深度學(xué)習(xí)圖像重建算法用于肥胖個(gè)體低劑量冠狀動(dòng)脈CT血管成像

王宏偉，李 瑛，高一峰，王 瑞，杜志強(qiáng)，于 敏，徐 磊*

(1.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京安貞醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科，北京 100029；2.通用電氣電子科技園CT產(chǎn)品部，北京 102600)

超重及肥胖是冠狀動(dòng)脈疾病(coronary artery disease， CAD)的重要危險(xiǎn)因素[1]。冠狀動(dòng)脈CT血管成像(coronary CT angiography， CCTA)具有較高敏感度及陰性預(yù)測(cè)值，是無創(chuàng)檢查CAD的主要方式之一[2]，但受檢者脂肪組織較多可增加圖像噪聲，影響CCTA圖像質(zhì)量及診斷準(zhǔn)確率，為此多通過增加管電壓等方法改善圖像質(zhì)量，導(dǎo)致輻射劑量增加[3]，且目前常用的迭代重建技術(shù)無法解耦圖像質(zhì)量與輻射劑量[4]，在肥胖人群中應(yīng)用受限。隨著人工智能的迅速發(fā)展，基于深度學(xué)習(xí)(deep learning， DL)的重建方式已被證實(shí)可提高CCTA圖像質(zhì)量[5]。本研究對(duì)比深度學(xué)習(xí)圖像重建(DL image reconstruction， DLIR)與自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)迭代重建(adaptive statistical iterative reconstruction Veo， ASIR-V)算法對(duì)肥胖人群低劑量CCTA圖像質(zhì)量的影響。

1 資料與方法

1.1 研究對(duì)象 前瞻性納入2019年8月—2019年10月體質(zhì)量指數(shù)(body mass index， BMI)≥28 kg/m2[6]的30例臨床疑診CAD患者，男21例，女9例，年齡32～80歲，平均(54.7±11.0)歲；BMI 28.07～39.04 kg/m2，平均(32.63±3.23)kg/m2。排除標(biāo)準(zhǔn)：①對(duì)比劑過敏；②合并心或腎功能不全；③冠狀動(dòng)脈手術(shù)史。本研究獲得院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(倫理編號(hào)：2017048X)。檢查前所有患者均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 掃描前未使用控制心率藥物。采用GE 256排Revolution CT機(jī)，囑患者仰臥于掃描床，以雙筒高壓注射器經(jīng)前臂靜脈留置針以4～5 ml/s流率注射碘海醇注射液50～60 ml(350 mgI/ml)及30～35 ml生理鹽水，之后采用前瞻性心電門控掃描氣管隆嵴下1～2 cm至心臟膈面，參數(shù)：管電壓100 kV，管電流采用Smart-mA技術(shù)，準(zhǔn)直256×0.625 mm，機(jī)架旋轉(zhuǎn)時(shí)間280 ms，掃描范圍14～16 cm，矩陣512×512像素，重建層厚0.625 mm，層間距0。采用DLIR中級(jí)別降噪(DLIR-M)、DLIR高級(jí)別降噪(DLIR-H)及ASIR-V 50%(ASIR-V)算法重建冠狀動(dòng)脈運(yùn)動(dòng)偽影最少的相同采集期相，分別以所獲圖像為DLIR-M組、DLIR-H組和ASIR-V組。

1.3 圖像評(píng)價(jià) 將數(shù)據(jù)傳輸至AW4.7工作站，由1名具有3年以上工作經(jīng)驗(yàn)的影像科醫(yī)師盡量避開動(dòng)脈管壁或其他干擾結(jié)構(gòu)于左心房(left atrium， LA)、主動(dòng)脈根部(aortic root， Ao)、右冠狀動(dòng)脈(right coronary artery， RCA)、左主干動(dòng)脈(left main artery， LMA)、左前降支動(dòng)脈(left anterior descending artery， LAD)、左回旋支動(dòng)脈(left circumflex artery， LCX)近端及主動(dòng)脈根部旁前縱隔脂肪(the para-aortic anterior mediastinal fat， FAT)各勾畫1個(gè)ROI，調(diào)整ROI后獲得3組重建圖像中相同位置的最大測(cè)量區(qū)域，測(cè)量其CT值及標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation， SD)。噪聲定義為L(zhǎng)A、Ao及FAT ROI的SD。以Ao圖像噪聲及脂肪密度計(jì)算各冠狀動(dòng)脈開口的對(duì)比噪聲比(contrast to noise ratio， CNR)[4]。見圖1。

圖1 患者女，42歲，BMI=28.31 kg/m2 采用DLIR-M(A)、DLIR-H(B)及ASIR-V(C)算法重建CCTA顯示主動(dòng)脈根部的軸位圖像，勾畫主動(dòng)脈根部(大圓圈)、RCA近端(小圓圈)，并測(cè)量CT值

由另2名具有5年以上工作經(jīng)驗(yàn)的影像科醫(yī)師針對(duì)重建圖像以5-Likert評(píng)分法[7]評(píng)估冠狀動(dòng)脈18節(jié)段[8]圖像質(zhì)量，意見不一致時(shí)協(xié)商達(dá)成一致：圖像質(zhì)量?jī)?yōu)秀、無偽影、噪聲小為5分；圖像質(zhì)量好、有輕微偽影和噪聲但模糊程度可忽略不計(jì)為4分；圖像質(zhì)量中等、部分存在偽影及噪聲但不影響診斷為3分；圖像質(zhì)量較差、偽影嚴(yán)重、有明顯噪聲為2分；圖像質(zhì)量極差、不可評(píng)價(jià)、噪聲很大為1分；3～5分為可評(píng)估冠狀動(dòng)脈節(jié)段，見圖2。

圖2 患者男，48歲，BMI=29.39 kg/m2 采用DLIR-M(A)、DLIR-H(B)及ASIR-V(C)算法重建的RCA圖像

1.4 輻射劑量 記錄CT掃描儀自動(dòng)提供的CCTA掃描劑量長(zhǎng)度乘積(dosage length product， DLP)及容積CT劑量指數(shù)(volume CT dose index， CTDIvol)，并以胸部轉(zhuǎn)換因子k[0.014 mSv/(mGy·cm)][9]計(jì)算有效輻射劑量(effective dose， ED)。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 23.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。以±s表示計(jì)量資料，采用單因素方差分析或秩和檢驗(yàn)比較各參數(shù)組間差異。以Kappa檢驗(yàn)評(píng)價(jià)觀察者間一致性，Kappa<0.4為一致性差；0.4≤Kappa≤0.6為一致性中等；0.60.8為一致性好。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 圖像評(píng)價(jià) DLIR-M組、DLIR-H組及ASIR-V組Ao CT值分別為(375.02±50.77)HU、(375.27±50.71)HU及(374.94±50.48)HU，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=0.009，P=0.995)。DLIR-M組及DLIR-H組噪聲均低于ASIR-V組，ASIR-V組與DLIR-H組差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，與DLIR-M組差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；DLIR-H組噪聲明顯低于DLIR-M組(P<0.05)，見表1。DLIR-M組及DLIR-H組CNR均高于ASIR-V組，ASIR-V組與DLIR-H組差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，與DLIR-M組差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；DLIR-H組CNR明顯高于DLIR-M組(P均<0.05)，見表2。

表1 30例肥胖患者低劑量CCTA噪聲比較(±s，n=30)

表1 30例肥胖患者低劑量CCTA噪聲比較(±s，n=30)

組別LAAoFATDLIR-M組38.51±5.1534.59±6.5629.87±6.54DLIR-H組28.45±4.90*24.12±5.48*22.57±5.79*ASIR-V組39.21±4.34#37.98±4.17#33.53±5.80#F值45.26248.99436.060P值<0.001<0.001<0.001

注：*：與DLIR-M組比較P<0.05；#：與DLIR-H組比較P<0.05

表2 30例肥胖患者低劑量CCTA CNR比較(±s，n=30)

表2 30例肥胖患者低劑量CCTA CNR比較(±s，n=30)

組別AoRCALMALADLCXDLIR-M組16.72±4.4515.96±4.2916.08±4.3716.32±4.1616.14±4.52DLIR-H組22.31±6.08?21.23±5.84?21.48±6.01?21.71±5.78?21.32±6.06?ASIR-V組14.65±3.35#13.74±3.20#13.89±3.37#13.94±3.17#13.60±3.43#F值28.52829.32229.64730.98025.432P值<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001

注：*：與DLIR-M組比較P<0.05；#：與DLIR-H組比較P<0.05

共 329個(gè)冠狀動(dòng)脈節(jié)段可評(píng)價(jià)，ASIR-V組302個(gè)(302/329，91.79%)，DLIR-M組及DLIR-H組各323個(gè)(323/329，98.18%)，見表3。DLIR-M組、DLIR-H組及ASIR-V組平均質(zhì)量評(píng)分分別為(3.81±0.62)分、(4.02±0.71)分及(3.45±0.66)分，DLIR-M組及DLIR-H組平均質(zhì)量評(píng)分均明顯高于ASIR-V組(P均<0.05)，DLIR-H組明顯高于DLIR-M組(P<0.05)。2名醫(yī)師評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量的一致性較高(Kappa=0.68，P<0.05)。

表3 30例肥胖患者低劑量CCTA主觀圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)(個(gè)，n=329)

2.2 輻射劑量 30例DLP為66.79～137.52 mGy·cm，平均(79.98±20.19)mGy·cm；CTDIvol為4.77～8.81 mGy，平均(5.64±1.25)mGy；ED為0.94～1.93 mSv，平均(1.12±0.28)mSv。

3 討論

DL是以多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為特征的端到端機(jī)器學(xué)習(xí)方法，已廣泛用于醫(yī)學(xué)圖像處理[10]。本研究采用的DLIR是以高劑量濾波反投影(filtered back projection， FBP)圖像為金標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行訓(xùn)練，將低劑量圖像與相同數(shù)據(jù)高劑量FBP圖像的圖像噪聲、低對(duì)比度分辨率、低對(duì)比度可檢測(cè)性及噪聲紋理等多個(gè)參數(shù)進(jìn)行比較，輸出圖像并將差異反饋于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(deep neural network， DNN)供其修改，并多次重復(fù)該過程，直至輸出圖像與相同數(shù)據(jù)高劑量圖像達(dá)到精確匹配。隨著BMI增加，CCTA不可評(píng)估的冠狀動(dòng)脈節(jié)段增加，導(dǎo)致診斷準(zhǔn)確率下降[11]。BENZ等[5]對(duì)比ASIR-V 70% 標(biāo)準(zhǔn)重建圖像與高清內(nèi)核、DLIR-M、DLIR-H重建圖像，發(fā)現(xiàn)DLIR-M和DLIR-H圖像質(zhì)量高于ASIR-V標(biāo)準(zhǔn)和高清內(nèi)核圖像。本研究對(duì)DLIR-M、DLIR-H與ASIR-V 50%圖像進(jìn)行比較，結(jié)果顯示雖因患者肥胖導(dǎo)致圖像噪聲增加，DLIR-M及DLIR-H組圖像噪聲仍低于ASIR-V組，CNR亦高于ASIR-V組，提示圖像質(zhì)量較之明顯提高；DLIR算法重建圖像中，僅1.82%(6/329)冠狀動(dòng)脈節(jié)段不可評(píng)估，低于ASIR-V圖像，提示DLIR算法具有良好降噪能力。

既往研究[12]采用噪聲功率譜、基于任務(wù)的傳遞函數(shù)50%及檢測(cè)能力指數(shù)評(píng)估DLIR圖像的噪聲紋理、空間分辨率及檢測(cè)病變能力，發(fā)現(xiàn)隨重建級(jí)別升高，DLIR降噪能力增加、空間分辨率提高，且檢測(cè)細(xì)微病變能力較高。本研究DLIR-H組噪聲明顯低于、CNR明顯高于DLIR-M組，隨著DLIR級(jí)別升高，其降噪能力也得到提升。

國(guó)際心血管CT協(xié)會(huì)推薦對(duì)肥胖人群行CCTA檢查時(shí)使用更高管電壓(如120 kV)[3]，而這意味著輻射劑量升高，增加潛在致癌風(fēng)險(xiǎn)。將管電壓從120 kV降至100 kV降低30%左右輻射劑量，但會(huì)增加噪聲，導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降，采用更有效的圖像降噪處理方法是低管電壓CCTA的可靠保證。一項(xiàng)針對(duì)肥胖患者圖像重建算法的研究[4]發(fā)現(xiàn)其平均ED為(4.41±0.83)mSv。本研究30例平均ED為(1.12±0.28)mSv，輻射劑量明顯降低。

本研究的局限性：①樣本量小，各組圖像因算法不同而存在差異，可能導(dǎo)致偏倚；②僅以評(píng)價(jià)重建圖像診斷CAD的準(zhǔn)確率，而未與冠狀動(dòng)脈造影進(jìn)行對(duì)比；③未與管電壓120 kV的圖像進(jìn)行對(duì)比。

總之，采用DLIR算法、可顯著降低肥胖人群CCTA圖像噪聲、提高圖像質(zhì)量，增加可評(píng)估冠狀動(dòng)脈節(jié)段數(shù)量，且高級(jí)別降噪可進(jìn)一步提高圖像質(zhì)量。