深度學(xué)習(xí)重建對(duì)增強(qiáng)CT膽系圖像質(zhì)量的影響

王士闐，徐 佳，王 萱，王 沄，薛華丹，金征宇

中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)院放射科，北京 100730

膽管樹(shù)的生理作用是引流膽汁進(jìn)入十二指腸，其空間解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易發(fā)生變異，合并結(jié)石、炎癥及腫瘤等多種疾病。膽管擴(kuò)張為臨床常見(jiàn)的膽系異常，患者可表現(xiàn)為腹痛、黃疸等癥狀，也可為偶然發(fā)現(xiàn)。診斷膽管擴(kuò)張的病因，早期識(shí)別膽系疾病，判斷是否存在梗阻，直接決定進(jìn)一步的診療路徑以及病情隨診計(jì)劃[1- 2]。CT圖像上擴(kuò)張膽管呈條形，其內(nèi)為水樣的液性低密度，與周?chē)难芗案螌?shí)質(zhì)存在密度對(duì)比。增強(qiáng)后周?chē)浗M織結(jié)構(gòu)強(qiáng)化增高，與擴(kuò)張膽系的對(duì)比更為明顯。針對(duì)膽管擴(kuò)張的病例，增強(qiáng)CT結(jié)合重建技術(shù)可以同時(shí)顯示血管、膽系的解剖及病變，膽管壁的異常強(qiáng)化，鄰近肝實(shí)質(zhì)病變及掃描區(qū)域淋巴結(jié)腫大等，有助于病變的檢出、診斷、術(shù)前評(píng)估及療效檢測(cè)[2- 4]。膽管結(jié)構(gòu)較為細(xì)小，良好的成像質(zhì)量及密度對(duì)比直接影響CT圖像上病變的觀察。傳統(tǒng)重建算法為濾波反投影算法(filtered back projection，F(xiàn)BP)，迭代重建(iterative reconstruction，IR)算法可以降低圖像噪聲，提升對(duì)比噪聲比(contrast to noise ratio，CNR)和信號(hào)噪聲比(signal to noise ratio，SNR)，混合迭代重建(hybrid iterative reconstruction，HIR)和基于模型的迭代重建(model-based iterative reconstruction，MBIR)即為其代表。三維自適應(yīng)迭代 (adaptive iterative dose reduction 3D，AIDR 3D) 屬于HIR[5]，全模型迭代算法(forward projected model based iterative reconstruction solution，F(xiàn)IRST)屬于MBIR[6- 9]。新近問(wèn)世了基于人工智能和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)重建(deep learning reconstruction，DLR)，AiCE(advanced intelligent clear IQ engine)即為其代表之一[10- 11]。前期針對(duì)腹部平掃及增強(qiáng)CT的研究顯示，DLR圖像質(zhì)量較HIR及MBIR更優(yōu)[12- 16]，但目前僅少數(shù)研究評(píng)價(jià)了膽管結(jié)構(gòu)[17]。本研究針對(duì)存在肝外膽管擴(kuò)張的增強(qiáng)CT病例，從客觀指標(biāo)和主觀評(píng)分兩方面比較DLR算法相對(duì)于IR(AIDR 3D及FIRST)和FBP算法的圖像質(zhì)量。

資料和方法

資料回顧性收集2021年3至4月本院進(jìn)行腹部或腹盆部增強(qiáng)三維重建CT檢查的患者。納入標(biāo)準(zhǔn)：(1)圖像上可見(jiàn)膽總管擴(kuò)張(直徑>10 mm)，或無(wú)膽總管擴(kuò)張但有肝門(mén)區(qū)膽管擴(kuò)張(直徑>5 mm)；(2)具有1個(gè)月內(nèi)腹部超聲檢查結(jié)果。排除標(biāo)準(zhǔn)：(1)運(yùn)動(dòng)偽影明顯；(2)存在膽管支架或肝內(nèi)外膽管積氣；(3)超聲提示有膽管結(jié)石，CT上未檢出或數(shù)量不符(避免客觀評(píng)價(jià)膽管內(nèi)噪聲時(shí)，誤選取結(jié)石層面測(cè)量)。根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，最終納入30例患者，男16例、女14例，年齡22～79歲，平均(56.5±16.2)歲，體重指數(shù)(25.6±4.8) kg/m2，病因包括膽總管占位4例、膽總管/膽囊炎性改變6例、胰頭占位致膽管擴(kuò)張4例、肝門(mén)區(qū)膽管占位3例、膽總管結(jié)石3例、無(wú)明確病因的膽總管擴(kuò)張10例。本研究經(jīng)北京協(xié)和醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(倫理委員會(huì)編號(hào)：HS-2427)。

檢查方法采用佳能640層CT (Aquilion ONE GENESIS，Canon Medical System Corporation，Japan)進(jìn)行常規(guī)腹部或腹盆部增強(qiáng)三期增強(qiáng)CT檢查。掃描參數(shù)如下：旋轉(zhuǎn)時(shí)間0.5 s，管電壓120 kVp；電流自動(dòng)調(diào)節(jié)(SURE Exposure 3D，Canon)。噪聲指數(shù)：重建層厚1 mm，準(zhǔn)直80×0.5 mm；矩陣512×512。使用非離子型對(duì)比劑(碘帕醇370 mgI/ml)，對(duì)比劑用量1 ml/kg，采用雙筒高壓注射器，打藥速度4 ml/s。自監(jiān)測(cè)到主動(dòng)脈 CT 值大于 100 HU后 10 s 開(kāi)始動(dòng)脈期掃描，于動(dòng)脈期掃描結(jié)束后25 s 行門(mén)脈期掃描，延遲成像間隔80 s后進(jìn)行。對(duì)于納入的病例，分別采用FBP (FC08)、AIDR 3D (FC08)、FIRST(body sharp)和DLR(4，body sharp)4種重建算法對(duì)門(mén)脈期圖像進(jìn)行重建，獲得4組圖像。

客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)由1名評(píng)價(jià)者對(duì)門(mén)脈期4組圖像進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)測(cè)量，測(cè)量采用閱片軟件(RadiAnt Dicom Viewer，Medixant，Poznan，Poland)分別于4種重建算法圖像的同一層面勾畫(huà)感興趣區(qū)域，測(cè)量肝右葉肝實(shí)質(zhì)、膽總管內(nèi)(對(duì)于無(wú)膽總管擴(kuò)張的病例測(cè)量肝門(mén)區(qū)膽管)的CT值和標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation，SD)、豎脊肌的平均CT值、前腹壁皮下脂肪的SD，測(cè)量時(shí)通過(guò)復(fù)制粘貼保證4組圖像感興趣區(qū)域在同一位置。在測(cè)量膽管內(nèi)CT值時(shí)，避開(kāi)結(jié)石層面。計(jì)算膽管內(nèi)的SNR和CNR值：SNR=CT值膽管內(nèi)/SD膽管內(nèi)，CNR=(CT值膽管內(nèi)-CT值肌肉)/SD脂肪，肝右葉實(shí)質(zhì)的SNR和CNR值：SNR=CT值肝/SD肝，CNR=(CT值肝-CT值肌肉)/SD脂肪，以前腹壁皮下脂肪的SD作為圖像噪聲。對(duì)于存在占位性病變或膽管壁增厚>3 mm的病例，測(cè)量病變區(qū)域的CT值與SD。

主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)由兩名分別有13年及5年腹部診斷經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)生采用盲法獨(dú)立對(duì)門(mén)脈期4組圖像進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，觀察肝實(shí)質(zhì)及膽道系統(tǒng)的軸位及多平面重建(multiplanar reconstruction，MPR)圖像，依據(jù)圖像對(duì)比度、邊緣銳利度、主觀噪聲和偽影等角度，對(duì)膽道結(jié)構(gòu)的觀察滿(mǎn)意程度進(jìn)行排序評(píng)價(jià)，4組圖像的圖像質(zhì)量從高到低依次排序，分別為4、3、2、1分。評(píng)定意見(jiàn)不一致時(shí)進(jìn)行討論統(tǒng)一。

輻射劑量運(yùn)用下述公式計(jì)算有效輻射劑量：有效輻射劑量=CT劑量長(zhǎng)度乘積×k，其中腹部有效吸收劑量k=0.015 mSV·mGy-1·cm-1[18]。

統(tǒng)計(jì)學(xué)處理采用SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)軟件，客觀測(cè)量指標(biāo)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)用中位數(shù)(最小值，最大值)表示。采用Friedman 秩和檢驗(yàn)以及后續(xù)檢驗(yàn)Bonferroni-Dunn post-hoc 檢驗(yàn)比較4組重建圖像膽管內(nèi)、肝實(shí)質(zhì)的SNR及CNR、前腹壁SD，以及4組圖像主觀評(píng)分差異。主觀評(píng)價(jià)得分觀察者間一致性采用Kappa檢驗(yàn)(Kappa值以0.81～1.00為一致性很好，0.61～0.80為一致性好，0.41～0.60為一致性中等，<0.40為一致性欠佳)。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

基于解剖結(jié)構(gòu)的圖像質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)4組重建圖像中，肝實(shí)質(zhì)、膽管內(nèi)及豎脊肌CT值差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)。DLR圖像的膽管內(nèi)CNR顯著高于AIDR 3D(P=0.024)、FIRST(P<0.001)和FBP(P<0.001)。DLR圖像的膽管內(nèi)SNR、肝實(shí)質(zhì)CNR及SNR均顯著高于FIRST (P=0.013，P=0.003，P<0.001)和FBP(P均<0.001)。比較圖像噪聲即前腹壁脂肪SD，DLR顯著低于AIDR 3D(P=0.032)、FIRST(P<0.001)和FBP(P<0.001)。DLR圖像噪聲較AIDR 3D、FIRST和FBP分別降低了33.1%，38.9%和56.4%。此外，AIDR 3D圖像的膽管內(nèi)(P<0.001)、肝實(shí)質(zhì)(P<0.001)的SNR和膽管內(nèi)(P=0.034)、肝實(shí)質(zhì)(P<0.001)的CNR均顯著高于FBP，圖像噪聲顯著低于FBP (P=0.020)。FIRST和AIDR 3D膽管內(nèi)、肝實(shí)質(zhì)的SNR、CNR及圖像噪聲差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)(表1)。

基于可測(cè)量病變的圖像質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)30例中10例具有可測(cè)量病變。4組重建圖像中，病變的CT值差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)。DLR圖像較FIRST和FBP圖像病變?cè)肼曪@著降低(P=0.003，P<0.001)、CNR顯著升高(P=0.042，P=0.009)，與AIDR 3D差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。DLR圖像SNR顯著高于FBP(P=0.004)，與AIDR 3D及FIRST差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)(表2)。FIRST和AIDR 3D病變的SNR、CNR及噪聲差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)。

圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)DLR、AIDR 3D、FIRST、FBP的主觀評(píng)價(jià)排序得分分別為4(4，4)、3(2，3)、2(2，3)、1(1，1)分。DLR的得分顯著高于AIDR 3D(P=0.029)、FIRST(P<0.001) 和FBP(P<0.001)。AIDR 3D、FIRST的得分顯著高于FBP(P<0.001、P=0.029)。AIDR 3D和FIRST得分差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。主觀評(píng)分觀察者間一致性Kappa值為0.867(P<0.001)，觀察者間一致性極好(圖1、2)。

表1 FBP、AIDR 3D、FIRST及DLR重建圖像的客觀評(píng)價(jià)

表2 對(duì)于有可測(cè)量的病變FBP、AIDR 3D、FIRST及DLR重建圖像的客觀評(píng)價(jià)

輻射劑量門(mén)脈期的CT容積劑量指數(shù)為(7.2±2.3) mGy，CT劑量長(zhǎng)度乘積為(313.6±125.4) mGy·cm，門(mén)脈期有效輻射劑量為(4.7±1.9) mSv。

重建時(shí)間FIRST平均重建時(shí)間約為5 min。FBP、AIDR 3D及DLR平均重建時(shí)間均<1 min。

討 論

膽管擴(kuò)張為臨床常見(jiàn)的膽系異常。一方面，在老年人群和膽囊切除術(shù)后的患者可能出現(xiàn)不具有病理意義的膽管擴(kuò)張，多表現(xiàn)為膽總管輕度增寬[19]。另一方面，膽管結(jié)石、膽系及鄰近結(jié)構(gòu)腫瘤及炎癥等都可引起膽管擴(kuò)張。準(zhǔn)確評(píng)價(jià)膽管擴(kuò)張是否為病理性、早期識(shí)別膽系疾病具有重要的臨床意義[20]。目前常用的膽道成像方法包括超聲、CT、磁共振胰膽管造影、內(nèi)鏡逆行膽總管造影、超聲內(nèi)鏡等。相比之下，增強(qiáng)CT成像易于操作，空間分辨率高，一次成像，可同時(shí)顯示血管、肝實(shí)質(zhì)及膽系結(jié)構(gòu)。經(jīng)靜脈滴注膽道成像應(yīng)用經(jīng)膽系排泄的對(duì)比劑，膽系顯示為高密度，利于觀察膽道解剖結(jié)構(gòu)和膽道內(nèi)占位性病變[21]。但其準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，存在包括肝毒性和膽道刺激癥狀在內(nèi)的藥物不良反應(yīng)，且在梗阻性黃疸患者中膽道結(jié)構(gòu)可能顯示欠佳，目前國(guó)內(nèi)臨床應(yīng)用較少。常規(guī)增強(qiáng)CT簡(jiǎn)單易行，掃描速度快，CT上膽汁為液性密度，存在膽系擴(kuò)張時(shí)，結(jié)合多平面重建(multiplanar reformation，MPR)等后處理技術(shù)，有利于膽管結(jié)構(gòu)的觀察[22]。但腹部結(jié)構(gòu)的CT值近似，組織分辨率較低，加上膽管結(jié)構(gòu)較為細(xì)小，因此，圖像質(zhì)量及密度對(duì)比直接影響常規(guī)增強(qiáng)CT圖像上擴(kuò)張膽系的觀察。

A.FBP；B.AIDR 3D；C.FIRST；D.DLR

A.FBP；B.AIDR 3D；C.FIRST；D.DLR

本研究顯示4組算法的增強(qiáng)CT膽道重建圖像中，傳統(tǒng)的FBP算法的圖像質(zhì)量最低；AIDR 3D與FIRST的噪聲、信噪比及主觀評(píng)價(jià)結(jié)果差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；DLR的主客觀圖像質(zhì)量?jī)?yōu)于其他3組重建。該結(jié)果與既往腹部CT研究結(jié)果具有一致性。Steuwe等[23]對(duì)腹部低劑量平掃CT進(jìn)行不同算法重建的回顧性研究顯示，DLR圖像噪聲比FBP低42%，比IR低27%。Singh等[14]包含腹部CT平掃的前瞻性研究顯示，運(yùn)用DLR算法的低劑量掃描與AIDR 3D算法的常規(guī)劑量掃描圖像質(zhì)量相仿，常規(guī)劑量掃描上發(fā)現(xiàn)的31處具有臨床意義的腹部病變，均可在DLR算法的低劑量圖像上檢出；作為對(duì)比，運(yùn)用AIDR 3D、FIRST及FBP算法重建的低劑量掃描圖像分別只能檢出25、18及7處病灶。Bradly等[17]針對(duì)兒童患者增強(qiáng)CT上不同算法對(duì)微小結(jié)構(gòu)(奇靜脈、膽總管、腸系膜上動(dòng)脈及肝右靜脈)顯示能力進(jìn)行研究顯示，DLR圖像的主觀評(píng)分明顯優(yōu)于FBP、AIDR 3D及FIRST，評(píng)分內(nèi)容包括邊緣對(duì)比、圖像噪聲、結(jié)構(gòu)顯示情況及總體圖像質(zhì)量。其可能的原因是，IR需要使用固定的預(yù)先設(shè)置的數(shù)據(jù)物理模型重組數(shù)據(jù)，選擇性識(shí)別、去除噪聲，算法會(huì)受到建模復(fù)雜度的限制。而DLR反映人工智能技術(shù)的前沿進(jìn)展，其不同于傳統(tǒng)的IR算法，通過(guò)深度學(xué)習(xí)過(guò)程重構(gòu)圖像，不需將復(fù)雜模型簡(jiǎn)化為有限數(shù)據(jù)模型，而是運(yùn)用人工智能，模擬深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)海量金標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的輸入、對(duì)比、反饋及調(diào)整，完成訓(xùn)練過(guò)程，直接形成優(yōu)化圖像。既往研究也提示，既往重建技術(shù)會(huì)存在典型的噪聲方差樣式及典型的峰值噪聲功率譜頻率，而DLR技術(shù)不存在上述情況，故在降低圖像噪聲的基礎(chǔ)上，相對(duì)于MBIR等算法，DLR技術(shù)不會(huì)導(dǎo)致圖像過(guò)度平滑，從而避免了圖像的噪聲紋理特征發(fā)生變化[11，17]。因此，本研究DLR圖像具有最低的噪聲和最優(yōu)的主觀圖像質(zhì)量評(píng)分。此外，本研究顯示，F(xiàn)IRST重建耗時(shí)明顯長(zhǎng)于其他重建算法，與既往研究[7]一致，這也限制了MBIR算法的臨床應(yīng)用。

本研究以門(mén)脈期圖像為研究對(duì)象。門(mén)脈期膽管周?chē)鷮?shí)質(zhì)臟器強(qiáng)化良好，與擴(kuò)張膽管的密度對(duì)比較高。在定性評(píng)價(jià)上，本研究評(píng)估軸位及MPR重建的圖像質(zhì)量，研究采用同一位置角度，對(duì)4組重建算法生成的圖像進(jìn)行比較和評(píng)價(jià)。在臨床實(shí)踐中，曲面重建技術(shù)也是常用的成像方法。由于肝外膽管走行常不在某一個(gè)平面上，此時(shí)單一的多平面重建圖像不能顯示全程結(jié)構(gòu)。沿著肝外管道走行創(chuàng)建曲面重建，有助于觀察整個(gè)肝外膽管壁形態(tài)是否存在管壁增厚或異常強(qiáng)化等?？紤]到該方法存在操作者依賴(lài)性，針對(duì)不同圖像重復(fù)重建時(shí)，圖像細(xì)節(jié)難以完全一致，故未用于本研究的定性評(píng)價(jià)。此外，日常工作中，針對(duì)膽管明顯擴(kuò)張的臨床病例，還會(huì)進(jìn)行多平面的最小強(qiáng)度投影重建，以顯示肝內(nèi)外擴(kuò)張的膽系樹(shù)全貌及膽系病變和擴(kuò)張膽管的關(guān)系。由于本研究包括部分不存在肝內(nèi)膽管擴(kuò)張或無(wú)明確局限膽系病灶的病例，最小強(qiáng)度投影重建圖像價(jià)值有限，故未進(jìn)行此項(xiàng)評(píng)價(jià)。

本研究具有下列局限性。首先，本研究病例數(shù)較少，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果可能存在偏倚性。其次，受限于病例數(shù)，本研究著重對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，未針對(duì)特定病種進(jìn)行診斷效能的評(píng)價(jià)，有待后續(xù)研究進(jìn)一步探討相應(yīng)技術(shù)的臨床應(yīng)用價(jià)值。再次，本研究為回顧性分析，未涉及低劑量掃描條件下的圖像質(zhì)量評(píng)估，有待后續(xù)前瞻性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展。

綜上，針對(duì)膽管擴(kuò)張的增強(qiáng)CT掃描，基于深度學(xué)習(xí)重建的DLR算法，相對(duì)于FBP、IR(AIDR 3D及FIRST)算法，客觀上可以顯著降低圖像噪聲、提升對(duì)比噪聲比，主觀評(píng)分更優(yōu)，明顯改善了圖像質(zhì)量。