像素閃爍算法在低劑量CTU檢查中的應(yīng)用

張欽和， 劉愛連， 劉義軍， 劉靜紅， 田士峰， 方鑫， 趙瑩， 潘聚東

CT尿路成像(computed tomography urography,CTU)在泌尿系統(tǒng)疾病的診治方面具有顯著的作用，但是由于CTU掃描范圍大，輻射劑量也相對(duì)較大，會(huì)對(duì)患者身體造成傷害[1]。依照ALARA(as low as reasonably achievable)原則[2]，在滿足臨床診斷需求的條件下應(yīng)盡可能減少輻射劑量以避免受檢者不必要的輻射。因此如何在降低輻射劑量的同時(shí)得到能滿足診斷需求的圖像是現(xiàn)今人們需要解決的熱點(diǎn)問題。

本研究在使用Revolution CT所配置的多模型自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)迭代重建算法(adaptive statistical IR-Veo，ASiR-V)的基礎(chǔ)上引入基于深度學(xué)習(xí)的像素閃爍算法(PixelShine,PS)，評(píng)估PS算法在低劑量CTU檢查中的價(jià)值。

材料與方法

1.一般資料

前瞻性分析行低劑量Revolution CT CTU檢查的患者34例，排除孕婦、靜脈對(duì)比劑不良反應(yīng)、腎功能衰竭、右側(cè)泌尿系術(shù)后以及右側(cè)腎盂占位患者6例，最后入組28例(A組)。A組：年齡45～94歲，平均年齡(63±12)歲， BMI 19.15～25.82 kg/m2，平均BMI(23.35±1.57) kg/m2；回顧性搜集與其BMI相匹配的常規(guī)劑量Revolution CT CTU檢查的患者32例，排除右側(cè)泌尿系術(shù)后以及右側(cè)腎盂占位患者7例，最終入組25例。B組：年齡31～80歲，平均年齡(64±12)歲，BMI 19.94～26.12 kg/m2，平均BMI (23.40±1.56) kg/m2。

2.儀器與方法

患者取仰臥位，采用Revolution CT機(jī)(Revolution CT,GE Healthcare,USA)行CTU掃描,掃描前囑患者憋尿。A組的管電壓80 kVp，ASiR-V 50%重建；B組的管電壓120 kVp，ASiR-V 40%重建。余掃描參數(shù)相同：自動(dòng)mA、探測(cè)器寬度80 mm、螺距0.992、掃描層厚1.25 mm、球管轉(zhuǎn)速0.5 s/r、噪聲指數(shù)(noise index，NI)為13。對(duì)比劑采用350 mg I/mL[碘海醇，通用電氣藥業(yè)(上海)有限公司]，用量按300 mg I/kg，采用Ulrich雙通道高壓注射器經(jīng)肘正中靜脈注射，注射流率為容積4 mL/s，延遲30 min后掃描。掃描范圍從雙腎上極至恥骨聯(lián)合下緣。

3.圖像分析與數(shù)據(jù)測(cè)量

由2位高年資CT診斷醫(yī)師進(jìn)行閱片。將A組圖像上傳至GE AW4.6工作站，應(yīng)用PS軟件(AlgoMedica,Inc,Sunnyvale,CA)按A7模式對(duì)圖像進(jìn)行后處理，獲得PS處理后圖像(C組)。采用最大密度投影(maximum intensity projection,MIP)、容積重組(volumerendering,VR)對(duì)3組圖像進(jìn)行后處理(圖1～2)。采用雙盲法進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。在膀胱、右側(cè)腎盂的最大層面以及右側(cè)腎門水平豎脊肌的軸面圖像上測(cè)量膀胱及腎盂內(nèi)對(duì)比劑、豎脊肌CT值及豎脊肌的SD值(圖3)。根據(jù)公式計(jì)算膀胱及腎盂內(nèi)對(duì)比劑的信噪比(signal noise ratio，SNR)和對(duì)比噪聲比(contrast noise ratio，CNR)。SNR膀胱(或腎盂)= CT值膀胱(或腎盂)/SD值豎脊??；CNR膀胱(或腎盂)-豎脊肌=|CT值膀胱(或腎盂)-CT值豎脊肌)|/SD值豎脊肌。記錄容積CT劑量指數(shù)(volume CT dose index,CTDIvol)和劑量長(zhǎng)度乘積(dose-length product,DLP)，計(jì)算有效輻射劑量(effective dose,ED)：ED=k×DLP，k值為轉(zhuǎn)換系數(shù)，參考?xì)W盟委員會(huì)關(guān)于腹部CT的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)指南，k=0.015 mSv/(mGy·cm)[3]。

4.統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 19.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。應(yīng)用Spearman相關(guān)分析檢驗(yàn)兩位觀察者所測(cè)得的數(shù)據(jù)的一致性，若一致性良好則取年資高者所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)的統(tǒng)計(jì)分析。應(yīng)用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)對(duì)比A組與B組的BMI。三組間膀胱及腎盂內(nèi)對(duì)比劑和豎脊肌的CT值以及3組間豎脊肌SD值、膀胱及腎盂CNR值和SNR值的分析采用Kruskal-Wallis秩和檢驗(yàn)。應(yīng)用非參數(shù)Mann-Whitney U檢驗(yàn)對(duì)比A組與B組的CTDIvol、DLP、ED。

結(jié) 果

A組和B組患者的平均BMI(kg/m2)分別為23.35±1.57、23.40±1.56，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.925，t=-0.09)。

兩名觀察者所測(cè)得的膀胱和腎盂的CT值以及豎脊肌的CT值和SD值的一致性檢驗(yàn)。r>0.70，取年資高者所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)的統(tǒng)計(jì)分析(表1)。

圖1 管電壓80kVp。男，63歲，BMI 24.22kg/m2 ，右腎積水。a) PS前的VR圖像； b) PS前的MIP圖像。c～d) 應(yīng)用PS軟件(AlgoMedica,Inc,Sunnyvale,CA)按A7模式對(duì)圖像進(jìn)行后處理。c) PS后的VR圖像； d) PS后的MIP圖像。 圖2 管電壓120kVp。男，73歲，BMI為23.66 kg/m2，左腎腎癌。a) PS前的VR圖像； b) PS前的MIP圖像。

表1 兩名觀察者測(cè)得的各值的一致性檢驗(yàn)結(jié)果 (r值)

三組間膀胱和腎盂內(nèi)對(duì)比劑以及豎脊肌的CT值的差異性比較(表2)：A組與B組、B組與C組間膀胱和腎盂內(nèi)對(duì)比劑以及豎脊肌的CT值的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；A組與C組間膀胱和腎盂內(nèi)對(duì)比劑以及豎脊肌的CT值的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

三組豎脊肌SD值、膀胱CNR值和SNR值以及腎盂CNR值和SNR值的差異性比較(表3)：三組間豎脊肌SD值差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；A組與B組膀胱及腎盂CNR值和SNR值的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；B組與C組，A組與C組膀胱及腎盂CNR值和SNR值的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05，圖1～3)。

A組與B組間CTDIvol、DLP、ED的差異性比較：差異均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05，表4)。

表2 三組間膀胱和腎盂內(nèi)對(duì)比劑以及豎脊肌的CT值的差異性比較

表3 三組豎脊肌SD值、膀胱及腎盂CNR值和SNR值的差異性比較

圖3 患者，男，年齡58歲，BMI為24.97kg/m2，在膀胱、右側(cè)腎盂的最大層面以及右側(cè)腎門水平豎脊肌的軸位圖像上各自分別放置3個(gè)大小相等的ROI，測(cè)量時(shí)ROI面積25～100mm2，記錄膀胱內(nèi)對(duì)比劑、腎盂內(nèi)對(duì)比劑、右側(cè)腎門水平豎脊肌CT值及右側(cè)腎門水平豎脊肌的SD值(噪聲)，最終取3次測(cè)量的平均值。該患者膀胱內(nèi)對(duì)比劑、腎盂內(nèi)對(duì)比劑、右側(cè)腎門水平豎脊肌CT值(HU)及右側(cè)腎門水平豎脊肌的SD值(HU)分別為1043.11、1723.00、 71.53、 14.54。a) 膀胱層面； b) 右側(cè)腎盂最大層面； c) 右側(cè)腎門水平豎脊肌層面。

數(shù)值A(chǔ)組B組ZPCTDIvol2.06±1.194.70±0.6840.1100.000DLP98.15±58.38223.52±36.8038.6530.000ED1.47±0.883.35±0.5538.6530.000

討 論

CTU是目前泌尿系統(tǒng)疾病診斷的主要檢查手段[3]。對(duì)于CTU檢查，輻射劑量是關(guān)注的重點(diǎn)。由于輻射劑量與管電壓的平方成正比，因此降低管電壓可有效地減少輻射劑量[4]，但是隨著管電壓的降低，使得X射線的穿透性減弱，圖像的噪聲會(huì)隨之升高，會(huì)影響圖像質(zhì)量。Yanaga等[5]采用低管電壓(80 kVp)及運(yùn)用智能降噪濾波器與標(biāo)準(zhǔn)劑量方案(120 kVp)對(duì)比結(jié)果顯示低劑量方案可以評(píng)價(jià)腎集合系統(tǒng)及上段輸尿管，但是對(duì)中下段輸尿管的顯示欠佳，因此若要評(píng)價(jià)顯示中下段輸尿管及膀胱必須要代償性增加管電流。胡等[6]利用迭代算法與常規(guī)劑量對(duì)比劑100 kVp分次團(tuán)注雙期CTU達(dá)到或超過常規(guī)管電壓(120 kVp)單次團(tuán)注三期CTU成像效果，從而明顯降低X線輻射劑量。隨著CT技術(shù)的發(fā)展，各種降低圖像噪聲的后處理技術(shù)相繼出現(xiàn)。胡等[7]研究證明在80 kVp聯(lián)合迭代重建技術(shù)的條件下,使用低劑量碘對(duì)比劑行分次團(tuán)注雙期CTU檢查可明顯降低輻射劑量，且圖像質(zhì)量滿足臨床診斷要求。本研究所使用的ASiR-V技術(shù)結(jié)合了ASiR的實(shí)時(shí)重建優(yōu)勢(shì)和VEO的多模型迭代優(yōu)勢(shì)，采用了更為先進(jìn)的系統(tǒng)噪聲模型、物體模型和物理模型，并根據(jù)系統(tǒng)噪聲模型、物體模型和物理模型自動(dòng)調(diào)節(jié)毫安。它運(yùn)算速度快，在大大降低輻射劑量的同時(shí),還可降低圖像掃描和重建的噪聲，從而提高圖像的質(zhì)輻射劑量[8-10]。Kim等[11]指出ASiR-V算法可降低輻射劑量，并有助于提高影像質(zhì)量。柴等[12]通過對(duì)體模研究發(fā)現(xiàn)前置AsiR-V可維持圖像CT值及噪聲基本不變，40%～60%圖像可滿足基本診斷要求，可降低輻射劑量。譚等[13]應(yīng)用100 kVp聯(lián)合ASiR-V重建技術(shù)對(duì)BMI<25 kg/m2的患者掃描獲得的圖像可滿足臨床需求，且可以有效降低輻射劑量。

深度學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的一個(gè)分支，它是一種使用多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)或者由多重非線性變換構(gòu)成的多個(gè)處理層進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的方法[14]。本研究在ASiR-V的基礎(chǔ)上引入一種基于深度學(xué)習(xí)的像素閃爍算法(PS)，該方法是基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的一種去噪聲算法，它可對(duì)具有較高噪聲或偽影的圖像進(jìn)行后處理并生成能夠滿足診斷需求的高質(zhì)量圖像。

本研究結(jié)果顯示A組與B組、B組與C組間膀胱和腎盂內(nèi)對(duì)比劑以及豎脊肌的CT值的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；A組與C組間膀胱和腎盂內(nèi)對(duì)比劑以及豎脊肌的CT值的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，說明不同輻射劑量對(duì)膀胱和腎盂內(nèi)對(duì)比劑以及豎脊肌的CT值是有影響的，但是PS技術(shù)對(duì)其無影響。A組與B組間膀胱及腎盂CNR值和SNR值的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，其原因是A組雖在低劑量下掃描，但是結(jié)合了50% ASiR-V技術(shù)，使其圖像質(zhì)量上升，使得兩組圖像均能滿足臨床需求；C組與A組、B組間膀胱及腎盂CNR值和SNR值的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，相對(duì)于A組和B組，C組膀胱及腎盂CNR值和SNR值分別升高了約2倍，這提示我們C組的圖像質(zhì)量與A、B兩組均具有顯著差異，說明了PS技術(shù)可以提高低劑量CTU的圖像的噪聲比和對(duì)比噪聲比，從而提高圖像質(zhì)量,并且其圖像質(zhì)量要高于常規(guī)劑量掃描。通常認(rèn)為受檢者所接受的輻射劑量較常規(guī)劑量降低20%以上才能確認(rèn)為低劑量[15]。本研究A組相比于B組，有效輻射劑量降低了約62%，顯著地降低了輻射損傷風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到了低劑量的目的。

本文存在的不足之處：首先，病例數(shù)較少并且沒有按BMI細(xì)化分組；其次，由于兩組病例非同一患者，可能存在個(gè)體差異。

綜上所述，像素閃爍算法(PS)可以減少圖像噪聲，增加圖像的對(duì)比噪聲比，從而在低劑量(80 kVp)的情況下進(jìn)一步提高CTU圖像質(zhì)量，可為進(jìn)一步降低掃描條件進(jìn)行高質(zhì)量的CTU成像提供保障，有較好的臨床推廣價(jià)值。