不同重建算法與輻射劑量對(duì)定量CT骨密度測(cè)量的影響:體模研究

童小雨,劉義軍,方鑫,李貝貝,王旭,陳安良

近年來(lái)對(duì)骨質(zhì)疏松的流行病學(xué)調(diào)查顯示50歲以上人群中骨質(zhì)疏松癥的患病率高達(dá)19.2%[1],骨密度是骨質(zhì)疏松和骨折患者的終身重要監(jiān)測(cè)指標(biāo),骨量減少和骨質(zhì)疏松的檢出尤為重要,骨密度的機(jī)會(huì)性篩查是預(yù)防骨質(zhì)疏松的關(guān)鍵[2-4]。雙能X射線吸收測(cè)量法(dual energy X-ray absorptiometry,DXA)和定量CT(quantitative computed tomography,QCT)均能無(wú)創(chuàng)性檢測(cè)骨密度[5-7]。QCT技術(shù)對(duì)骨松質(zhì)的變化更為敏感,同時(shí)可三維觀察椎體形態(tài)學(xué)改變,臨床應(yīng)用價(jià)值高,但患者接受的輻射劑量較大。如何降低輻射劑量并保證骨密度測(cè)量的準(zhǔn)確性是當(dāng)前QCT研究的熱點(diǎn)之一。選用合適的重建算法是間接降低患者輻射劑量的方式之一,繼傳統(tǒng)的濾波反投影算法(filtered back projection,FBP)之后,又相繼開(kāi)發(fā)了迭代重建算法(iterative reconstruction,IR)和深度學(xué)習(xí)(deep lear-ning,DL)重建算法,較大程度地提高了降低輻射劑量的潛能[8]。但目前對(duì)于在不同輻射劑量下不同重建算法對(duì)骨密度測(cè)量的準(zhǔn)確性有無(wú)影響的相關(guān)研究較少。本研究基于擬人化仿真歐洲脊柱體模,探究不同輻射劑量下不同重建算法及其不同等級(jí)對(duì)骨密度測(cè)量準(zhǔn)確性的影響。

材料與方法

1.研究對(duì)象

采用擬人化仿真歐洲脊柱體模(European Spine Phantom,ESP;編號(hào)145,德國(guó)QRM公司)進(jìn)行測(cè)量和分析。ESP由一定的環(huán)氧樹(shù)脂、羥基磷灰石(Hydroxyapatite,HAP)等成分組成,主要用于骨密度測(cè)量?jī)x器的標(biāo)準(zhǔn)化和相互校準(zhǔn),其X射線的衰減等于水與HAP的混合物。ESP包含3個(gè)不同骨密度值的椎體,從上至下標(biāo)記為第一(L1)、第二(L2)和第三腰椎(L3),對(duì)應(yīng)的真實(shí)骨密度值(標(biāo)定值)分別為50、100和200 mg/cm3。

2.掃描方法

使用聯(lián)影uCT760 CT機(jī)進(jìn)行掃描。首先對(duì)QCT校準(zhǔn)體模進(jìn)行掃描,并按照規(guī)定對(duì)工作站進(jìn)行校準(zhǔn),再采用2種輻射劑量對(duì)ESP體模進(jìn)行掃描,每種劑量的掃描均重復(fù)10次。管電流采用劑量調(diào)制技術(shù),常規(guī)輻射劑量組(normal dose,ND)選用劑量調(diào)制等級(jí)3,低輻射劑量組(low dose,LD)選用劑量調(diào)制等級(jí)1;兩組的其它掃描參數(shù)均相同:120 kV,螺距0.9875,轉(zhuǎn)速0.5 s/r,掃描層厚5 mm,矩陣512×512,視野500 mm×500 mm,床高以ESP體模中心為準(zhǔn)。

重建參數(shù):兩組均分別采用FBP、等級(jí)5、7、9的迭代重建算法Karl(keep artifact really low,Karl)以及等級(jí)1～4的DL算法進(jìn)行圖像重建,共獲得16組圖像,重建層厚及層間距均為1 mm,軟組織(B-SOFT-B)算法。

3.測(cè)量和分析

骨密度測(cè)量:將掃描數(shù)據(jù)上傳至骨密度測(cè)量工作站(Model 4 QCT pro v6.1,Mindways)進(jìn)行分析處理,由一位骨肌組診斷醫(yī)師在各組圖像上分別測(cè)量各椎體松質(zhì)骨的骨密度(bone mineral density,BMD)。在橫軸面圖像上選取各椎體骨松質(zhì)區(qū)域勾畫ROI,大小約為椎體骨松質(zhì)面積的2/3,然后在冠狀面/矢狀面圖像上設(shè)定高度為9 mm,盡量選取椎體的中間層面,軟件即可自動(dòng)生成容積ROI(VOI)并計(jì)算出其BMD值,每一椎體骨密度值均測(cè)量3次,計(jì)算均值作為該椎體的骨密度值(圖1)。采用相對(duì)誤差(relative error,RE)評(píng)價(jià)測(cè)量的準(zhǔn)確性:

圖1 ESP測(cè)量示意圖。a)ESP外觀及L1～L3椎體CT簡(jiǎn)圖;b)QCT骨密度測(cè)量ROI示意圖,在體模的L1～L3椎體中心層面的橫軸面圖像上,在松質(zhì)骨內(nèi)勾畫ROI,在矢狀面定位像上確定測(cè)量的范圍,軟件即可自動(dòng)生成每個(gè)椎體的三維容積感興趣區(qū),并獲得其骨密度值。

RE=|測(cè)量值-標(biāo)定值|/標(biāo)定值×100%

(1)

椎體圖像質(zhì)量評(píng)估:由同一位診斷醫(yī)師使用uCT760后處理工作站,在各椎體中心層面放置ROI,大小約為整個(gè)椎體面積的2/3[9],測(cè)量CT值及其SD值;以腹前方區(qū)域作為背景組織,測(cè)量其CT值及其SD值;按照公式(2)計(jì)算椎體的對(duì)比噪聲比(contrast noise ratio,CNR):

(2)

4.輻射劑量

掃描結(jié)束后記錄ND組及LD組的平均毫安秒(milliampere seconds,mAs)、容積CT劑量指數(shù)(CT dose index volume,CTDIvol)、劑量長(zhǎng)度乘積(dose length product,DLP)。

5.統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

應(yīng)用SPSS24.0和MedCalc20.022統(tǒng)計(jì)軟件包對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示,采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)分析各組BMD測(cè)量值與真實(shí)值的差異,采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)分析不同輻射劑量之間管電流(mAs)、CTDIvol、DLP和BMD的差異,采用單因素方差分析比較相同輻射劑量不同重建算法椎體BMD和CNR的差異,進(jìn)一步組間兩兩比較采用LSD法,采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)比較低輻射劑量組結(jié)合不同等級(jí)算法與ND-FBP組各椎體CNR值之間的差異。

結(jié) 果

1.輻射劑量

LD組的管電流、CTDIvol和DLP分別為(38.60±0.843)mAs、(3.171±0.02)mGy和(65.55±0.05)mGy·cm,相較于ND組分別降低了78.41%、78.25%和78.28%,各指標(biāo)在兩組間的差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=158.692～1699.766,P均<0.001)。

2.組間及組內(nèi)BMD的差異性分析

各椎體(L1～L3)在相同重建算法不同輻射劑量下所測(cè)得BMD值的差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=-2.006～1.472,P>0.05)。ND組及LD組中,各算法之間所測(cè)得的L1～L3的BMD值的差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=0.485～1.954,P>0.05),詳見(jiàn)表1。

表1 不同輻射劑量和重建算法測(cè)得的3個(gè)椎體的BMD值及比較 /mg/cm3

16組圖像上中所測(cè)得BMD值與ESP標(biāo)定值之間的差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(t=-114.091～-17.114,P<0.05)。各椎體BMD測(cè)量值的RE范圍為2.17%～7.44%;對(duì)16個(gè)組總體情況進(jìn)行分析,L2的RE最大,平均值為7.16%±0.58%,L3的RE最小,平均值為2.23%±0.20%,各組RE詳見(jiàn)表2。

表2 不同輻射劑量和重建算法測(cè)得的3個(gè)椎體BMD值的RE及比較 /%

3.不同輻射劑量下各椎體CNR值的比較

不同算法之間各椎體CNR的差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=47.883～153.983,P<0.05),Karl算法和DL算法隨著各自算法等級(jí)的提高,圖像噪聲逐漸降低,CNR逐漸升高(圖2)。

圖2 各椎體不同算法之間CNR值比較的柱狀圖。a)L1椎體;b)L2椎體;c)L3椎體。* 與ND-FBP比較,P<0.05;** 與ND-FBP比較,P<0.001。

討 論

算法的發(fā)展使低劑量掃描成為可能,目前臨床常用的算法可分為3種:濾波反投影算法、迭代算法和深度學(xué)習(xí)重建算法。不同圖像重建算法對(duì)圖像質(zhì)量及輻射劑量的影響不同:FBP算法為傳統(tǒng)CT圖像算法,圖像受輻射劑量影響較大;Karl算法是一種基于投影域的迭代降噪技術(shù),能在降低圖像整體噪聲水平的同時(shí),保持圖像的組織結(jié)構(gòu)特征[10];DL算法是基于人工智能在圖像重建方面的突破,采用了先進(jìn)的深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(deep neural network,DNN)技術(shù),在降低噪聲的同時(shí)能使得圖像保持較高的空間分辨率,在一定程度上為輻射劑量的降低提供了技術(shù)保證[11-12]。不同算法對(duì)于圖像信號(hào)的處理方式也有明顯不同,算法改變對(duì)于骨密度測(cè)量準(zhǔn)確性的影響尚不清楚,因此本研究基于帶有標(biāo)定值的歐洲脊柱仿真體模,同時(shí)為了更好地模擬臨床掃描環(huán)境,采用劑量調(diào)制技術(shù)進(jìn)行常規(guī)劑量(調(diào)制等級(jí)3,為常規(guī)腹部掃描等級(jí))和低劑量(調(diào)制等級(jí)1)掃描,該技術(shù)能夠根據(jù)掃描定位像中的衰減信息,確定掃描部位所需的劑量曲線,同時(shí)能基于人體組織結(jié)構(gòu)的差異而智能調(diào)節(jié)管電流的大小,從而可提供更均勻的劑量分布。

本研究中LD組相較于ND組,管電流(mAs)、CTDIvol和DLP分別降低了78.41%、78.25和78.28%,輻射劑量降低程度與蔣耀軍等[9]和吳巧玲等[13]學(xué)者的研究結(jié)果基本一致,且所獲得的圖像均可用于骨密度測(cè)量,表明采用深度學(xué)習(xí)重建算法可滿足臨床診斷需求,在降低輻射劑量方面有巨大潛力。本研究結(jié)果顯示不同輻射劑量下相同算法重建圖像上所測(cè)得的BMD值的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),這與高冰等[14]采用低管電流方式行腰椎低劑量QCT的研究結(jié)果一致,王勇朋等[15]采用管電流80 mA的低劑量掃描條件行胸部CT掃描及QCT骨密度測(cè)量的一站式研究結(jié)果也印證了這一點(diǎn)。上述結(jié)果均表明管電流不會(huì)影響B(tài)MD值的測(cè)量,可作為QCT低劑量掃描的有效方法。同時(shí)本研究中發(fā)現(xiàn)不同重建算法(FBP、Karl和DL)以及不同重建等級(jí)(Karl和DL算法)之間所測(cè)得的BMD值的差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。筆者認(rèn)為導(dǎo)致這一結(jié)果出現(xiàn)的原因是QCT是利用常規(guī)CT的掃描數(shù)據(jù),通過(guò)將帶有椎體X線衰減信息的圖像經(jīng)過(guò)QCT質(zhì)控分析系統(tǒng)進(jìn)行校正,與專業(yè)的QCT羥基磷灰石體模進(jìn)行等效密度的轉(zhuǎn)化,從而獲得椎體骨質(zhì)含量的信息,是目前最精準(zhǔn)的骨密度測(cè)量方法[16]。本研究中采用劑量調(diào)制技術(shù)來(lái)降低輻射劑量,使用不同算法來(lái)提升圖像質(zhì)量,總體上均未影響到椎體對(duì)X射線的衰減信息,所以不同輻射劑量及不同等級(jí)和類型的重建算法在骨密度值的測(cè)量上均表現(xiàn)出較好的一致性,組間差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

本研究結(jié)果顯示,不同輻射劑量、重建算法和等級(jí)得到的16組圖像上所測(cè)得的BMD值相較于ESP體模的標(biāo)定值,差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。筆者認(rèn)為,掃描設(shè)備不同、部分容積效應(yīng)、CT值漂移、線性回歸的閾值水平不同等因素均會(huì)使CT測(cè)量值出現(xiàn)一定的差異,使得BMD測(cè)量值出現(xiàn)一定的誤差[17],可接受的準(zhǔn)確度誤差范圍為5%～15%。本研究中采用RE來(lái)進(jìn)行各組圖像BMD測(cè)量值的準(zhǔn)確性評(píng)價(jià),最終測(cè)量值的RE范圍為2.17%～7.44%,在允許的偏差范圍之內(nèi)。其中,針對(duì)16個(gè)組總體情況進(jìn)行分析,L2的RE最大,平均值約為7.16%±0.58%,L3的RE最小,平均值約為2.23%±0.20%。

本研究中在顯著降低輻射劑量后,LD-Karl9圖像上測(cè)得椎體的CNR值雖與ND-FBP之間的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,但既往有研究結(jié)果表明,高等級(jí)Karl算法的重建圖像上解剖結(jié)構(gòu)顯示過(guò)于平滑,有很強(qiáng)的塑料感。DL算法有四個(gè)等級(jí)可供選擇,本研究結(jié)果顯示LD-DL2圖像上上測(cè)得椎體的CNR值與ND-FBP之間的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義;相較于Karl算法,DL算法擁有更好的降噪性能,且相較于ND-FBP,LD-DL3和LD-DL4圖像椎體的CNR值均有顯著提高,LD-DL3組中L1、L2、L3的CNR較ND-FBP分別提高了30.58%、17.81%和14.73%,LD-DL4組中L1、L2、L3的CNR分別較ND-FBP提高了53.72%、32.48%和26.06%。上述結(jié)果顯示出深度學(xué)習(xí)算法在椎體的顯示上有很好的應(yīng)用前景,應(yīng)根據(jù)掃描條件選擇適當(dāng)?shù)闹亟ㄋ惴ā?/p>

本研究存在的局限性:ESP雖然模擬的是人體真實(shí)的骨密度值,但其組成成分依舊與人體之間存在一定的差異;ESP中模擬的椎體結(jié)構(gòu)周圍均為水,不含人體其它臟器組織,所以本研究中僅針對(duì)椎體的CNR進(jìn)行分析,未進(jìn)行圖像的主觀評(píng)分。

綜上所述,不同重建算法、相同算法不同等級(jí)在不同輻射劑量水平下對(duì)骨密度的測(cè)量準(zhǔn)確性均無(wú)顯著影響;選擇恰當(dāng)?shù)腄L重建算法等級(jí)可在保證圖像質(zhì)量的同時(shí)有效降低患者的輻射劑量,有利于臨床隨訪觀察。