深度學(xué)習(xí)重建算法優(yōu)化能譜CT低單能量圖像質(zhì)量及檢測(cè)肝臟低對(duì)比度小病灶能力

呂培杰，劉娜娜，王落桐，F(xiàn)rancesca Rigiroli，Daniele Marin，高劍波*

(1.鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院放射科，河南 鄭州 450052；2.通用電氣醫(yī)療集團(tuán)CT影像研究中心，北京 100176；3.哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院貝斯以色列女執(zhí)事醫(yī)療中心放射科，美國(guó) 馬薩諸塞 22015；4.杜克大學(xué)醫(yī)學(xué)中心放射科，美國(guó) 北卡羅來(lái)納 27708)

隨著碘X射線衰減能力變強(qiáng)，能譜CT低單能量成像(<70 keV)對(duì)比度逐漸增加[1]，但所伴隨的高噪聲可致圖像質(zhì)量降低，影響檢測(cè)與診斷肝臟低對(duì)比度小病灶(如肝轉(zhuǎn)移灶)；而常規(guī)重建算法，包括濾波反投影(filtered back projection，F(xiàn)BP)和基于混合模型的自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)迭代重建(adaptive statistical iterative reconstruction V，ASIR-V)等均無(wú)法有效解決低能級(jí)圖像的噪聲問(wèn)題[2]。近期有研究[2-4]表明深度學(xué)習(xí)圖像重建(deep learning imaging reconstruction，DLIR)可顯著減低腹部CT圖像噪聲、提高對(duì)比度并保持圖像紋理不變，進(jìn)而改善圖像質(zhì)量。以往DLIR技術(shù)多用于常規(guī)混合能量CT圖像，少見(jiàn)用于單能量CT圖像的研究[5-7]。本研究觀察以DLIR算法優(yōu)化能譜CT低單能量圖像質(zhì)量、提高檢測(cè)肝臟低對(duì)比度小病灶能力的可行性。

1 資料與方法

1.1 研究對(duì)象 納入2020年3月—2021年3月30例于鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院接受上腹部增強(qiáng)CT掃描的肝臟疾病患者，男16例、女14例，年齡21～72歲、平均(55.6±14.2)歲；體質(zhì)量指數(shù)20.10～35.45 kg/m2，平均(25.81±3.72)kg/m2；共58個(gè)病灶，包括肝囊腫30個(gè)、肝臟轉(zhuǎn)移瘤28個(gè)，均經(jīng)病理或臨床及6個(gè)月以上影像學(xué)隨訪證實(shí)，直徑0.51～3.00 cm，平均(2.13±0.81)cm。納入標(biāo)準(zhǔn)：①年齡≥18歲；②病灶門脈期呈局灶性低對(duì)比度，即病灶與周圍肝實(shí)質(zhì)CT值比值<1，且0.5 cm<直徑≤3 cm。排除標(biāo)準(zhǔn)：圖像資料不完整或質(zhì)量差而影響診斷。本研究經(jīng)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)(批號(hào)：2017-KY-02)。

1.2 儀器與方法 采用GE Revolution 256排CT機(jī)，囑患者仰臥，行上腹部雙期CT增強(qiáng)掃描，以雙筒高壓注射器經(jīng)肘靜脈以3.0 ml/s流率注射非離子型對(duì)比劑碘海醇(350 mgI/ml，1.3～1.5 ml/kg體質(zhì)量)，采用Smart Prep技術(shù)觸發(fā)監(jiān)測(cè)腹主動(dòng)脈，達(dá)到閾值(100 HU)后延遲12 s開(kāi)始動(dòng)脈期掃描，完成30 s后行門脈期掃描。掃描參數(shù)：動(dòng)脈期，管電壓120 kVp，自動(dòng)管電流100～700 mA，螺距1.375；門脈期，管電壓80 kVp和140 kVp，管電流350～570 mA，螺距1.375，轉(zhuǎn)速0.5秒/周，噪聲指數(shù)10 HU，F(xiàn)OV 50 cm×50 cm。分別采用DLIR算法(重建強(qiáng)度為高水平)和基于混合模型的ASIR-V算法(重建百分比為60%)重建層厚和層間距均為1.25 mm的40、50、60及70 keV的門脈期單能量圖像。

1.3 圖像分析 將所有圖像傳輸至GE AW4.7影像工作站，由1名具有3年以上工作經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)師于門脈期肝門層面的肝臟、門靜脈主干、背部肌肉和肝臟病灶內(nèi)放置類圓形ROI，測(cè)量CT值及標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation，SD)；于前腹壁皮下脂肪內(nèi)獲取圖像噪聲值(像素平均值的SD)[8]。保證同一能級(jí)不同算法之間、同一算法不同能級(jí)圖像間ROI一致，對(duì)各參數(shù)均測(cè)量3次，取平均值，分別計(jì)算肝臟和門靜脈相對(duì)于背部肌肉及肝臟病灶相對(duì)于周圍正常肝實(shí)質(zhì)的對(duì)比噪聲比(contrast-to-noise ratio，CNR)：CNR肝臟/門靜脈=(CT肝臟/門靜脈-CT背景肌肉)/SD，CNR肝臟病灶=(CT肝臟病灶-CT周圍肝實(shí)質(zhì))/SD周圍肝實(shí)質(zhì)。

由另2名具有14年以上工作經(jīng)驗(yàn)、且不知曉患者及圖像信息的放射科醫(yī)師共同評(píng)估CT圖像，預(yù)設(shè)窗寬和窗位分別為400 HU和40 HU，可根據(jù)需要適當(dāng)調(diào)整，采用5分法對(duì)圖像總體質(zhì)量、病灶顯著性和診斷信心進(jìn)行主觀評(píng)分(表1)[9-10]，≥3分為滿足診斷標(biāo)準(zhǔn)。

表1 肝臟CT圖像質(zhì)量主觀評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用Graphpad Prism 8.0.2統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。以±s表示符合正態(tài)分布的計(jì)量資料；主觀評(píng)分結(jié)果為等級(jí)資料，以中位數(shù)(上下四分位數(shù))表示。采用配對(duì)t檢驗(yàn)或配對(duì)Wilcoxon秩和檢驗(yàn)比較相同能級(jí)不同算法圖像之間各指標(biāo)；以單因素方差分析或Friedman檢驗(yàn)比較相同算法不同能級(jí)圖像(Geisser-Greenhouse校正，兩兩比較Turkey法)。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 客觀評(píng)估 40～70 keV能級(jí)下，相比ASIR-V圖像，DLIR圖像的CNR肝臟、CNR門靜脈及CNR肝臟病灶分別增加36.33%～44.45%、36.00%～42.96%及13.15%～16.91%(P均<0.05)；DLIR圖像噪聲均顯著減少(P均<0.05)，減少幅度約26.71%～29.23%。不同能級(jí)下，2種算法間各指標(biāo)變化率差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)，見(jiàn)表2及3。DLIR圖像噪聲最大值位于40 keV，與ASIR-V圖像50 keV能級(jí)下噪聲相當(dāng)(t=1.05，P=0.320)。除CNR肝臟外，不同能級(jí)間DLIR圖像各指標(biāo)兩兩比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)；所有能級(jí)圖像中，40 keV能級(jí)下DLIR圖像的CNR門靜脈與CNR肝臟病灶最高(P均<0.05)，噪聲亦高于其他能級(jí)圖像(P均<0.05)，見(jiàn)圖1。

圖1 不同能級(jí)DLIR圖像的CNR門靜脈、CNR肝臟病灶及噪聲變化趨勢(shì) 圖2 不同能級(jí)DLIR圖像總體質(zhì)量、病灶顯著性及診斷信心評(píng)分變化趨勢(shì)

2.2 主觀評(píng)估 40～70 keV條件下，DLIR圖像質(zhì)量均可滿足臨床診斷標(biāo)準(zhǔn)，但20.00%(8/40)40 keV ASIR-V圖像無(wú)法滿足標(biāo)準(zhǔn)；40～60 keV能級(jí)下，相比ASIR-V圖像，DLIR圖像總體質(zhì)量、病灶顯著性及診斷信心評(píng)分分別增加14.58%～34.26%、10.89%～14.46%及18.18%～21.89%(P均<0.05)。不同能級(jí)下，2種算法病灶顯著性評(píng)分變化率差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，見(jiàn)表2、4。不同能級(jí)DLIR圖像間各評(píng)分總體比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)，40 keV DLIR圖像總體質(zhì)量和診斷信心評(píng)分與50、60 keV圖像比較差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)，而病灶顯著性評(píng)分高于50～70 keV圖像(P均<0.05)，見(jiàn)圖2、3。

表2 不同重建算法各能級(jí)上腹部CT圖像客觀及主觀質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果

表3 相比ASIR-V重建圖像，各能級(jí)上腹部CT DLIR重建圖像CNR和噪聲變化率

圖3 患者男，72歲，肝轉(zhuǎn)移癌(直徑0.55 cm) 相同能級(jí)下，相比ASIR-V圖像，DLIR圖像噪聲、圖像紋理及圖像總體質(zhì)量均顯著改善，40 keV DLIR圖像噪聲高于其他能級(jí)，但CNR亦高，且病灶解剖細(xì)節(jié)清晰(箭)

表4 相比ASIR-V重建圖像，各能級(jí)上腹部CT DLIR重建圖像主觀評(píng)分變化率

3 討論

新一代基于深度學(xué)習(xí)算法的DLIR圖像重建技術(shù)可獲得與高輻射劑量FBP圖像相匹配的噪聲紋理和空間分辨率特征，且降噪能力與現(xiàn)有常規(guī)迭代技術(shù)相當(dāng)或更高[11-12]。本研究中，與ASIR-V圖像相比，各單能量DLIR圖像水平降噪效果更明顯、圖像對(duì)比度更佳，與既往臨床研究[13]結(jié)果相符。另外，本研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，不同單能量之間，DLIR相對(duì)ASIR-V的降噪比例及CNR提升比例無(wú)顯著差異，表明DLIR客觀優(yōu)化效果未受單一能級(jí)變化的影響；雖然DLIR圖像總體質(zhì)量評(píng)分均顯著高于ASIR-V圖像[7，13]，但各能級(jí)圖像表現(xiàn)不盡相同，40 keV能級(jí)下，DLIR相對(duì)于ASIR-V單能量圖像的優(yōu)化率顯著高于其他能級(jí)，可能與原40 keV噪聲高于其他能級(jí)有關(guān)；在不改變圖像紋理的條件下，DLIR降噪優(yōu)化效果更佳。

各能級(jí)DLIR單能量圖像的CNR肝臟病灶均顯著高于ASIR-V圖像，提升幅度為13.15%～16.91%，尤以40 keV DLIR圖像的CNR肝臟病灶最高；分析原因，一方面與40 keV碘匯聚能力最大有關(guān)，另一方面，40 keV聯(lián)合DLIR降噪后，噪聲已降至臨床可接受的50 keV ASIR-V圖像的水平[14]。本研究中40 keV DLIR圖像總體質(zhì)量、病灶顯著性及診斷信心評(píng)分均大于或相當(dāng)于其他能級(jí)圖像，提示40 keV可視為平衡肝臟病灶對(duì)比度和總體圖像質(zhì)量的最佳能級(jí)水平。

綜上所述，DLIR技術(shù)可顯著減少低能量圖像噪聲，提高檢測(cè)肝臟低對(duì)比度小病灶的能力及診斷信心，提升圖像總體質(zhì)量，其中40 keV為最佳單能量水平。但本研究樣本量小，且來(lái)自單一中心，僅采用60% ASIR-V和高強(qiáng)度水平DLIR，未納入其他重建水平，亦未評(píng)估診斷病灶的準(zhǔn)確性，有待擴(kuò)大樣本量進(jìn)一步觀察。