深度學(xué)習(xí)重建算法AiCE在骶髂關(guān)節(jié)低劑量CT檢查中的應(yīng)用研究

曹立坤，沈文笛，王沄，許英浩，馬壯飛，付海鴻，金征宇

1.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)院 放射科，北京 100730；2.佳能醫(yī)療系統(tǒng)（中國）有限公司，北京 100015

引言

骶髂關(guān)節(jié)CT檢查是臨床常用檢查方式，對早期診斷骶髂關(guān)節(jié)病變、隨訪病變進(jìn)展有重要意義[1]。與X線、MRI相比，CT檢查空間分辨力更高，能多角度觀察骶髂關(guān)節(jié)病變，更清晰地顯示骶髂關(guān)節(jié)面骨質(zhì)破壞與骶髂關(guān)節(jié)間隙改變，被認(rèn)為是診斷骶髂關(guān)節(jié)骨質(zhì)病變、評估病變等級的“金標(biāo)準(zhǔn)”[2-3]。但CT檢查的缺點(diǎn)是存在電離輻射危害。骶髂關(guān)節(jié)位置因骨盆結(jié)構(gòu)的存在，軀干橫徑較胸腹部長，易產(chǎn)生更強(qiáng)的噪聲與射線硬化偽影；骶髂關(guān)節(jié)毗鄰人類生殖器官，難以進(jìn)行輻射防護(hù)，電離輻射易對生殖系統(tǒng)產(chǎn)生危害。因此，探索低劑量骶髂關(guān)節(jié)CT成像方法一直是臨床研究的重點(diǎn)。近年來研究發(fā)現(xiàn)，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)重建算法（Deep Learning Reconstruction，DLR）能夠降低圖像噪聲，改善圖像質(zhì)量，降低掃描所需劑量[4]。AiCE是首個(gè)商品化的DLR算法，其以高質(zhì)量全模型迭代重建（Model-Based Iterative Reconstruction，MBIR）圖像特征作為學(xué)習(xí)目標(biāo)，通過修正低質(zhì)量混合迭代重建（Hybrid Iterative Reconstruction，HIR）模型的圖像數(shù)據(jù)，并將訓(xùn)練得到深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊引入重建流程中，因此能實(shí)現(xiàn)低劑量條件下，重建出具備MBIR高信噪比且不破壞影像紋理的圖像，這為降低骶髂關(guān)節(jié)CT輻射劑量提供了可能。DLR算法現(xiàn)有臨床研究集中在心臟冠脈[5-6]、肺動脈[7-8]、胸腹部CT[9-10]等重要部位的成像重建應(yīng)用，但尚無其在骨關(guān)節(jié)系統(tǒng)評價(jià)中價(jià)值的研究。因此，本研究擬通過與現(xiàn)臨床應(yīng)用的HIR算法對比，評估DLR算法（AiCE）在改善骶髂關(guān)節(jié)CT圖像質(zhì)量與降低輻射劑量中的能力，探討其臨床應(yīng)用價(jià)值。

1 資料與方法

1.1 一般資料

本前瞻性研究經(jīng)北京協(xié)和醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)（HS-2427），所有受試者均簽署知情同意書。本研究連續(xù)收集2021年5月至2022年3月于我院就診并需行骶髂關(guān)節(jié)CT掃描的患者。納入標(biāo)準(zhǔn)：因臨床需求需行骶髂關(guān)節(jié)CT檢查者。排除標(biāo)準(zhǔn)：① 接受骨盆、腰骶椎手術(shù)的患者；② 合并骶髂關(guān)節(jié)占位、骨折及感染性病變的患者；③ 妊娠期女性或近1年內(nèi)有生育要求者；④ 1年內(nèi)接受過盆腔區(qū)CT檢查者；⑤ 圖像質(zhì)量差，因運(yùn)動或金屬偽影影響評估者。共收集121例患者，排除45例（骨盆腰椎手術(shù)史3例、骨折1例、有生育要求者6例、1年內(nèi)接受過盆腔CT檢查者34例，運(yùn)動偽影影響評估者1例），最終研究納入76例。將所有患者按體質(zhì)量指數(shù)（Body Mass Index，BMI）分為正常體重（BMI＜24.0 kg/m2）、超重（24.0 kg/m2≤BMI＜28.0 kg/m2）、肥胖（BMI≥28.0 kg/m2）3組[11]。

1.2 檢查方法與圖像重建

采用日本佳能 Canon Aquilion ONE GENESIS 320 排探測器CT掃描儀對所有患者行骶髂關(guān)節(jié)CT檢查。患者呈足先進(jìn)仰臥位，雙臂上舉，掃描范圍自第五腰椎體開始覆蓋整個(gè)骶髂關(guān)節(jié)。常規(guī)劑量（Standard Dose，SD）與低劑量（Low Dose，LD）CT采用噪聲指數(shù)不同的自動管電流調(diào)制方法（sureExposure 3D），SDCT噪聲指數(shù)為7.5（管電流121～485 mA），LDCT 噪聲指數(shù)為15（管電流100～184 mA），其余掃描參數(shù)均相同：管電壓120 kV，矩陣512×512，旋轉(zhuǎn)時(shí)間0.5 s/圈，螺距0.815，準(zhǔn)直器寬度80×0.5 mm。患者接受常規(guī)劑量掃描后，在相同定位像與掃描視野下立刻接受低劑量掃描。

掃描完成后，采用HIR算法（AIDR3D，kernel值FC=30）對SDCT原始數(shù)據(jù)進(jìn)行重建，采用HIR與DLR（AiCE，kernel Bone）兩種算法對LDCT原始數(shù)據(jù)進(jìn)行重建，重建層厚均為1 mm，層間距0.8 mm，最終獲得3組圖像，分別表示為SD-HIR、LD-HIR、LD-DLR。將3組重建圖像發(fā)送至佳能Vitrea工作站行圖像后處理，采用多平面重組（Multi-Planar Reformation，MPR）重建骶髂關(guān)節(jié)斜冠狀位圖像，與橫軸位圖像共同用于后續(xù)分析。

1.3 輻射劑量

檢查結(jié)束后，記錄系統(tǒng)自動計(jì)算生成的容積CT劑量指數(shù)（Volume CT Dose Index，CTDIvol）、劑量長度乘積（Dose Length Product，DLP），計(jì)算患者有效輻射劑量（Effective Dose，ED），公式如式（1）所示。

計(jì)算患者體型特異性掃描劑量（Size Specific Dose Estimate，SSDE），計(jì)算公式如式（2）所示。

式中，fw在美國醫(yī)學(xué)物理協(xié)會204報(bào)告中得到[12-13]。

1.4 圖像評價(jià)

1.4.1 客觀評價(jià)

由1名具備5年放射科診斷經(jīng)驗(yàn)的影像醫(yī)師對3組圖像行測量分析，所有圖像均在窗寬2000 HU、窗位500 HU下顯示。于第一骶椎中間水平層面，勾畫圓形感興趣區(qū)（Region of Interest，ROI）測量第一骶椎與關(guān)節(jié)面下髂骨內(nèi)骨髓的CT值與標(biāo)準(zhǔn)差（Standard Deviation，SD），測量時(shí)避開骨皮質(zhì)、骨質(zhì)硬化、關(guān)節(jié)間隙及可疑骨髓異常區(qū)域。測量同層面腰大肌處CT值，記作CT腰大肌；測量同層面空氣標(biāo)準(zhǔn)差作為背景噪聲（Background Noise，BN）。ROI面積為30～60 mm2，同一位置ROI重復(fù)測量3次，計(jì)算平均值作為最終結(jié)果。根據(jù)公式（3）計(jì)算4組圖像中第一骶椎與髂骨的信噪比（Signal To Noise Ratio，SNR），根據(jù)公式（4）計(jì)算對比噪聲比（Contrast To Noise Ratio，CNR）。

1.4.2 主觀評價(jià)

由2名分別具備10年和3年骨肌系統(tǒng)診斷經(jīng)驗(yàn)的放射診斷醫(yī)師在雙盲、獨(dú)立的條件下對圖像行主觀評分，評分若一致性好，則采用高年資醫(yī)師評分作為最終評分，用于后續(xù)分析；若一致性差，由第3名具備15年診斷經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)師獨(dú)立評價(jià)全部圖像，將其結(jié)果作為最終評分。采用Likert 5分量表法（5分：解剖結(jié)構(gòu)與細(xì)節(jié)顯示非常清晰，無明顯噪聲，無射線硬化偽影，完全滿足診斷要求；4分：解剖結(jié)構(gòu)與細(xì)節(jié)顯示較為清晰，圖像噪聲與射線硬化偽影水平低，不影響診斷；3分：大部分解剖結(jié)構(gòu)與細(xì)節(jié)顯示較清晰，可見中等圖像噪聲或射線硬化偽影，基本滿足診斷要求；2分：解剖結(jié)構(gòu)與細(xì)節(jié)顯示不夠清晰，圖像噪聲或射線硬化偽影水平較高，局部圖像顯示欠佳，不滿足診斷要求；1分：解剖結(jié)構(gòu)與細(xì)節(jié)難以辨認(rèn)，圖像噪聲與射線硬化偽影嚴(yán)重，圖像質(zhì)量差，無法用于診斷），評價(jià)內(nèi)容包括：① 骶髂關(guān)節(jié)面及間隙、骶孔、周圍軟組織等解剖結(jié)構(gòu)及細(xì)節(jié)的顯示；② 圖像噪聲；③ 射線硬化偽影[14-15]。

1.4.3 骶髂關(guān)節(jié)病變分級

由具備5年以上骨肌系統(tǒng)診斷經(jīng)驗(yàn)的放射診斷醫(yī)師獨(dú)立評估雙側(cè)骶髂關(guān)節(jié)病變情況，病變分級采用1984年修訂的骶髂關(guān)節(jié)炎的紐約分級標(biāo)準(zhǔn)[16-17]（0級：CT圖像未見異常；1級：骶髂關(guān)節(jié)面毛糙，髂骨或骶骨骨小梁增粗、紊亂，出現(xiàn)關(guān)節(jié)面下小囊變；2級：骶髂關(guān)節(jié)面多發(fā)骨質(zhì)破壞，呈蟲蝕樣，關(guān)節(jié)面下小囊變明顯，并可見明顯增生硬化區(qū)，關(guān)節(jié)間隙未見明顯增寬或狹窄；3級：于2級基礎(chǔ)上出現(xiàn)關(guān)節(jié)間隙增寬或狹窄，并合并部分關(guān)節(jié)強(qiáng)直；4級：圖像顯示關(guān)節(jié)完全強(qiáng)直，關(guān)節(jié)間隙消失）。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 24.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。在全部患者及以BMI分類的3組患者中均進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對計(jì)量資料行正態(tài)分布檢驗(yàn)，符合正態(tài)分布的采用±s表示，不符合正態(tài)分布采用M（Q1，Q3）表示，計(jì)數(shù)資料采用n（%）表示。組間比較采用成對樣本t檢驗(yàn)或Wilcoxon符號秩和檢驗(yàn)；多組間比較采用單因素方差分析或Friedman秩和檢驗(yàn)，而后進(jìn)一步行兩兩比較。對兩位觀察者的主觀評分和分級診斷結(jié)果行Kappa一致性檢驗(yàn)，Kappa≤0.40為一致性差，0.40＜Kappa≤0.60為一致性中等，0.60＜Kappa≤ 0.80為一致性良好，0.80＜Kappa≤1.00為一致性優(yōu)。以P＜0.05為差異存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 一般資料與CT輻射劑量

本研究共納入患者76例，其中男38例、女38例，年齡 31～75（51±13）歲，BMI為 23.2（20.1，26.4）kg/m2，正常體重組44例、超重組17例、肥胖組15例。

全部患者中，LDCT的ED與SSDE水平均低于SDCT（P＜0.001），LDCT的ED較SDCT降低了56.6%，SSDE降低了50.2%。以BMI分類的3組患者中，LDCT的ED與SSDE也均低于SDCT（P＜0.001），降低率隨BMI升高而增加，詳見表1。

表1 全部患者及不同BMI分組患者組內(nèi)SDCT與LDCT的輻射劑量比較

2.2 客觀評價(jià)

由表2可知，3組重建后圖像的BN、SNR、CNR值均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.001），CT值均未見統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05）；LD-DLR圖像的BN值低于SD-HIR圖像與LDHIR圖像，兩兩比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（Z=-1.71～11.19，P＜0.05）；LD-DLR圖像的SNR、CNR值均大于SD-HIR和LD-HIR圖像，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（Z=-8.68～-3.29，P＜0.05）。全部患者和以BMI分類的3組患者中，全部患者與正常體重組患者SD-HIR圖像的CNR骶椎值大于LDHIR圖像，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（Z=0.02，P＜0.05；Z=2.77，P＜0.05），超重與肥胖組患者SD-HIR圖像與LD-HIR圖像的CNR骶椎值未見統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（Z=0.17，P＞0.05；Z=0.55，P＞0.05）；各體重組 SD-HIR和LD-HIR組間SNR骶椎、SNR髂骨、CNR髂骨值未見統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05）。LD-DLR圖像相比SD-HIR圖像，各客觀指標(biāo)明顯改善：BN值降低，SNR與CNR值均提高。具體改善率如表2所示。

表2 全部患者及不同BMI分組患者3種重建圖像的客觀指標(biāo)分析

2.3 主觀評價(jià)

2名觀察者對SD-HIR、LD-HIR和LD-DLR圖像的主觀評分一致性均好（Kappa值=0.719、0.847、0.846，P＜0.001），選擇高年資醫(yī)師的主觀評分行組間比較。在全部患者及以BMI分類的3組患者中，SD-HIR、LD-HIR和LD-DLR圖像的主觀評分存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＜0.001），如表3與圖1所示。兩兩比較結(jié)果顯示，SD-HIR、LD-DLR圖像的主觀評分均高于LD-HIR圖像評分（P＜0.001）；SDHIR與LD-DLR圖像的主觀評分比較，全部患者（Z=-0.243，P=0.808）、正常體重組（Z=-0.107，P=0.915）、超重組（Z=-6.000，P=0.548）和肥胖組（Z=0.730，P=0.465），均未見統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

圖1 BMI為30.0 kg/m2的患者骶髂關(guān)節(jié)CT斜冠狀位重建圖像

表3 全部患者及不同BMI分組患者3種重建圖像的主觀評分結(jié)果[M（Q1，Q3）]

2.4 骶髂關(guān)節(jié)炎診斷一致性

LD-HIR圖像的主觀評分較低，部分圖像不能滿足診斷要求，因此本研究僅評估SD-HIR和LD-DLR圖像上兩側(cè)骶髂關(guān)節(jié)的分級診斷結(jié)果。LD-DLR圖像可見0級49個(gè)，1級34個(gè)，2級21個(gè)，3級35個(gè)，4級13個(gè)；SD-HIR圖像可見0級52個(gè)，1級29個(gè)，2級27個(gè)，3級34個(gè)，4級10個(gè)，兩組圖像評估骶髂關(guān)節(jié)分級的一致性優(yōu)（Kappa值=0.888，P＜0.001），差異未見統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（Z=-1.94，P=0.052）（表 4）。

表4 基于SD-HIR和LD-DLR圖像的骶髂關(guān)節(jié)分級診斷結(jié)果比較（n=152）

3 討論

骶髂關(guān)節(jié)CT掃描是早期診斷和隨訪骶髂關(guān)節(jié)病變的最常用手段。由于其位置毗鄰男女性生殖腺，降低骶髂關(guān)節(jié)CT掃描的輻射劑量以減輕生殖系統(tǒng)的輻射危害，一直是臨床研究關(guān)注的重點(diǎn)。DLR算法是近年來提出的基于人工智能的新型CT算法，將能夠識別影像圖像有用信號與噪聲的深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入重建流程中，能在降低噪聲的同時(shí)提高圖像空間分辨力，改善圖像質(zhì)量[5,18]。已有多項(xiàng)研究探討了DLR技術(shù)在各部位重建圖像的優(yōu)勢，如Singh等[9]發(fā)現(xiàn)與HIR和濾波反投影重建算法相比，DLR能夠提高胸腹部亞毫西弗CT的圖像質(zhì)量與病灶檢出率；Bernard等[6]發(fā)現(xiàn)與HIR算法相比，DLR能夠在將冠狀動脈CT血管成像圖像質(zhì)量提高50%的情況下，將輻射劑量降低40%；此外，DLR在降低肺動脈成像的輻射劑量、改善圖像質(zhì)量中也有明顯優(yōu)勢[5,7-8]。本研究首次將DLR算法應(yīng)用于骨關(guān)節(jié)系統(tǒng)的評價(jià)，結(jié)合管電流自動調(diào)制技術(shù)，將骶髂關(guān)節(jié)CT的管電流由常規(guī)的121～485 mA降低至100～184 mA，患者的ED和SSDE分別降低了56.6%、50.2%，而客觀圖像質(zhì)量明顯提高，主觀評分不受影響。此外，本研究還比較了基于SD-HIR與LD-DLR圖像所得到的骶髂關(guān)節(jié)炎分級診斷結(jié)果，一致性為優(yōu)，進(jìn)一步表明應(yīng)用DLR算法能夠在不影響骶髂關(guān)節(jié)炎分級診斷的條件下降低患者輻射劑量，具備良好的臨床應(yīng)用前景。

為進(jìn)一步探索DLR對不同BMI患者圖像質(zhì)量的改善情況，本研究依據(jù)BMI將患者分為正常體重、超重和肥胖組，結(jié)果顯示各組LD-DLR圖像的客觀圖像質(zhì)量均高于另2種圖像，主觀評分與SD-HIR相當(dāng)，優(yōu)于LD-HIR，說明DLR在超重和肥胖患者中也具備較好地提升圖像質(zhì)量的能力。Akagi等[19]發(fā)現(xiàn)DLR能夠提高肥胖患者腹部CT圖像客觀與主觀評分，效果優(yōu)于HIR和MBIR算法，是肥胖患者腹部CT掃描最理想的重建方式。Lenfart等[7]發(fā)現(xiàn)盡管隨著BMI增加，圖像CNR將不可避免地降低，但DLR圖像上CNR下降速度明顯慢于HIR圖像，DLR對高體重患者圖像改善能力優(yōu)于HIR，這與本研究結(jié)果一致。此外，本研究中超重組與肥胖組患者的ED分別降低了59.1%、68.5%，SSDE分別降低55.9%、67.6%，高于正常體重組患者（45.0%、46.6%），因此，應(yīng)用DLR算法能在保證圖像質(zhì)量的同時(shí)能極大地降低高體重患者輻射劑量，對于改善超重和肥胖患者成像方案具有重要意義。

隨著CT掃描技術(shù)與重建算法的發(fā)展，越來越多研究嘗試不斷降低骶髂關(guān)節(jié)CT輻射劑量。Chahal等[15]認(rèn)為通過縮小掃描視野，骶髂關(guān)節(jié)CT掃描可以在低于1 mSv的劑量下完成；Li等[17]提出使用斜冠狀位掃描，能將有效劑量降低至0.87 mSv；馮其全等[14]對26例強(qiáng)直性脊柱炎患者的骶髂關(guān)節(jié)CT應(yīng)用斜冠狀位容積掃描，平均輻射劑量降至0.46 mSv。本研究應(yīng)用DLR算法，使輻射劑量降至更低，為0.36 mSv，低于現(xiàn)有的臨床研究結(jié)果，僅相當(dāng)于每年自然本底輻射的1/7，遠(yuǎn)低于英國與歐洲放射學(xué)會制訂的成年人盆腔部螺旋CT檢查的最大輻射劑量參考值（8.4 mSv和12.1 mSv）[20]。相比其他掃描方案，DLR算法操作簡單，重建速度快，對檢查設(shè)備要求低，適合臨床廣泛應(yīng)用。本研究還同時(shí)計(jì)算了患者SSDE值，既往研究表明相比ED，SSDE考慮到患者體型差異，是監(jiān)測與控制人群輻射劑量更精確和個(gè)性化的指標(biāo)[21]，本文所測SSDE結(jié)果可以為未來研究提供參考。本研究設(shè)計(jì)采用自身對照，結(jié)果更具說服力，盡管患者接受了常規(guī)與低劑量兩次CT檢查，但兩次檢查的有效劑量總和控制在1 mSv左右，低于先前各研究中常規(guī)劑量CT[14,17,22-23]，且未對患者造成額外傷害。

本研究尚存在一些不足之處：① 樣本量較小，特別是超重與肥胖的患者，且為單中心研究，未來應(yīng)于多中心擴(kuò)大樣本量進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)論；② 受重建速度的影響，本研究未納入MBIR組作為對照；③ 僅比較了同一廠家的HIR（AIDR）和DLR（AICE）算法，未與其他廠家的DLR算法進(jìn)行對比，近期GE公司開發(fā)了新型DLR算法（TrueFidelity），未來應(yīng)進(jìn)一步探索不同DLR算法改善圖像質(zhì)量的能力。

4 結(jié)論

與HIR相比，DLR算法能夠在降低骶髂關(guān)節(jié)CT輻射劑量的同時(shí)改善圖像質(zhì)量，滿足診斷需求，有助于提高骶髂關(guān)節(jié)CT掃描的安全性，值得臨床推廣。