低劑量聯(lián)合自適應(yīng)性統(tǒng)計(jì)迭代重建和深度學(xué)習(xí)重建對(duì)上腹部圖像質(zhì)量的影響

王向明 劉 晶 馮 嘉

河北醫(yī)科大學(xué)第四醫(yī)院CT磁共振科,河北省石家莊市 050000

CT增強(qiáng)掃描已成為腹部檢查的常規(guī)檢查手段,而電離輻射可能帶來的危險(xiǎn)必須高度重視。因此,如何在盡可能低的輻射劑量條件下獲得可供臨床診斷的圖像質(zhì)量一直是相關(guān)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。目前,自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)迭代重建(ASIR)技術(shù)可以降低輻射劑量同時(shí)重建出高質(zhì)量和低噪聲的圖像[1]。近年來,隨著以深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能技術(shù)快速發(fā)展,深度學(xué)習(xí)方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像相關(guān)各種任務(wù)中,并取得顯著成果[2]。深度學(xué)習(xí)重建技術(shù)(Deep learning image reconstruction,DLIR)的應(yīng)用使圖像質(zhì)量進(jìn)一步提升,其具有降低掃描成本、提高圖像質(zhì)量、加快成像速度等優(yōu)點(diǎn)[3],本研究旨在比較自適應(yīng)性統(tǒng)計(jì)迭代重建(ASIR)和深度學(xué)習(xí)重建(DL)對(duì)低劑量上腹部CT圖像質(zhì)量的影響。

1 資料與方法

1.1 臨床資料 收集2020年7月—2021年6月在我院因非肝臟病變而接受腹部增強(qiáng)CT檢查的患者30例,其中男19例,女11例,年齡28～71歲,中位年齡60歲。入組標(biāo)準(zhǔn):(1)年齡>18歲;(2)無碘過敏史,無CT檢查禁忌證;(3)體重指數(shù)<28kg/m2;(4)知情并簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法 采用GE Revolution CT 掃描儀,預(yù)設(shè)噪聲指數(shù)(NI)8.0,對(duì)患者進(jìn)行呼吸訓(xùn)練,吸氣末屏氣掃描,仰臥位,掃描范圍自膈頂至盆底水平,管電壓100kV,自動(dòng)毫安(200～500),旋轉(zhuǎn)時(shí)間0.5s,準(zhǔn)直器寬度80mm,螺距0.992∶1,前置ASIR-V,層厚5cm。以高壓注射器經(jīng)肘靜脈注射碘海醇(300mgI/ml),造影劑用量1.5ml/kg,注射速率以30s內(nèi)將造影劑注射完畢為宜,注射后延遲35s行動(dòng)脈期掃描,延遲70s行靜脈期掃描。采用ASIR-V40%、DL-M、DL-H(見圖1)三種重建模式對(duì)動(dòng)、靜脈期原始數(shù)據(jù)進(jìn)行重建,重建層厚及間隔均為1.25mm。

圖1 常規(guī)40%ASiR-V(a) 、DLIR-M(b)、DLIR-H(c)重建圖像

1.3 圖像測(cè)量 由一名從事影像診斷5年以上的觀察者在肝門層面測(cè)量腹腔脂肪、豎脊肌、腹主動(dòng)脈(動(dòng)脈期)、門靜脈主干(靜脈期)、肝臟實(shí)質(zhì)CT值及噪聲(標(biāo)準(zhǔn)差SD值),將腹腔脂肪的噪聲作為圖像背景噪聲。比較各重建模式組織器官的CT值,計(jì)算并比較組織器官的信噪比(SNR)及對(duì)比噪聲比(CNR),計(jì)算公式:SNR器官=CT器官/SD器官;CNR肝臟=(CT肝臟-CT豎脊肌)/SD腹腔脂肪。

2 結(jié)果

2.1 動(dòng)、靜脈期不同組織CT值、SD、SNR和CNR比較 動(dòng)、靜脈期不同重建模式下腹腔脂肪、豎脊肌、腹主動(dòng)脈(動(dòng)脈期)、門靜脈主干(靜脈期)、肝臟實(shí)質(zhì)CT值的差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),見表1。

表1 不同組織CT值、SD、SNR和CNR比較

2.2 DL-H重建模式下動(dòng)、靜脈期圖像噪聲水平比較 DL-H重建模式下動(dòng)、靜脈期圖像背景噪聲、動(dòng)脈期腹主動(dòng)脈噪聲及肝臟噪聲、靜脈期門靜脈及肝臟噪聲均最低(P<0.05);腹主動(dòng)脈及肝臟SNR、靜脈期門靜脈及肝臟SNR均最高(P<0.05);肝臟CNR均最高(P<0.05),見表2。

表2 DL-H重建模式下動(dòng)、靜脈期圖像噪聲水平比較

3 討論

CT圖像質(zhì)量的提高一直是影像工作者關(guān)注的重點(diǎn),較高的圖像質(zhì)量可以發(fā)現(xiàn)更加微小的病灶,對(duì)于早期診斷有非常重要意義。優(yōu)化腹部CT掃描質(zhì)量的各種方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于臨床檢查中,其中包括各種重建算法的應(yīng)用。噪聲是影響CT圖像質(zhì)量的主要因素,影響CT的分辨率,目前研究顯示[4],噪聲受圖像重建算法的影響。目前最常用的重建算法就是迭代重建算法,可以降低噪聲和輻射劑量,同時(shí)保持圖像質(zhì)量。能譜CT的ASIR技術(shù)在每個(gè)獨(dú)立測(cè)量中通過對(duì)光子的統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行分析,并對(duì)噪聲采用迭代方法校正和抑制,從而獲得更加清晰的圖像。根據(jù)掃描劑量及圖像質(zhì)量的不同要求,ASIR算法可對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行組合重建,ASIR值即為組合重建數(shù)據(jù)所占原始數(shù)據(jù)比例,圖像噪聲降低幅度隨ASIR值升高而增大,但空間分辨率隨ASIR值升高而降低[5]。夏遠(yuǎn)艦等[6]在80例肝硬化門靜脈高壓患者中研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)能譜CT單能量(60keV) +40% ASIR時(shí)可明顯改善門靜脈血管成像質(zhì)量,能更準(zhǔn)確呈現(xiàn)側(cè)支循環(huán)開放情況,故本研究設(shè)置重建模式為ASIR-V40%。但有研究顯示[7],迭代重建算法在一定程度上取決于組織間的對(duì)比度和實(shí)際X線劑量,如果輻射劑量降低>25%時(shí),迭代重建算法導(dǎo)致低對(duì)比結(jié)構(gòu)的空間分辨率和低對(duì)比能力下降。迭代重建算法采用非線性運(yùn)算處理圖像,非線性運(yùn)算依賴目標(biāo)物體和周圍背景之間的對(duì)比,會(huì)影響圖像內(nèi)噪聲的空間分布,導(dǎo)致“噪聲紋理失真”和空間分辨率改變,使圖像過度平滑,形成“蠟像樣偽影”。

采用低千伏基于深度學(xué)習(xí)的智能圖像重建是目前醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),而深度學(xué)習(xí)重建技術(shù)就是一種基于人工智能研發(fā)而來的新的重建算法,使用高劑量條件下高清、真實(shí)的FBP圖像作為訓(xùn)練集,訓(xùn)練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),將低劑量的CT掃描數(shù)據(jù)還原成高質(zhì)量的FBP圖像。深度學(xué)習(xí)重建技術(shù)采用所有圖像數(shù)據(jù),通過深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)提取特征,充分發(fā)揮深度學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)本身的潛能,真實(shí)還原圖像的解剖細(xì)節(jié)和紋理。在本研究中,DL-H重建模式下動(dòng)、靜脈期圖像背景噪聲、動(dòng)脈期腹主動(dòng)脈及肝臟噪聲、靜脈期門靜脈及肝臟噪聲均最低,優(yōu)于ASiR-V(P<0.05)。DL-H重建模式下動(dòng)脈期腹主動(dòng)脈及肝臟SNR、靜脈期門靜脈及肝臟SNR均最高(P<0.05)。DL-H重建模式下動(dòng)、靜脈期肝臟CNR均最高(P<0.05)。與其他不同算法或不同混合權(quán)重算法的圖像相比,DL-H擁有最好的圖像質(zhì)量。許藝馨等[8]研究也表明在肝轉(zhuǎn)移瘤圖像中,相比于ASiR-V,DLIR 表現(xiàn)出較好的降噪能力,并且隨著DLIR重建水平的增加,降噪能力依次增加,同時(shí)也展示出了較高的CNR及SNR,其中DLIR-H表現(xiàn)最佳,這與本研究結(jié)果完全一致。值得指出的是,在圖片診斷上,DLIR-H并不是最佳,隨著 DLIR 重建強(qiáng)度的增加,去噪能力增強(qiáng),但由于去噪算法的局限性,去噪強(qiáng)度過高時(shí),會(huì)導(dǎo)致圖像紋理發(fā)生變化、成像的一些細(xì)小結(jié)構(gòu)損失,圖像質(zhì)量變得模糊,進(jìn)而導(dǎo)致診斷信心降低[9]。這提示在進(jìn)行DL重建模型時(shí),需進(jìn)一步觀察DLIR-L及DLIR-M條件下圖片結(jié)果進(jìn)行綜合分析。

總之,本研究表明與ASIR重建算法相比較,DLIR重建算法可以更好地提高圖像質(zhì)量,具有一定的臨床應(yīng)用前景。DL-H應(yīng)用價(jià)值較高,可能有利于肝臟小病灶的檢出。但是本研究尚存在一定局限性,首先本研究使用特定廠家GE Edison平臺(tái),其次本研究僅對(duì)腹部(以肝臟為中心)進(jìn)行探討,是否適用于其他掃描部位需要更多的研究,且病例數(shù)有限,后續(xù)研究需進(jìn)一步增加病例數(shù)。