipsIntellispacePortal），由两位有3年以上工作经验的放射科医师（DX、QF）采用目测法记录线对数，当两位医师判断结果出现分歧时，经协商达成一致意见后作出判断。图3CTP528模块空间分辨率目测和计算机检测结果注：扫描条件120kV，200mAs，FBP联合Standard(B)。3a为目测的空间分辨率，为7lp/cm（白箭头）。3b、3c为计算机自动检测钨珠（正方形白框）及其检测结果报告图（MTF10%值为6.94），两种方法评价结果基本一致。9 第一部分极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究5.密度分辨率测量CTP515[图4a]为测量密度分辨率的模块，模块外圈含三组对比度分别为1.0%，0.5%，0.3%的圆柱体（即目标与背景的CT值差异分别为10HU，5HU，3HU）。每组分别包括9个大小不同的目标，直径由大到小为15mm，9mm，8mm，7mm，6mm，5mm，4mm，3mm，2mm；模块内圈含三组长度分别为3mm，5mm，7mm的圆柱体，每组分别包括4个直径不同的目标，直径由大到小为9mm，7mm，5mm，3mm，对比度均为1.0%。在Iris图形质量自动检测报告中，密度分辨率是以区分一定尺寸[9]目标所需的最小CT值即对比度来表示的，本实验中纳入分辨直径5mm目标所需的CT值对比度作为密度分辨率（单位：%）的客观指标[图4b]。图44a为CTP515模块示意图，4b中黄箭头示直径为5mm的三组不同对比度目标6.图像均匀性和噪声的测量在CTP486[图5]模块中,软件自动放置ROI分别测量中央和上下左右距图像边缘2cm处的CT值及噪声(SD)，边缘对中心CT值的最大偏差为图像均匀性的参考值；周围和中央噪声值的平均值记为此图像的噪声。图5CTP486模块，测量图像均匀性及噪声值.10 极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究第一部分三、CT辐射剂量每次扫描结束后，CT机自动生成本次扫描的CT剂量表，表中有二个指标：CT容积剂量指数（CTDIvol）和剂量长度乘积（DLP），CTDIvol是指螺旋CT容积[10]扫描整个范围内的平均辐射剂量，因本研究每次扫描长度均一致，故采用CTDIvol评价CT辐射剂量。四、统计学分析应用SPSS17.0软件包，数值变量用均值±标准差表示。CTDIvol与mAs均满足正态分布，采用Pearson相关分析两者之间的相关性；不同重建算法及IMR迭代算法联合不同重建参数时，8种材料CT值、图像的空间分辨率和均质性，均满足正态分布及组间方差齐性，采用方差分析；不同重建算法及IMR迭代算法联合不同重建参数的图像的密度分辨率和噪声值满足正态分布，但组间方差不齐，采用Kruskal-wallis秩和检验，组间两两比较的校正检验水准α’=0.017；P<0.05认为有统计学意义。结果一、CT辐射剂量图6所示，CTDIvol与mAs呈线性正相关，相关系数r=1。14个mAs组的CTDIvol由小到大分别为0.8、1.5、2.2、2.9、3.7、4.4、5.1、5.9、6.6、7.3、14.7、22、29.3、36.6mGy。11 第一部分极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究图6辐射剂量与管电流呈线性相关二、图像质量客观指标1.CT值CTP404模块的8种标准材料在不同重建算法时的CT值检测和统计学处理结果见表一。经ANOVA检验，使用FBP、iDose和IMR算法重建后，Acrylic，Delrin，Teflon三种材料的CT值差异无统计学意义（P>0.05），提示三种重建算法对高密度物质的CT值测量无明显影响。使用IMR迭代重建，Air，PMP，LDPE，Polystyrene和Water五种材料的｜CT值｜明显大于FBP和iDose重建（P<0.05），提示IMR迭代重建可提高水及低密度物质的｜CT值｜；而FBP和iDose重建对这五种物质的CT值测量无明显性差异（P>0.05）。IMR迭代重建联合不同重建参数时8种标准材料CT值的检测和统计学处理结果见表二。经ANOVA检验，在IMR迭代重建时使用Routine、Soft或SharpPlus重建参数，CT值检测结果均无统计学差异（P>0.05）。表一FBP、iDose和IMR重建对标准材料CT值检测结果的影响（HU）FBPiDose4IMR2P值组别Standard(B)Standard(B)RoutineFBP-iDoseFBP-IMRiDose-IMRAir-1001.29±4.43-1001.00±4.60-1006.15±3.06>0.05<0.05<0.05PMP-184.14±1.72-183.98±1.65-186.99±1.79>0.05<0.05<0.05LDPE-92.18±1.90-92.16±1.87-95.03±2.42>0.05<0.05<0.05Polystyrene-34.72±1.90-34.75±1.92-37.83±1.64>0.05<0.05<0.05Water1.96±2.270.92±2.264.18±2.38>0.05<0.05<0.05Acrylic125.16±2.11124.96±2.43126.50±2.14>0.05>0.05>0.05Delrin352.38±2.75351.87±2.90353.56±2.62>0.05>0.05>0.05Teflon961.61±6.79960.82±6.21962.63±6.04>0.05>0.05>0.0512 极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究第一部分表二IMR迭代重建联合不同重建参数对标准材料CT值检测结果的影响（HU）组别RoutineSoftSharpPlus整体F值整体P值Air-1006.15±3.06-1005.49±3.10-1006.57±2.500.498>0.05PMP-186.99±1.79-187.30±1.80-187.40±2.100.181>0.05LDPE-95.03±2.42-95.48±2.21-95.46±3.010.139>0.05Polystyrene-37.83±1.64-37.72±1.85-37.11±1.640.722>0.05Water4.18±2.382.66±1.694.11±5.340.836>0.05Acrylic126.50±2.14126.34±1.80127.00±2.180.400>0.05Delrin353.56±2.62353.47±2.55352.08±5.390.685>0.05Teflon962.63±6.04961.48±5.64963.70±6.580.465>0.052.空间分辨率CTP528模块空间分辨率（MTF10%）的检测结果见表三。经ANOVA检验，在重建参数为Standard(B)/Routine时，iDose与FBP的空间分辨率检测数据无显著性差异（P>0.05），iDose迭代重建并不能提高CT图像的空间分辨率；IMR则与FBP和iDose的空间分辨率检测结果均有统计学差异（P<0.05）（图7）。IMR较FBP重建的空间分辨率平均提高了23%（范围：6%-42%），IMR较iDose重建的空间分辨率平均提高了22%（范围：0%-38%）。在IMR迭代重建时，SharpPlus的空间分辨率明显高于Routine和Soft，Routine的空间分辨率明显高于Soft，经ANOVA检验，三组间的差异均有统计学意义（P<0.05）（图7）。IMR联合SharpPlus时，LDCT组和ULDCT组的空间分辨率值分别为8.0lp/cm@10%MTF和7.6lp/cm@10%MTF。13 第一部分极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究表三FBP、iDose和IMR重建对图像空间分辨率的影响（lp/cm@10%MTF）FBPiDose4IMR2组别Standard(B)Standard(B)RoutineSoftSharpPlus11mAs6.0*6.0*6.2*5.8*7.6*20mAs6.2*6.6*6.6*6.0*7.8*30mAs6.6*6.8*7.0*6.0*8.0*40mAs6.516.398.266.4*9.6250mAs6.756.828.277.229.7960mAs7.737.268.877.639.0170mAs5.435.737.716.709.2780mAs6.556.557.616.689.5890mAs6.817.028.487.409.95100mAs5.926.178.196.889.78200mAs6.946.988.717.509.00300mAs6.106.188.557.219.82400mAs6.186.198.207.109.62500mAs6.326.368.397.328.92均数±标准差6.43±0.556.50±0.447.93±0.816.85±0.609.13±0.79注：*为目测线对数，余为软件自动检测数据图7FBP、iDose和IMR重建时各组间的空间分辨率统计学分析结果3.密度分辨率本实验选择5mm直径靶目标的对比度作为评价图像密度分别率的指标，对比14 极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究第一部分度越小则密度分辨率越高。不同重建模式时，5mm直径靶目标对比度的检测数据见表四。在重建参数为Standard(B)/Routine时，IMR的对比度明显小于FBP，经Kruskal-wallis秩和检验（校正检验水准α’=0.017），对比度差异有统计学意义（P<0.017），IMR较FBP重建的对比度平均降低了53%（范围：28%-68%）。IMR较iDose重建的对比度平均降低了34%（范围：0%-44%），但经Kruskal-wallis秩和检验，iDose与IMR的对比度差异不具有统计学意义(P>0.017)（图8）。IMR联合使用Soft、Routine、SharpPlus重建参数，三组间的对比度差异均有统计学意义(P<0.017)，对比度从小到大排序为Soft0.05)。使用不同迭代算法和重建参数对图像均匀性不产生明显影响。表五FBP、iDose和IMR重建对图像均匀性的影响（Hu）FBPiDose4IMR2组别Standard(B)Standard(B)RoutineSoftSharpPlus11mAs6.436.051.241.860.7920mAs3.212.892.893.102.0730mAs3.853.592.893.111.6640mAs2.892.782.582.602.5850mAs2.402.141.610.830.7760mAs2.983.023.363.043.0170mAs3.643.572.552.503.6880mAs2.082.062.152.001.9990mAs2.782.803.222.653.83100mAs2.352.292.562.151.84200mAs0.640.710.360.950.61300mAs2.432.632.622.652.76400mAs2.482.532.072.241.96500mAs1.081.180.801.060.59均数±标准差2.80±1.362.73±1.242.21±0.902.20±0.782.01±1.085.图像噪声CTP486模块SD值的检测结果见表六。16 极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究第一部分在重建参数为Standard(B)/Routine时，IMR的图像SD值明显小于FBP，经Kruskal-wallis秩和检验（校正检验水准α’=0.017），SD值差异有统计学意义（P<0.017）；IMR较FBP重建的SD值平均降低了55%（范围：25%-72%）。IMR较iDose重建的SD值平均降低了37%（范围：0%-61%），但经Kruskal-wallis秩和检验，iDose与IMR的SD值差异不具有统计学意义（P>0.017）（图9）。IMR联合使用Soft、Routine、SharpPlus重建参数，三组间的SD值差异均有统计学意义（P<0.017），噪声从小到大排序为Soft2015年）。二、IMR迭代重建对空间分辨率的影响本研究发现：与FBP和iDose重建相比，IMR重建在标准重建参数【Standard(B)/Routine】模式下可提高CT图像的空间分辨率约23%。推测其原因可能为IMR能增加低密度物质的︱CT值︱，使得高密度线对与低密度背景的对比增加。重建参数的选择对图像空间分辨率影响很大，评价空间分辨率一般使用高分辨率重建参数。本研究发现：在IMR迭代重建模式时，使用高分辨率重建参数SharpPlus可明显提高空间分辨率，与Routine和低分辨率重建参数Soft相比，SharpPlus的空19 第一部分极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究间分辨率较Routine和Soft平均提高了15%（2%-26%）和33%（18%-50%）。Mehta[3]等使用Catphan600模对IMR改善图像空间分辨率进行研究，结果发现：使用Sharp重建参数，在CTDIvol=20mGy时，IMR的空间分辨率较FBP提高了75%；在CTDIvol=4mGy时，则提高了24%。与Mehta等的研究结果比较，本研究使用Standard(B)/Routine重建参数，在CTDIvol=22mGy（300mAs）时，IMR的空间分辨率较FBP提高了40%；在CTDIvol=4.4mGy（60mAs）时，则提高了15%。根据美国放射学会的规定，临床应用的胸部CT平扫的空间分辨率应大于8个[6]线对。本研究发现：LDCT组在IMR+SharpPlus时，其空间分辨率为8.0lp/cm@10%MTF，ULDCT组则为7.6lp/cm@10%MTF，达到和接近临床应用的要求，证明了LDCT和ULDCT胸部扫描使用IMR联合SharpPlus（肺窗观察）完全可以应用于早期肺癌筛查。三、IMR迭代重建对密度分辨率的影响密度分辨率是指在目标物质与背景物质的X射线线性衰减系数相差小于1%[19]时，CT机所能区分开目标物质的能力，通常以能分辨目标物质的最小尺寸表示，单位为××mm（可分辨物体最小尺寸）@××%（目标物体与背景物质的CT值对比度）@××mGy（CTDIvol）。本研究选择5mm物体作为靶目标，评价在不同mAs时，评价靶目标与背景的最小CT值差，即对比度，单位为%。对比度越小则密度分辨率越高。密度分辨率在胸部CT诊断中，主要用于观察胸壁和纵隔的软组织结构，显示较低/高密度病变与正常肌肉和大血管等的关系。本研究发现：在Standard(B)/Routine重建参数时，IMR的对比度明显小于FBP，其平均降幅为53%；尽管IMR的对比度较iDose平均降低了34%，两者间的差异无统计学意义。究其原因，可能是Kruskal-wallis秩和检验的检验效能较低。IMR联合使用Soft、Routine、SharpPlus重建参数，三组间的对比度差异均有统计学意义。使用低分辨率重建参数Soft可明显降低对比度，提高密度分辨率；与Routine和SharpPlus相比，Soft的对比度较Routine和SharpPlus平均降低了45%和85%。IMR能显著降低图像SD值，Soft重建参数也有降低SD值的作用，因此推测IMR联合Soft重建提高密度分辨率的主要原因是其强大的降噪能力。IMR联合使用Soft，LDCT组和ULDCT组的对比度分别为0.21%@5mm@2.2mGy和0.50%20 极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究第一部分@5mm@0.8mGy。[3]Mehta等使用Catphan600模对IMR改善图像密度分辨率进行研究，观察7mm层厚的密度分辨率，所使用的重建参数不详，结果为2mm@0.3%/10.4mGy。本研究检测5mm层厚的密度分辨率，重建参数为Soft，相近结果为5mm@0.16%@7.3mGy。由于观察密度分辨率的方法不同，无法进行比较。四、IMR迭代重建对图像均匀性和图像噪声的影响[20,21]国内外学者报道全模型迭代重建有强大的降低图像噪声能力，本研究发现，在Standard(B)/Routine重建参数时，IMR的噪声明显小于FBP，其平均降幅为55%。在IMR迭代重建模式时，使用低分辨率重建参数Soft可明显降低图像噪声，与Routine和SharpPlus相比，Soft的噪声较Routine和SharpPlus平均降低了43%[3]和86%。Mehta等使用水模对IMR降低图像噪声进行研究，结果发现：IMR联合Soft的图像噪声较FBP降低了90%。Mehta的研究结果高于本研究的结果，可能原因为Mehta使用IMR3，而本研究使用了IMR2。关于图像均匀性，本研究发现：不同迭代算法和重建参数对图像均匀性无明显影响。其原因为FBP、迭代重建和各种重建参数均为CT图像重建的计算机软件，对CT图像二维空间分布的像素CT值的影响是一样的。本研究不足：根据本研究的实验设计，评价FBP、iDose和IMR迭代重建对图像质量的影响时使用Standard(B)/Routine的标准重建参数。在研究数据分析整理过程中，发现IMR联合SharpPlus的空间分辨率最高，IMR联合Soft的密度分辨率最高，而FBP和iDose未行这两种重建参数的图像重建，不能更加准确的评价其提高空间分辨率和密度分辨率的效能。综上所述，在LDCT和ULDCT扫描条件下，IMR联合SharpPlus重建能明显提高空间分辨率，达8.0-7.6lp/cm@10%MTF，适用于胸部肺窗观察肺内正常解剖和病变；IMR联合Soft重建能明显提高密度分辨率，对比度分别为0.21%@5mm@2.2mGy和0.50%@5mm@0.8mGy，适用于胸部纵隔窗观察胸壁和纵隔软组织正常解剖和病变。21 第一部分极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究参考文献1.BrennerDJ,HallEJ.Computedtomography--anincreasingsourceofradiationexposure.NEnglJMed.2007,357(22):2277-2284.2.HaraAK,PadenRG,SilvaAC,etal.IterativereconstructiontechniqueforreducingbodyradiationdoseatCT:feasibilitystudy.AJRAmJRoentgenol.2009,193(3):764-771.3.D.Mehta,R.Thompson,T.Morton,etal.Iterativemodelreconstruction:simultaneouslyloweredcomputedtomographyradiationdoseandimprovedimagequality.MedicalPhysicsInternationalJournal.2013,20(4):147-155.4.YangWJ,YanFH,LiuB,etal.Cansinogram-affirmediterative(SAFIRE)reconstructionimproveimagingqualityonlow-doselungCTscreeningcomparedwithtraditionalfilteredbackprojection(FBP)reconstruction.JComputAssistTomogr.2013,37(2):301-305.5.NeroladakiA,BotsikasD,BoudabbousS,etal.Computedtomographyofthechestwithmodel-basediterativereconstructionusingaradiationexposuresimilartochestX-rayexamination:preliminaryobservations.EurRadiol.2013,23(2):360-3666.ACR–SCBT-MR–SPR.Practiceparameterfortheperformanceofthoraciccomputedtomography(CT).http://www.acr.org/~/media/ACR/Documents/PGTS/guidelines/CT_Thoracic.pdf.7.KlinkT,ObmannV,HeverhagenJ,etal.ReducingCTradiationdosewithiterativereconstructionalgorithms:TheinfluenceofscanandreconstructionparametersonimagequalityandCTDIvol.EurJRadiol.2014,83(9):1645-1654.8.朱向红.MTF法与线对法测定胸部低剂量CT图像空间分别率的比较.临床医药文献杂志.2015,2(1):167-169.9.余晓锷，占杰，李萍，等.统计学方法在CT低对比度分辨力自动检测中的应用.第四军医大学学报.2006,27(11):978-979.22 极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究第一部分410.李金霞，王文生，任华，等.iDose双模型迭代重建算法对CT图像质量及扫描剂量影响的模体研究.中国临床医学影像杂志.2014,25(3):190-194.11.高宇.迭代重建算法的研究进展.中国医疗设备.2013,28(3):23-25.12.McColloughCH,PrimakAN,BraunN,etal.StrategiesforreducingradiationdoseinCT.RadiolClinNorthAm.2009,47(1):27-40.13.张丽，于红，刘士远，等.迭代重建技术对低剂量肺部平扫CT图像质量的影响.中华放射学杂志.2013,47(4):316-32014.KhawajaRD,SinghS,GilmanM,etal.ComputedTomography(CT)ofthechestatlessthan1mSv:anongoingprospectiveclinicaltrialofchestctatsubmillisievert4radiationdoseswithiterativemodelimagereconstructionandiDosetechnique.JComputAssistTomogr.2014,38(4):613-61915.SackettDL.Biasinanalyticresearch.JChronicDis.1979,32(1-2):51-63.16.SicaGT.Biasinresearchstudies.Radiology.2006,238(3):780-789.17.VonFalckC,BratanovaV,RodtT,etal.InfluenceofsinogramaffirmediterativereconstructionofCTdataonimagenoisecharacteristicsandlow-contrastdetectability:anobjectiveapproach.PloSOne.2013,8(2):e56875.18.FunamaY,AwaiK,NakayamaY,etal.Radiationdosereductionwithoutdegradationoflow-contrastdetectabilityatabdominalmultisectionCTwithalow-tubevoltagetechnique:phantomstudy.Radiology.2005,237(3):905-910.19.Hernandez-GironI,CalzadoA,GeleijnsJ,etal.LowcontrastdetectabilityperformanceofmodelobserversbasedonCTphantomimages:kVpinfluence.PhysMed.2015,31(7):798-807.20.RapalinoO,KamalianS,PayabyashS,etal.CranialCTwithadaptivestatisticaliterativereconstruction:improvedimagequalitywithconcomitantradiationdosereduction.AJNRAmJNeuroradiol.2012,33(4):609-615.21.KornA,FenchelM,BenderB,etal.IterativereconstructioninheadCT:imagequalityofroutineandlow-doseprotocolsincomparisonwithstandardfilteredback-projection.AJNRAmJNeuroradiol.2012,33(2):218-224.23 第二部分极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究第二部分极低剂量CT联合IMR评价胸部解剖结构及病变显示能力的临床研究[1]肺癌是我国恶性肿瘤中发病率和死亡率最高的，早期诊断早期治疗是提高患[2]者生存率的关键。美国2011年全国肺癌筛查试验（NationalLungCancerScreening[3]Trial,NLST）结果显示，低剂量CT（LDCT）肺癌筛查可降低20%的肺癌病死率，[4]LDCT已广泛应用于肺癌的早期筛查。作为CT图像重建算法的基础和“金标准”的传统滤波反投影（filteredbackprojection,FBP）算法，由于受统计波动影响大且对噪声和伪影敏感而限制了剂量的降低，应用迭代算法实现剂量的进一步减低已成为[5-7]近年来的研究热点。迭代算法的原理是，通过建立系统统计模型和系统光学模型，精确分析光子的统计波动特征，并与正确的统计分布进行反复的比较、检验和修正，[8]直到图像信息误差降到最低、质量达到最优。目前，国内关于全模型迭代重建（knowledgebasediterativemodelreconstruction,IMR）技术对降低剂量和提高图像[9-11]质量的研究较少，且仅见于腹部增强CT及冠状动脉CT血管成像的研究，尚无关于IMR应用于胸部CT低剂量扫描、尤其是极低剂量CT（ULDCT）扫描的报道。本研究采用飞利浦256层螺旋CT进行低、极低剂量的胸部平扫，比较两者图像在正常解剖结构显示和胸部病变检测能力上的差异，评价IMR应用于胸部ULDCT平扫的可行性。材料与方法一、研究对象1.纳入标准：收集本院2015年8月-2015年11月行胸部CT平扫的门诊或住院病人，包括肺部结节随访，胸片发现可疑病变，肺部感染，临床以咳嗽、胸痛就诊者等。2.排除标准：年龄小于20岁，怀孕或可能怀孕者，无法屏气者及胸部手术后植入金属造成图像伪影者。3.入组病例：40例。男25例，女15例，年龄25-85岁，平均66.05±12.6924 极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究第二部分22岁。体质量指数(BMI)范围17.10-30.00kg/m，平均BMI为23.28±3.19kg/m。所有患者均签署知情同意书。二、CT扫描仪器与方法3DCT机型为微平板iCT（飞利浦公司，美国，克利夫兰）。胸部CT平扫检查前训练屏气，扫描时被检者呈仰卧位，双臂上举，头先进。扫描条件：LDCT为120Kv，30mAs；ULDCT组为120Kv，10mAs。准直128×0.625mm，螺距0.992，旋转时间0.75s/r，矩阵512×512。扫描范围为肺尖至肺底。三、图像重建及质量分析1.图像重建：基于肺窗和纵隔窗观察的需要，图像重建所使用的迭代重建算法和重建参数见表一，重建层厚0.67mm，层间隔0.67mm。共获得四组肺窗和四组纵隔窗图像。重建图像传送至PhilipsIntellispacePortal后处理工作站。表一八组肺窗和纵隔窗观察的迭代重建和重建参数选择剂量组别LDCT组ULDCT组LDCT组ULDCT组肺迭代重建iDose4iDose4IMR2IMR2窗观重建参数Sharp(C)Sharp(C)SharpPlusSharpPlus察分组简称LD-iDose(L)ULD-iDose(L)LD-IMR(L)ULD-IMR(L)窗位窗宽窗位-600HU，窗宽1500HU剂量组别LDCT组ULDCT组LDCT组ULDCT组纵隔迭代重建iDose4iDose4IMR2IMR2窗重建参数Smooth(A)Smooth(A)SoftSoft观察分组简称LD-iDose(M)ULD-iDose(M)LD-IMR(M)ULD-IMR(M)窗位窗宽窗位40HU，窗宽300HU2.客观图像质量由一名具有3年以上胸部CT阅片经验的放射科医师（YSY），定量测量肺窗和纵隔窗图像的噪声值。肺窗：在每一个病人的四组肺窗图像的同一层面（主动脉弓上方）的气管腔内[12]放置相同大小的感兴趣区（Regionofinterest，ROI），ROI占气管腔面积的2/3以25 第二部分极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究上，避开气管壁，记录SD值。纵隔窗：在每一个病人的四组纵隔窗图像的同一层面（气管隆突水平）的降主动[13]脉内放置相同大小的ROI，ROI占血管腔面积的2/3以上，避开血管壁，记录SD值。3.主观图像质量3.1正常解剖结构由两名分别具有5年和8年胸部CT阅片经验的放射科医师（R1，R2）盲法对4组肺窗和4组纵隔窗的图像质量进行评分，其结果行一致性检验。然后，对判断结果有分歧的图像，两位医师进行再次协商达成一致意见，其结果用于组间差异的统计学分析。[14,15]肺窗：对外周支气管血管束（胸膜下2cm以内）进行评分。图1所示：1分：噪声大，外周支气管血管束显示不清；2分：有噪声，外周支气管血管束显示模糊，但可分辨；3分：噪声小，周围肺血管、支气管清晰显示，边缘锐利。图1肺窗显示外周支气管血管束的评分标准注：1a.3分，图像噪声小，右肺下叶背段胸膜下支气管血管束显示清楚，叶间裂显示清晰（黄箭头）。1b.2分，图像噪声稍高，右肺下叶背段胸膜下支气管血管束显示较模糊，叶间裂显示欠清楚（黄箭头）。1c.1分，图像噪声大，右肺下叶背段胸膜下支气管血管束显示不清，叶间裂显示不清，（黄箭头）。纵隔窗：通过观察纵隔大血管、食管等边缘锐利程度以及胸壁肌肉间隙的显示[16,17]程度进行评价。图2所示：1分：图像噪声大，血管和食管边缘模糊，胸壁肌肉间隙显示不清；2分：图像噪声较大，血管和食管边缘较模糊，胸壁肌肉间隙显26 极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究第二部分示欠清；3分：图像噪声小，血管和食管边缘清楚，胸壁肌肉间隙显示清楚，边缘锐利。图2纵隔窗显示纵隔解剖结构、胸壁肌肉间隙的评分标准注：2a.3分，图像噪声小，纵隔内大血管、食管边缘锐利，右侧胸壁肌肉间隙显示清楚（黄箭头）。2b.2分，图像噪声稍高，纵隔内大血管、食管边缘较清楚，右侧胸壁肌肉间隙显示较清楚/欠清（黄箭头）。2c.1分，图像噪声大，纵隔内大血管、食管边缘模糊，右侧胸壁肌肉间隙显示不清（黄箭头）。3.2胸部病变由一名具有3年胸部CT阅片经验的放射科医师（YSY），分别对肺窗和纵隔窗病变进行检测，记录这些病变的显示数目、所在层面和解剖位置。[12]肺窗观察的病变包括：实性结节，磨玻璃结节（Ground-glassnodule,GGN），肺实变，肺气肿，支气管扩张，肺纤维化，支气管壁增厚，蜂窝肺。[13]纵隔窗观察的病变包括：胸腔积液，胸膜增厚，心包积液，纵隔淋巴结增大（短径>15mm），肺门淋巴结增大（短径>10mm），肺内钙化灶，大血管壁钙化斑块，胸腺结节，甲状腺非钙化结节，肝脏囊性灶。四、辐射剂量在病人扫描结束后自动生成的剂量报告中，记录每个被检者的CT剂量容积指数（CTDIvol）、剂量长度乘积（DLP），并根据公式（1）计算有效剂量（Effectiveradiationdose，ED），胸部扫描时k=0.014mSv/(mGy.cm)。ED（mSv）=DLP（mGy.cm）×k（1）五、统计学分析应用SPSS17.0软件。采用两组独立样本t检验比较低剂量组和极低剂量组的有27 第二部分极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究效剂量。肺窗及纵隔窗图像的噪声值，满足正态分布，但不满足方差齐性，采用Kruskal-wallis秩和检验。采用Kruskal-wallis秩和检验比较各组图像的正常解剖结构的评分。数值变量用均值±标准差表示，P<0.05认为有统计学意义。采用Kappa分析评估2名观察者之间的一致性，非常好（Kappa值>0.8），好（0.60.6）。肺窗观察外周支气管血管束，经Kruskal-wallis秩和检验，四组间的图像质量评分整体差异有统计学意义（P<0.05）；再行组间两两比较（校正检验水准α’=0.008），LD-iDose(L)，LD-IMR(L)，ULD-IMR(L)三组间的差异均无统计学差异（P>0.008）；ULD-iDose(L)分别与其他三组相比较，图像质量评分均较其他三组低，差异均有统计学差异（P<0.008）。纵隔窗观察纵隔及胸壁解剖结构，经Kruskal-wallis秩和检验，四组间的图像质量评分整体差异有统计学意义（P<0.05）；再行组间两两比较（校正检验水α’=0.008），LD-iDose(M)，LD-IMR(M)，ULD-IMR(M)三组间的差异均无统计学意义（P>0.008）；ULD-iDose(M)组与其他三组相比均有统计学差异（P<0.008）。结果表明：ULDCT组的IMR联合SharpPlus（肺窗）和联合Soft（纵隔窗）的主观图像质量评分与LDCT组的IMR和iDose组无显著性差异。表三各组图像解剖结构的主观评分比较整体观察者LD-iDose(L)ULD-iDose(L)LD-IMR(L)ULD-IMR(L)P值R12.78±0.421.95±0.552.78±0.482.70±0.61肺R22.75±0.442.00±0.552.83±0.382.75±0.54窗Kappa0.790.790.840.86一致评分2.75±0.441.98±0.532.80±0.462.73±0.60<0.05整体观察者LD-iDose(M)ULD-iDose(M)LD-IMR(M)ULD-IMR(M)P值R12.73±0.512.30±0.762.90±0.302.70±0.52纵R22.73±0.552.28±0.782.90±0.302.65±0.62隔窗Kappa0.740.880.720.65一致评分2.70±0.562.28±0.782.90±0.302.68±0.57<0.05采用Kruskal-wallis秩和检验，整体检验水准为0.05。2.胸部病变本组40例患者共发现113个肺部病变（表四）。LD-iDose(L)，LD-IMR(L)，ULD-29 第二部分极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究IMR(L)图像均能显示这113个肺部病变，病变显示率均为100%。ULD-iDose(L)则有8个病灶未显示，病变显示率为93%；8个未显示的病灶中，GGN（图3）和肺大泡（图4）各有4个。本组40例患者共发现81个纵隔、肺门、大血管、胸膜、胸腔/心包腔及甲状腺等区域的病变（表五）。在LD-iDose(M)，LD-IMR(M)，ULD-IMR(M)和ULD-IMR(M)图像上，这81个病变均可显示，病变显示率均为100%。表四各组肺窗图像病变检出数目的比较肺部病变LD-iDose(L)ULD-iDose(L)LD-IMR(L)ULD-IMR(L)实性结节22222222GGN18141818肺实变5555肺大泡21172121蜂窝肺1111支气管扩张3333支气管壁增厚5555肺纤维化28282828表五各组纵隔窗图像病变检出数目的比较软组织病变LD-iDose(M)ULD-iDose(M)LD-IMR(M)ULD-IMR(M)胸腔积液2222胸膜增厚23232323心包积液1111纵隔淋巴结增大5555肺门淋巴结增大4444肺内钙化灶9999大血管壁钙化斑块32323232胸腺结节2222甲状腺非钙化结节33332图3患者，男，77岁，BMI：24.17kg/m，右肺中叶外侧段磨玻璃结节。30 极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究第二部分注：图3a、3b、3d分别为LD-iDose(L)、LD-IMR(L)、ULD-IMR(L)的图像，右肺中叶磨玻璃结节（黄箭头）均可显示，图3c为ULD-iDose(L)的图像，盲法观察未发现磨玻璃结节（黄箭头）。2图4患者，男，82岁，BMI：21.22kg/m，右肺中叶肺气肿。注：图4a、4b、4d分别为LD-iDose(L)、LD-IMR(L)、ULD-IMR(L)的图像，右肺中叶肺大泡（黄箭头）均可显示，图4c为ULD-iDose(L)的图像，盲法观察时未发现该肺大泡（黄箭头）。讨论[15,18]胸部是LDCT扫描研究最早涉及的领域。随着LDCT研究的深入进展，降[19]低剂量的方法从前期的改变扫描参数逐步过渡到了近年应用新的迭代重建算法[8]。既往多项研究表明，迭代重建技术具有良好的降噪能力，可以在降低辐射剂量的条件下维持图像质量的可诊断性。[20]Lee等认为，在低剂量（2.88mSv）和极低剂量（0.29mSv）胸部CT中，应用基于原始数据的迭代重建算法（sinogramaffirmediterativereconstruction，SAFIRE）[21]的图像可诊断率分别为100%和91%；Neroladaki等研究结果显示，应用基于模型的迭代重建法（model-basediterativereconstruction，MBIR）相比于FBP算法，可以在维持图像质量满足诊断要求的前提下，使剂量降低到常规剂量的24%。[16]Leipsic等认为，与常规剂量FBP重建的胸部CT相比，在低剂量条件下应用自适应统计迭代重建（adaptivestatisticaliterativereconstruction,ASIR）技术的图像31 第二部分极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究[22]质量更好、噪声更低。国内学者对比了低剂量扫描时（120kV,25mAs）应用iDose重建与常规剂量扫描FBP重建的图像，图像质量无差异且噪声更低，因此，本研究选择LDCT扫描（120kV,30mAs），应用iDose重建的图像作为参照，对照研究LDCT/ULDCT联合IMR重建的图像质量。一、IMR迭代算法对剂量的影响本研究中，LDCT组的辐射剂量为1.07±0.09mSv；ULDCT组辐射剂量为0.37±0.03mSv，较LDCT组降低了65.42%，接近常规胸部X线片的剂量范围[23][14]0.05-0.24mSv。Khawaja等进行了类似的IMR应用于胸部CT扫描试验，亚mSv组较常规剂量扫描平均剂量降低了69%（0.9/2.9mSv）。说明IMR可以实现扫描剂量的大幅度降低。二、IMR迭代算法对图像噪声的影响[24,25]国内外学者报道全模型迭代重建有强大的降低图像噪声能力。在本研究中，随着剂量减低，iDose重建的图像噪声明显增加，应用IMR重建后，图像噪声明显改善，ULD-IMR组的气管及降主动脉的SD值，较LD-iDose重建组分别平均[26]降低了40%、65%，较ULD-iDose重建组分别平均降低了60%，77%。Yuki等对低剂量条件下的胸部CT图像分别行FBP、iDose和IMR重建，结果发现：IMR重建组图像的平均SD值较FBP，iDose重建组分别降低了82%，34%。其结果中IMR组的平均SD值较iDose组的降低程度低于本研究结果，其可能原因为：在Yuki等的试验中，iDose重建时选择了降噪能力最高的等级iDose7，而本研究只选择了中间的迭代等级iDose4；另外，Yuki等的试验与本实验的重建参数选择不同。三、IMR迭代算法对正常解剖结构显示的影响本研究发现，应用IMR重建的纵隔窗图像质量，较iDose重建组明显提高，组织结构的边缘更清晰，且IMR对纵隔窗图像质量的改善效果在极低剂量组图像中[14]更显著，说明IMR可以很好的提高图像密度分辨力。Khawaja等研究结果显示，在submSv剂量条件下应用IMR重建时，周围细小肺血管、支气管显示能力减低。而本研究中，LD-iDose(L)，LD-IMR(L)，ULD-IMR(L)三组图像外周支气管血管束32 极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究第二部分评分无显著差异，究其原因可能是Khawaja等的研究中使用的是IMR1-SharpPlus[26]重建，IMR1的降噪等级较本实验中的IMR2低。Yuki等研究发现，在低剂量条件下对胸部CT平扫图像分别行FBP、iDose和IMR重建，IMR重建组的肺窗和纵隔窗解剖结构评分较FBP和iDose组均提高，与本研究结果一致。四、IMR迭代算法对胸部病变的影响高剂量扫描获得的图像固然美观，但过高的剂量并不代表更高的病变检出率。减低曝光剂量会增加图像噪声、增加信息丢失的风险，而降低由于辐射剂量的减少而增加的图像噪声是迭代算法的核心优势，从而使极低剂量CT肺部病变检查成为可能。在本试验对肺窗疾病的检测中，ULD-iDose组对GGN（14/18）和肺气肿（17/21）的检测率小于LD-iDose组(18/18，21/21)，而对实性结节，肺实变，支气管扩张和肺纤维化等病变的检出无差异，表明剂量减低会降低GGN和肺气肿的检测率，这[26][27]与Yuki等及Neroladaki等的研究结果一致。分析其原因在于，胸部由于含气[28]肺组织与软组织存在良好的天然对比，肺内软组织密度病变在一定的剂量降低范围内受噪声的影响不大，但是GGN、肺气肿与肺组织的密度差较小，受噪声影响大，故在极低剂量条件下检出率减低。ULD-IMR组对肺内及纵隔病变的检出数目[14]与LD-iDose组一致，Khawaja等的研究结果也表明，在极低剂量(0.9±0.3mSv)扫描时应用IMR技术，胸部病变的检出率与常规图像一致。另外本研究发现，IMR重建图像对于GGN及肺气肿的显示更清晰，其原因可能是，IMR良好的降噪能力减轻了图像的颗粒感，使GGN和肺气肿的病变特征得到更佳显示。极低剂量CT扫描结合IMR重建技术，图像噪声明显减低，可获得满足临床疾病诊断需求的图像，因此推荐用于胸部CT肺癌筛查。33 第二部分极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究参考文献1.陈万青，张思维，曾红梅，等.中国2010年恶性肿瘤发病与死亡.中国肿瘤.2014,23(1):1-10.2.胡钰，方进，邓达标，等.低剂量胸部CT对肺癌筛查的研究进展.中国医学影像技术.2015,31(1):146-149.3.NationalLungScreeningTrialResearchTeam,AberleDR,AdamsAM,etal.Reducedlung-cancermortalitywithlow-dosecomputedtomographicscreening.NEnglJMed.2011,365(5):395-409.4.WangG,YuH,DeManB.AnoutlookonX-rayCTresearchanddevelopment.MedPhys.2008,35(3):1051-1064.5.HwangHJ,SeoJB,LeeHJ,etal.Low-dosechestcomputedtomographywithsinogram-affirmediterativereconstruction,iterativereconstructioninimagespace,andfilteredbackprojection:studiesonimagequality.JComputAssistTomogr.2013,37(4):610-617.6.SinghS,KalraMK,GilmanMD,etal.AdaptivestatisticaliterativereconstructiontechniqueforradiationdosereductioninchestCT:apilotstudy.Radiology.2011,259(2):565-573..7.IchikawaY,KitagawaK,NagasawaN,etal.CTofthechestwithmodel-based,fullyiterativereconstruction:comparisonwithadaptivestatisticaliterativereconstruction.BMCMedImaging.2013,13:27.8.高宇.迭代重建算法的研究进展.中国医疗设备.2013,28(3):23-25.9.潘丹，陈鑫，姜彦，等.迭代模型重组设置对不同辐射剂量下肝脏增强CT图像噪声及质量的影响.中华放射学杂志.2015,49(3):173-178.410.王平，高玉颖，卢再鸣，等.迭代重组IMR技术和iDose技术在腹部低剂量CT扫描乏血供肝转移瘤中的图像质量.中华放射学杂志.2015,49(4):283-287.11.蒋骏，黄美萍，雷益，等.全模型迭代重建技术在心脏CT成像中应用的实验研究.中华放射学杂志.2015,49(6):473-477.34 极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究第二部分12.KimY,KimYK,LeeBE,etal.Ultra-low-DoseCTofthethoraxusingiterativereconstruction:evaluationofimagequalityandradiationdosereduction.AJRAmJRoentgenol.2015,204(6):1197-1202.13.KhawajaRD,SinghS,MadanR,etal.Ultralow-dosechestCTusingfilteredbackprojection:Comparisonof80-,100-and120kVpprotocolsinaprospectiverandomizedstudy.EurJRadiol.2014,83(10):1934-1944.14.KhawajaRD,SinghS,GilmanM,etal.ComputedTomography(CT)ofthechestatlessthan1mSv:anongoingprospectiveclinicaltrialofchestctatsubmillisievert4radiationdoseswithiterativemodelimagereconstructionandiDosetechnique.JComputAssistTomogr.2014,38(4):613-619.15.陈星，娄明武，谢尚煌，等.自适应迭代降剂量技术在个性化超低剂量胸部CT成像的应用性研究.影响诊断与介入放射学.2012,21(5):341-345.16.LeipsicJ,NguyenG,BrownJ,etal.AprospectiveevaluationofdosereductionandimagequalityinchestCTusingAdaptivestatisticaliterativereconstruction.AJRAmJRoentgenol.2010,195(5):1095-1099.17.李琼，于红，张丽，等.迭代重建技术对胸部低剂量CT图像质量影响的初步研究.中国医学计算机成像杂志.2014,20(2):191-194.18.NaidichDP,MarshallCH,GribbinC,etal.Low-doseCTofthelungs:preliminaryobservation.Radiology.1990,175(3):729-731.19.McColloughCH,PrimakAN,BraunN,etal.StrategiesforreducingradiationdoseinCT.RadioClinNorthAm.2009,47(1):27-40.20.LeeSW,KimY,ShimSS,etal.Imagequalityassessmentofultralow-dosechestCTusingsinogram-affirmediterativereconstruction.EurRadiol.2014,24(4):817-826.21.NeroladakiA,BotsikasD,BoudabbousS,etal.Computedtomographyofthechestwithmodel-basediterativereconstructionusingaradiationexposuresimilartochestX-rayexamination:preliminaryobservations.EurRadiol.2013,23(2):360-366.22.张丽，于红，刘士远，等.迭代重建技术对低剂量肺部平扫CT图像质量的影响.中华放射学杂志.2013,47(4):316-320.35 第二部分极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究23.SamaraET,ArouaA,BochudFO,etal.Exposureoftheswisspopulationbymedicalx-rays:2008reviews.HealthPhys.2012,102(3):263-270．24.RapalinoO,KamalianS,PayabyashS,etal.CranialCTwithadaptivestatisticaliterativereconstruction:improvedimagequalitywithconcomitantradiationdosereduction.AJNRAmJNeuroradiol.2012,33(4):609-615.25.RapalinoO,KamalianS,PayabyashS,etal.CranialCTwithadaptivestatisticaliterativereconstruction:improvedimagequalitywithconcomitantradiationdosereduction.AJNRAmJNeuroradiol.2012,33(4):609-615.26.YukiH,OdaS,UtsunomiyaD,etal.Clinicalimpactofmodel-basedtypeiterativereconstructionwithfastreconstructiontimeonimagequalityoflow-dosescreeningchestCT.ActaRadiol.2016,57(3):295-302.27.NeroladakiA,BotsikasD,BoudabbousS,etal.Computedtomographyofthechestwithmodel-basediterativereconstructionusingaradiationexposuresimilartochestX-rayexamination:preliminaryobservations.EurRadiol.2013,23(2):360-366.28.KondoR,YoshidaK,KawakamiS,etal.DifferentefficacyofCTscreeningforlungcanceraccordingtohistologicaltype:analysisofJapanese-smokercasesdetectedusingalow-doseCTscreen.LungCancer.2011,74(3):433-440.36 极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究结论结论一、第一部分采用不同CT剂量扫描Catphan600模体，研究FBP、4iDose及IMR重建技术对CT值准确性、空间分辨力、密度分辨力、图像均匀性和噪声的影响，获得以下结论：41.与iDose和FBP重建相比,IMR迭代重建可增加低密度物质和水的∣CT值∣,三种重建算法检测高密度物质CT值的差异无统计学意义。2.IMR联合SharpPlus重建能明显提高空间分辨力，LDCT和ULDCT胸部平扫的空间分辨率为8lp/cm和7.6lp/cm@10%MTF，适用于胸部CT肺窗重建。3.IMR联合Soft重建能显著降低图像噪声、提高密度分辨率，LDCT和ULDCT的密度分辨率为5mm@0.21%@2.2mGy和5mm@0.50%@0.8mGy，适用于胸部CT纵隔窗重建。4.与120Kv、200mAs相比，LDCT和ULDCT的辐射剂量分别降低了85%和95%。二、第二部分使用低剂量和极低剂量扫描参数检查了40例病人，4探讨iDose及IMR重建技术在胸部CT平扫中的应用价值，得出以下结论：1.ULDCT的平均有效剂量为0.37mSv，较LDCT（1.07mSv）降低了65%，接近于常规胸部X线片的有剂量范围（0.05-0.24mSv）。2.IMR重建的SD值明显低于iDose重建。3.与LDCT相比，ULDCT联合IMR的外周支气管血管束和纵隔、胸部解剖结构的图像质量主观评分无显著性差异4.ULD-IMR与LD-iDose，LD-IMR显示肺部、纵隔、胸膜等病变的能力相同，ULD-iDose则有4个磨玻璃结节和4个肺大泡漏检。综上所述，使用IMR联合SharpPlus（肺窗）和IMR联合Soft（纵隔窗）重建技术，ULDCT的图像质量和显示胸部病变的能力近似于LDCT，但CT剂量降低了65%。37 综述极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究综述低剂量CT肺癌筛查的研究进展袁姝娅综述龚建平审校[1]摘要：肺癌的发病率和死亡率是全球恶性肿瘤中最高的，因出现症状而就诊[2]的肺癌患者多属晚期，5年生存率极低，肺癌的早期诊断是改善预后的关键。自20世纪90年代起，许多国家陆续开展了低剂量CT肺癌筛查研究。2011年，美国[3]全国肺癌筛查试验结果证实，低剂量CT行肺癌筛查可降低肺癌死亡率。但目前肺癌筛查仍存在假阳性率高、过度诊断、辐射问题及成本效益问题等争议。本文就低剂量CT肺癌筛查的研究进展及筛查中存在的争议进行综述。关键词：低剂量CT肺癌筛查1.低剂量CT肺癌筛查现状1.1肺癌筛查的必要性我国肺癌每年新发病例约60万，每年死亡病例约49万，占所有肿瘤相关死亡[4][5]人数的26.85%，并逐年上升，现居我国肿瘤相关死因的首位。吸烟是导致肺癌的主要危险因素，我国男性吸烟的流行水平已达高峰且呈低龄[6][7]化趋势,Kiyohara等报道烟草对女性的影响更大,控烟作为肺癌的一级预防效果并不理想。另外，日益严重的大气污染以及不可避免的厨房油烟等，亦是导致肺癌的不可忽视的危险因素。因此，肺癌防治工作的重点在于二级预防措施，即早期发现、早期诊断及有效的早期治疗。肺癌早期常无明显临床症状，因出现症状而就诊时已多为中晚期，Ⅲ期肺癌5年生存率仅为17%，Ⅳ期肺癌患者基本没有长期生存者，而Ⅰ期肺癌术后的5年生[4]存率可达70%。英国一项肺癌筛查试验结果表明，低剂量CT(LDCT)检出的肺癌[8]中，ⅠA期比例可高达50-90%。因此，通过LDCT肺癌筛查发现早期肺癌，使肺癌患者群体的分期前移，是改善肺癌预后、降低死亡率的关键。38 极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究综述1.2肺癌筛查的可行性LDCT肺癌筛查满足疾病筛查的4条流行病学标准：①肺癌存在可被检测出的[9]临床前期。②LDCT肺癌筛查具有高敏感度。③对筛查阳性者采取有效的治疗(尤其是手术治疗)，可以显著降低病死率。④LDCT肺癌筛查所带来的不适在可接受范围内，且具有良好的社会经济效益。因此，肺癌是适合高危人群通过年度LDCT筛查，来降低死亡率的疾病。1.3肺癌筛查的进展20世纪50-80年代开展了许多大样本随机对照研究，其中最具权威性的梅奥肺癌筛查项目（MayolungProject,MLP），对X线胸片联合痰液细胞学检查与非筛查组进行了比较，结果显示筛查可以提高肺结节切除率及病人生存率，但并未降低肺[10]癌病死率,故X线胸片未被推荐作为肺癌筛查工具。美国前列腺、肺、结直肠和卵巢癌筛查试验（PLCO）的研究结果同样提示，与非筛查组对比，年度性胸片筛[11]查并不能降低肺癌死亡率。[12]20世纪90年代，Naildich等首次提出了LDCT肺癌筛查的概念。Naildich等将LDCT定义为，在其他扫描参数不变的情况下，通过降低管电流实现放射剂量的减低，并保持图像质量满足诊断要求。肺癌筛查研究自此进入LDCT时代。早期，美国和日本开展的LDCT筛查研究是无对照队列研究。纽约国际早期肺癌合作研究组(I-ELCAP)对31567例无症状的高危人群进行年度LDCT肺癌筛查，结果显示LDCT检查肺癌的敏感性是X线胸片的3-4倍，筛查出的484例患者中85%为肺癌[13]Ⅰ期，Ⅰ期患者行肺癌切除术后的10年生存率高达92%。但由于实验设计缺乏对照组，且可能存在较大的领先时间偏倚，LDCT筛查肺癌并未被临床医师广泛接受。美国国家肺癌筛查试验（NationalLungCancerScreeningTrial,NLST）是首个大样本、多中心、前瞻性、随机对照的临床研究，实验设计严谨合理，包含了全美33[3]个医学中心的研究数据，入组标准：年龄在55-74岁的肺癌高危人群，吸烟史≥30包/年以及戒烟时间不超过15年者。共53454位志愿者被随机分入LDCT筛查组和[3]X线胸片筛查组，结果显示LDCT筛查组较胸片筛查组降低了20%的死亡率，NLST首次回答了LDCT肺癌筛查能不能降低肺癌死亡率的问题，推动了LDCT肺癌筛查从试验走向临床应用。NELSON试验是2003年起在欧洲开展的为期10年的39 综述极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究大型随机对照研究，与NLST不同，NELSON试验中对照组未采用任何形式的筛查[14]方法，NELSON也是首次采用体积倍增时间（VDT）来辅助判断肺结节良恶性的[15]试验，减少了人为判断产生的偏倚。NELSON试验结果显示，LDCT筛查肺癌具[16]有较高的敏感度（84.6%）和特异度（98.6%）。NLST和NELSON试验中，将年龄的增加和吸烟作为肺癌的两大危险因素来定义高危人群，而中国的危险因素与西方发达国家多有不同。我国是世界上大气污染[17]最严重的国家之一，这也是肺癌的另一重要危险因素；另外我国女性被动吸烟、[18]厨房油烟等因素亦不可忽视。中华医学会放射学分会心胸学组参照国外肺癌筛查指南，依据我国具体情况，结合国内多个大型医疗机构LDCT肺癌筛查成果，于2015[19]年出版了国内首个《低剂量螺旋CT肺癌筛查专家共识》，推动我国LDCT肺癌筛查的研究不断前行。2.肺癌筛查的争议LDCT肺癌筛查对降低肺癌死亡率、延长肺癌患者生存时间有着积极、肯定的意义，然而在关注LDCT肺癌筛查效果的同时，其存在的争议亦不可忽视。2.1假阳性率高[20]LDCT肺癌筛查的主要争议之一是其较高的假阳性率,在NLST试验的阳性结[3]果中96.4%为假阳性。由于CT的敏感性高，导致肺癌筛查中有大量的结节被检[21]出，而90%以上的结节为良性的或者性质不能确定，即假阳性。准确的定义阳性[22][23]结节的阈值能有效降低假阳性率,Gierada等分析NLST的试验数据时发现，将阳性结节直径的阈值从4mm增大为5mm，可以降低15.8%的假阳性率，增加到6mm时，假阳性率可以降低36.8%，且仅仅增加了3%的漏诊率。此外，对筛查出的结节采用恰当的随诊策略也是降低假阳性的有效手段。2.2过度诊断检测出即使不治疗也不会出现临床症状或者导致死亡的肿瘤称之为过度诊断，[22]主要由两方面原因导致：①肺癌筛查出的大量肺结节中，大部分为无临床意义的良性或惰性结节，不会引起临床症状或导致死亡；②病人在肺恶性结节进展之前就[24]死于其他疾病。NLST模型试验中的过度诊断率为18.5%，过度诊断必然会带来40 极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究综述[25]不必要的活检、手术切除等过度治疗。Veronesi等建议把结节倍增时间VDT作为判断过度诊断的标准，VDT>400天的结节定义为低侵袭性结节,并施以创伤性小的治疗方案来降低过度诊断带来的影响。2.3辐射风险NLST试验中，平均体型的男性一次LDCT扫描接受的射线剂量为1.6mSv，女[26]性为2.1mSv，约为普通常规CT辐射剂量的1/4，虽一次扫描剂量相对较小，但对大基数人群的辐射影响不可小觑。依据“合理使用低剂量（aslowasreasonably[27]achievable,ALARA）”的原则，应在保证图像诊断质量的前提下，尽量减低尤其是无症状人群健康筛查的放射剂量。最新的迭代算法作为新技术应用于CT，使CT肺癌筛查辐射剂量的进一步减低成为可能，但目前尚无明确报道。2.4成本-效益问题CT肺癌筛查的成本较胸片筛查显著增加，而中国作为卫生资源有限的发展中国家，肿瘤筛查不可过度占用医疗资源。有学者对NLST研究的数据进行再分析发[28]现，对肺癌高危人群筛查的益处远大于低危人群的筛查。美国一项研究亦显示，[29]在高危人群中行LDCT肺癌筛查具有良好的社会经济效益。对此，中华医学会放射学分会心胸学组依据我国具体情况，对国内肺癌高危人群的定义提出了严谨的建[19]议：⑴年龄在50-75岁；⑵合并以下一项或一项以上的危险因素：①吸烟≥20包/年，包括曾经吸烟但戒烟时间尚不足15年者；②被动吸烟者；③有职业暴露史（石棉、粉尘、铍等接触者）；④有肺癌家族史或恶性肿瘤病史者；⑤有弥漫性肺纤维化或COPD病史者。即便如此，在中国大规模推广LDCT肺癌筛查工作的具体成本-效益问题，仍需严格分析。综上所述，目前虽存在许多争议，但LDCT肺癌筛查在肿瘤防治工作中占据的重要地位毋庸置疑，对前移肺癌患者的肿瘤分期、降低肺癌死亡率、延长肿瘤患者的生存时间等有着积极的意义。面对我国肺癌患病率和死亡率不断增加的严峻形势，国内多数学者建议依据我国国情，逐步开展并不断完善LDCT肺癌筛查工作，改善我国肺癌防治落后的现状。41 综述极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究参考文献1.TorreLA,BrayF,SiegelRL,etal.Globalcancerstatistics.2012.CACancerJClin.2015,65(2):87-108.2.JemalA,SiegelR,XuJ,etal.Cancerstatistics.2010.CACancerJClin.2010,60(5):277-300.3.NationalLungScreeningTrialResearchTeam,AberleDR,AdamsAM,etal.Reducedlung-cancermortalitywithlow-dosecomputedtomographicscreening.NEnglJMed.2011,365(5):395-409.4.JemalA,SiegelR,WardE,etal.Cancerstatistics.2009.CACancerJClin.2009,59(4):225-249.5.陈万青，张思维，曾红梅，等.中国2010年恶性肿瘤发病与死亡.中国肿瘤.2014,23(1):1-10.6.杨功焕，马杰民，刘娜，等.中国人群2002年吸烟和被动吸烟的现状调查.中华流行病学杂志.2005,26(2):77-83.7.KiyoharaC,OhnoY.Sexdifferencesinlungcancersusceptibility:areview.GendMed.2010,7(5):381-401.8.EdeyAJ,HansellDM.CTlungcancerscreeningintheUK.BrJRadiol.2009,82(979):529-531.9.MarshallHM,BowmanRV,YangIA,etal.Screeningforlungcancerwithlow-dosecomputedtomography:areviewofcurrentstatus.JThoracDis.2013,5:S524-539.10.GillaspieEA,AllenMS.Computedtomographicscreeningforlungcancer:themayoclinicexperience.ThoracSurgClin.2015,25(2):121-127.11.OkenMM,HockingWG,KvalePA,etal.Screeningbychestradiographandlungcancermortality:theProstate,Lung,Colorectal,andOvarian(PLCO)randomizedtrial.JMMA.2011,306(17):1865-1873.12.NaidichDP,MarshallCH,GribbinC,etal.Low-doseCTofthelungs:preliminary42 极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究综述observations.Radiology.1990,175(3):729-731.13.InternationalEarlyLungCancerActionProgramInvestigators,HenschkeCI,YankelevitzsDF,etal.SurvivalofpatientswithstageⅠlungcancerdetectedonCTscreening.NEnglJMed.2006,355(17):1763-1771.14.VanlerselCA,deKoningHJ,DraismaG,etal.Risk-basedselectionfromthegeneralpopulationinascreeningtrial:selectioncriteria,recruitmentandpowerfortheDutch-Belgianrandomisedlungcancermulti-sliceCTscreeningtrial(NELSON).IntJCancer.2007,120(4):868-874.15.XuDM,GietemaH,deKoningH,etal.NodulemanagementprotocoloftheNELSONrandomisedlungcancerscreeningtrial.LungCancer.2006,54(2):177-184.16.HorewegN,ScholtenET,deJongPA,etal.Detectionoflungcancerthroughlow-doseCTscreening(NELSON):aprespecifiedanalysisofscreeningtestperformanceandintervalcancers.LancetOncol.2014,15(2):1342-1350.17.FajersztajnL,VerasM,BarrozoLV,etal.Airpollution:apotentiallymodifiableriskfactorforlungcancer.NatRevCancer.2013,13(9):674-678.18.唐威，吴宁，黄瑶，等.4690例无症状健康体检者低剂量CT早期肺癌筛查研究.中华肿瘤杂志.2014,36(7):549-554.19.中华医学会放射学分会心胸学组.低剂量螺旋CT肺癌筛查专家共识.中华放射学杂志.2015,49(5):328-335.20.FieldJK,SmithRA,AberleDR,etal.Internationalassociationforthestudyoflungcancercomputedtomographyscreeningworkshop2011report.JofThoracOncol.2012,7(1):10-19.21.RavenelJG,CostelloP,SilvestriGA.Screeningforlungcancer.AJRAmJRoentgenol.2008,190(3):755-761.22.ChristensenJD,Chilesc.Low-dosecomputedtomographicscreeningforlungcancer.ClinChestMed.2015,36(2):147-160.23.GieradaDS,PinskyP,NathH,etal.Projectedoutcomesusingdifferentnodulesizes43 综述极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究todefineapositiveCTlungCancerscreeningexamination.JNatiCancerInst.2014,106(11).pii:dju284.24.PatzEFJr,PinskyP,GatsonisC,etal.Overdiagnosisinlow-dosecomputedtomographyscreeningforlungcancer.JAMAInternMed.2014,174(2):269-274.25.VeronesiG,MaisonneuveP,BellomiM,etal.Estimatingoverdiagnosisinlow-dosecomputedtomographyscreeningforlungcancer:acohortstudy.AnnInternMed.2012,157(11):776-784.26.MettlerFAJr,HudaW,YoshizumiTT,etal.Effectivedosesinradiologyanddiagnosticnuclearmedicine:acatalog.Radiology.2008,248(1):254-263.27.OrtizLópezP.EightdecadesofICRPrecommendationsinmedicine:aperspective.AnnICRP.2016,pii:0146645315622335.28.KovalchikSA,TammemagiM,BergCD,etal.TargetingofLow-doseCTscreeningaccordingtotheriskofofLung-Cancerdeath.NEnglJMed.2013,369(3):245-254.29.McMahonPM,KongCY,BouzanC,etal.Cost-effectivenessofcomputedtomographyscreeningforlungcancerintheUnitedStates.JThoracOncol.2011,6(11):1841-1848.44 极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究攻读学位期间公开发表的论文攻读学位期间公开发表的论文袁姝娅，龚建平，胡爱武，等.CT冠状动脉成像个体化注射技术的临床研究.中国血液流变学.已录用45 中英文缩略词表极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究中英文缩略词表英文缩写英文全称中文全称CTComputedTomography计算机断层摄影LD-CTLow-doseComputedTomography低剂量CTULD-CTUltra-low-doseComputedTomography极低剂量CTCTDIvolCTdoseindexvolumeCT容积剂量指数DLPDoselengthproduct剂量长度乘积EDEffectiveradiationdose有效剂量IMRknowledgebasedIterativeModel全模型迭代重建ReconstructionDFOVDisplayfield-of-view显示视野BMIBodyMassIndex身体质量指数ROIRegionofinterest感兴趣区HUHounsfieldunit亨氏单位SDStandarddeviation标准差GGOGround-glassopacity磨玻璃密度影46 极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究致谢致谢三年硕士研究生生活即将结束，回首这三年，感慨万千。在此由衷的感谢所有帮助过我的老师、同学、朋友及家人。首先感谢我敬爱的导师龚建平主任，本课题的研究及学位论文书写都是在导师的悉心指导下完成的。他以严谨的科研方法、缜密的科研思维，从选题、课题的实施、论文的撰写与修改、答辩PPT的制作等诸多方面给予了我精心的指导，使我终身受益。导师敏锐的洞察力、渊博的学识、严肃的科研态度、严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深的感染和激励着我，是我永远的学习楷模。衷心感谢您三年来的教诲和关心，学生终身难忘！感谢沈钧康主任、范国华主任、李勇主任在学习上和生活上给予的关心和支持。感谢郭盛仁主任医师、杨晓春主任医师在学习上的热心帮助和指导，感谢陈光强副主任医师、朱建兵副主任医师、宦坚副主任医师、徐亮副主任医师、朱江涛副主任医师、蒋震副主任医师、周丽娟副主任医师及杨毅、赵文露、魏超刚老师等等在专业知识上给予的指导，感谢你们的无私帮助和热情解答。感谢乔方师姐、金丹师姐、张伟师兄、蔡武师兄、张万军师兄、张博师兄、潘仕文师兄、窦欣师兄、杨维森师兄、刘跃跃师兄、刘庆先、刘蓉、白佳媛、贾玉静、徐瑾、张维、刘伟、李红、时代、吴晓芬、张玲玲、刘慧婷等兄弟姐妹在学习和生活的帮助。感谢CT的周洁霞副主任技师、感谢易碧星、张晓东、李志伟、苏晓娟、周志敏、罗冬勤、单勤星、田岚、陆智晟、庾林等老师在影像技术及图像后处理方面对我的帮助。感谢王建玲、褚安红护士长、邵玉琴老师、常韵芳、谈惠瑛、李自利等老师在我课题进行中提供的帮助。感谢胡殿胜、陈亮、陈玲、唐芳芳，是你们的辛勤工作和大力协助才使我的研究课题得以顺利完成。感谢室友孙亚琼、张英、杨严伟，感谢同窗李冬飞、王君鑫、曹梦娇及薛敏等，感谢师妹张云、刘晨晨、顾晓艳、高欣、李誉、高艳艳、温茹、卢丽娜等，感谢师弟周闪、张峻围、徐耀等，同时感谢师兄师姐们，是你们的陪伴让我的研究生生活更加丰富多彩。47 致谢极低剂量CT联合全模型迭代重建算法（IMR）评价胸部病变显示能力的模体和临床研究感谢好友龚安、陆宽、吴晨颖，幸运的遇见你们，让我的生活更加温馨、快乐。感谢在百忙之中抽出时间对本论文进行审阅、评论和参加本人答辩的各位专家、教授，感谢你们给了我一个审视学习成果的机会。最后，感谢我的家人对我一如既往的支持，祝愿你们永远健康。48 ，Ｂ＇ＨＨＩ＇Ｂｍ｜｜｜ＨＨ苏州大学ｍｕｉ硕壬学位论文ｍ巧业学位）Ｈ＾ｎ■■■Ｉ■ＨＨｌＩ■■ｎ■■■Ｉ■■Ｉ—ｆｌｌ—ＭＭ＾Ｍ—ＭｌＭＷ——ＢＢＨｍ—Ｈ—■Ｉ■Ｈ苏州大学研￡生隱－巾制Ｍｍｕ■