基于深度學(xué)習(xí)的像素閃爍算法對(duì)高體質(zhì)量指數(shù)患者低劑量腹部CT平掃圖像質(zhì)量的影響

趙 瑩，劉愛(ài)連*，劉靜紅，劉義軍，武敬君，方 鑫，潘聚東

(1.大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院放射科，遼寧 大連 116011；2.加州大學(xué)舊金山分校放射和生物影像科，加利福尼亞 舊金山 94143)

既往腹部CT低劑量成像研究[1-3]多采用優(yōu)化掃描程序等方式降低輻射劑量，但降低程度受限于重建算法本身。近年來(lái)，迭代重建(iterative reconstruction, IR)算法在腹部CT低劑量領(lǐng)域中的應(yīng)用已成為研究熱點(diǎn)[4-5]，如自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)IR(adaptive statistical IR, ASiR)技術(shù)、基于模型的IR(model based IR, MBIR)技術(shù)及基于多模型的自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)IR(adaptive statistical iterative reconstruction Veo, ASiR-V)技術(shù)等，較濾波反投影(filtered back projection, FBP)重建算法可進(jìn)一步提高圖像質(zhì)量并降低輻射劑量[6]。新興人工智能(artificial intelligence, AI)技術(shù)中，基于深度學(xué)習(xí)的像素閃爍(pixel shine, PS)重建算法可將噪聲大或偽影重的圖像生成滿(mǎn)足臨床診斷需求的圖像，質(zhì)量較標(biāo)準(zhǔn)重建技術(shù)更優(yōu)，輻射劑量更低。本研究探討基于深度學(xué)習(xí)的PS重建算法對(duì)高體質(zhì)量指數(shù)(body mass index, BMI)患者低劑量腹部CT平掃圖像質(zhì)量的影響。

1 資料與方法

1.1 一般資料 收集2017年7月—8月于我院因臨床疑診腹部疾病而接受腹部CT檢查的59例患者，男35例，女24例，年齡31～84歲，平均(61.5±11.5)歲，BMI 25.0～33.6 kg/m2，中位BMI 26.3 kg/m2；掃描上腹24例，全腹35例。納入標(biāo)準(zhǔn)：①BMI≥25 kg/m2；②呼吸平穩(wěn)，可正常屏氣。排除標(biāo)準(zhǔn)：既往有肝臟手術(shù)史；彌漫性肝臟疾病(脂肪肝及肝硬化)、肝內(nèi)多發(fā)病變(囊腫、血管瘤或轉(zhuǎn)移瘤)。根據(jù)管電壓將患者分為2組：A組(管電壓100 kVp)30例，男20例，女10例，年齡31～78歲，中位年齡64.5歲，BMI 25.0～31.7 kg/m2，中位BMI 26.1 kg/m2；B組(管電壓120 kVp)29例，男15例，女14例，年齡36～84歲，中位年齡58.0歲，BMI 25.4～33.6 kg/m2，中位BMI 26.7 kg/m2。本研究經(jīng)我院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)；所有患者均簽署知情同意書(shū)。

1.2 儀器與方法 采用GE Revolution CT機(jī)，掃描參數(shù)：自動(dòng)管電流調(diào)節(jié)(100～500 mA)，自動(dòng)生成噪聲指數(shù)(noise index, NI)，螺旋式掃描，球管轉(zhuǎn)速0.5秒/轉(zhuǎn)，螺距0.992∶1，探測(cè)器寬度80 mm，SFOV 50.0 cm，掃描層厚5 mm，層間距5 mm。采用ASiR-V算法重建圖像，ASiR-V混合權(quán)重選擇0(即傳統(tǒng)FBP)和50%，50% ASiR-V為FBP圖像與ASiR-V圖像等比例混合而成。

1.3 圖像評(píng)價(jià) 將圖像傳至GE AW4.6工作站，由2名分別具有10年和3年CT診斷經(jīng)驗(yàn)的影像科醫(yī)師評(píng)價(jià)所有圖像，意見(jiàn)有分歧時(shí)經(jīng)協(xié)商達(dá)成一致。采用PS算法重建A組FBP、50%ASiR-V圖像。根據(jù)不同重建算法和處理方式，將A組分為A1(FBP)、A2(FBP+PS)、A3(50% ASiR-V)及A4(50% ASiR-V+PS)共4個(gè)亞組；將B組分為B1亞組(FBP)和B2亞組(50% ASiR-V)。

2名醫(yī)師分別在相同層面肝右葉(S肝臟=78.54 mm2)及右側(cè)豎脊肌(S豎脊肌=19.63 mm2)勾畫(huà)3個(gè)大小相等的類(lèi)圓形ROI，避開(kāi)局限性病變及肝內(nèi)血管(圖1、2)，測(cè)定CT值及標(biāo)準(zhǔn)差(standard, SD)，測(cè)量3次，取均值。以豎脊肌為背景，計(jì)算肝臟SNR和CNR：SNR肝=CT肝/SD豎脊肌，CNR肝=│CT肝-CT豎脊肌│/SD豎脊肌。

比較A2與B1、A4 與B2亞組間各參數(shù)值差異，分析采用PS算法重建圖像降低噪聲(SD%)、提高圖像質(zhì)量(SNR%及CNR%)的能力：SD%=(SDB1或B2-SDA2或A4)/SDB1或B2×100%，SNR%=(SNRA2或A4-SNRB1或B2)/SNRA2或A4×100%；CNR%計(jì)算公式參照SNR%。

記錄2組容積CT劑量指數(shù)(CT dose index of volume, CTDIvol)，計(jì)算A組CTDIvol降低程度，CTDIvol%=(CTDIvolB-CTDIvolA)/CTDIvolB×100%。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。根據(jù)組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(intraclass correlation coefficient, ICC)分析2名觀察者所測(cè)數(shù)據(jù)的一致性：ICC<0.4為一致性差，0.4～0.75為一致性一般，>0.75為一致性良好。若一致性良好，采用觀察者1(高年資影像診斷醫(yī)師)所測(cè)數(shù)據(jù)；若一致性差，由2名觀察者重新測(cè)量。以Shapiro-Wilk檢驗(yàn)評(píng)估連續(xù)變量是否符合正態(tài)分布，對(duì)符合正態(tài)分布的計(jì)量資料以±s表示，采用單因素方差分析比較A組各亞組間參數(shù)值差異，以L(fǎng)SD法進(jìn)行兩兩比較；非正態(tài)分布計(jì)量資料以中位數(shù)(上下四分位數(shù))表示，采用Friedman秩和檢驗(yàn)比較各參數(shù)值差異，兩兩比較采用FriedmanPosthoc檢驗(yàn)，以Bonferroni法校正P值。比較2組間CTDIvol，A1、A2亞組分別與B1亞組，A3、A4亞組分別與B2亞組各參數(shù)差異；符合正態(tài)分布采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，不符合采用Mann-WhitneyU檢驗(yàn)。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 2名觀察者測(cè)量各參數(shù)值一致性分析 2名觀察者測(cè)量2組各參數(shù)值一致性良好(ICC值均>0.80，P均<0.05)。

2.2 A組各亞組間參數(shù)值比較 A1～A4各亞組間肝臟及豎脊肌CT值總體差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)；SD值總體差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.001)；亞組間兩兩比較，SDA4SNRA2>SNRA3>SNRA1(P均<0.005)。A1～A4亞組間肝臟CNR值總體差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.001)；A1亞組與A3亞組間CNR值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.078)，其余亞組間兩兩比較CNRA4>CNRA2>CNRA3或CNRA1(P均<0.001)。見(jiàn)表1。

2.3 A1與B1亞組及A3與B2亞組各參數(shù)值比較 A1亞組肝臟圖像噪聲[SDA1=(13.55±1.35)HU]均高于B1亞組[SDB1=(12.54±1.22)HU]，A3亞組[SDA3=(8.24±1.082)HU]高于B2亞組[SDB2=(7.58±0.76)HU]，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.007、0.009)；A1與B1亞組、A3與B2亞組肝臟SNR及CNR值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)。

2.4 A2與B1亞組及A4與B2亞組各參數(shù)值比較 A2亞組肝臟SD值較B1亞組，A4亞組較B2亞組明顯降低，SNR及CNR值明顯增高(P均<0.001)；見(jiàn)表2、3。 A2亞組肝臟圖像噪聲較B1亞組降低66.59%，SNR提高65.03%，CNR提高69.32%；A4亞組肝臟圖像噪聲較B2亞組降低64.25%，SNR提高62.89%，CNR提高66.86%。

2.5 輻射劑量比較 A組CTDIvol[(7.87±0.72) mGy]明顯低于B組[(10.98±1.79) mGy；t=-8.689，P<0.001]，CTDIvol降低28.32%。

表1 A1～A4各亞組間測(cè)量各參數(shù)值比較(±s)

表1 A1～A4各亞組間測(cè)量各參數(shù)值比較(±s)

組別肝CT值(HU)肝SD值(HU)△豎脊肌CT值(HU)豎脊肌SD值(HU)△肝SNR△肝CNRA1亞組61．59±4．1113．55(12．65，14．17)51．29±5．6713．22(12．72，13．92)4．57(4．24，5．03)0．79±0．42A2亞組61．59±4．084．15(3．82，4．38)51．17±5．644．55(4．12，4．84)13．43(12．39，15．25)2．38±1．15A3亞組61．68±4．098．27(7．60，8．87)51．34±5．547．99(7．62，8．99)7．55(6．85，8．31)1．29±0．61?A4亞組61．57±4．052．62(2．42，2．83)51．32±5．542．83(2．66，3．36)21．48(17．32，23．62)3．50±1．70F/M值0．00489．7090．00689．70989．70936．459P值1．000<0．0010．999<0．001<0．001<0．001

注：*：與A1亞組比較，P=0.078；△：以中位數(shù)(上下四分位數(shù))表示

圖1 管電壓100 kVp圖像 A.FBP+PS圖像； B.50%ASiR-V+PS圖像 圖2 管電壓120 kVp 圖像 A.FBP圖像； B.ASiR-V圖像

組別SD值(HU)SNRCNRA2亞組4．18±0．4413．84±2．382．38±1．15B1亞組12．54±1．224．84±0．830．73±0．43t值-34．84319．5087．321P值<0．001<0．001<0．001

表3 A4亞組與B2亞組肝臟各參數(shù)值比較(±s)

表3 A4亞組與B2亞組肝臟各參數(shù)值比較(±s)

組別SD值(HU)△SNRCNRA4亞組2．62(2．42，2．83)20．91±4．653．50±1．70B2亞組7．53(7．10，7．88)7．76±1．531．16±0．66t值/F值-6．59714．6866．977P值<0．001<0．001<0．001

注：△：以中位數(shù)(上下四分位數(shù))表示

3 討論

CT輻射已成為業(yè)界關(guān)注焦點(diǎn)[7]。Albert等[8]發(fā)現(xiàn)約2%的癌癥由CT檢查所致。最大程度降低輻射劑量及改善圖像質(zhì)量是CT發(fā)展的必經(jīng)之路。既往腹部CT低劑量檢查多采用降低管電壓、管電流及增加螺距等方式[1-3]，但隨著輻射劑量降低，有效成像X線(xiàn)光子數(shù)量減少、噪聲水平增高，致重建圖像質(zhì)量較差[9]。采用低管電壓聯(lián)合FBP掃描方案降低輻射劑量有限[1]，對(duì)于肥胖患者更為明顯。IR技術(shù)可降低噪聲、消除偽影，與FBP算法相比，能在降低輻射劑量的同時(shí)改善圖像質(zhì)量，為低管電壓和低管電流技術(shù)的應(yīng)用提供更大空間[1,4]。采用ASiR-V重建技術(shù)獲得的圖像質(zhì)量較ASiR更好，且重建時(shí)間較MBIR更短，可在降低輻射劑量的同時(shí)保持空間分辨率不變，減少圖像偽影[10-11]。高BMI患者以腹圍增加為主要表現(xiàn)，X線(xiàn)的穿透力隨BMI增加而減弱，過(guò)厚的腹部產(chǎn)生較多散射線(xiàn)，導(dǎo)致圖像噪聲增加、質(zhì)量降低[12-13]。

深度學(xué)習(xí)功能系通過(guò)建立、模擬人腦的分層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)從外部輸入數(shù)據(jù)提取由低級(jí)到高級(jí)的特征，從而解釋外部數(shù)據(jù)，給AI帶來(lái)了新的希望[14]。新AI技術(shù)PS是一種通過(guò)建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(artificial neural network, ANN)以改善低劑量圖像質(zhì)量的重建方法，通過(guò)對(duì)低劑量高噪聲的圖像和相應(yīng)高劑量低噪聲的圖像進(jìn)行配對(duì)訓(xùn)練，再采用ANN軟件學(xué)習(xí)兩者之間的相關(guān)性。ANN在像素水平進(jìn)行訓(xùn)練，故不局限于特定解剖區(qū)域；一旦建立ANN，可由高噪聲圖像通過(guò)ANN的學(xué)習(xí)節(jié)點(diǎn)和權(quán)重而生成低噪聲的高質(zhì)量圖像。本組2名觀察者對(duì)各參數(shù)值測(cè)量的一致性良好，提示數(shù)據(jù)測(cè)量穩(wěn)定性很好，可重復(fù)性高。本研究A組內(nèi)4種算法間肝臟及豎脊肌CT值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，SD值差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.001)，各亞組間SDA4SNRA2>SNRA3>SNRA1；A1亞組與A3亞組間CNR值差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.078)，其余亞組間兩兩比較CNRA4>CNRA2>CNRA3或CNRA1(P均<0.001)，提示PS算法不僅可降低圖像噪聲、提高SNR及CNR，且所測(cè)CT值結(jié)果很穩(wěn)定。PS算法重建的FBP圖像質(zhì)量?jī)?yōu)于常規(guī)50% ASiR-V圖像，對(duì)于無(wú)法進(jìn)行ASiR-V重建的傳統(tǒng)CT圖像，可通過(guò)PS算法獲得優(yōu)質(zhì)圖像。PS技術(shù)可兼容多種算法的圖像重建，可在ASiR-V算法基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高圖像質(zhì)量。CTDIvol反映序列掃描平面中的平均劑量[12]，因本組病例包括全腹或上腹CT平掃，未限制掃描長(zhǎng)度，故采用CTDIvol指標(biāo)可更準(zhǔn)確反映患者所受輻射劑量。本研究中A組CTDIvol低于B組，CTDIvol降低28.32%，但肝臟圖像噪聲增加，圖像質(zhì)量變差。A組采用PS算法重建FBP或ASiR-V圖像，圖像噪聲降低、SNR及CNR明顯增高，降低圖像噪聲達(dá)60%以上，提高SNR及CNR均達(dá)60%以上，提示采用PS算法重建的圖像穩(wěn)定、可大幅降低圖像噪聲，提高圖像質(zhì)量。對(duì)于高BMI(≥25 kg/m2)者，腹部CT平掃可采用100 kVp降低輻射劑量，在50% ASiR-V重建基礎(chǔ)上，再采用PS算法重建，可獲得優(yōu)質(zhì)圖像。

本研究的不足：樣本數(shù)較少，結(jié)果可能存在偏倚；僅探討對(duì)肝臟圖像質(zhì)量的影響，未評(píng)估其他臟器；未評(píng)估病灶顯示情況，將在今后研究中進(jìn)一步探討。

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《中國(guó)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)》投稿要求(三)

15計(jì)量單位采用國(guó)際單位制并嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 3100～3201《量和單位》的規(guī)定，使用法定計(jì)量單位，不再使用N(當(dāng)量濃度)、M(克分子濃度)、百分比濃度[%(V/V)、%(m/m)]等已廢除的非標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量單位和符號(hào)。

16統(tǒng)計(jì)學(xué)符號(hào)以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3358.1-1993《統(tǒng)計(jì)學(xué)名詞及符號(hào)》為準(zhǔn)，樣本算術(shù)平均數(shù)用英文小寫(xiě)斜體；標(biāo)準(zhǔn)差用英文小寫(xiě)斜體s；t檢驗(yàn)用英文小寫(xiě)t；F檢驗(yàn)用英文大寫(xiě)F；卡方檢驗(yàn)用希文斜體χ2；相關(guān)系數(shù)用英文小寫(xiě)斜體r；自由度用希文斜體γ；概率用英文大寫(xiě)斜體P；樣本數(shù)用英文小寫(xiě)斜體n。

17統(tǒng)計(jì)學(xué)方法需注明使用的統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件名稱(chēng)和版本，以及所使用的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。率的計(jì)算保留小數(shù)點(diǎn)后兩位，年齡需要提供或者中位年齡，保留小數(shù)點(diǎn)后一位。

18圖片研究論著類(lèi)論文和短篇報(bào)道均需附有相應(yīng)患者的影像學(xué)資料，圖片分辨率應(yīng)在300 dpi以上，JPG/JEPG格式，有良好的清晰度和對(duì)比度，最好是醫(yī)院圖像工作站中直接提取的圖像。每圖下面應(yīng)標(biāo)有圖序號(hào)、圖題、圖說(shuō)(解釋圖片內(nèi)容的文字)，文中應(yīng)有圖位。圖中箭示或文字應(yīng)有說(shuō)明，病理圖應(yīng)注明染色方法及放大倍數(shù)。

19表格本刊采用三線(xiàn)表，表格列于文后，每表應(yīng)標(biāo)有表序號(hào)、表題，文中應(yīng)有表位。

20參考文獻(xiàn)嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 7714-2015《文后參考文獻(xiàn)著錄規(guī)則》中規(guī)定，采用“順序編碼制”。僅限于作者直接閱讀的近5年的文獻(xiàn)，盡量不用二次文獻(xiàn)，無(wú)特殊需要不必羅列眾所周知的教科書(shū)或某些陳舊史料，提倡引用國(guó)內(nèi)外同行新近發(fā)表的研究論文為參考文獻(xiàn)，引用論點(diǎn)必須準(zhǔn)確無(wú)誤，不能斷章取義。除短篇報(bào)道外，論文參考文獻(xiàn)應(yīng)至少來(lái)源于5種以上的期刊，研究論著類(lèi)論文參考文獻(xiàn)不少于13條，綜述類(lèi)論文參考文獻(xiàn)應(yīng)在20條以上，以反映論文的科學(xué)依據(jù)，以及對(duì)前人科學(xué)工作的繼承性。參考文獻(xiàn)的編排應(yīng)按每條文獻(xiàn)在文中出現(xiàn)的先后順序逐條列于文后，并在文內(nèi)引用處用右上角加方括號(hào)注明角碼。參考文獻(xiàn)書(shū)寫(xiě)格式如下：

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