深度學(xué)習(xí)重建算法在超重者低劑量骶髂關(guān)節(jié)CT 中的價值

曹立坤 王沄 馬壯飛 許英浩

骶髂關(guān)節(jié)CT 是早期診斷和隨訪中軸型脊柱關(guān)節(jié)炎、強直性脊柱炎，診斷骶髂關(guān)節(jié)退行性變、骨折、腫瘤的常用手段，還用于指導(dǎo)骶髂關(guān)節(jié)的介入治療，與X 線檢查相比具備更高的敏感性和特異性，具有重要的臨床意義［1，2］。但CT 檢查存在電離輻射，而骶髂關(guān)節(jié)毗鄰生殖器官，難以進行輻射防護。

臨床常用自動劑量曝光控制系統(tǒng)和圖像重建技術(shù)控制CT 檢查輻射劑量，保證圖像質(zhì)量。但輻射劑量與圖像質(zhì)量受患者體重指數(shù)（body mass index，BMI）影響大，超重者的容積CT 劑量指數(shù)（volume CT dose index，CTDIvol）是正常體型人群的2 倍以上［3］。研究發(fā)現(xiàn)，超重者的CTDIvol/BMI值低于正常體重患者，表明應(yīng)用管電流自動調(diào)制技術(shù)難以達到超重者所需劑量要求，超重者的輻射劑量增加，但圖像噪聲仍處于較高水平，影響疾病診斷［4］。臨床常用的圖像重建算法為混合迭代重 建（hybrid iterative reconstruction，HIR），其相比傳統(tǒng)的濾波反投影能更好地降低圖像噪聲，但對于超重者降噪能力有限［5-7］。深度學(xué)習(xí)重建（deep learning reconstruction，DLR）算法AiCE 是近年來圖像重建技術(shù)發(fā)展的新方向，它使用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)曝光條件充足的高質(zhì)量全模型迭代重建（model-based iterative reconstruction，MBIR）圖像的特征，修正低質(zhì)量圖像數(shù)據(jù)，大大降低圖像噪聲。研究證實應(yīng)用DLR 算法，能實現(xiàn)胸腹部亞毫西弗CT 成 像［8］，降低冠狀動脈CT 血管成像［9，10］、肺動脈CT 血管成像［11］、兒童胸腹部CT［12，13］的輻射劑量。筆者在前序研究［14］中發(fā)現(xiàn)DLR 算法能夠改善所有BMI 分組的骶髂關(guān)節(jié)CT 圖像質(zhì)量，降低輻射劑量，并且超重者（BMI≥24.0 kg/m2）的輻射劑量降低率較正常體重者更為顯著。本研究探討DLR 算法改善超重者骶髂關(guān)節(jié)CT 圖像質(zhì)量、降低輻射劑量的能力和臨床應(yīng)用價值。

1 資料與方法

1.1 一般資料

回顧性分析2017 年3 月—2023 年5 月于我院行骶髂關(guān)節(jié)CT 檢查的超重者。納入標準如下：1)BMI 大于等于24 kg/m2；2)圖像完整，包含薄層（1 mm 及以下）骨算法圖像，圖像質(zhì)量優(yōu)。排除標準如下：1)腫瘤性病變、骨折累及骶髂關(guān)節(jié)；2)接受過骨盆、腰骶椎手術(shù)或該區(qū)域存在金屬植入物。本研究共收集122 例，排除1 例骨折、3 例圖像存在運動偽影或金屬偽影的患者，最終納入118 例。2017 年3 月—2021 年9 月納入的患者接受常規(guī)劑量CT（standard dose CT，SDCT），共43 例，男28例，女15 例，平均年齡40 歲（18～74 歲），BMI 為26.12 kg/m2（25.15，27.90）；2021 年10月—2022 年7 月納入的患者接受低劑量CT（low dose CT，LDCT），共41 例，男31 例，女10 例，平均年齡41歲（20～75 歲），BMI 為27.12 kg/m2（25.17，28.95）；2022 年8 月—2023 年5 月納入的患者接受超低劑量CT（ultra low dose CT，ULDCT），共34 例，男27 例，女7 例，平均年齡42 歲（19～66 歲），BMI 為27.78 kg/m2（25.27，30.69）。本回顧性研究已通過醫(yī)院倫理委員會文件批準（HS-2427），免除患者知情同意。

1.2 CT 檢查方法

患者取仰臥位，雙臂上舉，掃描范圍自第5 腰椎體起至覆蓋整個骶髂關(guān)節(jié)，均行橫斷面掃描。SDCT 組于西門子第三代雙源螺旋CT（Siemens SOMATOM Definition CT）掃描儀接受骶髂關(guān)節(jié)CT檢查，掃描參數(shù)：管電壓120 kV，自動調(diào)制管電流（164～477 mA），矩陣512×512，準直器寬度64×0.6 mm，Pitch 值0.80。LDCT 組 與ULDCT 組 于Canon Aquilion ONE GENESIS CT 掃描儀接受檢查，掃描參數(shù)：管電壓120 kV，自動調(diào)制管電流，LDCT 組噪聲指數(shù)為8（管電流146～395 mA），ULDCT 組噪聲指數(shù)為15（管電流100～186 mA），矩陣512×512，準直器寬度80×0.5 mm，Pitch 值0.81。SDCT 組采用混合迭代重建算法（SAFIRE，Kernel 值=Br59）進行圖像重建，所得圖像作為金標準組；LDCT 與ULDCT 組采用深度學(xué)習(xí)重建算法（AiCE，Kernel BONE）進行圖像重建。重建層厚均為1 mm，層間距0.8 mm。

1.3 圖像分析

1.3.1 客觀評價

將SDCT、LDCT 和ULDCT 三組圖像發(fā)送至Canon Vitrea 工作站，采用多平面重建技術(shù)重組層厚為2 mm 的骶髂關(guān)節(jié)橫斷位與斜冠狀位圖像用于分析。由1 名具備4 年診斷經(jīng)驗的放射診斷醫(yī)師分析3 組圖像，圖像均在窗寬1500 HU、窗位500 HU 下顯示。于第1 骶椎中間層面的骨松質(zhì)內(nèi)，勾畫面積約為50 mm2的圓形興趣區(qū)（region of interest，ROI），避開骨皮質(zhì)、骨質(zhì)硬化、增生囊變及可疑骨髓異常區(qū)域，測量第1 骶椎的CT 值與標準差。測量同層面皮下脂肪標準差作為圖像噪聲，并測量同層面腰大肌處CT 值。同一位置重復(fù)測量3次，取平均值作為最終結(jié)果。依據(jù)下述公式計算第1 骶椎的信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）和對比信噪比（contrast-to-noise ratio，CNR）。

1.3.2 主觀評價

由兩名分別具備8 年和5 年骨肌系統(tǒng)診斷經(jīng)驗的放射診斷醫(yī)師獨立、雙盲地對圖像行主觀評分。

1.3.2.1 整體圖像質(zhì)量

評價內(nèi)容包括：1)圖像整體噪聲；2)骶髂關(guān)節(jié)面及間隙、骶孔、椎體、周圍軟組織等解剖結(jié)構(gòu)的顯示。采用5 分量表法：5 分，解剖結(jié)構(gòu)和細節(jié)顯示清晰，無偽影和蠟像感，無明顯噪聲；4 分，解剖結(jié)構(gòu)和細節(jié)顯示較為清晰，圖像略平滑，偽影與噪聲輕微；3 分，大部分解剖結(jié)構(gòu)和細節(jié)顯示清晰，有蠟像感或中等噪聲，局部圖像質(zhì)量不佳；2 分，解剖結(jié)構(gòu)和細節(jié)顯示不清，明顯蠟像感或噪聲，無法達到診斷標準；1 分，解剖細節(jié)和細節(jié)模糊，蠟像感或噪聲嚴重，無法診斷。評分大于3 分則認為符合診斷要求。

1.3.2.2 骶髂關(guān)節(jié)病變顯示

診斷醫(yī)師對雙側(cè)骶髂關(guān)節(jié)進行評估，病變結(jié)構(gòu)的觀察包括骨質(zhì)增生硬化、關(guān)節(jié)面不同程度骨質(zhì)破壞、關(guān)節(jié)間隙狹窄或增寬、關(guān)節(jié)面下骨質(zhì)囊變及關(guān)節(jié)強直等。采用5 分量表法：5 分，病變結(jié)構(gòu)顯示極佳，結(jié)構(gòu)邊緣清晰、銳利；4 分，病變結(jié)構(gòu)顯示良好，結(jié)構(gòu)邊緣輕度模糊，不影響評估；3 分，病變結(jié)構(gòu)顯示尚可，結(jié)構(gòu)邊緣中度模糊，評估輕度受限；2 分，病變結(jié)構(gòu)顯示不佳，結(jié)構(gòu)邊緣模糊不清，影響評估；1 分，病變結(jié)構(gòu)顯示差，圖像質(zhì)量差，無法評估）。評分大于3 分則認為符合診斷要求。

1.4 輻射劑量

記錄系統(tǒng)自動生成的CTDIvol 和劑量長度乘積（dose length product，DLP），使用以下公式計算有效輻射劑量（effective dose，ED）。

1.5 統(tǒng)計學(xué)方法

采用SPSS Statistics Version 24.0 統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計。計數(shù)資料采用n（%）表示，計量資料進行正態(tài)分布檢驗，符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)表示為，不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)表示為M（Q1，Q3）。正態(tài)分布三組數(shù)據(jù)的比較采用單因素ANOVA 檢驗，非正態(tài)分布及等級資料三組數(shù)據(jù)的比較采用Kruskal-Wallis ANOVA 檢驗，隨后進行成對比較。兩位診斷醫(yī)師的主觀評分行Kappa 一致性檢驗，Cohen’s Kappa≤0.40 為一致性差，0.41＜Cohen’s Kappa≤0.60 為一致性中等，0.61＜Cohen’s Kappa≤0.80 為一致性良好，0.81＜Cohen’s Kappa≤1.00 為一致性優(yōu)。P＜0.05 為差異存在統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 臨床資料與輻射劑量比較

三組患者的性別、年齡及BMI 均無統(tǒng)計學(xué)差異（P=0.333、0.768、0.189），骶髂關(guān)節(jié)病變特征分布無統(tǒng)計學(xué)差異（P 均＞0.05，表1），管電流、CTDIvol、DLP 及ED 存在統(tǒng)計學(xué)差異（P 均＜0.001），ULDCT 組的CTDIvol、DLP 及ED 最低，SDCT 組最高，成對比較結(jié)果顯示每兩組間差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P 均＜0.001）。LDCT 組和ULDCT 組的平均ED 較SDCT 分別降低32.2%、71.1%，ULDCT 組的平均ED 較LDCT 組降低57.4%。

表1 3 組患者的臨床資料、病變特征與輻射劑量

2.2 客觀評價比較

三組圖像的第1 骶椎CT 值無統(tǒng)計學(xué)差異（P=0.874、0.805），噪聲、第1 骶椎SNR 與CNR 均存在統(tǒng)計學(xué)差異（P 均＜0.001）。LDCT 組的圖像噪聲最低，依次低于ULDCT、SDCT 組，兩兩比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P 均＜0.05）。LDCT 組的第1 骶椎SNR 與CNR 最高，依次高于ULDCT 組、SDCT組，兩兩比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P 均＜0.05）。LDCT、ULDCT 相比SDCT 組客觀指標改善率見表2。

表2 三組圖像的客觀指標比較

2.3 主觀評價比較

兩名觀察者對三組圖像的整體評分一致性好（Kappa=0.823），采用高年資醫(yī)師評分用于統(tǒng)計學(xué)分析。所有圖像評分及病變特征評分均滿足診斷要求。

三組圖像的整體評分差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.002，圖1），兩兩比較結(jié)果顯示，LDCT 圖像的整體評分顯著高于SDCT 和ULDCT（P=0.001、0.018），SDCT 和ULDCT 的整體評分無統(tǒng)計學(xué)差異（P=0.364，表3）。

圖1 強直性脊柱炎圖像整體顯示。a)男，38 歲，BMI 27.75 kg/m2，SDCT，圖像整體評分4 分；b)男，29 歲，BMI 32.10 kg/m2，LDCT，整體評分5 分；c)女，56 歲，BMI 27.33 kg/m2，ULDCT，整體評分5 分。圖2 強直性脊柱炎關(guān)節(jié)面骨質(zhì)侵蝕與關(guān)節(jié)間隙的顯示。a)男，38 歲，BMI 27.75 kg/m2，SDCT，病變顯示評分4 分；b)男，33 歲，BMI 28.01 kg/m2，LDCT，病變顯示評分5 分；c)男，29 歲，BMI 29.10 kg/m2，ULDCT，病變顯示評分5 分。圖3 強直性脊柱炎關(guān)節(jié)面下骨質(zhì)囊變的顯示。a)男，37 歲，BMI 26.40 kg/m2，SDCT，病變顯示評分3 分；b)男，29 歲，BMI 32.10 kg/m2，LDCT，病變顯示評分5 分；c)男，28 歲，BMI 26.72 kg/m2，ULDCT，病變顯示評分4 分。

表3 三組圖像的主觀評價比較

SDCT、LDCT 和ULDCT 組分別包含61、65 和61 個骶髂關(guān)節(jié)病變。病變特征主觀評分中，關(guān)節(jié)面骨質(zhì)破壞、關(guān)節(jié)間隙狹窄或增寬、關(guān)節(jié)面下骨質(zhì)囊變在三組間存在統(tǒng)計學(xué)差異（P＜0.05，圖2、3），兩兩比較結(jié)果顯示，LDCT 組圖像的關(guān)節(jié)面骨質(zhì)破壞、關(guān)節(jié)間隙評分高于ULDCT 組和SDCT 組（P=0.001 和0.039、0.004 和0.047），ULDCT 和SDCT組間無統(tǒng)計學(xué)差異（P=0.107、0.331）；LDCT 組圖像的關(guān)節(jié)面下骨質(zhì)囊變評分高于SDCT 組（P=0.004），與ULDCT 組間差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.445），SDCT與ULDCT 組間比較也未見統(tǒng)計學(xué)差異（P=0.081）。三組圖像的骨質(zhì)增生硬化、關(guān)節(jié)強直評分在三組圖像中無統(tǒng)計學(xué)差異（表3）。

3 討論

本研究結(jié)果顯示，在超重者中，DLR 算法能夠顯著提高骶髂關(guān)節(jié)LDCT 和ULDCT 的客觀與主觀圖像質(zhì)量，DLR 建組的LDCT 對骶髂關(guān)節(jié)炎病變特征如下骨質(zhì)囊變、關(guān)節(jié)面骨質(zhì)破壞和關(guān)節(jié)間隙改變的顯示優(yōu)于HIR 建組的SDCT。LDCT 和ULDCT 組患者的輻射劑量相比SDCT 下降了32.2%和71.1%，ULDCT 能夠?qū)⒊卣叩妮椛鋭┝拷档偷絹喓廖鞲ニ健?/p>

Lambert 等［2］認為相比X 線平片，低劑量骶髂關(guān)節(jié)CT 對早期骨質(zhì)破壞敏感性更高，且能全面評估增生硬化、關(guān)節(jié)間隙、關(guān)節(jié)強直等改變，應(yīng)替代平片成為骶髂關(guān)節(jié)病變的首選方法。但大BMI 人群腹盆部脂肪堆積較多，腹圍大，X 射線穿透人體過程中產(chǎn)生較多散射線，圖像噪聲大大增加，使低劑量CT圖像質(zhì)量降低，難以滿足診斷需求。Schindera 等［15］的體模研究提出，大體模的CT 圖像噪聲需比小體模的降低程度更高，才能保證病變檢出率。這對超重患者CT 圖像降噪提出了更高要求。DLR 算法的出現(xiàn)可能有助于解決該問題。Akagi等［4］發(fā)現(xiàn)在肥胖患者（BMI ＞25.0 kg/m2）中，DLR 算法重建的腹部CT 圖像，主、客觀圖像質(zhì)量優(yōu)于HIR 和MBIR 重建的圖像，甚至優(yōu)于非肥胖患者的HIR 圖像。Nakamura 等［16］發(fā)現(xiàn)DLR 重建的肝臟CT圖像中乏血供轉(zhuǎn)移瘤的主觀評分高于HIR 重建圖像，且CTDIvol/BMI 值與圖像噪聲值無相關(guān)，提示DLR 算法的降噪能力不受患者體型影響。Zhao 等［17］針對超重者（BMI＞25.0 kg/m2）的胸部低劑量CT研究中發(fā)現(xiàn)，DLR 算法重建的LDCT 不僅背景噪聲低于HIR 重建的SDCT，在顯示肺內(nèi)磨玻璃結(jié)節(jié)、網(wǎng)格影和結(jié)構(gòu)扭曲等病變表現(xiàn)時主觀評分也高于后者。以上研究均提示DLR 算法在大BMI 者的CT 整體圖像質(zhì)量改善中具備獨特的優(yōu)勢，有望在降低輻射劑量的同時優(yōu)化病變的顯示。本研究結(jié)果顯示，DLR-LDCT 的客觀指標、整體圖像評分和病變特征評分均優(yōu)于HIR-SDCT，圖像噪聲改善率為51.1%，輻射劑量降低32.2%；DLR-ULDCT 的客觀指標優(yōu)于HIRSDCT，噪聲改善率為39.0%，整體圖像評分和病變特征評分與后者無差異，輻射劑量降低71.1%。因此，筆者認為DLR 算法能夠在大幅降低超重者輻射劑量的同時，保證甚至優(yōu)化圖像質(zhì)量，這與上述研究結(jié)果一致。

骨質(zhì)增生硬化、關(guān)節(jié)面骨質(zhì)破壞、關(guān)節(jié)間隙狹窄或增寬、關(guān)節(jié)面下骨質(zhì)囊變及關(guān)節(jié)強直等影像學(xué)特征是診斷骶髂關(guān)節(jié)炎并對其進行分級的重要依據(jù)［18］。因此，除主觀整體評分外，本研究進一步評估了病變特征在不同劑量組圖像上的顯示情況，結(jié)果提示，DLR-LDCT 對于關(guān)節(jié)面骨質(zhì)破壞、關(guān)節(jié)間隙狹窄或增寬及關(guān)節(jié)面下骨質(zhì)囊變的顯示優(yōu)于HIR-SDCT；ULDCT 的輻射劑量達到亞毫西弗水平，但病變特征評分與SDCT 無差異。Singh 等［8］發(fā)現(xiàn)使用DLR 重組的亞毫西弗胸腹部CT 圖像的病變檢出率與HIR-SDCT 相同，這與本研究結(jié)果一致。筆者推測，關(guān)節(jié)面骨質(zhì)破壞、關(guān)節(jié)間隙及小囊變的觀察對圖像細節(jié)顯示要求高，而DLR 算法一方面能夠降低超重患者圖像的量子噪聲，圖像混雜信號減少，減少了病變遮蓋；另一方面，其具備較好的空間分辨力，病變邊界顯示清晰。Higaki 等［19］的體模研究報道，相比HIR，DLR 圖像的噪聲更低，具備較高的空間分辨力，且低劑量掃描條件下病變檢出率更高，支持本研究的結(jié)果。

本研究中SDCT 組與LDCT 組、ULDCT 組數(shù)據(jù)來源于不同成像設(shè)備，為最小程度減少掃描參數(shù)帶來的劑量差異，本研究嚴格控制成像參數(shù)，三組患者的掃描方式均采用螺旋掃描，準直器寬度、螺距、掃描矩陣、層厚及層間距等參數(shù)一致，僅存在圖像重建算法的不同。此外，本研究的主觀、客觀評價采用雙盲法，觀察者均在未知成像設(shè)備、重組算法的情況下獨立完成，結(jié)果更加客觀真實。結(jié)果顯示，SDCT 組的平均ED 為（1.49±0.10）mSv，與近年來使用其他機型進行骶髂關(guān)節(jié)成像的研究報道的輻射劑量相近［13，20］，而LDCT 和ULDCT 組的平均ED 低于上述研究，進一步說明了深度學(xué)習(xí)重建算法降低輻射劑量的能力。

有效劑量低于1 mSv 的檢查被認為是“風(fēng)險極低”［21］。本研究中超重者ULDCT 的平均輻射劑量僅為0.43 mSv，僅相當(dāng)于自然本底輻射的1/6～1/7，與目前未行BMI 分組的骶髂關(guān)節(jié)研究的輻射劑量水平相當(dāng)［20，22］。但ULDCT 圖像的主、客觀圖像質(zhì)量評分不及LDCT。據(jù)此，筆者認為對于有生育需求的人群，可以優(yōu)先選擇ULDCT，在保證和SDCT 相同圖像質(zhì)量的同時，極大地降低了輻射劑量，避免生殖器官的輻射損害；對于無生育需求者或可能處在骶髂關(guān)節(jié)病變早期的患者，建議使用LDCT，能夠更好地觀察局限性骨質(zhì)破壞和關(guān)節(jié)間隙改變。

本研究的局限性：1)回顧性研究，各組樣本量較小，可能存在偏倚。2)為減少患者所受輻射，本研究未在同一患者中同時采集正常劑量與低劑量圖像，統(tǒng)計結(jié)果可能存在偏倚。3)未設(shè)置MBIR 算法組進行對比，但MBIR 圖像重組速度慢，難以用作常規(guī)臨床應(yīng)用。4)僅比較了不同組別患者的CTDIvol 和有效輻射劑量，沒有進一步比較患者對輻射的吸收劑量。吸收劑量受年齡、性別、個體敏感性等多種因素影響，難以量化，因此本研究選擇了現(xiàn)階段常用的電離輻射參數(shù)，也方便了與國內(nèi)外研究成果對比。

綜上所述，在超重者中應(yīng)用DLR 算法能夠改善低劑量和超低劑量骶髂關(guān)節(jié)CT 的圖像質(zhì)量。DLR 重組的LDCT 能夠提升病變特征的評估。