劉克明，曲源，趙洪飛，黃瓊，毋曉萌，尚斐

磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)可以很好地顯示軟組織，對骨皮質(zhì)等鈣化組織無法直接顯像，骨性結(jié)構(gòu)的顯示仍舊依賴于X線和CT。MR骨顯像是發(fā)現(xiàn)病變累及骨結(jié)構(gòu)的有益補(bǔ)充[1]；利用骨結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行圖像信號衰減校正，能改善PET/MR圖像重建的精確性[2-3]；MR骨重建圖像可以優(yōu)化放療劑量規(guī)劃[4]。目前，已有專門的MR序列用于骨結(jié)構(gòu)顯像，但其技術(shù)特殊性使得臨床應(yīng)用并不廣泛[5]?；诰矸e神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(convolution neural network，CNN)的深度學(xué)習(xí)方法已被廣泛應(yīng)用于圖像的組織分割、病灶識別[6-9]，而基于MR水脂分離(Dixon)圖像的深度學(xué)習(xí)方法應(yīng)用于骨重建同樣可行[10]。本研究是利用Dixon圖像，采用不同圖像類型組合的深度學(xué)習(xí)方法進(jìn)行顱骨重建，通過比較顱骨重建結(jié)果，對不同的骨重建效果進(jìn)行評估。

圖1 U-net結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)框架模型訓(xùn)練技術(shù)路線，使用單種圖像和圖像組合進(jìn)行顱骨重建，共完成11種方法。

材料與方法

1.一般資料

2021年6月-8月共21名健康志愿者，男12例，女9例，年齡35.5±10.28歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：①無先天顱骨畸形或外傷病史；②無顱內(nèi)腫瘤或腦積水。任何有累及顱骨的疾病的患者均被排除。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，簽署知情同意書。

2.檢查方法

頭顱CT使用Siemens掃描儀(Siemens Force,Germany)，仰臥位頭先進(jìn)，掃描范圍從顱頂?shù)较骂M骨。視野250 mm×250 mm，層厚5 mm，管電壓125 kV，管電流300 mA，骨重建圖像分辨率為512×512。MR使用3.0T掃描儀(Philips Ingenia,Netherlands)，18通道頭線圈，行三維快速梯度回波水脂分離(3D FFE mDixon)成像。視野240 mm×240 mm，體素1 mm×1 mm，層厚5 mm，TR 4.2 ms，TE 1.3 ms、2.6 ms，翻轉(zhuǎn)角20°，重建水相、脂相、同相位、反相位圖像。

3.圖像處理

將CT和MR圖像標(biāo)準(zhǔn)化成256×256矩陣，剛性配準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)解剖結(jié)構(gòu)對齊。在CT圖像上將大于150 HU和400 HU像素點(diǎn)作為顱骨組織，分別生成二值圖像。

在深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練中，隨機(jī)選取16例數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，5例作為測試集。技術(shù)路線見圖1，采用U-net結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)框架進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，使用單種圖像和圖像組合進(jìn)行顱骨重建，完成以下兩種模型：①單一模型：將每例數(shù)據(jù)的單種圖像，分別作為輸入進(jìn)行模型訓(xùn)練，預(yù)測概率值大于0.5為頭骨；②集成模型：將每例數(shù)據(jù)的4種圖像相互組合，預(yù)測結(jié)果進(jìn)行或操作，結(jié)果為真即為顱骨。

深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基于2D U-net架構(gòu)，共5層，每層包含卷積、池化、激活操作，卷積核大小為3×3，步長1，采用2×2最大池化，激活函數(shù)為修正線性單元(ReLU，Rectified Linear Unit)。優(yōu)化器采用自適應(yīng)矩估計(jì)(Adam,Adaptive Moment Estimation)，代價(jià)函數(shù)為交叉熵，訓(xùn)練初始學(xué)習(xí)率設(shè)置為0.001，每經(jīng)過100個(gè)Epoch衰減為原先的1/10，Batch size為40，Epoch為500次。訓(xùn)練過程中，采用旋轉(zhuǎn)([-30, 30])、鏡像和尺度變化([0.9,1.1])進(jìn)行數(shù)據(jù)擴(kuò)增。使用TensorFlow(http://www.tensorflow.org)搭建模型，操作系統(tǒng)為64位Ubuntu 20.04，語言平臺(tái)為Python 3.8。運(yùn)算工作站配置CPU為Inter Core i9，內(nèi)存64.0 GB，獨(dú)立顯卡NVIDIA RTX 3090，顯存24G。

4.統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用戴斯相似性系數(shù)(dice similarity coefficient，DSC)、準(zhǔn)確度(accuracy，ACC)、敏感度(sensitivity，SENS)和特異度(specificity，SPEC)等指標(biāo)對骨重建效果進(jìn)行評估，TP(true positive)為真陽性區(qū)域，TN(true negative)為真陰性區(qū)域，F(xiàn)P(false positive)為假陽性區(qū)域，F(xiàn)N(false negative)為假陰性區(qū)域，公式如下：

圖2 男，36歲。閾值為150HU和400HU條件下CT和MR顱骨三維表面重建。a、c、e)為150HU閾值 CT顱骨、水相和同相位、水相脂相反相位圖像重建顱骨; b、d、f)為400HU閾值CT顱骨、水相和同相位、水相脂相反相位圖像重建顱骨。在閾值為150HU時(shí)，顱骨結(jié)構(gòu)更加完整、顱骨表面更加平滑、飽滿，閾值為400HU時(shí)，MR重建面顱結(jié)構(gòu)有部分缺失(箭頭)。

表1 5例測試集不同Dixon圖像類型組合顱骨重建方法的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

(1)

(2)

(3)

(4)

結(jié) 果

采用Dixon圖像進(jìn)行顱骨預(yù)測時(shí)，以CT值400 HU為閾值，水相圖像顱骨重建的DSC值要優(yōu)于其他單種圖像(0.753 ± 0.033)，準(zhǔn)確性最高(0.962±0.006)，水相和同相位圖像組合預(yù)測顱骨的DSC值最優(yōu)(0.760± 0.038)；以CT值150 HU為顱骨閾值，單一同相位重建準(zhǔn)確性最高(0.956±0.008)，水相和反相位圖像組合顱骨重建DSC值最優(yōu)(0.795±0.040)。CT值取不同閾值時(shí)，四種圖像組合預(yù)測的敏感度最高，反相位圖像進(jìn)行預(yù)測時(shí)特異度最高。與400 HU閾值相比，150 HU的重建結(jié)果敏感度(0.855±0.052 vs. 0.880±0.050)最高，特異度有所下降(0.982±0.004 vs. 0.977±0.004)，見表1。

5例測試集顱骨二值圖像均可進(jìn)行三維表面重建(Medixant, RadiAnt DICOM Viewer 2021.1)，其中1例水相和同相位、水相脂相同相位圖像組合三維重建顱骨與CT三維圖像的結(jié)果對照見圖2。

討 論

利用深度學(xué)習(xí)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將MR圖像進(jìn)行骨重建，對判斷病變累及骨骼、PET/MR圖像衰減系數(shù)校正以及放療計(jì)劃電子密度位圖生成、減少X線輻射、避免受試者轉(zhuǎn)運(yùn)導(dǎo)致的配準(zhǔn)偏差，都有重要的臨床價(jià)值。

目前已有多項(xiàng)研究利用磁共振T1加權(quán)圖像[11]、Dixon[12]、超短TE(UTE)或零TE(ZTE)圖像[13]等進(jìn)行CT圖像骨重建、偽CT圖像重建。在涉及到的多種重建方法中，深度學(xué)習(xí)方法顯示了其優(yōu)越性[11-14]。Han等[11]采用U-Net網(wǎng)絡(luò)基于T1加權(quán)圖像進(jìn)行重建，通過遷移學(xué)習(xí)和深層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提高重建效果。Gong等[10]采用GroupU-Net架構(gòu)結(jié)合Dixon和ZTE圖像進(jìn)行骨重建，相比于單一的Dixon序列重建效果有所提升(DSC：0.80±0.04 vs. 0.76±0.04)。本研究采用經(jīng)典的U-Net模型進(jìn)行訓(xùn)練，通過Dixon多對比圖像的組合優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了與Dixon和ZTE結(jié)合相當(dāng)?shù)闹亟ㄐЧ?DSC：0.795±0.04 vs. 0.80±0.04)。同時(shí)，本文采用2D訓(xùn)練策略和數(shù)據(jù)增強(qiáng)進(jìn)一步擴(kuò)增訓(xùn)練數(shù)據(jù)量，該方法在小樣本任務(wù)的重建測試中顯示出較好的魯棒性。

Dixon四種對比圖像可實(shí)現(xiàn)脂肪、腦組織、肌肉等成份的區(qū)分，但在骨重建時(shí)，不同對比圖像的選擇可能導(dǎo)致信息的冗余或缺失。本文對比了Dixon單種圖像和多種圖像組合共11種方式的重建效果。結(jié)果顯示，閾值為400 HU時(shí)水相和同相位的組合DSC值最優(yōu)，在閾值為150 HU時(shí)，水相和反相位的組合DSC值最優(yōu)。在不增加臨床掃描序列的前提下，通過Dixon圖像自身的優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)顱骨重建效果的提升。由于顱骨尤其是顱底結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，手工勾畫骨結(jié)構(gòu)的方法并不可行，因此本研究采用通行的閾值分割法生成顱骨結(jié)構(gòu)的金標(biāo)準(zhǔn)，考慮到密質(zhì)骨、松質(zhì)骨在CT值上的差異，采用了兩個(gè)閾值進(jìn)行顱骨重建。在閾值為150 HU時(shí)，重建顱骨具有更高的DSC值和敏感性，在閾值為400 HU時(shí)，重建的準(zhǔn)確性和特異性更高。

本研究驗(yàn)證了通過Dixon四種圖像及其圖像組合重建二值法骨圖像的可行性，但仍有一些不足：①利用Dixon圖像只進(jìn)行了二值骨重建，不同CT閾值對骨組織標(biāo)識可能帶來偏差，但本研究為選擇最優(yōu)圖像類型進(jìn)行骨重建提供了依據(jù)；②未能引入最新的UTE或ZTE圖像進(jìn)行骨組織重建，本研究選擇最常用的Dixon圖像，在臨床中更有實(shí)用性；③本試驗(yàn)病例數(shù)相對較少，深度學(xué)習(xí)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)調(diào)節(jié)可能帶來部分參數(shù)誤差，今后要繼續(xù)收集大樣本數(shù)據(jù)，以期待更有效穩(wěn)定的研究結(jié)果。

本研究利用磁共振Dixon水脂分離多對比圖像，采用深度學(xué)習(xí)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法進(jìn)行顱骨二值圖像重建，通過比較不同閾值顱骨重建結(jié)果，在400 HU為閾值時(shí)水相和同相位圖像結(jié)合進(jìn)行顱骨重建的效果最優(yōu)，在150 HU為閾值時(shí)水相和反相位圖像結(jié)合進(jìn)行顱骨重建的效果最優(yōu)，隨著閾值下降，顱骨重建的敏感性增加，但特異性下降。