深度學(xué)習(xí)重建算法對(duì)頭CT灌注重建參數(shù)及圖像質(zhì)量影響探討

陳鈺，王彥玲，蘇童，徐敏，閆靜，王劍，陸曉平，王沄，李玉梅，金征宇

頭CT灌注(computed tomography perfusion,CTP)是一項(xiàng)快速、非侵入性的、定量評(píng)估腦缺血狀態(tài)的技術(shù)，可以獲得腦血流量(cerebral blood flow,CBF)，腦容量(cerebral blood volume,CBV)及平均通過時(shí)間(mean transit time,MTT)等參數(shù)。頭CTP不僅能發(fā)現(xiàn)灌注異常，也可以區(qū)分可挽救的缺血和壞死。在CTP圖像上識(shí)別缺血區(qū)域?qū)υ\斷非常關(guān)鍵[1]。此外，CTP還可以有效評(píng)估腦血管狹窄或閉塞患者的側(cè)枝循環(huán)及腦血流灌注儲(chǔ)備[2]。

除掃描條件，球管電壓和電流的影響以外，對(duì)CT圖像質(zhì)量有重要影響的因素還包括CT重建算法。在過去的20年間，最常用的重建算法是濾波反投影(filtered back projection,FBP)。FBP具有比較好的圖像質(zhì)量，并且重建速度很快，但是在低輻射劑量的條件下，圖像噪聲比較大。迭代重建(iterative reconstruction,IR)可以降低圖像噪聲，但是往往重建時(shí)間比較長。自適應(yīng)迭代劑量減低(three-dimensional adaptive iterative dose reduction,AIDR 3D)屬于混合迭代重建(hybrid-IR)，具有重建時(shí)間短的優(yōu)勢(shì)，因此在臨床廣泛應(yīng)用。近年來，隨著深度學(xué)習(xí)算法的不斷進(jìn)步，基于深度學(xué)習(xí)的的人工智能圖像重建系統(tǒng)(advanced intelligent clear-IQ engine，AiCE)得以在放射領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)臨床常規(guī)使用，可以進(jìn)一步降低圖像噪聲，提升圖像質(zhì)量。多項(xiàng)研究表明，AiCE在胸部、腹部、冠脈等部位，均有降低圖像噪聲的作用[3-7]。

最近關(guān)于頭CT平掃的研究表明，AiCE圖像噪聲低于hybrid-IR約10～20%(P<0.001)[8]。目前國內(nèi)外尚無AiCE應(yīng)用于頭CTP的文章。因此本研究的目的在于，評(píng)價(jià)DLR及hybrid-IR的頭CTP的圖像質(zhì)量差異，并且探索DLR及hybrid-IR獲得的灌注參數(shù)是否存在相關(guān)性。

材料與方法

1.研究對(duì)象

本研究經(jīng)過倫理委員會(huì)審批(倫理審查批件編號(hào)：HS-2427)。前瞻性連續(xù)搜集2020年9月至2021年3月北京協(xié)和醫(yī)院放射科進(jìn)行頭CT灌注檢查的20例患者，入組標(biāo)準(zhǔn)：①懷疑或已有缺血性腦卒中；②年齡18周歲以上。排除標(biāo)準(zhǔn)：對(duì)含碘對(duì)比劑產(chǎn)生過敏、嚴(yán)重肝腎功能不全、嚴(yán)重失代償性心功能不全。

2.掃描設(shè)備及重建

所有患者均采用佳能醫(yī)療系統(tǒng)320排寬體探測器CT(Aquilion ONE Genesis;Canon Medical System,Japan)，檢查時(shí)取仰臥位，雙臂放松置于身體兩側(cè)，并囑患者檢查時(shí)頭部不要移動(dòng)。頭CT灌注采用多期容積掃描，掃描范圍從第一頸椎至顱頂，管電壓80 kV，固定毫安秒，轉(zhuǎn)速0.5秒/轉(zhuǎn)，準(zhǔn)直器320×0.5 mm。采用雙筒高壓注射器在肘正中靜脈以5.0 mL/s流速注入40 mL非離子型對(duì)比劑碘帕醇(370 mg/mL)和30 mL鹽水。灌注序列包括5組掃描(19期動(dòng)態(tài)掃描)：第一組為平掃(80 kV,200 mA，1期)，第二組為動(dòng)脈早期(80 kV,150 mA,3期，時(shí)間間隔2 s)，第三組為動(dòng)脈期(80 kV,200 mA,6期，時(shí)間間隔2 s),第四組為動(dòng)脈晚期(80 kV,150 mA,4期，時(shí)間間隔2 s),第五組為靜脈期(80 kV,150 mA，5期，時(shí)間間隔5 s)。圖像重建矩陣512×512，重建層厚和層間距均為0.5 mm，掃描完成后重建出一組AIDR 3D (kernel值為FC 41)序列, 并且使用兩種AiCE參數(shù)(BRAIN LCD及BRAIN CTA)的Standard檔位分別重建AiCE LCD及AiCE CTA序列，共獲得3組灌注序列的圖像。

將AIDR 3D,AiCE LCD,AiCE CTA多期灌注圖像自動(dòng)發(fā)送到佳能醫(yī)療后處理工作站(Brain perfusion,VitreaWorkstation,Canon Medical System)進(jìn)行重建。選取大腦中動(dòng)脈作為流入動(dòng)脈，上矢狀竇作為流出靜脈，生成時(shí)間密度曲線，并進(jìn)一步自動(dòng)生成灌注參數(shù)圖：CBF，CBV及MTT。選取基底節(jié)層面，使用后處理軟件的感興趣區(qū)(region of interest,ROI)模版勾畫額葉、顳葉及枕葉區(qū)的ROI，手動(dòng)勾畫基底節(jié)區(qū)ROI(圖1)。

選取大腦中動(dòng)脈時(shí)間密度曲線增強(qiáng)最大的時(shí)間點(diǎn)，提取單期增強(qiáng)圖像，做為動(dòng)脈期峰值圖像。

3.輻射劑量

記錄設(shè)備自動(dòng)生成的患者頭CT灌注的輻射劑量指標(biāo)，包括容積CT劑量指數(shù)(CT dose index volume,CTDIvol)和劑量長度乘積(dose length product,DLP)。計(jì)算有效劑量(effective dose,ED)ED=DLP×k，k為權(quán)重因子0.0023 (msV/mGy·cm)。

4.圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)

由兩名分別具有3年及10年頭頸部CTA診斷經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師共同進(jìn)行測量，取一致性結(jié)果作為最終結(jié)果。

①灌注參數(shù)測量：在3種重建序列的CBF，CBV及MTT圖上，記錄額葉、顳葉、枕葉及基底節(jié)區(qū)各ROI的CBF，CBV及MTT均值(圖1)。

圖1 患者,男,39歲,灌注參數(shù)測量方法舉例。a)基于AiCE LCD灌注序列重建CBV圖，在基底節(jié)層面使用后處理軟件的ROI模版自動(dòng)勾畫額葉、顳葉及枕葉區(qū)的ROI，手動(dòng)勾畫基底節(jié)區(qū)ROI； b) 基于AiCE LCD灌注序列重建CBF圖，勾畫ROI方法同圖a； c) 基于AiCE LCD灌注序列重建MTT圖，勾畫ROI方法同圖a。

②動(dòng)脈峰值期圖像質(zhì)量分析：在動(dòng)脈期峰值圖像上放置雙側(cè)半卵圓中心、雙側(cè)頸內(nèi)動(dòng)脈虹吸段及腦干ROI，記錄平均CT值及標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation,SD)。計(jì)算半卵圓中心、頸內(nèi)動(dòng)脈虹吸段及腦干的信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)，計(jì)算頸內(nèi)動(dòng)脈虹吸段的對(duì)比噪聲比(contrast noise ratio,CNR)。

5.統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用R software (version 3.6.1,http://www.R-project.org)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。計(jì)量資料采用“中位數(shù)±四分位距”形式表示，比較AIDR 3D,AiCE LCD及AiCE CTA序列的額葉、顳葉、枕葉及基底節(jié)供血區(qū)CBF、CBV及MTT中位數(shù)的差異。比較動(dòng)脈峰值期圖像上半卵圓中心、雙側(cè)頸內(nèi)動(dòng)脈虹吸段及腦干的CT值、SD值、SNR值，以及頸內(nèi)動(dòng)脈虹吸段的CNR值中位數(shù)的差異。采用Shapiro-Wilk檢驗(yàn)數(shù)據(jù)是否滿足正態(tài)分布。采用Friedman test來分析多組之間的差異，采用Wilcoxon signed rank test with Bonferroni correction進(jìn)行組間兩兩比較，P<0.05表示有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

分別將CBF、CBV及MTT的所有測量位置的ROI合并，采用Spearman相關(guān)性檢驗(yàn)，計(jì)算AIDR 3D與AiCE LCD、AIDR 3D與AiCE CTA的CBF、CBV及MTT中位數(shù)之間的相關(guān)性，P<0.05為有顯著性意義，同時(shí)得到相關(guān)系數(shù)R，R絕對(duì)值越大，說明兩變量的相關(guān)性越密切。

結(jié) 果

1.患者一般情況

20名患者，男13例，女7例，年齡(50.8±16.4)歲，身高(1.66±0.07) m，體重(68.4±13.2) kg，BMI (24.59±3.59) kg/m2，CTDIvol 40.12 mGy，DLP 772.3 mGy·cm。有效劑量ED 1.776 mSv。

2.圖像質(zhì)量比較

①灌注參數(shù)比較：AIDR 3D,AiCE LCD及AiCE CTA灌注序列在額葉、顳葉、枕葉及基底節(jié)區(qū)的CBF及CBV中位數(shù)比較均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P<0.001)，并且CBF及CBV中位數(shù)由大至小的依次為AIDR 3D>AiCE LCD>AiCE CTA，兩兩比較具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P<0.001)。三個(gè)灌注序列在額葉、顳葉、枕葉區(qū)的MTT值比較均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P<0.001)，其中AiCE CTA的MTT值高于AIDR 3D(P<0.05)，AiCE LCD的MTT值高于AIDR 3D，但是無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P>0.05)。三個(gè)灌注序列在基底節(jié)區(qū)的MTT值比較，無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P=0.068，表1)。

表1 AIDR 3D、AiCE LCD及AiCE CTA重建序列的灌注參數(shù)比較

AiCE LCD與AIDR 3D的CBF、CBV及MTT值存在顯著相關(guān)性，所有P<0.001，R值分別為0.75、0.70及0.69。AiCE CTA與AIDR 3D的CBF、CBV及MTT值也存在顯著相關(guān)性，所有P<0.001，R值分別為0.53、0.52及0.75(圖2)。

圖2 分別比較AiCE LCD、AiCE CTA重建的灌注參數(shù)與AIDR 3D的CBF、CBV及MTT中位數(shù)值之間得相關(guān)性。a)AiCE LCD與AIDR 3D重建的CBF值存在顯著相關(guān)性，P<0.001，R=0.75； b) AiCE LCD與AIDR 3D重建的CBV值存在顯著相關(guān)性，P<0.001，R=0.70； c) AiCE LCD與AIDR 3D重建的MTT值存在顯著相關(guān)性，P<0.001，R=0.69； d) AiCE CTA與AIDR 3D重建的CBF值存在顯著相關(guān)性，P<0.001，R=0.53； e) AiCE CTA與AIDR 3D重建的CBV值存在顯著相關(guān)性，P<0.001，R=0.52； f) AiCE CTA與AIDR 3D重建的MTT值存在顯著相關(guān)性，P<0.001，R=0.75。

②動(dòng)脈峰值期的圖像質(zhì)量比較:在半卵圓中心及腦干，AIDR 3D的CT值高于AiCE CTA及AiCE LCD(P<0.001)；AiCE CTA及AiCE LCD的SD值低于AIDR 3D(P<0.001)，SNR值高于AIDR 3D(P<0.001)。AiCE CTA與AiCE LCD的CT值、SD值及SNR的比較沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P>0.05)。

在頸內(nèi)動(dòng)脈虹吸段，AiCE CTA與AiCE LCD的CT值均高于AIDR 3D(P<0.05)；AiCE CTA的SD值高于AiCE LCD及 AIDR 3D(P<0.001)， AiCE LCD與 AIDR 3D的SD值無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P=1)；AiCE LCD的SNR均高于其他兩個(gè)序列(P<0.001)，AiCE CTA的CNR均高于其他兩個(gè)序列(P<0.001,表2，圖3)。

表2 AIDR 3D、AiCE LCD及AiCE CTA重建序列動(dòng)脈峰值期的圖像質(zhì)量比較

圖3 患者，男，67歲。AIDR 3D、AiCE LCD及AiCE CTA重建序列的動(dòng)脈最大峰值期的圖像測量舉例。a) 基于AIDR 3D序列時(shí)間密度曲線，選取動(dòng)脈峰值點(diǎn)單期圖像，在腦干層面放ROI，顯示ROI的SD值=12.83HU； b) 基于AiCE CTA序列時(shí)間密度曲線，選取動(dòng)脈峰值點(diǎn)單期圖像，將圖a中腦干層面ROI復(fù)制到圖b，顯示ROI的SD值=8.676HU； c) 基于AiCE LCD序列時(shí)間密度曲線，選取動(dòng)脈峰值點(diǎn)單期圖像，將圖a中腦干層面ROI復(fù)制到圖c，顯示ROI的SD值=8.861HU。

討 論

本研究為首次采用深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CT重建算法進(jìn)行頭CTP重建，并且比較了兩種重建參數(shù)(BRAIN LCD與BRAIN CTA)對(duì)圖像質(zhì)量以及灌注參數(shù)的影響。結(jié)果表明，兩種 AiCE灌注序列的圖像質(zhì)量優(yōu)于AIDR 3D序列，AiCE序列的灌注參數(shù)，與AIDR 3D具有顯著相關(guān)性，其中AiCE LCD的CBF及CBV與AIDR 3D的相關(guān)性更高。

AiCE深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以高質(zhì)量的全模型迭代重建的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練目標(biāo)，使得所有輸入圖像都能獲得高質(zhì)量的輸出圖像，其圖像空間分辨率高于傳統(tǒng)的FBP和迭代重建的圖像。Angélique等[9]在對(duì)冠脈的研究結(jié)果表明，使用AiCE重建算法的冠脈CTA，與AiDR相比，輻射劑量降低40%，SNR及CNR提高約50%。Nakamura等[5]在對(duì)腹部的研究表明，低輻射劑量組的AiCE重建算法與AIDR重建算法相比，CNR提高將近一倍，優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)劑量的AIDR重建算法。Singh等[3]對(duì)于胸部及腹部的研究表明，低輻射劑量組前胸壁肌的AiCE重建算法的CNR高于AIDR 3D約80%，肝臟的CNR提高約35%。對(duì)體膜的研究表現(xiàn)，AiCE與AIDR 3D相比，可以降低胸腹部圖像的噪聲強(qiáng)度[10,11]。本研究表明，兩種AiCE重建圖像與AIDR 3D相比，腦組織(半卵圓中心及腦干)的SD值下降約30%，與文獻(xiàn)報(bào)道一致。然而，AiCE重建圖像在頸內(nèi)動(dòng)脈虹吸段的SD值高于AIDR 3D，其原因有待進(jìn)一步研究。

AiCE在頭部具有兩種不同的重建算法，包括AiCE BRAIN LCD及AiCE BRAIN CTA，根據(jù)廠家算法原理推薦，前者更適用于腦實(shí)質(zhì)的評(píng)價(jià)，后者更適用于顱內(nèi)血管的評(píng)價(jià)。Oostveen等[8]對(duì)頭CT平掃的研究表明，AiCE BRAIN LCD的SD值低于AIDR 3D約10%～20%(P<0.001)，SNR優(yōu)于AIDR 3D(P<0.001)。對(duì)于AiCE BRAIN CTA重建算法的研究，目前尚無報(bào)道。本研究通過頭CTP的動(dòng)脈峰值期的圖像質(zhì)量分析表明，與AIDR 3D重建相比，兩種AiCE重建均可提高頸內(nèi)動(dòng)脈虹吸段的CT值，并且降低腦組織的CT值及SD值，因此AiCE在頸內(nèi)動(dòng)脈虹吸段CNR提高了70%～90%，其中AiCE CTA提高的幅度更為顯著。這進(jìn)一步驗(yàn)證BRAIN CTA的重建算法，更適用于顱內(nèi)血管。

320排寬體探測器CT一次可以覆蓋16 cm的范圍，從而實(shí)現(xiàn)全腦灌注。以往的研究表明，全腦灌注在腦缺血、腦白質(zhì)病變及癡呆等病變，均有較好的診斷價(jià)值[12,13]。迭代重建結(jié)合頭CTP可以顯著降低圖像噪聲，在低輻射劑量方案中獲得比較好的圖像質(zhì)量[14,15]。本研究表明，AiCE LCD重建獲得的CBF、CBV值高于AIDR 3D及AiCE CTA，雖然兩種AiCE重建的灌注參數(shù)與AIDR 3D均有顯著相關(guān)性，但是AiCE LCD的CBF、CBV與AIDR 3D的相關(guān)性更密切。這表明AiCE LCD重建算法在顯示灌注參數(shù)方面，優(yōu)于AiCE CTA。

本研究也存在一些局限性：①納入的樣本量較小，未來將進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量進(jìn)行研究；②納入的病例以慢性期腦缺血的表現(xiàn)為主，對(duì)急性期腦缺血的研究更有助于挖掘AiCE在CTP應(yīng)用的更多臨床價(jià)值，有待進(jìn)一步研究；③由于本組病例缺少可評(píng)估的腦缺血病灶，因此基于腦葉解剖結(jié)構(gòu)在CTP圖像上設(shè)置的灌注參數(shù)的ROI，缺少對(duì)病變的評(píng)估，未來將進(jìn)一步搜集有顯著病灶的病例進(jìn)行研究。

結(jié)論：深度學(xué)習(xí)重建算法可以提高頭CTP動(dòng)脈峰值期的圖像質(zhì)量，AiCE BRAIN LCD重建的灌注參數(shù)與AIDR 3D重建具有更好的相關(guān)性。因此，推薦使用AiCE BRAIN LCD參數(shù)進(jìn)行頭灌注參數(shù)的重建。