超低劑量條件下Karl迭代算法對(duì)肺血管定量評(píng)估及胸部CT圖像質(zhì)量的影響

袁若涵，黃曉旗，陰瑋靈，李延靜

延安大學(xué)附屬醫(yī)院 影像科，陜西 延安 716000

引言

由于輻射為誘發(fā)癌癥的潛在風(fēng)險(xiǎn)，降低CT輻射劑量已成為人們關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題[1-2]。目前，胸部CT掃描已廣泛應(yīng)用于臨床，但存在輻射照射與輻射致癌的潛在風(fēng)險(xiǎn)[3]。低劑量胸部CT可以用來(lái)觀察肺癌和肺細(xì)微結(jié)構(gòu)[4]，但過(guò)度減少照射劑量會(huì)增加圖像噪聲、降低圖像質(zhì)量。傳統(tǒng)的濾波反投影（Filtered Back Projection，F(xiàn)BP）技術(shù)對(duì)輻射劑量要求較高[5]，圖像經(jīng)FBP重建后圖像噪聲會(huì)隨著輻射劑量的減少而明顯增加，掩蓋潛在的解剖結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致CT圖像質(zhì)量下降[6]。迭代重建算法可克服解析重建算法中重建量大、計(jì)算復(fù)雜和輻射劑量高等問(wèn)題[7]。肺血管異常常見(jiàn)于許多肺部疾病，包括慢性阻塞性肺疾病、哮喘、特發(fā)性肺纖維化、支氣管擴(kuò)張等。肺血管系統(tǒng)的輕微紊亂，甚至低于傳統(tǒng)疾病閾值，很可能與不良結(jié)局相關(guān)。使用CT圖像分析，可以無(wú)創(chuàng)地評(píng)估不同大小肺血管的總體積[8]。

Karl-3D IR技術(shù)是一種既能在投影（原始數(shù)據(jù)）空間又能在圖像空間執(zhí)行的復(fù)雜算法，可極大地降低圖像噪聲、改善圖像質(zhì)量。Jia等[9]使用一種新的基于模型的迭代重建算法可以恢復(fù)低劑量CT對(duì)氣道樹(shù)定量分析的診斷準(zhǔn)確性。然而，超低劑量CT定量測(cè)量肺內(nèi)血管體積（Intrapulmonary Vascular Volume，IPVV）的可行性研究尚未見(jiàn)報(bào)道。基于影像的計(jì)算機(jī)輔助診斷（Computer Aided Diagnosis，CAD）提供了一種自動(dòng)識(shí)別IPVV的方法，提高了影像診斷的客觀性和可重復(fù)性，為研究超低劑量迭代重建技術(shù)對(duì)IPVV的影響提供了可能。基于此，本研究旨在探討Karl-3D迭代重建算法在超低劑量CT條件下定量檢測(cè)IPVV的影響。

1 資料與方法

1.1 一般資料

前瞻性納入2021年3—7月于延安大學(xué)附屬醫(yī)院行常規(guī)胸部低劑量CT掃描的體檢者62名。納入標(biāo)準(zhǔn)：① 體質(zhì)指數(shù)為18.5～24.0 kg/m2；② CT肺葉裂顯示清晰。排除標(biāo)準(zhǔn)：① 明顯彌漫性肺部疾病患者，包括肺氣腫和間質(zhì)性肺疾病；② 有胸部手術(shù)史者；③ 胸部先天性畸形者；④ 廣泛肺部感染和胸腔積液者；⑤ CT圖像質(zhì)量差、無(wú)法處理者。1例患者因胸腔積液而被排除，3例患者因分析軟件在至少一個(gè)重建圖像序列中的自動(dòng)肺分割失敗而被排除分析。最終納入58名體檢者進(jìn)行分析，其中男25名、女33名，年齡17～80歲，平均年齡（47.9±13.7）歲。本研究經(jīng)延安大學(xué)附屬醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)（2018032），所有受試者均簽署知情同意書(shū)。

1.2 CT采集與圖像重建

采用uCT-760 128排螺旋CT（上海聯(lián)影）。患者取仰臥位，手臂舉過(guò)頭頂，在深吸氣結(jié)束時(shí)屏息。掃描參數(shù)：門(mén)架旋轉(zhuǎn)時(shí)間0.5 s/轉(zhuǎn)，螺旋螺距1.0875，層厚1 mm，矩陣1024×1024，骨算法重建。低劑量和超低劑量管電壓均使用120 kV。低劑量采集，參考管電流設(shè)置為40 mA；超低劑量采集，參考管電流設(shè)置為3～4 mAs。在低劑量采集后立即進(jìn)行超低劑量采集，但需要單獨(dú)屏氣。低劑量CT采用FBP重建，超低劑量CT采用FBP和Karl-3D迭代重建，重建水平分別為1、5、9（Karl1、Karl5、Karl9）。記錄容積CT劑量指數(shù)（Volume CT Dose Index，CTDIvol）、劑量長(zhǎng)度乘積（Dose-Length Product，DLP）和有效劑量（Effective Dose，ED）。

1.3 CT定量IPVV分析

應(yīng)用“數(shù)字肺”檢測(cè)及分析平臺(tái)，對(duì)2次掃描所得5幅重建圖像的胸部CT原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。用自動(dòng)三維方法提取肺內(nèi)血管，得到全肺IPVV（圖1）。將肺動(dòng)脈感興趣區(qū)（Region of Interest，ROI）置于胸部CT圖像的支氣管分叉水平，測(cè)量5組圖像噪聲。

圖1 “數(shù)字肺”平臺(tái)IPVV定量分析圖

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

使用SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。計(jì)量資料以±s表示，組間采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，組內(nèi)采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)；計(jì)數(shù)資料以n（%）表示，組間比較采用χ2檢驗(yàn)，采用Spearman相關(guān)性分析方法探究超低劑量各組與低劑量組的IPVV測(cè)量值間的相關(guān)性，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 輻射劑量與圖像噪聲

低劑量CT的CTDIvol、DLP和ED值均高于超低劑量，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001），見(jiàn)表1。低劑量FBP重建圖像與超低劑量FBP、Karl1、Karl5和Karl9重建圖像平均圖像噪聲值比較，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001），見(jiàn)表2。隨著迭代重建水平的提高，圖像噪聲降低，圖像質(zhì)量提高。超低劑量FBP圖像噪聲和偽影明顯，Karl9迭代重建圖像的噪聲最小，但是圖像解剖結(jié)構(gòu)不清，蠟像感明顯（圖2），Karl5迭代重建最適合主觀觀察及IPVV的定量分析。

表1 低劑量和超低劑量CTDIvol、DLP和ED的比較（±s）

表1 低劑量和超低劑量CTDIvol、DLP和ED的比較（±s）

組別 CTDIvol/mGy DLP/（mGy·cm） ED/mSv低劑量 3.18±0.16 121.53±9.37 1.70±0.13超低劑量 0.25±0.16 9.51±0.68 0.13±0.01 t值 127.130 92.685 92.688 P值 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001

表2 低劑量和超低劑量圖像重建后IPVV、圖像噪聲對(duì)比（±s）

表2 低劑量和超低劑量圖像重建后IPVV、圖像噪聲對(duì)比（±s）

組別 IPVV/mL 圖像噪聲/HU低劑量 FBP 173.50±38.91 65.80±9.45超低劑量 FBP 156.48±36.11 95.91±13.86超低劑量Karl1 155.38±35.13 89.48±14.28超低劑量 Karl5 150.02±32.71 70.21±11.03超低劑量Karl9 143.69±30.36 50.19±8.88 F值 5.900 142.150 P值 ＜0.001 ＜0.001

圖2 不同重建方式得到的胸部CT圖像

2.2 CAD對(duì)IPVV的定量評(píng)價(jià)

在低劑量和超低劑量胸部CT圖像中，F(xiàn)BP和Karl-3D IR在CAD中定量分析IPVV的性能比較，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001），隨著迭代重建水平的增加，IPVV定量測(cè)量會(huì)逐漸降低（P＜0.001），見(jiàn)表2。Karl1與Karl5迭代重建定量分析IPVV的性能比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。在超低劑量CT的4種重建方案中，Karl1迭代重建的IPVV測(cè)量值與低劑量CT的IPVV測(cè)量值相比，平均偏差最小（圖3）。低劑量CT圖像IPVV定量測(cè)量結(jié)果與超低劑量CT圖像定量測(cè)量結(jié)果呈正相關(guān)；在超低劑量CT迭代重建算法中，IPVV的相關(guān)性沒(méi)有改善；隨著迭代次數(shù)的增加，IPVV的相關(guān)性逐漸降低；在超低劑量CT上，F(xiàn)BP和Karl1的IPVV的相關(guān)性程度無(wú)明顯變化，見(jiàn)表3。

表3 低劑量與超低劑量CT圖像IPVV定量測(cè)量結(jié)果相關(guān)性分析

圖3 不同重建方式IPVV測(cè)量平均值的Bland-Altman散點(diǎn)圖

3 討論

目前，胸部CT掃描已廣泛應(yīng)用于肺癌篩查，但輻射致癌仍是亟須解決的問(wèn)題。Manners等[4]研究發(fā)現(xiàn)使用低劑量胸部CT進(jìn)行肺癌篩查可以降低高危人群的死亡率，但過(guò)度減少照射劑量會(huì)增加圖像噪聲，影響圖像質(zhì)量。近年來(lái)，迭代重建技術(shù)在臨床上得到了廣泛的應(yīng)用，它可以提高FBP算法對(duì)投影數(shù)據(jù)的完備性和精確量化的要求[10-11]。但迭代重建技術(shù)對(duì)肺部病變CT解剖及定量檢測(cè)的影響仍有待進(jìn)一步解決。Wang等[12]研究分析了低劑量和超低劑量CT的定量參數(shù)，發(fā)現(xiàn)迭代重建算法有助于提高定量CT參數(shù)檢測(cè)的準(zhǔn)確性。而超低劑量CT定量測(cè)量IPVV的可行性尚鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究在CAD定量測(cè)量IPVV的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討迭代重建技術(shù)對(duì)肺CT解剖顯示的影響。

由于CAD結(jié)果的重復(fù)性和圖像解釋的一致性，本研究采用CAD作為評(píng)價(jià)各種算法對(duì)圖像質(zhì)量影響的手段，減少了人為因素對(duì)結(jié)論的影響。一項(xiàng)模擬研究表明，紅外技術(shù)的應(yīng)用對(duì)CAD無(wú)影響，可用于低劑量肺癌篩查[13-14]。Mettler等[15]認(rèn)為低劑量輻射產(chǎn)生的強(qiáng)噪聲可能會(huì)影響CT定量檢測(cè)的準(zhǔn)確性以及CT的定量參數(shù)。本研究將管電壓設(shè)置為120 kV，超低劑量管電流設(shè)置為3 mAs，平均有效輻射劑量為0.13 mSv，接近胸片。

低劑量和超低劑量結(jié)合迭代重建算法改善肺體積、肺密度和肺氣腫指數(shù)等CT定量參數(shù)已有相關(guān)報(bào)道[12]。在本研究中，算法影響了超低劑量CT圖像中IPVV的測(cè)量，隨著紅外水平的提高，圖像噪聲明顯降低，IPVV的定量測(cè)量逐漸降低。含迭代重建的超低劑量CT和含F(xiàn)BP相關(guān)性的低劑量CT對(duì)IPVV無(wú)明顯改善作用，隨著迭代次數(shù)的增加，IPVV的相關(guān)性逐漸降低。在超低劑量CT上，F(xiàn)BP和Karl1的IPVV的相關(guān)性強(qiáng)度沒(méi)有變化。

迭代重建算法圖像可能會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似于水墨畫(huà)的斑片模糊現(xiàn)象，稱(chēng)為斑點(diǎn)現(xiàn)象[16]，這種現(xiàn)象可能會(huì)導(dǎo)致圖像平滑、銳度降低、病灶邊緣模糊，不利于微小肺血管的識(shí)別，從而導(dǎo)致IPVV降低。迭代重建斑點(diǎn)現(xiàn)象隨迭代重建分級(jí)的增加而增加，但中、低度迭代重建僅有少量斑點(diǎn)，不影響臨床診斷[17-18]。Karl迭代共分為9個(gè)等級(jí)，較其他迭代重建分級(jí)更多，對(duì)圖像質(zhì)量的調(diào)整更精確。較高等級(jí)的迭代使圖像客觀噪聲降低、信噪比升高，但同時(shí)使圖像邊緣平滑、甚至模糊，導(dǎo)致解剖結(jié)構(gòu)難以分辨[19]。朱莉等[20]、黃曉旗等[21]將Karl迭代應(yīng)用于成人胸部CT成像，結(jié)果表明Karl5是最適宜的迭代等級(jí)，這與本研究Karl5迭代重建最適合主觀觀察的結(jié)論相一致。在本研究中，超低劑量CT圖像Karl1重建與低劑量CT圖像FBP重建的IPVV定量測(cè)量值的相關(guān)性最高，但Karl1與Karl5重建間的IPVV定量測(cè)量結(jié)果無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。因此，對(duì)超低劑量胸部CT圖像中解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察以及肺血管的定量研究推薦使用Karl5，它可以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，還可以在降低劑量和噪聲的同時(shí)保證圖像質(zhì)量。

本研究還尚存在以下不足：① 樣本量較小；② 未考慮體重指數(shù)對(duì)輻射劑量和CT定量的影響；③ 只使用了一家供應(yīng)商的迭代重建算法，研究結(jié)果存在偏倚。

綜上所述，使用超低劑量胸部CT有效輻射劑量可降低約92%，Karl-3D迭代重建算法可以顯著降低圖像噪聲，提高圖像質(zhì)量，Karl5迭代重建最適合CT圖像解剖結(jié)構(gòu)的觀察以及肺血管的定量研究。但超低劑量胸部CT在迭代等級(jí)增加時(shí)，IPVV定量檢測(cè)會(huì)隨之減少，因此Karl-3D迭代重建算法不能提高肺血管檢測(cè)的準(zhǔn)確性。