深度學(xué)習(xí)迭代重建算法優(yōu)化兒童頭顱CT 圖像噪聲和圖像紋理的可行性

田宏偉，彭蕓，劉道永，李昊巖，劉勇，洪天予，孫記航

首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京兒童醫(yī)院影像中心，北京 100045；

CT掃描快速快、噪聲低，便于放置搶救設(shè)備，是急診常用的檢查方法。兒童急診顱腦疾病的病因與成人不同，主要為頭顱外傷而非腦卒中。由于頭顱CT檢查可同時、完整顯示顱內(nèi)腦組織、顱骨及相鄰軟組織病變，一次檢查可以判斷有無顱內(nèi)出血、顱骨骨折，已成為兒科急診篩查顱腦外傷常用的檢查方法[1-2]。CT使用的X射線會對人體造成輻射損傷，眼球鄰近顱腦，X射線的電離輻射效應(yīng)可使眼球晶狀體變性渾濁，最終影響視力。根據(jù)盡可能低劑量原則[3]，在保證圖像質(zhì)量符合診斷要求的前提下，需要盡可能降低頭顱CT檢查的輻射劑量，通過嚴(yán)格限制兒童頭顱CT適應(yīng)證以降低檢查數(shù)量[4]，或改良頭顱CT掃描方案[5]，減少兒童的輻射損傷，提升生命質(zhì)量。雖然應(yīng)用迭代重建（iterative reconstruction，IR）算法可以在降低輻射劑量的前提下保證圖像質(zhì)量[6]，但由于其自身的限制，高權(quán)重IR圖像會改變圖像紋理，產(chǎn)生邊緣模糊偽影，降低病變的檢出率。通常IR算法僅能使用50%～70%的權(quán)重，限制其降低噪聲的效率。深度學(xué)習(xí)迭代重建（deep learning iterative reconstruction，DLIR）算法較IR算法能夠更明顯地降低圖像噪聲[7-9]，并且不會產(chǎn)生IR模糊偽影，可以進(jìn)一步降低輻射劑量[10]。因此，本研究通過觀察一組兒童急診頭顱外傷CT，研究DLIR算法相比常規(guī)的自適應(yīng)迭代重建（adaptive statistical iterative reconstruction-veo，ASIR-V）算法能否降低圖像噪聲并改善圖像質(zhì)量，使進(jìn)一步降低兒童頭顱外傷CT輻射劑量成為可能。

1 資料與方法

1.1 研究對象 回顧性連續(xù)收集2020年12月7—11日因顱腦外傷行急診頭顱CT檢查的患兒80例，男50例，女30例，年齡0.4～14.0歲，平均（4.9±3.1）歲，掃描電流（172.6±15.4）mA，容積CT劑量指數(shù)（19.5±3.1）mGy，劑量長度乘積（287.4±58.6）mGy·cm。納入標(biāo)準(zhǔn)：①有24 h內(nèi)的明確或可疑頭顱外傷史；②年齡＜18歲。排除標(biāo)準(zhǔn)：因患兒鎮(zhèn)靜不良導(dǎo)致圖像出現(xiàn)嚴(yán)重運(yùn)動偽影，影響診斷結(jié)果。本研究經(jīng)本院倫理委員會批準(zhǔn)（BCH2019-46），豁免患兒知情同意。

1.2 儀器與方法 使用GE 256排CT，固定管電壓120 kVp，16 cm寬體探測器一次軸掃完成掃描，轉(zhuǎn)速0.8 s，固定管電流，根據(jù)患兒年齡采用150～210 mA進(jìn)行掃描。所有掃描均在患兒安靜狀態(tài)下進(jìn)行，哭鬧不配合者給予10%水合氯醛0.4 ml/kg，待其安靜熟睡后進(jìn)行掃描。

1.3 圖像重建 將得到的原始數(shù)據(jù)重建為層厚5 mm、層間距5 mm的標(biāo)準(zhǔn)窗圖像、骨窗圖像，層厚0.625 mm、層間距0.625 mm的標(biāo)準(zhǔn)窗圖像、骨窗圖像，每組圖像包括50% ASIR-V及高權(quán)重DLIR圖像（DL-H）2種重建方法，共8組圖像。所有圖像采用標(biāo)準(zhǔn)核心算法，不采用圖像增強(qiáng)。

1.4 主觀評價 所有圖像傳輸至GE AW4.7工作站，遮蔽所有患兒信息及掃描信息，采用固定窗寬窗位（標(biāo)準(zhǔn)窗：窗寬100，窗位30；骨窗：窗寬4 000，窗位700）進(jìn)行觀察，除0.625 mm骨窗圖像可以附加使用三維后處理工具外，其他圖像僅使用軸位掃描進(jìn)行觀察。

根據(jù)Zhu等[11]研究的頭顱CT主觀評價方法體系并結(jié)合本組病例特點(diǎn)，最終確定由2名分別有16、7年兒科影像診斷經(jīng)驗(yàn)的副主任、主治醫(yī)師采用4分制共同對圖像質(zhì)量做出主觀評價，2分為合格，4分為最好。主觀評分具體標(biāo)準(zhǔn)：①腦溝腦室的顯示能力：可清晰分辨為4分；可分辨并準(zhǔn)確測量為3分；可分辨，不能保證準(zhǔn)確測量為2分；無法分辨為1分。②腦實(shí)質(zhì)顯示能力：可清晰顯示腦實(shí)質(zhì)、病變并區(qū)分灰白質(zhì)為4分；顯示較清晰，可測量病變大小、腦灰質(zhì)/白質(zhì)厚度為3分；可大致明確病變、灰質(zhì)/白質(zhì)位置，不能準(zhǔn)確測量為2分；腦實(shí)質(zhì)及病變分界不清為1分。③骨質(zhì)顯示能力：清晰顯示骨質(zhì)及骨折線為4分；可顯示骨折線并可測量長度為3分；可發(fā)現(xiàn)骨折線，不能準(zhǔn)確判斷長度為2分；無法清晰顯示骨折線為1分。同時統(tǒng)計各個圖像發(fā)現(xiàn)的病灶數(shù)量，包括出血病變、腦軟化、顱內(nèi)積氣、腦疝、骨折及頭皮軟組織腫脹等。

完成主觀評價后，2名醫(yī)師共同在AW工作站上進(jìn)行客觀測量，在每份病例的基底節(jié)層面，放置面積為15.2 mm2的感興趣區(qū)，灰質(zhì)選取右側(cè)外囊中央均勻部分，白質(zhì)選擇同層面右側(cè)額葉白質(zhì)均勻部分，得到的測量值即為灰質(zhì)及白質(zhì)的CT值及噪聲（SD）值，通過CT值及SD值計算圖像的對比噪聲比（CNR）：CNR=（CT灰質(zhì)-CT白質(zhì)）/[1/2×（SD灰質(zhì)+SD白質(zhì)）]。測量完畢后，導(dǎo)出該層面DICOM圖像，進(jìn)行模糊度量指數(shù)（blur metric index，BMI）測定[12]。BMI通過比較原始圖像和低通濾波圖像相鄰像素間的強(qiáng)度變化量化圖像紋理的清晰度，值為0～1，較低表示圖像清晰度良好，較高表示圖像模糊，為了便于統(tǒng)計，將結(jié)果擴(kuò)大100倍作為BMI。

1.5 統(tǒng)計學(xué)方法 使用SPSS 17.0軟件。符合正態(tài)分布的計量資料以±s表示，利用配對t檢驗(yàn)進(jìn)行分析；不符合正態(tài)分布的資料使用Wilcoxon配對法檢驗(yàn)，比較兩種重建方法5 mm、0.625 mm層厚標(biāo)準(zhǔn)窗圖像、骨窗圖像的差別，并利用Pearson相關(guān)分析檢驗(yàn)5 mm的50% ASIR-V與0.625 mm的DL-H圖像主觀評分及客觀測量結(jié)果的相關(guān)性。P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 主觀評分 在5 mm和0.625 mm圖像上，與50%ASIR-V相比，DL-H均可以提升腦溝腦室顯示能力、腦實(shí)質(zhì)顯示能力（P均＜0.05），見表1。5 mm的50% ASIR-V與0.625 mm的DL-H圖像腦溝腦室顯示能力、腦實(shí)質(zhì)顯示能力差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.32、0.05），且相關(guān)性好（r=0.2～0.9，P均＜0.05）。在骨質(zhì)顯示能力方面，5 mm、0.625 mm的50% ASIR-V、DL-H圖像均可以達(dá)到滿分4.0分。5 mm的50% ASIR-V與DL-H圖像均可在80例患者中發(fā)現(xiàn)共35處病變，包括出血病變12處，顱內(nèi)積氣1處，骨折9處，頭皮軟組織腫脹13處，未發(fā)現(xiàn)腦軟化、腦疝，0.625 mm薄層圖像與5 mm圖像比較，發(fā)現(xiàn)病變數(shù)量相同（圖1）。

圖1 男，2歲，頭顱外傷，CT明確顱腦損傷情況。A、B為5 mm的50% ASIR-V、DL-H圖像；C、D為0.625 mm的50% ASIR-V、DL-H圖像；E、F為50% ASIR-V、DL-H的3D重建圖像；G、H為50% ASIR-V、DL-H的5 mm骨窗圖像；左側(cè)枕部可見硬膜外出血（箭頭，D），在0.625 mm薄層圖像可清晰顯示病變位置和范圍，但由于C圖病灶邊緣模糊，影響厚度測量的準(zhǔn)確度；由于層厚較大，A、B圖均不能滿意顯示，需結(jié)合其他層面圖像才能確定病灶的存在；DL-H圖像質(zhì)量最能滿足診斷要求，可以同時清晰顯示灰白質(zhì)分界（箭，D），圖像質(zhì)量與A相近；50% ASIR-V和DL-H圖像均可顯示骨折情況（箭，F(xiàn)、G），不受層厚和圖像重建方式影響

表1 不同圖像重建方法圖像主觀評分比較

2.2 客觀評分 5 mm圖像兩種重建方法灰質(zhì)CT值差異約0.8%，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05），其余兩種重建方法的CT值差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.05～0.54）。DL-H圖像SD值低于50% ASIR-V圖像，CNR高于50%ASIR-V圖像（P均＜0.05），見表2。5 mm的50% ASIR-V與0.625 mm的DL-H比較，灰質(zhì)CT值增高約4.0%（P＜0.05），其余指標(biāo)差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.05～0.90）。各項指標(biāo)相關(guān)性好（r=0.5～0.9，P均＜0.05）。BMI結(jié)果顯示DL-H圖像優(yōu)于50% ASIR-V圖像，5 mm的50%ASIR-V與0.625 mm的BMI差異無統(tǒng)計學(xué)意義（t=2.6，P=0.28）。

表2 不同圖像重建方法圖像客觀評價指標(biāo)比較（±s）

表2 不同圖像重建方法圖像客觀評價指標(biāo)比較（±s）

注：ASIR-V：自適應(yīng)迭代重建；DL-H：高權(quán)重深度學(xué)習(xí)；SD：圖像噪聲；CNR：對比噪聲比；BMI：模糊度量指數(shù)；*為層厚、層間距5 mm的50% ASIR-V與0.625 mm的DL-H比較

指標(biāo)層厚、層間距5 mm 層厚、層間距0.625 mm t值*P值*50% ASIR-V DL-H t值P值50% ASIR-V DL-H t值P值灰質(zhì)CT值（Hu） 32.17±2.44 31.91±2.43 5.5 ＜0.0532.08±2.80 32.03±2.63 0.6 0.54 1.6 0.03灰質(zhì)SD值3.24±0.86 2.20±0.53 21.4＜0.05 5.74±1.16 3.33±0.71 35.7＜0.05 2.20.13白質(zhì)CT值（Hu） 25.08±2.91 25.17±2.80 1.8 0.08 24.97±3.16 25.09±2.92 2.0 0.05 0.1 0.90白質(zhì)SD值3.11±0.66 1.96±0.36 26.2＜0.05 5.54±1.19 3.04±0.62 34.6＜0.05 1.7 0.09 CNR 2.34±0.88 3.32±1.11 21.2 ＜0.051.30±0.58 2.23±0.81 28.6 ＜0.05 2.0 0.05 BMI 31.50±4.15 29.12±1.99 6.1＜0.05 33.16±5.77 31.43±4.10 10.0＜0.05 2.6 0.28

3 討論

CT是兒科常用檢查方法[13-14]，頭顱外傷CT是排除兒童外傷所致的顱骨骨折、顱內(nèi)出血或腦疝的首選檢查方案[2,15]。在使用頭顱CT排除病變的同時，減少輻射損傷一直是放射學(xué)者關(guān)注的問題[16]。使用IR算法可以在滿足兒童頭顱CT圖像診斷要求的前提下，通過降低CT圖像噪聲降低輻射劑量[17]。但由于IR算法本身的限制，其在高權(quán)重狀態(tài)下會使圖像產(chǎn)生模糊偽影，影響診斷準(zhǔn)確性，故臨床無法使用高權(quán)重IR，限制了降低輻射劑量的能力。DLIR目前應(yīng)用廣泛，可以提升圖像質(zhì)量同時消除IR的模糊偽影。為了觀察DLIR在兒童顱腦外傷CT中應(yīng)用的可行性，本研究將一組檢查重建為常規(guī)的50% ASIR-V圖像和先進(jìn)的DL-H圖像[15-16]，根據(jù)診斷需要重建為5 mm及0.625 mm的腦窗和骨窗圖像，觀察兩種重建方法的差異。

本研究發(fā)現(xiàn)使用DLIR重建方法不會改變圖像的CT值，雖然5 mm DL-H圖像灰質(zhì)CT值與ASIR-V圖像存在顯著差異，但數(shù)值差異僅為0.8%，考慮為統(tǒng)計學(xué)方法限制所致，其余5 mm圖像白質(zhì)CT值及0.625 mm圖像的CT值均無顯著差異。圖像SD方面，DL-H圖像降低SD效果較ASIR-V更為明顯，5 mmDL-H圖像SD值較50% ASIR-V圖像降低了32.1%～37.0%，0.625 mm DL-H圖像SD值降低了42.0%～45.1%，表明DLIR降低SD的能力是非線性的，在高SD條件下降低SD的能力會得到提升。由于DLIR利用深度學(xué)習(xí)識別圖像正常組織與SD，可以針對性地剔除圖像中的SD，在高SD環(huán)境下，可以更明顯地降低圖像SD，在進(jìn)一步降低SD的同時，并未產(chǎn)生模糊偽影而影響圖像顯示效果[18-19]，未降低主觀評分。DLIR的另一個優(yōu)點(diǎn)是可以在降低SD的同時保持圖像紋理，F(xiàn)ranck等[20]研究證明IR圖像會改變圖像紋理使圖像出現(xiàn)模糊偽影，不利于病灶識別，圖像紋理可以通過噪聲頻率譜[21]或BMI[12]進(jìn)行測量評價。本研究使用BMI進(jìn)行圖像紋理觀察，發(fā)現(xiàn)在5 mm和0.625 mm層厚，DL-H圖像的BMI均低于50%ASIR-V圖像，表明DLIR圖像模糊效應(yīng)更低，更利于顯示細(xì)微結(jié)構(gòu)。同時，為了更好地評價DLIR的應(yīng)用可行性，本研究比較0.625 mm的DL-H圖像與5 mm的50% ASIR-V圖像，除灰質(zhì)CT值外，所有指標(biāo)均無顯著差異，兩組灰質(zhì)CT值圖像差距僅為0.4%，考慮為統(tǒng)計學(xué)限制所致，說明DLIR可以優(yōu)化高SD的薄層圖像，生成符合診斷要求質(zhì)量的圖像。

圖像主觀質(zhì)量方面，由于顱骨與軟組織對比分界明顯，不同重建方法、不同層厚均可清晰顯示骨質(zhì)結(jié)構(gòu)，不會影響骨折的診斷，所有評分均為滿分。腦溝腦室與腦實(shí)質(zhì)對比度較大，有助于不同密度組織邊緣的識別，所有重建方法均可顯示結(jié)構(gòu)輪廓，評分均高于2分；部分0.625 mm的ASIR-V圖像由于SD影響造成邊緣模糊，不易準(zhǔn)確測量，造成評分低于3分；DL-H圖像與5 mm的ASIR-V圖像均可以測量腦溝腦室的寬度，評分均高于3分。腦實(shí)質(zhì)顯示能力方面，部分5 mm的50% ASIR-V圖像腦灰質(zhì)、白質(zhì)分界模糊，不能準(zhǔn)確測量腦皮層厚度，造成評分低于3分；但所有5 mm的DL-H圖像均高于3分，體現(xiàn)了DLIR算法可以高度還原組織結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，避免了IR偽影造成的模糊效應(yīng)，提高了診斷能力。同時，5 mm的50% ASIR-V與0.625 mm的DL-H圖像間無顯著差異，結(jié)合客觀測量結(jié)果，0.625 mm的DL-H圖像顯示效果近似等效于5 mm的50% ASIR-V圖像。所有圖像識別病灶數(shù)量一致，未造成漏診，但5 mm的圖像由于部分容積效應(yīng)，無法準(zhǔn)確測量小病灶邊緣，而0.625 mm圖像可以對病灶的體積、邊緣做出更精確地判斷和描述。而ASIR-V圖像由于噪聲過大，對小病灶邊緣識別很難達(dá)到3分，造成測量準(zhǔn)確性信心不足，因此0.625 mm的DL-H較常規(guī)的5 mm圖像具有更高的應(yīng)用前景。

本研究尚存在一些局限性：僅對一組數(shù)據(jù)不同重建方法間的圖像質(zhì)量對比，雖然主觀結(jié)果及客觀結(jié)果表明0.625 mm的DL-H圖像可以達(dá)到常規(guī)5 mm的ASIR-V圖像效果，但還需要進(jìn)一步的前瞻性研究證實(shí)；同時，本組頭顱外傷患者均為保守治療，未采取手術(shù)及其他檢查方法驗(yàn)證診斷的準(zhǔn)確性及病灶識別的準(zhǔn)確性。

總之，使用DLIR圖像重建算法，可以較常規(guī)的50%ASIR-V圖像更明顯降低圖像噪聲，提升圖像紋理顯示能力，保證兒童頭顱外傷CT的圖像質(zhì)量，0.625 mm的DL-H圖像質(zhì)量接近5 mm的50% ASIR-V圖像，可以達(dá)到診斷要求，使進(jìn)一步降低輻射劑量成為可能。