基于EMPIRE算法的數(shù)字乳腺斷層合成X線(xiàn)成像結(jié)合重建二維及三維圖像對(duì)乳腺良惡性病灶的鑒別診斷價(jià)值

朱宏， 柴維敏， 嚴(yán)福華， 孫琨

全屏數(shù)字乳腺X線(xiàn)成像(full-field digital mammography，F(xiàn)FDM)是目前最常用的乳腺癌診斷及篩查的影像學(xué)檢查方法。FFDM能在一定程度上提高早期乳腺癌的檢出率，然而其對(duì)于致密型腺體的診斷敏感性及特異性均有所降低。數(shù)字乳腺斷層合成X線(xiàn)成像(digital breast tomosynthesis，DBT)是一種新的X線(xiàn)成像技術(shù)，通過(guò)不同角度投照，獲取重建三維斷層圖像，能在一定程度上避免纖維腺體組織對(duì)病灶顯示的干擾，提高病灶檢出率及減低召回率。目前，已有研究表明FFDM結(jié)合DBT能提高乳腺病灶的可見(jiàn)性及病灶的診斷準(zhǔn)確率。然而，將這兩種方法結(jié)合應(yīng)用，會(huì)在原有輻射劑量的基礎(chǔ)上，增加至少1倍的輻射劑量，這在一定程度上限制了兩種方法的聯(lián)合應(yīng)用。目前也有研究顯示，DBT聯(lián)合其重建出的類(lèi)似FFDM的二維圖像同樣能提高乳腺病灶的顯示度。DBT圖像不僅能重建二維圖像，還能重建三維圖像。三維重建圖像能更加直觀(guān)的顯示病灶與周?chē)袤w組織之間的關(guān)系。相對(duì)于傳統(tǒng)的濾波反投影，基于EMPIRE迭代算法的DBT圖像能提高病灶與周?chē)M織對(duì)比度，優(yōu)化病灶細(xì)節(jié)的顯示。目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)基于EMPIRE迭代算法的DBT圖像聯(lián)合三維重建圖像的相關(guān)研究，亦無(wú)不同檢查的組合方式對(duì)乳腺病灶的可見(jiàn)性及良惡性病灶鑒別的相關(guān)研究。本文擬通過(guò)不同檢查的組合方式對(duì)乳腺病灶的可見(jiàn)性及良惡性病灶的鑒別診斷效能的比較研究，篩選出最適合診斷乳腺病灶的組合方式。

材料與方法

1.研究對(duì)象

本研究為前瞻性研究，所有受檢者均于檢查前簽署知情同意書(shū)。收集我院2016年6月-2017年4月經(jīng)超聲診斷為乳腺影像報(bào)告和數(shù)據(jù)系統(tǒng)(BI-RADS)分類(lèi)為4類(lèi)及以上、擬行手術(shù)或穿刺活檢的患者。排除標(biāo)準(zhǔn)：①患側(cè)乳腺已行介入性操作或治療；②患者配合較差，伴較大移動(dòng)偽影；③妊娠期或哺乳期婦女。最終126例患者納入本研究，患者年齡30～77歲，平均年齡(48.7±12.8)歲。

2.影像學(xué)檢查方法

所有患者均于穿刺活檢或手術(shù)前兩周內(nèi)行FFDM及DBT檢查。采用Siemens Mammomat Inspiration數(shù)字乳腺X線(xiàn)攝影機(jī)。所有患者均行頭尾位(cranio-caudal，CC)和內(nèi)外側(cè)斜位(medio-lateral oblique，MLO)雙體位投照。每例患者先獲得單一體位FFDM，隨即在同一壓迫條件下由設(shè)備自動(dòng)完成DBT掃描。DBT檢查中，X線(xiàn)管先以0°為中心預(yù)曝光確定乳腺檢查中正確的曝光參數(shù)，而后在-25°～25°范圍內(nèi)掃描乳腺，每旋轉(zhuǎn)2°自動(dòng)曝光一次，在不同角度獲得多幅低劑量圖像，然后經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)重建得到層厚為1 mm的與平板探測(cè)器平面平行的斷層圖像，斷層圖像的層數(shù)取決于受檢乳腺的厚度。經(jīng)計(jì)算機(jī)后處理將所有斷層圖像重新組合，重建出與FFDM類(lèi)似的二維圖像和17幅三維立體自由旋轉(zhuǎn)的三維圖像。

3.圖像分析

由2名從事乳腺影像診斷的放射科醫(yī)師共同完成閱片，分別對(duì)FFDM、DBT結(jié)合2D重建圖像(DBT-s2D)、DBT結(jié)合3D重建圖像(DBT-s3D)、DBT結(jié)合FFDM圖像(DBT-FFDM)進(jìn)行分析。醫(yī)師采用每次連續(xù)完成一組圖像的閱片方式，每隔兩周完成另一組閱片，分四次完成所有閱片。根據(jù)BI-RADS標(biāo)準(zhǔn)對(duì)乳腺病變進(jìn)行評(píng)價(jià)和分類(lèi)，同時(shí)觀(guān)察記錄以下指標(biāo)：①輻射劑量：記錄所有患者FFDM和DBT兩種檢查方式單體位的平均腺體劑量；②病灶可見(jiàn)性評(píng)級(jí)：對(duì)四組圖像中的病灶可見(jiàn)性進(jìn)行評(píng)估，未見(jiàn)明確病灶為0級(jí)，可見(jiàn)或隱約可見(jiàn)病灶為1級(jí)，病灶清晰顯示為2級(jí)；③病灶良惡性及診斷效能評(píng)估：參照BI-RADS分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，將BI-RADS分類(lèi)4a以下病灶診斷為良性或陰性，4a及以上病灶診斷為惡性或陽(yáng)性，并以病理學(xué)結(jié)果為金標(biāo)準(zhǔn)，比較不同檢查方式的診斷效能。

4.病理分析

對(duì)標(biāo)本進(jìn)行常規(guī)固定、染色、包埋和切片。由1名從事乳腺疾病病理診斷的高年資醫(yī)師進(jìn)行診斷，獲得病灶的組織學(xué)類(lèi)型。

5.統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 23.0軟件和Medcalc12.7軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。采用單因素方差分析比較四種類(lèi)型圖像的腺體平均輻射劑量，組間兩兩比較采用LSD法。采用配對(duì)樣本符號(hào)秩和檢驗(yàn)比較不同類(lèi)型圖像之間的可見(jiàn)性評(píng)級(jí)。以病理學(xué)為金標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算四種類(lèi)型圖像鑒別診斷乳腺良惡性病灶的敏感性及特異性；采用ROC曲線(xiàn)分析四種不同類(lèi)型圖像鑒別乳腺良惡性病灶的診斷效能，利用Z檢驗(yàn)比較4種不同組合的ROC曲線(xiàn)下面積。因?yàn)楸狙芯糠殖?組，采用Bonferroni校正，P<0.0125認(rèn)為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié) 果

1.病理結(jié)果

126例均為單發(fā)病灶，4例為穿刺證實(shí)，122例為手術(shù)病理證實(shí)。126例中，良性病灶61例(表皮囊腫1例、導(dǎo)管擴(kuò)張1例、膿腫1例、炎癥2例、導(dǎo)管上皮普通型增生2例、纖維腺瘤30例、腺病11例、導(dǎo)管內(nèi)乳頭狀瘤13 例)；惡性病灶65例(浸潤(rùn)性導(dǎo)管癌52例、浸潤(rùn)性小葉癌2例、實(shí)性乳頭狀癌2例、粘液癌1例、導(dǎo)管原位癌6例、惡性分葉狀腫瘤2例)。

2.單個(gè)體位的平均腺體劑量

四種類(lèi)型圖像間的單個(gè)體位平均腺體劑量差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.0001)，其中DBT-FFDM的平均腺體劑量最高(表1)。

表1 四種類(lèi)型圖像的單個(gè)體位平均腺體輻射劑量

注：F值=169.54，P值<0.0001。DBT-s2D與DBT-s3D圖像的單個(gè)體位平均腺體劑量相同；組間兩兩比較LSD法顯示，除了DBT-s2D與DBT-s3D圖像，其余圖像兩兩比較均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(P均<0.0001)。

3.四種組合對(duì)腺體類(lèi)型的判讀

四種類(lèi)型圖像對(duì)乳腺類(lèi)型的判讀無(wú)明顯差異，其中對(duì)于脂肪型乳腺，四種類(lèi)型圖像的判讀完全一致(表2)。

4.四種類(lèi)型圖像對(duì)病灶的BI-RADS分類(lèi)

四種類(lèi)型圖像對(duì)病灶的BI-RADS分類(lèi)結(jié)果如表3所示。DBT-FFDM、DBT-s2D及DBT-s3D明顯降低了BI-RADS 0類(lèi)及4a類(lèi)的病灶個(gè)數(shù)。

表2 四種類(lèi)型圖像對(duì)乳腺類(lèi)型的分類(lèi) (例)

表3 四種類(lèi)型圖像對(duì)病灶的BI-RADS分類(lèi)結(jié)果 (例)

5.病灶的可見(jiàn)性

DBT-FFDM(116/126)、DBT-s2D(116/126)及DBT-s3D(117/126)較單獨(dú)FFDM(98/126)顯著提高了病灶的可見(jiàn)性，其中DBT-s3D對(duì)病灶的可見(jiàn)性最高(93%)。

6.病灶的主要X線(xiàn)表現(xiàn)

本組病灶主要表現(xiàn)為單純腫塊(圖1、2)及腫塊伴可疑鈣化，具體X線(xiàn)表現(xiàn)如表4所示。對(duì)于伴鈣化或以鈣化為主要表現(xiàn)的病灶，四種類(lèi)型圖像的判讀基本類(lèi)似；而對(duì)于腫塊樣病灶，DBT結(jié)合s2D/s3D/FFDM均比單獨(dú)FFDM具有更高的檢出率。

表4 四種類(lèi)型圖像對(duì)乳腺病灶征象的評(píng)估 (例)

注：FAD代表局灶非對(duì)稱(chēng)團(tuán)片狀密度增高影。

7.診斷效能

FFDM、DBT-FFDM、DBT-s2D及DBT-s3D鑒別乳腺良惡性病灶的ROC曲線(xiàn)下面積分別為0.749、0.804、0.832、0.864(圖3)。DBT-s3D鑒別乳腺良惡性病灶的敏感度(95%)及特異度(77%)最高。

討 論

在乳腺疾病的檢查中，單獨(dú)行FFDM檢查會(huì)遺漏不少病灶，從而可能錯(cuò)過(guò)最好的治療時(shí)間；而同時(shí)行FFDM和DBT檢查將不可避免的增加患者的輻射劑量，如何在盡可能降低輻射劑量的同時(shí)，達(dá)到診斷效能的最大化一直是近年來(lái)放射科醫(yī)師迫切希望解決的問(wèn)題。隨著后處理技術(shù)的不斷發(fā)展，通過(guò)DBT的三維薄層圖像重建出類(lèi)似于FFDM的二維圖像已應(yīng)用于臨床[1-2]。張?jiān)蒲嗟萚2]對(duì)93例乳腺病灶的研究結(jié)果證實(shí)，DBT結(jié)合二維重建圖像較單獨(dú)FFDM能提高乳腺病灶的顯示度及良惡性病灶的診斷效能，且無(wú)需增加輻射劑量。Svahn等[3]的研究結(jié)果顯示，如果將乳腺癌篩查中的FFDM換成二維重建圖像能減少約一半的輻射劑量。

圖1 女，62歲，自覺(jué)左乳腫物3個(gè)月，病理證實(shí)為浸潤(rùn)性導(dǎo)管癌Ⅱ級(jí)。a) 17幅CC位重建三維圖像； b) 17幅MLO位重建三維圖像； c) FFDM左乳CC位圖像； d) FFDM左乳MLO位圖像； e) 左乳CC位重建二維圖像； f) 左乳MLO位重建二維圖像。

圖2 女，31歲，自覺(jué)左乳腫物2個(gè)月，病理證實(shí)為纖維腺瘤。a) 17幅CC位重建三維圖像； b) 17幅MLO位重建三維圖像； c) FFDM左乳CC位圖像； d) FFDM左乳MLO位圖像； e) 左乳CC位重建二維圖像； f) 左乳MLO位重建二維圖像；

眾所周知，DBT圖像質(zhì)量完全依賴(lài)于重建算法，目前臨床最常用的重建算法為濾波反投影[4]，迭代重建算法次之，而EMPIRE算法是將濾波反投影與迭代重建算法聯(lián)合應(yīng)用。Rodriguez-Ruiz等[5]的研究結(jié)果表明，采用EMPIRE算法的圖像具有更好的對(duì)比度、更高的圖像質(zhì)量、更少的偽影以及對(duì)鈣化的更清晰顯示?；贓MPIRE算法的DBT不僅能在CC、MLO位的投影方向上重建二維圖像，還能重建出17幅不同角度的圖像以實(shí)現(xiàn)三維立體觀(guān)察。目前，有關(guān)DBT重建的三維圖像的研究較少，其價(jià)值尚不明確。因此，本研究不僅比較基于EMPIRE算法的DBT結(jié)合二維重建圖像與單獨(dú)FFDM的診斷效能，還同時(shí)比較了基于EMPIRE算法的DBT結(jié)合三維重建圖像與FFDM的診斷效能，旨在探討檢查乳腺病灶的最佳組合方式。

圖3 四種類(lèi)型圖像對(duì)乳腺良惡性病灶的鑒別診斷效能的ROC曲線(xiàn)圖。

本研究結(jié)果顯示，DBT-s2D/s3D圖像的單個(gè)體位平均腺體劑量為(3.28±0.79)mGy，約為單獨(dú)FFDM圖像的1.9倍；而DBT-FFDM圖像的單個(gè)體位平均腺體劑量則明顯高于單獨(dú)FFDM(約2.8倍)和DBT-s2D/s3D圖像(約1.5倍)。因此，DBT-s2D/3D具有相對(duì)較低的輻射劑量及較高的診斷準(zhǔn)確率，是建議推薦的一種組合方式。

本研究結(jié)果提示，四種檢查方式組合中，DBT-s3D評(píng)估病灶BI-RADS 0級(jí)的個(gè)數(shù)最少，病灶可見(jiàn)性最高(93%)，鑒別乳腺良惡性的ROC曲線(xiàn)下面積最大(0.864)，分析原因?yàn)椋篋BT-s3D可通過(guò)后處理及三維立體旋轉(zhuǎn)最大程度的減少腺體組織背景的重疊，能立體直觀(guān)的顯示病灶與周?chē)M織的關(guān)系，從而提高病灶檢出率。Tani等[6]應(yīng)用重建合成圖像聯(lián)合DBT顯示微鈣化的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，DBT聯(lián)合重建三維立體圖像較FFDM具有更高的診斷效能，此結(jié)論與本研究結(jié)果類(lèi)似；同時(shí)，該研究還發(fā)現(xiàn)，重建三維立體圖像在14例以微鈣化為主要表現(xiàn)的乳腺癌病灶中的微鈣化顯示率優(yōu)于DBT圖像。本研究沒(méi)有單獨(dú)比較重建三維圖像與DBT之間對(duì)于微鈣化顯示的差異，但本組資料亦顯示重建三維圖像聯(lián)合DBT對(duì)于鈣化的顯示優(yōu)于FFDM。

國(guó)外的相關(guān)研究多將DBT作為乳腺癌早期篩查的一種方式。Gur等[7]的研究結(jié)果顯示，DBT-s2D與DBT-FFDM圖像具有相似的診斷特異性，但前者診斷特異性略低。而Zuckerman等[8]對(duì)15571l例乳腺癌患者的篩查結(jié)果研究顯示，在減少輻射劑量的前提下，DBT-s2D與DBT-FFDM具有相同的診斷效能。同樣，Skaane等[9]也發(fā)現(xiàn)DBT-s2D與DBT-FFDM具有相似的診斷效能，可用于臨床常規(guī)的乳腺癌篩查。Aujero等[10]在一項(xiàng)基于大樣本量(78810l例)的社區(qū)研究中發(fā)現(xiàn)，在不降低乳腺癌檢出率的前提下，與DBT-FFDM相比，DBT-s2D明顯降低了召回率，提高了陽(yáng)性預(yù)測(cè)值。Choi等[11]在有關(guān)乳腺癌患者的診斷研究中發(fā)現(xiàn)，二維重建圖像在T1期乳腺癌的診斷中具有與FFDM相似的診斷效能，因此，基于DBT的二維重建圖像基本可取代FFDM的作用。

本研究存在一定的局限性。首先，樣本量相對(duì)較少，病灶主要以腫塊為主，因此，無(wú)法從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度對(duì)不同表現(xiàn)的乳腺病灶進(jìn)行分析；其次，在診斷效能比較方面，以BI-RADS 4a級(jí)為良惡性病灶的分界點(diǎn)，可能存在高估的可能。

綜上所述，基于EMPIRE算法的DBT結(jié)合重建二維及三維圖像可提高乳腺病灶的可見(jiàn)度，具有較高的良惡性病灶鑒別診斷效能，有望取代FFDM，成為更具應(yīng)用前景的一種乳腺病灶診斷方式。

致謝：感謝西門(mén)子醫(yī)療Dr.Wicklein Julia，Dr. Mitschke Matthias和Dr. He, Wei(赫偉)對(duì)本研究項(xiàng)目中合成二維及三維重建圖像的后處理工作。