深度學(xué)習(xí)算法在超重肺間質(zhì)性病變患者中的應(yīng)用研究

秦瑞遙，王沄，宋偉，趙瑞杰，隋昕，宋蘭，杜華陽(yáng)，馬壯飛，馬碩，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

肺間質(zhì)性病變（Interstitial Lung Disease，ILD）是一種常見(jiàn)的肺部疾病，它的多種特征影像表現(xiàn)，如小葉間隔增厚、胸膜下線、支氣管血管束增粗、小結(jié)節(jié)、磨玻璃影（Ground Glass Opacity，GGO）、蜂窩影、支氣管擴(kuò)張等，都十分依賴胸部高分辨 CT（High Resolution CT，HRCT）檢查[1]。所以在ILD的診斷、治療評(píng)價(jià)以及隨訪中都需行HRCT檢查。CT掃描普及的同時(shí)，也成為世界公認(rèn)的醫(yī)療輻射的主要暴露源，增加了患者罹患腫瘤性病變的風(fēng)險(xiǎn)[2]。因此在降低輻射劑量的同時(shí)，保證圖像診斷價(jià)值，成為臨床亟待解決的問(wèn)題。

為了降低輻射劑量并保證圖像質(zhì)量，自動(dòng)劑量暴露控制系統(tǒng)和圖像重建技術(shù)逐漸成為兩大重要的研究方向[3]。臨床目前常用的圖像重建技術(shù)是混合迭代重建技術(shù)，該技術(shù)基于濾波反投影算法，能有效降低圖像噪聲，然而其在空間分辨率以及肺內(nèi)精細(xì)結(jié)構(gòu)的觀察上還存在不足[4-8]，例如對(duì)GGO的顯示欠佳。深度學(xué)習(xí)算法（Advanced Intelligence Clear-IQ Engine，AiCE）則是目前首個(gè)商用的深度學(xué)習(xí)相關(guān)的圖像重建算法，已在亞毫希伏胸腹盆CT、CT肺動(dòng)脈造影以及冠狀動(dòng)脈血管造影等多項(xiàng)臨床研究中被證實(shí)[9-11]，能在顯著降低掃描劑量的同時(shí)，提升或保證圖像的質(zhì)量，在ILD的應(yīng)用中研究較少。由于體質(zhì)量指數(shù)（Body Mass Index，BMI）會(huì)影響CT劑量暴露和圖像質(zhì)量，超重ILD患者能否通過(guò)深度學(xué)習(xí)算法提高低劑量CT（Low Dose CT，LDCT）掃描的圖像質(zhì)量尚未見(jiàn)報(bào)道。本研究擬探討深度學(xué)習(xí)算法在超重ILD患者中的應(yīng)用價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 一般資料

本研究前瞻性納入2020年12月至2021年3月就診于我院門(mén)診的20例超重ILD患者。其中男性6例、女性14例，平均年齡（59.70±10.17）歲，BMI（27.55±1.91）kg/m2。入組標(biāo)準(zhǔn)：① 臨床確診ILD；② BMI≥25 kg/m2。排除標(biāo)準(zhǔn)：① 既往有肺部手術(shù)史；② 無(wú)法完成檢查前呼吸訓(xùn)練者；③ 有其他肺部基礎(chǔ)疾?。◥盒阅[瘤、尚未治愈的肺部感染等）。以上研究方案已獲得倫理委員會(huì)批準(zhǔn)（HS-2175）。所有入組患者均已知情并簽署知情同意書(shū)。

1.2 方法

所有患者均接受兩次掃描（佳能，Aquilion One Genisis），第一次為HRCT掃描方案（管電壓120 kVp，自動(dòng)管電流），第二次為L(zhǎng)DCT掃描（管電壓120 kVp，管電流 30 mAs）。轉(zhuǎn)速 0.5 s/圈，準(zhǔn)直器寬度 0.5 mm×80 mm，螺距（PF 0.813/HP 65.0），重建層厚 1 mm，重建層間距0.8 mm。受試者保持仰臥位，雙手抱頭，深吸氣后屏氣，掃描范圍為肺尖至肝右下緣。

HRCT掃描方案所得圖像使用混合迭代重建算法（Adaptive Iterative Dose Reduction 3-Dimensional，AIDR3D）進(jìn)行重建；LDCT掃描方案所得圖像使用AiCE（肺/骨算法，mild/standard/strong重建）共計(jì)6種重建方案分別重建。

1.3 圖像分析

客觀圖像質(zhì)量評(píng)估由1名有3年臨床經(jīng)驗(yàn)的放射學(xué)醫(yī)師獨(dú)立完成測(cè)量，在主氣管分叉處管腔內(nèi)勾畫(huà)感興趣區(qū)（Region of Interest，ROI），記錄 CT 值及標(biāo)準(zhǔn)差，取 3 次測(cè)量的平均值，定義標(biāo)準(zhǔn)差為圖像噪聲，信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）為CT值與噪聲的比值。

圖像質(zhì)量主觀評(píng)估包括總體圖像質(zhì)量評(píng)分、圖像噪聲、偽影、正常結(jié)構(gòu)觀察以及ILD相關(guān)的特征表現(xiàn)，由2名具有3～5年臨床經(jīng)驗(yàn)的放射學(xué)醫(yī)師獨(dú)立進(jìn)行，取最大值為最終評(píng)分。評(píng)估中使用肺窗（窗位-600 HU，窗寬1200 HU）進(jìn)行觀察，允許評(píng)估者根據(jù)需要適當(dāng)微調(diào)。對(duì)于存在爭(zhēng)議的圖像，將交由1名有30年臨床經(jīng)驗(yàn)的放射學(xué)專家做出最終評(píng)估。

總體圖像質(zhì)量評(píng)分使用5分量表法[12]（1分：圖像質(zhì)量極佳；2分：圖像質(zhì)量較好；3分：圖像質(zhì)量可接受；4分：診斷受限；5分：無(wú)法完成診斷）。圖像噪聲以及偽影使用3分量表法（1分：不明顯或極??；2分：有但不影響圖像觀察；3分：嚴(yán)重影響圖像觀察）。

正常結(jié)構(gòu)的觀察包括葉間裂、近端支氣管及鄰近肺血管、外周支氣管及鄰近肺血管、胸膜下血管等，ILD相關(guān)異常結(jié)構(gòu)的觀察影像包括GGO、網(wǎng)格影、支氣管擴(kuò)張以及蜂窩征等，將每位患者的肺部分為6個(gè)部分（右肺上葉、中葉和下葉、左肺上葉前段和尖后段、左肺上葉舌段、左肺下葉）[3]。兩者均采用5分量表法[13]（1分：圖像質(zhì)量極佳，結(jié)構(gòu)邊緣銳利；2分：結(jié)構(gòu)邊緣略模糊，不影響評(píng)估；3分：結(jié)構(gòu)邊緣略模糊，稍影響評(píng)估；4分：結(jié)構(gòu)邊緣模糊不清，評(píng)估時(shí)不確定；5分：圖像質(zhì)量極差，結(jié)果不可靠），異常征象GGO評(píng)估的范例如圖1所示。此外，異常結(jié)構(gòu)評(píng)估在每個(gè)肺葉中分別進(jìn)行，0分為無(wú)該異常表現(xiàn)。

圖1 磨玻璃影5分評(píng)價(jià)量表范例

1.4 輻射劑量

記錄患者實(shí)際掃描中的CT容積劑量指數(shù)（Volume CT Dose Index，CTDIvol）以及劑量長(zhǎng)度乘積（Dose Length Product，DLP），根據(jù)公式（1）計(jì)算肺部有效輻射劑量（Effective Dose，ED）。

其中，0.014為胸部特定轉(zhuǎn)換系數(shù)，單位為mSv/（mGy.cm）。

測(cè)量患者的胸廓前后徑（Anteroposterior，AP），肝中水平橫徑（Lateral，LAT），根據(jù)胸部的有效直徑計(jì)算出體型特異性劑量估計(jì)（Size-Specific Dose Estimates，SSDEs），見(jiàn) 式（2）。

其中，fsize為體型特異性轉(zhuǎn)換因子，參考美國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)家協(xié)會(huì)（American Association of Physicists in Medicine，AAPM）204報(bào)告[14]。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

2 結(jié)果

2.1 超重ILD患者HRCT與LDCT掃描劑量對(duì)比

本研究共納入20例超重ILD患者，其中5例為結(jié)締組織病相關(guān)ILD（2例皮肌炎，1例硬皮病，2例病因不詳），余15例病因不明。如表1所示，LDCT掃描方案的CTDIvol、DLP、ED及SSDEs均顯著低于HRCT掃描（P＜0.001）。

表1 超重ILD患者掃描劑量

2.2 客觀圖像評(píng)估

本研究實(shí)際勾畫(huà)的ROI面積平均為（0.97±0.32）cm2，除肺算法（mild重建）外，其余各組LDCT掃描重建圖像的噪聲均顯著低于HRCT掃描組，SNR顯著增高（P＜0.001），且骨重建（standard/strong重建）明顯優(yōu)于其他重建，見(jiàn)表2。

表2 ILD患者中HRCT與LDCT圖像客觀評(píng)分（±s）

表2 ILD患者中HRCT與LDCT圖像客觀評(píng)分（±s）

注：與HRCT相比，aP＜0.05。

掃描圖像方式 CT/HU SD SNR HRCT -970.02±6.46 43.69±4.32 22.75±2.12 LDCT-AiCE（肺算法mild重建） -973.96±6.02a49.44±5.01a20.00±2.05a LDCT-AiCE（肺算法standard重建）-974.55±5.87a40.07±3.66a24.64±2.28a LDCT-AiCE（肺算法strong重建） -972.98±5.94a30.95±3.31a31.96±3.53a LDCT-AiCE（骨算法mild重建） -972.36±5.68 32.33±4.04a30.95±3.89a LDCT-AiCE（骨算法standard重建）-969.58±5.72 19.64±2.06a51.00±5.77a LDCT-AiCE（骨算法strong重建） -966.27±5.98b 15.07±1.61a66.23±9.01a

2.3 主觀圖像評(píng)估

如表3所示，兩組掃描方案所得圖像的總體評(píng)分、偽影、正常表現(xiàn)均無(wú)顯著差異，LDCT組的圖像噪聲顯著低于HRCT組（P＜0.05），與客觀評(píng)估基本一致。

表3 ILD患者中HRCT與LDCT總體評(píng)分及正常表現(xiàn)主觀評(píng)分[n（%）]

本研究共評(píng)估了20例患者120個(gè)肺部分的異常表現(xiàn)，其中105個(gè)肺葉中出現(xiàn)GGO，35個(gè)肺葉中出現(xiàn)網(wǎng)格影，45個(gè)肺葉中出現(xiàn)支氣管擴(kuò)張，24個(gè)肺葉中出現(xiàn)蜂窩征。與HRCT的圖像比較，LDCT掃描（肺算法，strong重建）對(duì)GGO的觀察顯著提高（P=0.002）（圖2），在其他異常特征（網(wǎng)格影、支氣管擴(kuò)張、蜂窩征）的觀察中，兩種掃描方案的重建圖像質(zhì)量沒(méi)有發(fā)現(xiàn)顯著差異，見(jiàn)表4、圖3。

圖2 結(jié)締組織病相關(guān)ILD患者進(jìn)行HRCT檢查示例

圖3 病因未明ILD患者支氣管擴(kuò)張及蜂窩影CT圖像

表4 肺間質(zhì)患者中高分辨CT與低劑量CT異常表現(xiàn)評(píng)分[n（%）]

3 討論

深度學(xué)習(xí)算法重建是一種新型的圖像重建技術(shù)，相較于目前臨床常用的迭代重建以及傳統(tǒng)的濾波反投影算法，其圖像處理方式有著顯著的不同。該算法應(yīng)用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使用的訓(xùn)練集為混合迭代算法圖像以及理想純迭代算法圖像，理論上所獲得的圖像質(zhì)量與純迭代算法相當(dāng)，同時(shí)大大縮短重建時(shí)間[15]。目前深度學(xué)習(xí)算法重建技術(shù)已應(yīng)用于多項(xiàng)模體研究以及臨床研究中，且被證實(shí)可顯著降低掃描劑量并保證圖像的診斷質(zhì)量。但目前該項(xiàng)技術(shù)對(duì)胸部LDCT的研究主要涉及肺內(nèi)結(jié)節(jié)、肺栓塞等[10,16]，缺乏ILD相關(guān)的臨床研究。

本研究選擇以超重ILD患者為研究對(duì)象，比較了HRCT掃描（混合迭代算法）與LDCT掃描（深度學(xué)習(xí)算法）的圖像質(zhì)量與噪聲，發(fā)現(xiàn)6種不同的深度學(xué)習(xí)算法均能在掃描劑量降低約73%的情況下，保證圖像質(zhì)量與HRCT掃描方案相當(dāng)，部分甚至優(yōu)于后者，對(duì)于臨床應(yīng)用具有重要價(jià)值。

深度學(xué)習(xí)算法能顯著降低LDCT的圖像噪聲，提高圖像的SNR，且骨算法（standard/strong重建）的優(yōu)化強(qiáng)度明顯高于肺算法，提示骨算法的圖像更銳利。然而在主觀評(píng)分、正常結(jié)構(gòu)主觀評(píng)分方面，并未發(fā)現(xiàn)LDCT 6種不同強(qiáng)度的重建圖像與HRCT重建圖像之間存在顯著差異。而在對(duì)ILD相關(guān)的特征影像表現(xiàn)的分析中，本研究發(fā)現(xiàn)使用肺

算法（strong重建）后LDCT圖像對(duì)GGO的觀察較好，這提示臨床應(yīng)用中可選用肺算法（strong重建）圖像來(lái)觀察GGO的征象。分析其產(chǎn)生機(jī)制，我們認(rèn)為這或許與所用的重建技術(shù)本身的局限性相關(guān)，本研究在HRCT掃描圖像中所使用的重建方案為混合迭代重建，該算法是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)空間和圖像空間的迭代運(yùn)算，與多模型迭代重建相比，本身僅有系統(tǒng)噪聲模型作為基礎(chǔ)，容易造成噪聲頻率的改變和漂移[17]。Xu等[3]曾在結(jié)締組織病相關(guān)ILD患者中研究對(duì)比過(guò)常規(guī)掃描方案（全模型迭代重建）與LDCT（濾波反投影）對(duì)于GGO的觀察，發(fā)現(xiàn)兩者的主觀評(píng)分并無(wú)顯著差異，研究者認(rèn)為這可能是由于以上兩種表現(xiàn)屬于低對(duì)比度征象，迭代重建技術(shù)對(duì)圖像質(zhì)量的提升并非線性[3,12,18]所造成的。而本研究所使用的深度學(xué)習(xí)算法，其重建原理與迭代重建截然不同，在圖像重建過(guò)程中使用的是深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，肺算法在GGO的觀察中表現(xiàn)出的顯著優(yōu)勢(shì)或可歸因于對(duì)迭代重建算法缺陷的彌補(bǔ)。一般認(rèn)為，GGO是ILD的早期或活動(dòng)期表現(xiàn)[19]，深度學(xué)習(xí)算法在該征象中的觀察優(yōu)勢(shì)對(duì)于ILD的臨床早期診斷或?qū)⒕哂兄匾囊饬x。

本研究所使用的 LDCT 掃描方案（120 kVp，30 mAs）在使用6種不同強(qiáng)度的深度學(xué)習(xí)算法后，圖像的診斷質(zhì)量均可以得到保證。分析原因： ① 該掃描方案前期由模體試驗(yàn)和小樣本試驗(yàn)探索而來(lái)，以保證圖像診斷質(zhì)量為前提，并非深度學(xué)習(xí)算法所能實(shí)現(xiàn)的最低劑量，未來(lái)可在此基礎(chǔ)上繼續(xù)深入探索；② 所有患者在掃描前均經(jīng)歷過(guò)規(guī)范的呼吸訓(xùn)練，穩(wěn)定的屏氣狀態(tài)對(duì)于LDCT掃描下的圖像質(zhì)量十分關(guān)鍵；③ 兩次掃描之間相隔1 min，進(jìn)一步減少了呼吸運(yùn)動(dòng)對(duì)圖像質(zhì)量的影響。

本研究仍存在一定的局限性：① 僅納入了20例超重ILD患者，樣本量較小，未來(lái)需要納入更大樣本的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；② 本研究將超重及肥胖ILD患者統(tǒng)一作為研究對(duì)象，由于樣本量限制，未能按照BMI進(jìn)行相關(guān)的亞組分析，下一步研究可再繼續(xù)探索不同BMI患者最適宜的重建算法。

4 結(jié)論

綜上所述，在超重ILD患者中，深度學(xué)習(xí)算法可以在有效降低輻射劑量的同時(shí)，保證重建圖像的質(zhì)量，有望在臨床實(shí)踐中得到應(yīng)用與推廣。