許藝馨，李輝堅(jiān)，王國華，王銘君，張振

1.青島大學(xué)附屬青島市市立醫(yī)院 放射科，山東 青島 266011；2.青島市第八人民醫(yī)院 放射科，山東 青島 266121；3.GE中國CT影像研究中心，上海 200240

引言

CT是檢測肝轉(zhuǎn)移瘤最常用的影像學(xué)方法，隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷革新，計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)不斷發(fā)展[1-3]。傳統(tǒng)的濾波反投影（Filter Back Projection，F(xiàn)BP）算法依賴的是噪聲與空間分辨率之間的線性關(guān)系，且算法易受統(tǒng)計(jì)波動(dòng)的影響，投影數(shù)據(jù)不足，圖像質(zhì)量會(huì)明顯降低[4-5]。與FBP相比，多模型迭代重建（Adaptive Statistical Iterative Reconstruction-Veo，ASiR-V）算法改進(jìn)了噪聲模型、物體模型及物理模型，在降低噪聲、提高密度及空間分辨率方面得到極大的改善[6-9]，在高對比度診斷任務(wù)中表現(xiàn)突出。但是，有報(bào)道指出，ASiR-V圖像的噪聲紋理看起來“平滑”“塑料感”或“不自然”[10-11]，這會(huì)對低對比度病變的檢測產(chǎn)生不利影響。

為了解決上述算法的不足，一種新型的基于深度學(xué)習(xí)的圖像重建（Deep Learning Image Reconstruction，DLIR）算法正在蓬勃發(fā)展。這項(xiàng)技術(shù)是以深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Deep Neural Network，DNN）為基礎(chǔ)，以大量高劑量FBP圖像和原始數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，在低劑量或非理想掃描條件下的CT數(shù)據(jù)也可以進(jìn)行高質(zhì)量圖像重建[12]。有研究表明，DLIR能有效改善圖像質(zhì)量，并且對于解剖和細(xì)小結(jié)構(gòu)的顯示具有明顯優(yōu)勢[2,13]。本研究旨在通過與FBP及ASiR-V相比，評價(jià)DLIR對肝臟轉(zhuǎn)移瘤患者CT圖像質(zhì)量的影響，以期獲得較高的圖像質(zhì)量，并為臨床診斷提供更清晰的病灶顯示和更高的診斷信心。

1 資料與方法

1.1 一般資料

將2020年5至12月在青島大學(xué)附屬青島市市立醫(yī)院就診，符合如下標(biāo)準(zhǔn)的肝臟腫瘤患者納入研究。納入標(biāo)準(zhǔn)：① CT圖像顯示清晰，無較大偽影者；② 已確診為其他部位原發(fā)腫瘤（經(jīng)病理證實(shí)），且經(jīng)病理或后期增強(qiáng)CT隨訪證實(shí)的肝轉(zhuǎn)移瘤患者；③ 體質(zhì)指數(shù)在18.5～23.9 kg/m2；④ 患者均有腹部CT平掃和動(dòng)態(tài)增強(qiáng)掃描圖像。排除標(biāo)準(zhǔn)：① 呼吸無法配合、影響圖像測量和評價(jià)者；② 嚴(yán)重圖像偽影者。最終納入研究者有32例，其中男18 例，女14 例；年齡40～82 歲，平均（55.8±12.75）歲。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，患者均簽署知情同意書。

1.2 儀器與方法

患者采用GE 256排Revolution CT機(jī)（GE Healthcare，Milwaukee，WI，USA）行腹部常規(guī)輻射劑量掃描，仰臥位，頭先進(jìn)。雙手上舉交叉抱頭，掃描前進(jìn)行呼吸訓(xùn)練，吸氣后屏氣掃描，并對甲狀腺及盆腔進(jìn)行防護(hù)。掃描參數(shù)：管電壓120 kV，采用智能管電流調(diào)控Smart mA模式，管電流范圍250～500 mAs，噪聲指數(shù)8.5 HU，螺距0.992，轉(zhuǎn)速0.8 s/r，層厚及層距均為5 mm。先進(jìn)行平掃，然后進(jìn)行增強(qiáng)掃描。增強(qiáng)采用高壓注射器注入碘對比劑（320 mgI/mL）70 mL，流速2.2 mL/s。注射對比劑后分別在30、50和120 s行動(dòng)脈期、門靜脈期和平衡期掃描，掃描結(jié)束后記錄CT容積劑量指數(shù)（Computed Tomography Dose Index，CTDIvol）、劑量長度乘積（Dose Length Product，DLP）和有效劑量（Effective Dose，ED）。

1.3 圖像重建

將門靜脈期掃描原始數(shù)據(jù)分別采用0 ASiR-V（FBP）、30% ASiR-V、DLIR-L、DLIR-M、DLIR-H進(jìn)行圖像重建，重建層厚1.25 mm，窗寬300 HU，窗位45 HU。將5組重建圖像傳入AW 4.7后處理工作站用于圖像測量和評價(jià)。

1.4 圖像評價(jià)

1.4.1 圖像客觀評價(jià)

5組薄層重建橫斷位圖像上，選取病灶顯示最清晰或病灶最大的層面，在層面上下連續(xù)3個(gè)層面上測量病灶實(shí)質(zhì)部分及相鄰正常肝組織的CT值、右側(cè)椎旁肌肉的噪聲值（Standard Deviation，SD）值，以肌肉SD值作為圖像背景噪聲。感興趣區(qū)（Region of Interest，ROI）大小為20～40 mm2，病灶ROI的選取應(yīng)盡量避開壞死、出血、鈣化等區(qū)域；肝組織ROI的選取應(yīng)盡量避開肝內(nèi)膽管、血管等區(qū)域。每個(gè)參數(shù)測量三次取平均值。計(jì)算健康肝臟和病灶處信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）和病灶處對比噪聲比（Contrast to Noise Ratio，CNR），SNR肝臟/病灶=CT肝臟/病灶/SD肌肉；CNR=（CT肝臟-CT病灶）/SD肌肉。

1.4.2 圖像主觀評價(jià)

由2名工作5年以上且經(jīng)驗(yàn)豐富的放射科診斷醫(yī)師采用5分制對5組重建圖像質(zhì)量進(jìn)行雙盲主觀評分。評價(jià)內(nèi)容包括：① 圖像質(zhì)量，采用5分法：5分，圖像質(zhì)量優(yōu)；4分，圖像質(zhì)量較好；3分，圖像質(zhì)量尚可；2分，圖像質(zhì)量較差，影響診斷；1分，圖像質(zhì)量差，無法用于診斷；② 病灶顯示（包括病灶邊緣、病灶內(nèi)小囊變、小血管等），采用5分法：5分，顯示清晰；4分，顯示較好；3分，顯示欠佳；2分，顯示模糊；1分，完全不能顯示；③ 診斷信心度，5分法：5分，完全有信心診斷為轉(zhuǎn)移瘤；4分，較有信心診斷為轉(zhuǎn)移瘤；3分，提示轉(zhuǎn)移瘤可能；2分，僅提示病變，轉(zhuǎn)移瘤不能除外；1分，完全不能診斷。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

采用SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)分析軟件，計(jì)量資料以均值±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示?？陀^評分各參數(shù)組間差異采用Kruskal-Wallis檢驗(yàn)正態(tài)性，組間多重比較采用多個(gè)獨(dú)立樣本檢驗(yàn)。主觀評分使用秩和檢驗(yàn)。2名放射科醫(yī)師對圖像質(zhì)量主觀評分的一致性采用Kappa檢驗(yàn)，以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 病人情況和輻射劑量

全部病例中，經(jīng)病理證實(shí)者8例，臨床資料證實(shí)者24例。其中22例為結(jié)直腸癌肝轉(zhuǎn)移，5例為胰腺癌肝轉(zhuǎn)移，3例為胃癌肝轉(zhuǎn)移，1例為乳腺癌肝轉(zhuǎn)移。門靜脈期掃描的平均CTDIvol為（16.30±2.79）mGy，DLP為（557.48±104.37）mGy.cm，ED 為（8.51±1.55）mSv。

2.2 5種重建圖像評價(jià)

在門靜脈期5組圖像中，DLIR組的SD值均低于FBP、30% ASiR-V，其中DLIR-H的SD最低（6.35±1.27），DLIR-M次之（P<0.001）。DLIR組中肝臟和病灶的SNR及病灶的CNR值均高于FBP、30% ASiR-V（P<0.001），其中DLIR-H的數(shù)據(jù)最佳，均明顯優(yōu)于其他算法結(jié)果（P<0.001）。具體數(shù)值如表1所示。

表1 5組重建圖像客觀測量參數(shù)的SD、SNR、CNR值（±s）

表1 5組重建圖像客觀測量參數(shù)的SD、SNR、CNR值（±s）

重建算法 SD 肝臟SNR 病灶SNR CNR FBP 18.2±3.33 5.63±1.7 3.46±1.45 2.17±0.81 30% ASiR-V 13.62±2.7 7.59±2.44 4.68±2.05 2.91±1.13 DLIR-L 10.73±2.1 9.65±3.07 5.96±2.56 3.69±1.47 DLIR-M 8.62±1.63 12.02±3.8 7.45±3.14 4.57±1.85 DLIR-H 6.35±1.27 16.32±5.1 10.09±4.16 6.24±2.61統(tǒng)計(jì)值 130.526 111.575 87.572 95.558 P值 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001

2位放射科診斷醫(yī)師的主觀評分在圖像質(zhì)量的Kappa值為0.8，表現(xiàn)出高度的一致性。得分從FBP、30%ASiR-V到DLIR依次遞增，DLIR-M（4.98±0.21）最佳，較FBP及30% ASiR-V增加48%、29%（P<0.001）。經(jīng)多重比較之后發(fā)現(xiàn)，各組間差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。具體數(shù)值如表2所示，圖像質(zhì)量如圖1所示。

表2 5組重建圖像的主觀評分（±s）

表2 5組重建圖像的主觀評分（±s）

重建算法 圖像質(zhì)量 病灶顯示 診斷信心FBP 2.55±0.48 2.92±0.70 2.58±0.59 30% ASiR-V 3.55±0.47 3.27±0.82 3.39±0.49 DLIR-L 4.84±0.35 4.41±0.81 4.44±0.58 DLIR-M 4.98±0.24 4.55±0.54 4.54±0.39 DLIR-H 4.05±0.35 4.08±0.52 4.23±0.55統(tǒng)計(jì)值 267.723 4165.538 226.098 P值 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001

圖1 患者直腸癌術(shù)后肝臟多發(fā)轉(zhuǎn)移影像

2位放射科診斷醫(yī)師對病灶顯示的主觀評價(jià)Kappa值為0.531，表現(xiàn)出一般的一致性。對病灶顯示評分表現(xiàn)為DLIR得分高于30% ASiR-V，F(xiàn)BP算法的得分最低，其中DLIR-M（4.55±0.54）最佳（P<0.001）。經(jīng)多重比較后發(fā)現(xiàn)，各組間差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，其他組間差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（表2）。

在診斷信心方面，2位放射科診斷醫(yī)師的主觀評分為0.703，表現(xiàn)出高度一致性。結(jié)果顯示，DLIR表現(xiàn)明顯優(yōu)于ASiR-V及FBP，其中DLIR-M（4.54±0.39）最優(yōu)（P<0.001）。經(jīng)多重比較后發(fā)現(xiàn)，DLIR-M與DLIR-L之間差異沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，其他組間差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（表2）。

3 討論

CT因其掃描速度快、圖像分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，在臨床上被廣泛應(yīng)用來評估肝臟疾病[14]。CT增強(qiáng)掃描在肝轉(zhuǎn)移瘤診斷方面具有明顯優(yōu)勢，但關(guān)于輻射劑量能引起惡性腫瘤的問題已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注[9,15-18]。對于惡性腫瘤患者而言，減少放射劑量可能會(huì)增加疾病診斷的難度[19]。因此，研究者一直努力平衡輻射劑量與圖像質(zhì)量之間的關(guān)系。這通常依賴于重建算法的技術(shù)進(jìn)步[3,20]。典型的肝轉(zhuǎn)移瘤表現(xiàn)為“牛眼征”，清楚地顯示瘤體實(shí)性部分與內(nèi)部壞死組織的對比差異是診斷的關(guān)鍵[21]。之前的研究揭示了ASiR-V的局限性，存在“蠟質(zhì)”“過度平滑”等缺點(diǎn)，特別是在低對比度檢測任務(wù)時(shí)，為病灶的檢出及診斷帶來風(fēng)險(xiǎn)[22]。而DLIR是以高劑量高質(zhì)量的FBP圖像作為訓(xùn)練目標(biāo)，所以即使是低對比度診斷目標(biāo)，DLIR重建的圖像都應(yīng)具有出色的圖像質(zhì)量和真實(shí)的噪聲紋理[10,23-24]。本研究旨在對比傳統(tǒng)FBP和ASiR-V，研究新型DLIR重建算法對肝臟圖像質(zhì)量和肝臟腫瘤診斷信心的提高。

Greffier等[25]的研究已經(jīng)表明，對于像肝轉(zhuǎn)移瘤這種對比度偏低的診斷任務(wù)，DLIR算法的檢測能力高于其他算法。另外的一些研究也評估了DLIR重建技術(shù)在其他臟器中的應(yīng)用。如Nj?lstad等[26]研究了在0.625 mm及2.5 mm層厚條件下，DLIR算法在肝臟實(shí)質(zhì)、肝內(nèi)血管結(jié)構(gòu)、圖像噪聲和紋理方面的成像效果，結(jié)果顯示相較于ASiR-V及FBP，DLIR提供了最優(yōu)的圖像質(zhì)量。這些研究對比進(jìn)一步肯定了DLIR重建算法的進(jìn)步性及優(yōu)越性。

本研究顯示，在肝轉(zhuǎn)移瘤圖像中，相比于FBP和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。但在2名放射科醫(yī)師主觀評分過程中，發(fā)現(xiàn)DLIR-H的圖像“過度平滑”，存在不熟悉的塑料圖像紋理，病灶內(nèi)較小的血管及小囊變顯示不清，導(dǎo)致圖像對比度降低，并且與DLIR-L相比，整體圖像質(zhì)量顯示欠佳，導(dǎo)致對疾病的診斷存在不確定性、信心不足。這是因?yàn)殡S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。因此，盡管在客觀數(shù)據(jù)測量中DLIR-H表現(xiàn)最好，但DLIR-H并沒有被評為最佳算法，而DLIR-M在提供了較好的降噪能力及圖像紋理的同時(shí)也保留了病灶中小的細(xì)節(jié)，所以DLIR-M被評為最佳的圖像重建算法。這與之前的報(bào)道一致[13]，表明在常規(guī)輻射劑量條件下，DLIR-M在減少圖像噪聲和提高圖像質(zhì)量及診斷信心等方面表現(xiàn)最好。

本研究的局限性：① 樣本量??；② 僅研究了門靜脈期的圖像質(zhì)量；③ 圖像客觀參數(shù)的測量及主觀評價(jià)受醫(yī)師的影響；④ 只應(yīng)用于常規(guī)劑量檢查，沒有將不同算法應(yīng)用于低劑量檢查中進(jìn)行評估。在今后的研究中，需要進(jìn)一步擴(kuò)大樣本量，增加對動(dòng)脈期及平衡期圖像質(zhì)量的研究，邀請更多不同年資診斷醫(yī)師參與主觀評分，以確保統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確性和完整性，同時(shí)將低劑量檢查應(yīng)用于不同的重建算法來評估圖像質(zhì)量。

綜上，DLIR作為一種先進(jìn)的重建方法，提高了肝臟圖像質(zhì)量和肝臟腫瘤診斷信心。