兩種CAD軟件對體模肺結(jié)節(jié)CT體積測量的比較研究

李敏，龔建平，張偉，錢銘輝

肺部CT智能診斷報告系統(tǒng)軟件“蘇華軟件”是由蘇州大學(xué)附屬第二醫(yī)院與華中科技大學(xué)計算機學(xué)院合作研發(fā)的軟件，能夠定量分析肺結(jié)節(jié)的體積。GE公司推出的肺結(jié)節(jié)CAD軟件（Lung VCAR）是目前國際公認的優(yōu)秀軟件之一。本研究使用FUYO肺結(jié)節(jié)體模，比較肺部CT智能診斷報告系統(tǒng)軟件和Lung VCAR軟件在測量體模結(jié)節(jié)體積方面的準確性和一致性。

材料與方法

1.FUYO肺結(jié)節(jié)體模

FUYO肺結(jié)節(jié)體模由FUYO公司生產(chǎn)，外形為直徑25cm的圓柱形（圖1），體模內(nèi)有5種密度的16個結(jié)節(jié)，并充填塑料泡沫模擬肺組織（CT值為－900HU，圖2）。體模內(nèi)有4組不同大小的球形物，直徑分別為2.5、5.0、10.0和20.0mm，每組3個結(jié)節(jié)，分別用亞克力、尼龍和聚丙烯材料制成，其CT值分別為100、60和－100HU，模擬肺結(jié)節(jié)；這些結(jié)節(jié)分別固定在半徑為5.0、7.5和10.0cm的圓周上。此外，在半徑為7.5cm的圓周四個象限區(qū)各有一個結(jié)節(jié)：兩個結(jié)節(jié)直徑為20.0mm，CT值分別為100和－100HU，另外兩個結(jié)節(jié)直徑為10.0mm，為混雜密度結(jié)節(jié)，平均CT值分別為0及－60HU。所有結(jié)節(jié)均呈球形，邊緣光滑。

FUYO肺結(jié)節(jié)體模中的結(jié)節(jié)體積根據(jù)公式（1）計算得出：

其中r為體模結(jié)節(jié)的半徑（單位為mm），2.5mm結(jié)節(jié)的體積為8.18mm3，5.0mm 結(jié)節(jié)的體積為65.45mm3、10.0mm 結(jié) 節(jié) 的 體 積 為 523.60mm3，20.0mm結(jié)節(jié)的體積為4188.79mm3。

2.CT掃描方法和圖像數(shù)據(jù)

采集體模擺位：將體模放置在掃描孔的中央，用CT機的激光線定位，使體模的x、y、z軸線分別與CT機的x、y、z定位線重合。

掃描參數(shù)：采用GE LightSpeed 64層螺旋CT機，管電壓120kV，管電流300mA，機架旋轉(zhuǎn)速度0.8s／r，準直器64×0.625mm，螺距0.984，掃描視野50cm×50cm，重建視野36cm×36cm，CHEST重建算法，行0.625mm層厚的圖像重建，顯示窗位－600HU，窗寬1500HU。掃描完成后間隔1h再行體模掃描2次，掃描參數(shù)和圖像重建參數(shù)同前，合計掃描體模3次。將圖像傳至AW4.3工作站（GE，美國），圖像數(shù)據(jù)以DICOM格式刻錄在DVD光盤上。

3.軟件應(yīng)用和結(jié)節(jié)檢測

Lung VCAR軟件：在ADW 4.3工作站上運行，實現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取、結(jié)節(jié)半自動標記、結(jié)節(jié)特征的自動化分析，顯示檢測結(jié)果（結(jié)節(jié)體積）。16個結(jié)節(jié)合計有144個檢測數(shù)據(jù)。

肺部CT智能診斷報告系統(tǒng)軟件（以下簡稱為蘇華軟件）：在通用計算機上運行，能夠自動或半自動識別結(jié)節(jié)的位置，采用基于Gmac模型的分割方法對其進行分割，將結(jié)節(jié)的形態(tài)學(xué)特征量化，顯示檢測結(jié)果（結(jié)節(jié)體積），體積測量為分割結(jié)節(jié)的體素體積的總和。16個結(jié)節(jié)合計有144個檢測數(shù)據(jù)。

4.統(tǒng)計學(xué)處理

軟件測量體模結(jié)節(jié)體積精度評價指標采用相對誤差，相對誤差采用以下公式計算：絕對誤差＝軟件測量值－體模標準值

結(jié) 果

蘇華軟件和GE Lung VCAR軟件對FUYO肺結(jié)節(jié)模型中16個結(jié)節(jié)均能進行相應(yīng)的分析和體積測量。

1.蘇華軟件測量體模結(jié)節(jié)體積的誤差分析

2.5mm結(jié)節(jié)體積測量的平均相對誤差為21.1%，結(jié)節(jié)體積明顯被高估；5.0、10.0和20.0mm結(jié)節(jié)體積測量的平均相對誤差分別為－4.7%、－1.6%和 －2.3%，結(jié)節(jié)體積均被低估（表1）。16個結(jié)節(jié)體積的平均相對誤差為1.9%，直徑2.5mm結(jié)節(jié)體積測量的相對誤差最大。不同直徑結(jié)節(jié)體積測量的相對誤差，經(jīng) Mann－Whitney U檢驗和 Kruskal－Wallis H 檢驗，直徑5.0、10.0和20.0mm 結(jié)節(jié)之間的相對誤差差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），三者與直徑2.5mm的結(jié)節(jié)之間的差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。

2.GE Lung VCAR軟件測量體模結(jié)節(jié)體積的誤差分析

2.5mm結(jié)節(jié)體積測量的平均相對誤差為15.5%，結(jié)節(jié)體積被高估；5.0、10.0和20.0mm 結(jié)節(jié)體積測量的平均相對誤差分別為3%、3%和1%（表2），軟件測量的結(jié)節(jié)體積與標準體積相近。16個結(jié)節(jié)體積的平均相對誤差為4.7%，2.5mm結(jié)節(jié)的相對誤差明顯大于5.0、10.0和20.0mm結(jié)節(jié)。不同直徑結(jié)節(jié)體積測量的相對誤差，經(jīng)Mann－Whitney U檢驗和Kruskal－Wallis H 檢驗，直徑5.0、10.0和20.0mm結(jié)節(jié)之間的相對誤差差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），三者與直徑2.5mm的結(jié)節(jié)之間的差異具有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。總體上結(jié)節(jié)越大，體積測量的相對誤差越小。

表1 蘇華軟件測量體模結(jié)節(jié)體積的誤差分析

表2 Lung VCAR軟件測量體模結(jié)節(jié)體積的誤差分析

圖1 FUYO肺結(jié)節(jié)體模。

圖2 FUYO肺結(jié)節(jié)體模掃描圖像。

圖3 兩種軟件體積測量相對誤差的Bland－Altman分析圖。

3.Lung VCAR軟件和蘇華軟件測量體模結(jié)節(jié)體積的一致性分析

經(jīng)統(tǒng)計學(xué)分析，兩種軟件測量直徑5.0、10.0和20.0mm結(jié)節(jié)體積的平均相對誤差均小于5%。使用直徑5、10和20mm結(jié)節(jié)體積測量的117組數(shù)據(jù)行Bland－Altman分析，由于一些結(jié)節(jié)的軟件測量數(shù)據(jù)是一樣的，出現(xiàn)了圖中一個點有多個數(shù)據(jù)的現(xiàn)象（圖3），此外，圖中3個點在95%一致性界限之外，結(jié)合原始數(shù)據(jù)，實際上為7組數(shù)據(jù)位于一致性界限之外，占6.0%（7／117）。在一致性界限范圍之內(nèi)，蘇華軟件的相對誤差與Lung VCAR軟件的相對誤差相比，差值的絕對值最大為11.8%，兩款軟件的平均相對誤差為－0.2%，這種相對誤差的幅度在臨床上是可以接受的，因此，可以認為兩款軟件測量結(jié)節(jié)體積的相對誤差具有較好的一致性，在臨床上可以相互替代使用。

討 論

隨著MSCT技術(shù)的發(fā)展，亞秒級掃描速度和亞毫米級掃描層厚的容積CT日益普及，可發(fā)現(xiàn)各種微小病灶，病灶的形態(tài)學(xué)特征顯示更清楚。諸多國際影像設(shè)備生產(chǎn)廠商紛紛推出各自的肺結(jié)節(jié)半自動化分析測量軟件[1-3]，其中 GE公司的 ALA 和 Lung VCAR 軟件最具代表性。中國在這方面起步較晚，目前尚無成熟的肺結(jié)節(jié)半自動分析軟件。本研究采用體模結(jié)節(jié)，使用蘇華軟件與Lung VCAR軟件進行比較研究兩種軟件在體模結(jié)節(jié)體積測量方面的一致性和差異性。

Lung VCAR軟件是GE公司根據(jù)ALA軟件進行改進的一款半自動測量肺結(jié)節(jié)體積和密度的軟件，在AW 4.3和AW 4.4工作站上運行。該款軟件已通過美國FDA的認證，是國際上公認的優(yōu)秀肺結(jié)節(jié)CAD軟件，其前身ALA軟件也是一款優(yōu)秀的肺結(jié)節(jié)CAD軟件，在AW 4.2工作站上運行，其體模研究和臨床應(yīng)用的相關(guān)報道較多[2-4]，相關(guān)文獻曾使用 ALA軟件進行了肺結(jié)節(jié)體積測量組間和組內(nèi)差異的研究[5]。Lung VCAR軟件在肺結(jié)節(jié)體積測量和肺結(jié)節(jié)倍增時間評估等方面性能優(yōu)越[6]。

肺結(jié)節(jié)的周圍是充滿氣體的肺泡組織，具有良好的自然對比，也為應(yīng)用圖形處理技術(shù)進行肺結(jié)節(jié)分割創(chuàng)造了很好的條件。肺結(jié)節(jié)CAD測量結(jié)節(jié)體積的核心技術(shù)是結(jié)節(jié)分割，分割準確則體積測量準確，反之亦然。本研究結(jié)果表明，Lung VCAR軟件測量直徑≥5.0mm結(jié)節(jié)體積的相對誤差低，平均僅為2.2%；結(jié)節(jié)體積越大，軟件測量準確度越高。Lung VCAR軟件測量的相對誤差均為正偏差，提示該軟件分割提取的結(jié)節(jié)體素總和大于標準值。Lung VCAR軟件所使用的分割技術(shù)具有很高的準確性，由于涉及商業(yè)機密，我們無法獲取詳細的技術(shù)細節(jié)。

蘇華軟件的體模研究結(jié)果表明，測量直徑≥5.0mm結(jié)節(jié)體積的相對誤差較高，平均為－2.6%，也表現(xiàn)為結(jié)節(jié)體積越大，軟件測量準確度越高。該款軟件的相對誤差均為負偏差，提示其分割提取的結(jié)節(jié)體素總和小于標準值。在測量直徑≥5.0mm結(jié)節(jié)體積的準確性方面，Lung VCAR軟件優(yōu)于蘇華軟件。

對于2.5mm的微小結(jié)節(jié)，Lung VCAR軟件和蘇華軟件所測量的結(jié)節(jié)體積均不準確，這主要與目前使用CT機的分辨力有關(guān)，微小結(jié)節(jié)體積的準確測量仍然是一個難題。在比較兩款軟件測量體積的準確性時，剔除了2.5mm微小結(jié)節(jié)的數(shù)據(jù)。

使用Bland－Altman分析方法，進行兩種軟件測量結(jié)果的一致性評價，回答“這兩種軟件在臨床上是否可以互相替代使用”的問題[7]。結(jié)果顯示兩款軟件測量體積相對誤差的差值絕對值最大為11.84%，兩種方法對直徑≥5.0mm體模結(jié)節(jié)體積測量的平均相對誤差為－0.2%，這種差異幅度在臨床上是可以接受的。故認為兩款軟件體積測量的結(jié)果具有較好的一致性，可以相互替代使用。

肺結(jié)節(jié)CAD軟件測量體模結(jié)節(jié)的準確性受許多因素的影響，因研究者所用的掃描和重建函數(shù)、重建視野、重建層厚、層間距及測量軟件等條件不同，評價測量誤差的標準各異，造成了文獻報道的測量結(jié)果的明顯差異[8-11]（從2%～21%）。僅 Ravenel等[12]所使用的測量軟件（Lung VCAR）和評價標準與本組研究相同，其研究結(jié)果顯示：3、5、9和15mm體模結(jié)節(jié)體積的相對誤差分別為57%、11%、2%、1%；本研究使用的Lung VCAR 軟件測量結(jié)果顯示：2.5、5.0、10.0和20.0mm結(jié)節(jié)體積的平均相對誤差分別為15%、3%、3%、1%，和 Ravenel等[12]的測量準確性相近。

筆者認為，肺部CT智能診斷報告系統(tǒng)軟件雖然比Lung VCAR軟件在體模結(jié)節(jié)體積測量上準確度稍低，但這種差異是可以被接受的，以后可以通過研究結(jié)節(jié)的分割技術(shù)，提升蘇華軟件結(jié)節(jié)分割的準確性，研究和建立不同大小和密度結(jié)節(jié)的數(shù)學(xué)模型，可能會獲得更加準確的體積測量結(jié)果。

[1]Ashraf H，de Hoop B，Shaker B，et al.Lung nodule volumetry：segmentation algorithms within the same software package cannot be used interchangeably[J].Eur Radiol，2010，20（8）：1878－1885.

[2]Petrou M，Quint LE，Nan B，et al.Pulmonary nodule volumetric measurement variability as a function of CT slice thickness and nodule morphology[J].Am J Roentgenol，2007，188（2）：306－312.

[3]Rampinelli C，De Fiori E，Raimondi S，et al.In vivo repeatability of automated volume calculations of small pulmonary nodules with CT[J].Am J Roentgenol，2009，192（6）：1657－1661.

[4]Honda O，Johkoh T，Sumikawa H，et al.Pulmonary nodules：3D volumetric measurement with multidetector CT－effect of intravenous contrast medium[J].Radiology，2007，245（3）：881－887.

[5]朱江濤，龔建平，朱建兵，等.人體肺小結(jié)節(jié)CT體積測量的可重復(fù)性研究[J].蘇州大學(xué)學(xué)報（醫(yī)學(xué)版），2010，30（1）：138－140.

[6]周科峰，朱 斌，楊留發(fā)，等.ALA軟件測定倍增時間在肺結(jié)節(jié)隨訪中的應(yīng)用[J].醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志，2008，18（10）：1124－1127.

[7]陳卉.Bland－Altman分析在臨床測量方法一致性評價中的應(yīng)用[J].中國衛(wèi)生統(tǒng)計，2007，24（3）：308－315.

[8]Yankelevitz DF，Reeves AP，Kostis WJ，et al.Small pulmonary nodules：volumetrically determined growth rates based on CT evaluation[J].Radiology，2000，217（1）：251－256.

[9]Way TW，Chan HP，Goodsitt MM，et al.Effect of CT scanning parameters on volumetric measurements of pulmonary nodules by 3Dactive contour segmentation：aphantom study[J].Phys Med Biol，2008，53（5）：1295－1312.

[10]Ko JP，Rusinek H，Jacobs EL，et al.Small pulmonary nodules：volume measurement at chest CT－phantom study[J].Radiology，2003，228（3）：864－870.

[11]Goo JM，Tongdee T，Tongdee R，et al.Volumetric measurement of synthetic lung nodules with multidetector row CT：effect of various image reconstruction parameters and segmentation thresholds on measurement accuracy[J].Radiology，2005，235（3）：850－856.

[12]Ravenel JG，Leue WM，Nietert PJ，et al.Pulmonary nodule volume：effects of reconstruction parameters on automated measurements——aphantom study[J].Radiology，2008，247（2）：400－408.