基于模型的迭代重建對(duì)低劑量肺部CT條件下計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)系統(tǒng)氣道分析的影響

賈永軍，于楠，楊創(chuàng)勃，張喜榮，段海峰，賀太平，于勇

陜西中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科，陜西咸陽(yáng) 712000； *通訊作者 于勇 22434158@qq.com

CT已廣泛應(yīng)用于診斷肺部疾病。目前，多排螺旋CT（MDCT）各向同性使得基于影像醫(yī)學(xué)的肺部疾病計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)（computer-aided detection，CAD）成為可能，提高了影像診斷的客觀性和可重復(fù)性，增加了肺部疾病的診斷效能，促進(jìn)了影像定量診斷模式的轉(zhuǎn)換[1]；但圖像噪聲、運(yùn)動(dòng)偽影與部分容積效應(yīng)等所致肺氣管內(nèi)灰度分布不均勻，將導(dǎo)致遠(yuǎn)端局部管壁斷裂和分割細(xì)支氣管時(shí)擴(kuò)散到肺實(shí)質(zhì)中造成泄漏[2]。因此，更薄層、更清晰的影像圖像需要更高輻射劑量來(lái)實(shí)現(xiàn)。本研究擬比較基于模型的迭代重建（modelbased iterative reconstruction，MBIR）和自適應(yīng)迭代重建（adaptive statistical iterative reconstruction，ASiR）對(duì)低劑量肺部CT條件下CAD氣道分析性能的影響，探索采用MBIR降低胸部MDCT輻射劑量，并保持或提高圖像質(zhì)量的可行性。

1 資料與方法

1.1 研究對(duì)象 收集2016年7－10月于陜西中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院1個(gè)月內(nèi)接受2次胸部CT平掃受檢者共45例。其中男28例，女17例；年齡33～91歲，平均（61.84±16.31）歲；體重39～113kg，平均（58.29±13.57）kg；體重指數(shù)17.78～37.32 kg/m2，平均（22.97±4.28）kg/m2。排除胸部術(shù)后復(fù)查、肺部滲出實(shí)變、腫塊結(jié)節(jié)或胸腔積液變化明顯等影響CAD診斷與量化評(píng)估支氣管的情況。所有患者低劑量復(fù)查前均簽署知情同意書(shū)。復(fù)查CT擬診為肺結(jié)節(jié)或腫塊27例，慢性肺炎10例，支氣管擴(kuò)張2例，外傷4例，肺不張1例，肺結(jié)核1例。

1.2 掃描及重建方法 使用Discovery CT 750 HD寶石能譜CT機(jī)?；颊呷⊙雠P位，雙手上舉，采取吸氣末單次屏氣掃描，范圍從胸廓至后肋隔角尖端水平。掃描條件：層厚、層間距5.0 mm；X線管旋轉(zhuǎn)時(shí)間0.6 s/轉(zhuǎn)；螺距1.375︰1；準(zhǔn)直器寬度為0.625×64；電壓120 kVp；采用自動(dòng)曝光控制技術(shù)（AutomA，GE Healthcare）預(yù)設(shè)噪聲指數(shù)（noise index，NI）控制管電流。初次采用常規(guī)輻射劑量（NI=14）掃描，ASiR重建。復(fù)查采用低輻射劑量方案（NI=28）掃描，分別采用肺窗重建和標(biāo)準(zhǔn)窗重建，重建層厚0.625 mm的圖像。

1.3 定量CT氣道分析及主觀支氣管樹(shù)圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)2次掃描各重建算法DICOM格式CT影像序列信息應(yīng)用已通過(guò)驗(yàn)證的自動(dòng)CT定量軟件（Dexin-FACT）對(duì)氣管進(jìn)行分析測(cè)量。采用骨架提取算法自動(dòng)提取支氣管骨架和支氣管樹(shù)進(jìn)行定量CT氣道分析[3-4]。本研究選取走行平直且分叉較少的右肺中葉支氣管測(cè)量隆突至顯示氣道終端長(zhǎng)度（圖1）。由1名具有7年診斷經(jīng)驗(yàn)的放射科主治醫(yī)師和1名具有11年診斷經(jīng)驗(yàn)的放射科副主任醫(yī)師以常規(guī)劑量ASiR重建為基礎(chǔ)，對(duì)低劑量條件下ASiR和MBIR重建圖像經(jīng)CAD自動(dòng)提取的支氣管樹(shù)結(jié)構(gòu)在曲面多平面重組（curved multi-planner reformation，CMPR）、CT仿真內(nèi)鏡（CT virtual endoscopy，CTVE）和容積再現(xiàn)（volume rendering，VR）上圖像主觀噪聲、支氣管壁連續(xù)性與完整度、支氣管末梢顯示盲法5分半定量目測(cè)評(píng)分[5]。0分為圖像質(zhì)量與常規(guī)劑量ASiR重建相近，±1為略好或略差于常規(guī)劑量ASiR重建，±2為明顯好或明顯差于常規(guī)劑量ASiR重建。

圖1 自動(dòng)CT定量軟件（Dexin-FACT）對(duì)氣管進(jìn)行分析測(cè)量，采用骨架提取算法自動(dòng)提取支氣管骨架和支氣管樹(shù)，在支氣管樹(shù)上選取右肺中葉，軟件自動(dòng)默認(rèn)最遠(yuǎn)路徑并得到隆突至顯示氣道終端長(zhǎng)度并得到支氣管長(zhǎng)度（cm）

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 20.0軟件，計(jì)量資料以±s表示，不同算法重建圖像的右肺中葉支氣管顯示長(zhǎng)度行單因素方差分析，組間兩兩比較采用LSD法；支氣管樹(shù)結(jié)構(gòu)連續(xù)性、清晰度評(píng)分采用評(píng)分頻率表示，Wilcoxon符號(hào)等級(jí)檢驗(yàn)。P＜0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 射線輻射劑量比較 根據(jù)劑量報(bào)告并采用有效劑量權(quán)重因子k=0.014。初檢CT容積劑量指數(shù)（CT dose index volume，CTDIvol）=（6.37±4.05）mGy，劑量長(zhǎng)度乘積（dose-length product，DLP）=（215.34±115.30）mGy·cm，有效劑量（E）=（3.01±1.89）mSv；復(fù)查CTDIvol=（1.73±1.62）mGy，DLP=（63.16±59.19）mGy·cm，E=（0.88±0.83）mSv。復(fù)查結(jié)果較初檢下降約70%。

2.2 客觀評(píng)價(jià) CAD檢測(cè)支氣管長(zhǎng)度重建算法和輻射劑量影響肺部CT條件下CAD檢測(cè)右肺中葉支氣管長(zhǎng)度。低劑量ASiR較常規(guī)劑量ASiR圖像自動(dòng)提取的支氣管短，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[（19.45±2.64）cm比（21.48±2.75）cm，P＜0.001]；但低劑量MBIR[（21.79±3.18）cm]較常規(guī)劑量ASiR算法圖像自動(dòng)提取的支氣管長(zhǎng)，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。2次掃描各重建算法檢測(cè)右肺中葉支氣管長(zhǎng)度比較見(jiàn)圖2。

圖2 男，60歲，雙肺多發(fā)小斑片狀實(shí)變影。2次掃描不同重建算法（A：常規(guī)劑量ASiR重建；B：低劑量ASiR重建；C：低劑量MBIR重建）CPR、支氣管樹(shù)骨架圖、CTVE圖像，經(jīng)CAD軟件自動(dòng)提取測(cè)量隆突至顯示氣道終端長(zhǎng)度，得到A、C提取右肺中葉長(zhǎng)度明顯大于B

2.3 主觀評(píng)價(jià) CAD提取支氣管樹(shù)圖像質(zhì)量重建算法影響低劑量肺部CT條件下CAD自動(dòng)提取支氣管樹(shù)的主觀噪聲、支氣管壁連續(xù)性與完整度、支氣管末梢顯示。低劑量ASiR重建圖像質(zhì)量低于常規(guī)劑量ASiR，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），但低劑量MBIR重建圖像優(yōu)于常規(guī)劑量ASiR，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。見(jiàn)圖3。

圖3 與圖2為同一患者，2次掃描不同重建算法（A：常規(guī)劑量ASiR重建；B：低劑量ASiR重建；C：低劑量MBIR重建）支氣管樹(shù)骨架圖，不同代支氣管用不同顏色表示，B支氣管樹(shù)與A比較分支減少（箭頭），支氣管連續(xù)性、清晰度（箭）均較差，B主觀評(píng)分為-1/-2（甲/乙）；C支氣管樹(shù)與A比較分支無(wú)減少，支氣管連續(xù)性、清晰度明顯改善，C主觀評(píng)分為2/2（甲/乙）

3 討論

CT以其優(yōu)越的時(shí)間、空間以及密度分辨率在現(xiàn)代影像學(xué)的研究與應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用，并廣泛應(yīng)用于診斷胸部疾病。同時(shí)在保證圖像質(zhì)量的前提下，盡可能地降低患者X線吸收劑量已成為放射醫(yī)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)[6-7]。本研究復(fù)查CT掃描平均輻射劑量小于1 mSv，符合低劑量螺旋CT肺癌篩查專家共識(shí)的要求[8]。與此同時(shí)，有望作為影像醫(yī)師“第二雙眼”的CAD也已成為研究熱點(diǎn)[1]。目前，一方面CAD可輔助影像學(xué)醫(yī)師對(duì)可疑病變區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，輔助醫(yī)師對(duì)病變區(qū)域進(jìn)行量化分析以判別其性質(zhì)[9]；另一方面，支氣管自動(dòng)檢測(cè)要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是如何檢測(cè)到更準(zhǔn)確地適合于氣管形態(tài)參數(shù)量化的支氣管體素信息，要求薄層重建和足夠曝光條件采集容積CT數(shù)據(jù)信息。低劑量CT通過(guò)降低管電流、管電壓和增大螺距等方法降低輻射劑量，繼而增加圖像噪聲，其氣道重建圖像與常規(guī)劑量比較能否提供足夠的診斷信息對(duì)其可行性具有重要意義。既往文獻(xiàn)一般采用比較客觀的圖像噪聲和主觀評(píng)分的方法評(píng)價(jià)低劑量CT圖像質(zhì)量，存在一定的人為因素干擾[10-11]。本研究比較重建算法對(duì)低劑量肺部CT條件下CAD氣道分析性能的影響，探討MBIR在胸部MDCT降低輻射劑量中的應(yīng)用價(jià)值。

ASiR在降低輻射劑量方面發(fā)揮著重要作用并已得到普遍認(rèn)可[12-14]。權(quán)重設(shè)定在40%～60%時(shí)得到的圖像質(zhì)量噪聲及對(duì)比噪聲比較高[15]。故本研究未選用常規(guī)劑量FBP而選用40% ASiR重建作為基礎(chǔ)。本研究降低約70%的輻射劑量掃描時(shí)，MBIR較ASiR算法圖像質(zhì)量更佳，甚至優(yōu)于常規(guī)劑量的ASiR重建圖像質(zhì)量，其原因?yàn)镸BIR僅在投影數(shù)據(jù)空間實(shí)現(xiàn)全迭代重建，除建立系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)模型外，還建立了系統(tǒng)光學(xué)模型，對(duì)體素、X射線光子初始位置和探測(cè)器幾何因素均通過(guò)模型進(jìn)行模擬，真實(shí)還原了X射線從投射到信號(hào)采集的全過(guò)程，能夠進(jìn)一步明顯降低圖像噪聲和提高空間分辨力[5]，與Chen等[16]主、客觀評(píng)價(jià)肺結(jié)節(jié)圖像質(zhì)量的結(jié)論相似。Neroladaki等[17]研究表明，應(yīng)用MBIR的超低劑量CT可在胸部X線正側(cè)位平片輻射水平條件下檢測(cè)肺結(jié)節(jié)。本研究通過(guò)CAD檢測(cè)和定量分析支氣管樹(shù)反映重建算法對(duì)圖像質(zhì)量的影響，避免了人為因素在評(píng)價(jià)胸部CT圖像中的影響。

本研究具有一定的局限性：①M(fèi)BIR較FBP和ASiR重建時(shí)間長(zhǎng)。②對(duì)于ASiR，本研究參考文獻(xiàn)推薦的40%混合因子一個(gè)迭代強(qiáng)度的圖像進(jìn)行比較，但更高的ASiR百分比可進(jìn)一步降低圖像噪聲。③為統(tǒng)一和簡(jiǎn)捷，本研究對(duì)于客觀評(píng)價(jià)僅選用右肺中葉支氣管長(zhǎng)度代表CAD對(duì)支氣管樹(shù)末梢長(zhǎng)度的檢測(cè)能力。④本研究納入樣本量較少，MBIR技術(shù)尚有進(jìn)一步減少輻射劑量的潛力，今后將擴(kuò)大樣本量進(jìn)一步經(jīng)CAD驗(yàn)證MBIR在更低劑量條件下提高圖像質(zhì)量的價(jià)值。

總之，MBIR可以通過(guò)改善圖像質(zhì)量提高CAD系統(tǒng)氣道分析性能，進(jìn)而減少輻射劑量，這為胸部MDCT降低輻射劑量提供一種新的途徑。