像素閃爍算法在低劑量CTU檢查中的應用

張欽和， 劉愛連， 劉義軍， 劉靜紅， 田士峰， 方鑫， 趙瑩， 潘聚東

CT尿路成像(computed tomography urography,CTU)在泌尿系統(tǒng)疾病的診治方面具有顯著的作用，但是由于CTU掃描范圍大，輻射劑量也相對較大，會對患者身體造成傷害[1]。依照ALARA(as low as reasonably achievable)原則[2]，在滿足臨床診斷需求的條件下應盡可能減少輻射劑量以避免受檢者不必要的輻射。因此如何在降低輻射劑量的同時得到能滿足診斷需求的圖像是現(xiàn)今人們需要解決的熱點問題。

本研究在使用Revolution CT所配置的多模型自適應統(tǒng)計迭代重建算法(adaptive statistical IR-Veo，ASiR-V)的基礎上引入基于深度學習的像素閃爍算法(PixelShine,PS)，評估PS算法在低劑量CTU檢查中的價值。

材料與方法

1.一般資料

前瞻性分析行低劑量Revolution CT CTU檢查的患者34例，排除孕婦、靜脈對比劑不良反應、腎功能衰竭、右側(cè)泌尿系術后以及右側(cè)腎盂占位患者6例，最后入組28例(A組)。A組：年齡45～94歲，平均年齡(63±12)歲， BMI 19.15～25.82 kg/m2，平均BMI(23.35±1.57) kg/m2；回顧性搜集與其BMI相匹配的常規(guī)劑量Revolution CT CTU檢查的患者32例，排除右側(cè)泌尿系術后以及右側(cè)腎盂占位患者7例，最終入組25例。B組：年齡31～80歲，平均年齡(64±12)歲，BMI 19.94～26.12 kg/m2，平均BMI (23.40±1.56) kg/m2。

2.儀器與方法

患者取仰臥位，采用Revolution CT機(Revolution CT,GE Healthcare,USA)行CTU掃描,掃描前囑患者憋尿。A組的管電壓80 kVp，ASiR-V 50%重建；B組的管電壓120 kVp，ASiR-V 40%重建。余掃描參數(shù)相同：自動mA、探測器寬度80 mm、螺距0.992、掃描層厚1.25 mm、球管轉(zhuǎn)速0.5 s/r、噪聲指數(shù)(noise index，NI)為13。對比劑采用350 mg I/mL[碘海醇，通用電氣藥業(yè)(上海)有限公司]，用量按300 mg I/kg，采用Ulrich雙通道高壓注射器經(jīng)肘正中靜脈注射，注射流率為容積4 mL/s，延遲30 min后掃描。掃描范圍從雙腎上極至恥骨聯(lián)合下緣。

3.圖像分析與數(shù)據(jù)測量

由2位高年資CT診斷醫(yī)師進行閱片。將A組圖像上傳至GE AW4.6工作站，應用PS軟件(AlgoMedica,Inc,Sunnyvale,CA)按A7模式對圖像進行后處理，獲得PS處理后圖像(C組)。采用最大密度投影(maximum intensity projection,MIP)、容積重組(volumerendering,VR)對3組圖像進行后處理(圖1～2)。采用雙盲法進行數(shù)據(jù)測量。在膀胱、右側(cè)腎盂的最大層面以及右側(cè)腎門水平豎脊肌的軸面圖像上測量膀胱及腎盂內(nèi)對比劑、豎脊肌CT值及豎脊肌的SD值(圖3)。根據(jù)公式計算膀胱及腎盂內(nèi)對比劑的信噪比(signal noise ratio，SNR)和對比噪聲比(contrast noise ratio，CNR)。SNR膀胱(或腎盂)= CT值膀胱(或腎盂)/SD值豎脊肌；CNR膀胱(或腎盂)-豎脊肌=|CT值膀胱(或腎盂)-CT值豎脊肌)|/SD值豎脊肌。記錄容積CT劑量指數(shù)(volume CT dose index,CTDIvol)和劑量長度乘積(dose-length product,DLP)，計算有效輻射劑量(effective dose,ED)：ED=k×DLP，k值為轉(zhuǎn)換系數(shù)，參考歐盟委員會關于腹部CT的質(zhì)量標準指南，k=0.015 mSv/(mGy·cm)[3]。

4.統(tǒng)計分析

采用SPSS 19.0對數(shù)據(jù)進行分析。應用Spearman相關分析檢驗兩位觀察者所測得的數(shù)據(jù)的一致性，若一致性良好則取年資高者所測得的數(shù)據(jù)進行后續(xù)的統(tǒng)計分析。應用獨立樣本t檢驗對比A組與B組的BMI。三組間膀胱及腎盂內(nèi)對比劑和豎脊肌的CT值以及3組間豎脊肌SD值、膀胱及腎盂CNR值和SNR值的分析采用Kruskal-Wallis秩和檢驗。應用非參數(shù)Mann-Whitney U檢驗對比A組與B組的CTDIvol、DLP、ED。

結(jié) 果

A組和B組患者的平均BMI(kg/m2)分別為23.35±1.57、23.40±1.56，差異無統(tǒng)計學意義(P=0.925，t=-0.09)。

兩名觀察者所測得的膀胱和腎盂的CT值以及豎脊肌的CT值和SD值的一致性檢驗。r>0.70，取年資高者所測得的數(shù)據(jù)進行后續(xù)的統(tǒng)計分析(表1)。

圖1 管電壓80kVp。男，63歲，BMI 24.22kg/m2 ，右腎積水。a) PS前的VR圖像； b) PS前的MIP圖像。c～d) 應用PS軟件(AlgoMedica,Inc,Sunnyvale,CA)按A7模式對圖像進行后處理。c) PS后的VR圖像； d) PS后的MIP圖像。 圖2 管電壓120kVp。男，73歲，BMI為23.66 kg/m2，左腎腎癌。a) PS前的VR圖像； b) PS前的MIP圖像。

表1 兩名觀察者測得的各值的一致性檢驗結(jié)果 (r值)

三組間膀胱和腎盂內(nèi)對比劑以及豎脊肌的CT值的差異性比較(表2)：A組與B組、B組與C組間膀胱和腎盂內(nèi)對比劑以及豎脊肌的CT值的差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)；A組與C組間膀胱和腎盂內(nèi)對比劑以及豎脊肌的CT值的差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。

三組豎脊肌SD值、膀胱CNR值和SNR值以及腎盂CNR值和SNR值的差異性比較(表3)：三組間豎脊肌SD值差異均具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)；A組與B組膀胱及腎盂CNR值和SNR值的差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)；B組與C組，A組與C組膀胱及腎盂CNR值和SNR值的差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05，圖1～3)。

A組與B組間CTDIvol、DLP、ED的差異性比較：差異均具有統(tǒng)計學意義(P<0.05，表4)。

表2 三組間膀胱和腎盂內(nèi)對比劑以及豎脊肌的CT值的差異性比較

表3 三組豎脊肌SD值、膀胱及腎盂CNR值和SNR值的差異性比較

圖3 患者，男，年齡58歲，BMI為24.97kg/m2，在膀胱、右側(cè)腎盂的最大層面以及右側(cè)腎門水平豎脊肌的軸位圖像上各自分別放置3個大小相等的ROI，測量時ROI面積25～100mm2，記錄膀胱內(nèi)對比劑、腎盂內(nèi)對比劑、右側(cè)腎門水平豎脊肌CT值及右側(cè)腎門水平豎脊肌的SD值(噪聲)，最終取3次測量的平均值。該患者膀胱內(nèi)對比劑、腎盂內(nèi)對比劑、右側(cè)腎門水平豎脊肌CT值(HU)及右側(cè)腎門水平豎脊肌的SD值(HU)分別為1043.11、1723.00、 71.53、 14.54。a) 膀胱層面； b) 右側(cè)腎盂最大層面； c) 右側(cè)腎門水平豎脊肌層面。

數(shù)值A組B組ZPCTDIvol2.06±1.194.70±0.6840.1100.000DLP98.15±58.38223.52±36.8038.6530.000ED1.47±0.883.35±0.5538.6530.000

討 論

CTU是目前泌尿系統(tǒng)疾病診斷的主要檢查手段[3]。對于CTU檢查，輻射劑量是關注的重點。由于輻射劑量與管電壓的平方成正比，因此降低管電壓可有效地減少輻射劑量[4]，但是隨著管電壓的降低，使得X射線的穿透性減弱，圖像的噪聲會隨之升高，會影響圖像質(zhì)量。Yanaga等[5]采用低管電壓(80 kVp)及運用智能降噪濾波器與標準劑量方案(120 kVp)對比結(jié)果顯示低劑量方案可以評價腎集合系統(tǒng)及上段輸尿管，但是對中下段輸尿管的顯示欠佳，因此若要評價顯示中下段輸尿管及膀胱必須要代償性增加管電流。胡等[6]利用迭代算法與常規(guī)劑量對比劑100 kVp分次團注雙期CTU達到或超過常規(guī)管電壓(120 kVp)單次團注三期CTU成像效果，從而明顯降低X線輻射劑量。隨著CT技術的發(fā)展，各種降低圖像噪聲的后處理技術相繼出現(xiàn)。胡等[7]研究證明在80 kVp聯(lián)合迭代重建技術的條件下,使用低劑量碘對比劑行分次團注雙期CTU檢查可明顯降低輻射劑量，且圖像質(zhì)量滿足臨床診斷要求。本研究所使用的ASiR-V技術結(jié)合了ASiR的實時重建優(yōu)勢和VEO的多模型迭代優(yōu)勢，采用了更為先進的系統(tǒng)噪聲模型、物體模型和物理模型，并根據(jù)系統(tǒng)噪聲模型、物體模型和物理模型自動調(diào)節(jié)毫安。它運算速度快，在大大降低輻射劑量的同時,還可降低圖像掃描和重建的噪聲，從而提高圖像的質(zhì)輻射劑量[8-10]。Kim等[11]指出ASiR-V算法可降低輻射劑量，并有助于提高影像質(zhì)量。柴等[12]通過對體模研究發(fā)現(xiàn)前置AsiR-V可維持圖像CT值及噪聲基本不變，40%～60%圖像可滿足基本診斷要求，可降低輻射劑量。譚等[13]應用100 kVp聯(lián)合ASiR-V重建技術對BMI<25 kg/m2的患者掃描獲得的圖像可滿足臨床需求，且可以有效降低輻射劑量。

深度學習是機器學習領域的一個分支，它是一種使用多層復雜結(jié)構(gòu)或者由多重非線性變換構(gòu)成的多個處理層進行數(shù)據(jù)處理的方法[14]。本研究在ASiR-V的基礎上引入一種基于深度學習的像素閃爍算法(PS)，該方法是基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型的一種去噪聲算法，它可對具有較高噪聲或偽影的圖像進行后處理并生成能夠滿足診斷需求的高質(zhì)量圖像。

本研究結(jié)果顯示A組與B組、B組與C組間膀胱和腎盂內(nèi)對比劑以及豎脊肌的CT值的差異具有統(tǒng)計學意義；A組與C組間膀胱和腎盂內(nèi)對比劑以及豎脊肌的CT值的差異無統(tǒng)計學意義，說明不同輻射劑量對膀胱和腎盂內(nèi)對比劑以及豎脊肌的CT值是有影響的，但是PS技術對其無影響。A組與B組間膀胱及腎盂CNR值和SNR值的差異無統(tǒng)計學意義，其原因是A組雖在低劑量下掃描，但是結(jié)合了50% ASiR-V技術，使其圖像質(zhì)量上升，使得兩組圖像均能滿足臨床需求；C組與A組、B組間膀胱及腎盂CNR值和SNR值的差異具有統(tǒng)計學意義，相對于A組和B組，C組膀胱及腎盂CNR值和SNR值分別升高了約2倍，這提示我們C組的圖像質(zhì)量與A、B兩組均具有顯著差異，說明了PS技術可以提高低劑量CTU的圖像的噪聲比和對比噪聲比，從而提高圖像質(zhì)量,并且其圖像質(zhì)量要高于常規(guī)劑量掃描。通常認為受檢者所接受的輻射劑量較常規(guī)劑量降低20%以上才能確認為低劑量[15]。本研究A組相比于B組，有效輻射劑量降低了約62%，顯著地降低了輻射損傷風險，達到了低劑量的目的。

本文存在的不足之處：首先，病例數(shù)較少并且沒有按BMI細化分組；其次，由于兩組病例非同一患者，可能存在個體差異。

綜上所述，像素閃爍算法(PS)可以減少圖像噪聲，增加圖像的對比噪聲比，從而在低劑量(80 kVp)的情況下進一步提高CTU圖像質(zhì)量，可為進一步降低掃描條件進行高質(zhì)量的CTU成像提供保障，有較好的臨床推廣價值。