探究全模型迭代算法對(duì)胰腺CT圖像質(zhì)量的改善情況

吳巧玲，王沄，徐凱，徐敏，馬壯飛，孫照勇，薛華丹，付海鴻，金征宇

1. 中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)院 放射科，北京 100730；2. 佳能醫(yī)療系統(tǒng)（中國(guó)）有限公司，北京 100015

引言

胰腺病灶一般位置隱秘，臨床癥狀不典型，一般在中晚期發(fā)現(xiàn)[1-3]。常用的檢查胰腺疾病的影像學(xué)方法主要有MRI、CT和超聲。其中MRI檢查無(wú)輻射，對(duì)胰腺病變顯示日趨成熟，但是存在掃描時(shí)間長(zhǎng)，檢查價(jià)格高，基層醫(yī)院普及度低等問(wèn)題[4-7]；超聲檢查也無(wú)輻射，并且價(jià)格較低，但是研究表明，超聲對(duì)胰腺占位性病變的檢出率較低[8-10]；CT檢查速度快，在基層醫(yī)院普及度高，對(duì)胰腺病變的檢出、分期和隨診中都具有重要的作用[11-16]。提高胰腺CT圖像質(zhì)量一直是熱門的研究方向。近期出現(xiàn)的全模型迭代算法（Forward Projected Model-Based Iterative Reconstruction Solution，F(xiàn)IRST）綜合了統(tǒng)計(jì)模型、掃描模型、光學(xué)模型、錐形術(shù)模型和解剖學(xué)模型等五種數(shù)學(xué)模型，多次迭代得到最后的重建圖像。有研究表明，F(xiàn)IRST重建技術(shù)在腹部CTA的圖像質(zhì)量評(píng)估中具有優(yōu)勢(shì)[17]。本研究從客觀指標(biāo)和主觀評(píng)分兩方面比較了傳統(tǒng)的濾波反投影算法（Filtered Back Projection，F(xiàn)BP），混合迭代算法（Adaptive Iterative Dose Reduction 3D，AIDR 3D）和FIRST算法在胰腺CT圖像質(zhì)量的各自優(yōu)勢(shì)。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

回顧性收集2020年6月至2020年7月來(lái)我院放射科行腹部增強(qiáng)檢查患者50例。50例患者中排除13例不符合標(biāo)準(zhǔn)的病例，其中胰腺占位性病變7例，胰腺萎縮2例，胰腺周圍可疑惡性病變4例，最終納入胰腺正常的患者37例。其中男性15人，女性22人，平均年齡為（60.81±11.16）歲，BMI為（23.57±3.46）kg/cm2。

1.2 檢查方法

所有患者掃描前均空腹6～8 h。采用佳能Aquilion ONE GENESIS寬體320排CT設(shè)備仰臥位屏氣掃描，足先進(jìn)，出床掃描，掃描范圍為肝上緣至髂棘處。掃描參數(shù)為：管電壓：120 kV，自動(dòng)電流調(diào)節(jié)，矩陣：512×512，F(xiàn)OV：500 mm，重建層厚：1 mm，重建層間隔：0.8 mm，旋轉(zhuǎn)時(shí)間：0.5 s，噪聲指數(shù)SD（以下簡(jiǎn)稱為SD）：8.8，準(zhǔn)直器：0.5×80，濾波函數(shù)：FC 18，行平掃期、動(dòng)脈期、實(shí)質(zhì)期和延遲期4期掃描。增強(qiáng)檢查采用bolus tracking觸發(fā)啟動(dòng)掃描，監(jiān)測(cè)位置為腹主動(dòng)脈，掃描閾值為：120 HU，動(dòng)脈期延遲時(shí)間為25 s,胰腺實(shí)質(zhì)期延遲時(shí)間為60 s，延遲期延遲時(shí)間為120 s。使用碘帕醇注射液作為造影劑，按照1.2 mL/kg的標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)肘正中靜脈團(tuán)注造影劑，流速為4.0 mL/s。

1.3 圖像質(zhì)量評(píng)估

每位患者均分別重建FIRST、AIDR 3D、FBP圖像。圖像質(zhì)量客觀評(píng)估：將3組圖像傳至workstation VITAL工作站，選取胰腺顯示清晰的層面，分別在胰頭、胰頸、胰體、胰尾畫4個(gè)感興趣區(qū)域（Region of Interest，ROI），ROI大小約為0.5 cm×0.5 cm（圖1），在同層面腰大肌處畫ROI，測(cè)量其CT值（CT腰大?。谕瑢用媲案贡谄は轮咎幒涂諝庵蟹謩e畫ROI，測(cè)量其SD值作為背景噪聲指數(shù)SD（SD脂肪，SD空氣）。各參數(shù)需在連續(xù)層面上重復(fù)3次，取其平均值作為該處的CT值和SD值。

計(jì)算所有圖像的CT值、SD值、信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）值和對(duì)比噪聲比（Contrast to Noise Ratio，CNR）值，見(jiàn)式 (1)～(2)。

圖像質(zhì)量評(píng)估：由2名放射科診斷醫(yī)師（分別具有5年腹部CT閱片經(jīng)驗(yàn)和2年腹部CT閱片經(jīng)驗(yàn)醫(yī)師）采用盲法對(duì)三組圖像四期圖像質(zhì)量分別進(jìn)行評(píng)分，評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)如下：5分：圖像噪聲小，胰腺顯示清晰、邊緣銳利，增強(qiáng)胰腺明顯強(qiáng)化，完全滿足診斷；4分：圖像噪聲較小，胰腺顯示良好，增強(qiáng)胰腺?gòu)?qiáng)化良好，可以滿足診斷；3分：圖像噪聲可接受，胰腺顯示可接受，可用于診斷；2分：圖像噪聲大，胰腺、肝臟輕微可見(jiàn)輪廓，單不能用于診斷；1分：圖像噪聲極大，胰腺顯示不能用于診斷。認(rèn)為圖像評(píng)分≥3分為符合臨床診斷需求，但是2分及以下為不符合臨床診斷需求。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件，計(jì)量資料采用平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示。對(duì)不同重建方法不同期相各客觀參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，首先進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，若符合正態(tài)性分布則采用單因素方差分析比較組間差異，若有差異采用LSD法進(jìn)行兩兩比較，若不符合正態(tài)性分布則采用非參數(shù)檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。主觀分析：首先對(duì)兩位醫(yī)師主觀評(píng)分進(jìn)行可靠性分析，若Cronbach alpha＜0.7，則由第三位具有腹部CT閱片經(jīng)驗(yàn)10年的醫(yī)師進(jìn)行評(píng)分，認(rèn)為P＜0.05具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

2 結(jié)果

圖像質(zhì)量客觀評(píng)估：三組圖像平掃期、動(dòng)脈期、實(shí)質(zhì)期和延遲期的CT值、SD值、SNR值、CNR值均符合正態(tài)性分布。平掃期單因素方差分析結(jié)果顯示三組圖像CT值無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05），SD值、SNR值、CNR值均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P值均＜0.001），見(jiàn)表1。兩兩比較：除AIDR 3D圖像與FBP圖像的CNR值無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05）外，其余均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P值均＜0.001）。動(dòng)脈期單因素方差分析結(jié)果顯示三組圖像CT值無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05），SD值、SNR值、CNR值均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P值均＜0.001），見(jiàn)表2。兩兩比較：除AIDR 3D圖像與FBP圖像的CNR值無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05）之外，其余均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P值均＜0.001）。實(shí)質(zhì)期單因素方差分析結(jié)果顯示三組圖像CT值無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05），SD值、SNR值、CNR值均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P值均＜0.001），見(jiàn)表3。兩兩比較均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P值均＜0.001）。延遲期單因素方差分析結(jié)果顯示三組圖像CT值無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05），SD值、SNR值、CNR值均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P值均＜0.001），見(jiàn)表4。兩兩比較：除AIDR 3D圖像與FBP圖像的CNR值無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05）之外，其余均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P值均＜0.001）。

表1 平掃期FIRST、AIDR3D與FBP圖像的CT值、SD值、SNR值和 CNR值結(jié)果（xˉ±s）

表2 動(dòng)脈期FIRST、AIDR3D與FBP圖像的CT值、SD值、SNR值和 CNR值結(jié)果（xˉ±s）

表3 實(shí)質(zhì)期FIRST、AIDR3D與FBP圖像的CT值、SD值、SNR值和 CNR值結(jié)果（xˉ±s）

表4 延遲期FIRST、AIDR3D與FBP圖像的CT值、SD值、SNR值和 CNR值結(jié)果（xˉ±s）

主觀評(píng)分結(jié)果：兩位閱片者對(duì)四期圖像的FIRST、AIDR 3D與FBP圖像主觀評(píng)分結(jié)果如表5～6。兩位閱片醫(yī)生評(píng)分可靠性分析一致性好，α值為0.980。其中FBP重建圖像平掃期和延遲期不能滿足診斷需要，其余圖像均符合診斷需要，整體評(píng)分AIDR 3D高于FIRST和FBP。選取其中一位患者四期圖像分別采用三種算法重建圖像（圖1），可見(jiàn)FBP重建平掃期和延遲期圖像質(zhì)量較其他圖像質(zhì)量較差，另外所有圖像均可見(jiàn)ROI勾畫位置，分別選取了胰頭、胰頸、胰體和胰尾四個(gè)位置，取其平均值作為該幅圖像胰腺的CT值，SD值測(cè)量結(jié)果。

表5 閱片者1對(duì)四期圖像FIRST、AIDR3D與FBP圖像主觀評(píng)分結(jié)果（分，xˉ±s）

表6 閱片者2對(duì)四期圖像FIRST、AIDR3D與FBP圖像主觀評(píng)分結(jié)果（分，xˉ±s）

圖1 同一患者胰腺平掃期、動(dòng)脈期、實(shí)質(zhì)期、延遲期分別采用FIRST、AIDR 3D與FBP算法重建圖像

3 討論

多層螺旋CT在胰腺病變的檢出、分期和隨訪中一直具有重要的作用，例如急性胰腺炎的篩查，CT是最快速最有效的檢查方法；在胰腺占位性病變的分級(jí)和隨訪中，多層螺旋CT也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[11-16]。提高胰腺的CT圖像質(zhì)量一直是醫(yī)務(wù)工作者的研究方向。近期新出現(xiàn)的FIRST技術(shù)通過(guò)統(tǒng)計(jì)模型、掃描模型、光學(xué)模型、錐形術(shù)模型和解剖學(xué)模型五種數(shù)學(xué)模型，首先計(jì)算前投影和原始投影之間的差別，再通過(guò)數(shù)學(xué)校正方法得到更新后的前投影圖像，再將更新后的前投影圖像輸入到五種數(shù)學(xué)模型中，再次計(jì)算與原始投影之間的差別，這樣通過(guò)不斷的迭代方式最終得到與原始投影之間的差別最小的FIRST重建后的圖像[18-19]。本文從客觀指標(biāo)（CT值、SD值、SNR和CNR）和主觀評(píng)分兩方面比較了傳統(tǒng)的濾波反投影FBP算法，混合迭代AIDR 3D算法和最新的全模型迭代FIRST算法在胰腺四期重建圖像之間的差異，旨在探討FIRST算法在評(píng)估胰腺圖像質(zhì)量方法的優(yōu)劣。

客觀結(jié)果顯示，在同等掃描條件下，F(xiàn)IRST、AIDR 3D和FBP重建圖像均可以降低圖像噪聲，提高圖像的SNR值和CNR值，客觀指標(biāo)具有優(yōu)勢(shì)。FIRST技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚未得到廣泛推廣，本研究在國(guó)內(nèi)首次針對(duì)FIRST技術(shù)在胰腺圖像質(zhì)量改善方面進(jìn)行研究，客觀實(shí)驗(yàn)結(jié)果與國(guó)外相關(guān)FIRST技術(shù)在腹部研究結(jié)果相一致。例如Wu等[17]人比較了FIRST、AIDR 3D和FBP三種重建圖像的CT值、SD值、SNR、CNR在腹部CTA檢查中的差異，結(jié)果與本實(shí)驗(yàn)一致。Laurent等[18]人在比較FIRST、AIDR 3D和FBP三種重建圖像在胸腹盆CT掃描劑量以及病變檢出的研究中發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)IRST重建算法可以得到更高的圖像質(zhì)量。說(shuō)明FIRST重建算法通過(guò)多次重復(fù)迭代以減小差異，并且通過(guò)多種模型的投影的方式確實(shí)是可以降低圖像的噪聲，提高圖像的SNR值和對(duì)CNR值。FIRST技術(shù)在提高胰腺客觀圖像質(zhì)量方面具有優(yōu)勢(shì)。

主觀結(jié)果顯示FIRST和AIDR四期重建圖像均可較好的滿足臨床診斷需求，AIDR 3D重建圖像相比較FIRST和FBP重建圖像醫(yī)生可接受程度更高。Laurent等[18]人利用模型比較了FIRST、AIDR 3D和FBP三種重建算法的圖像質(zhì)量以及主觀評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示FIRST可以得到較好的圖像質(zhì)量，但是主觀評(píng)分較低，與本研究結(jié)果類似。這可能與FIRST技術(shù)多次迭代，減小誤差導(dǎo)致的圖像過(guò)于平滑柔和，對(duì)比度降低有關(guān)，這樣對(duì)于閱片醫(yī)師來(lái)說(shuō)影響其觀察組織輪廓以及有可能誤判病灶邊界情況。Wu等[17]人通過(guò)比較研究三種重建圖像在腹部CTA方面的主觀評(píng)估，認(rèn)為FIRST重建圖像具有較高的主觀評(píng)分，可能是由于FIRST重建技術(shù)對(duì)于血管的顯示較好，而對(duì)于腹部受呼吸運(yùn)動(dòng)影像較大且對(duì)圖像對(duì)比度要求較高的臟器而言，主觀評(píng)價(jià)FIRST技術(shù)不一定是最好的。

本研究尚未涉及胰腺病變的評(píng)估，應(yīng)進(jìn)一步搜集病例，將病變的檢出，增強(qiáng)對(duì)比程度等加入到評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)中；由于FIRST技術(shù)具有降低圖像噪聲的優(yōu)勢(shì)，將進(jìn)一步考慮在低劑量掃描情況下，F(xiàn)IRST重建技術(shù)能否滿足需求。

綜上所述，F(xiàn)IRST技術(shù)較AIDR 3D和FBP重建算法可以降低噪聲，并且在滿足臨床診斷需求的情況下，F(xiàn)IRST技術(shù)在胰腺圖像質(zhì)量的客觀評(píng)估中更具優(yōu)勢(shì)。FIRST技術(shù)在降低胰腺CT檢查輻射劑量以及胰腺疾病的檢出、分期和隨診中具有廣闊的應(yīng)用前景。