重建算法影響計算機(jī)輔助檢測評價低劑量CT肺氣腫定量和支氣管成像

賈永軍，于楠，賀太平，段海峰，楊創(chuàng)勃，于勇*

1.陜西中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科，陜西咸陽 712000；2.陜西中醫(yī)藥大學(xué)，陜西咸陽 712000；*通訊作者 于勇 22434158@qq.com

胸部低劑量CT（low-dose CT，LDCT）可作為評估慢性阻塞性肺疾?。╟hronic obstructive pulmonary disease，COPD）嚴(yán)重程度的掃描方案[1]，COPD表現(xiàn)為肺平均密度減低、低密度衰減區(qū)百分比（low attenuation areas volume percentage，LAA%）增加和（或）遠(yuǎn)端氣道扭曲、變形[2]導(dǎo)致的可見支氣管變短。目前，濾波反投影（filtered back projection，F(xiàn)BP）與迭代重建算法（iterative reconstruction，IR）均為臨床廣泛應(yīng)用的CT重建算法[3]。與FBP相比，自適應(yīng)迭代重建（adaptive statistical iterative reconstruction，ASIR）和基于模型的迭代重建（model-based iterative reconstruction，MBIR）可以降低噪聲并提高空間分辨力，可在降低輻射劑量的前提下保障圖像質(zhì)量[4]。在研究重建算法改善圖像質(zhì)量的同時，需注意算法對CT圖像量化分析的影響[5]。本研究擬探索FBP、ASIR和MBIR對肺部LDCT條件下計算機(jī)輔助檢測（computer-aided detection，CAD）肺氣腫定量和氣道分析性能的影響。

1 資料與方法

1.1 研究對象 選取2016年1—12月于陜西中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院行胸部LDCT檢查者36例，年齡50～91歲，平均（66.67±8.86）歲；體重40～82 kg，平均（62.22±9.88）kg。排除胸廓畸形、肺不張、胸部術(shù)后、肺內(nèi)空洞、支氣管擴(kuò)張癥、支氣管哮喘、中等以上胸水、肺內(nèi)直徑≥2 cm實質(zhì)性病灶及聽力障礙，無法配合呼吸指令等影響CAD診斷與量化評估肺氣腫及支氣管的情況。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會批準(zhǔn)（SZFYIEC-YJ-2015年82號），所有患者均知情同意并簽署LDCT檢查知情同意書。

1.2 CT檢查及重建方法 使用寶石能譜CT（GE Discovery CT 750 HD），患者取仰臥位，上舉雙手，采取吸氣末單次屏氣掃描，范圍從胸廓至后肋隔角尖端水平。掃描方案（噪聲指數(shù)=28）符合LDCT掃描有效劑量為0.61～1.50 mSv的一般要求[6]：層厚、層間距5.0 mm；X線管旋轉(zhuǎn)時間0.6 s/轉(zhuǎn)；螺距1.375∶1；準(zhǔn)直器寬度0.625×64；電壓120 kVp；采用自動曝光控制技術(shù)（AutomA）預(yù)設(shè)噪聲指數(shù)控制管電流，噪聲指數(shù)=28，管電流峰值設(shè)定為150 mA，根據(jù)劑量報告并采用有效劑量權(quán)重因子C=0.014計算受檢者的有效輻射劑量[7]。分別采用肺算法FBP、ASIR和MBIR重建層厚0.625 mm的圖像后進(jìn)行對比分析。

1.3 基于CAD的肺氣腫定量和氣道分析 掃描3種算法重建DICOM格式CT序列信息，應(yīng)用已通過驗證的自動CT定量軟件（Dexin-FACT）對氣管進(jìn)行分析測量，<-950 Hu的范圍確定為肺氣腫區(qū)域，得到全肺、右肺、左肺、各肺葉的低衰減區(qū)百分比（low attenuation areas percent，LAA%）[8]及右肺中葉支氣管顯示長度[9]。由1名放射科主治醫(yī)師和1名放射科副主任醫(yī)師以ASIR重建為標(biāo)準(zhǔn)，對FBP、MBIR自動提取的支氣管樹結(jié)構(gòu)在CPR、CTVE和VRT上圖像偽影、氣管壁連續(xù)性、氣管軟骨環(huán)清晰度進(jìn)行盲法5分半定量目測評分[10]（0分為圖像質(zhì)量與ASIR相近，±1分為略好或略差于ASIR，±2分為明顯好或明顯差于ASIR）。

1.4 統(tǒng)計學(xué)方法 采用SPSS 20.0軟件，肺氣腫定量指標(biāo)、右肺中葉支氣管顯示長度參數(shù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗，3種算法重建圖像參數(shù)進(jìn)行單因素方差分析；各算法重建圖像支氣管樹結(jié)構(gòu)連續(xù)性、清晰度評分比較采用Wilcoxon符號等級檢驗，采用Kappa檢驗比較2名醫(yī)師評分的一致性。P<0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 輻射劑量 本組受檢者CT容積劑量指數(shù)為（1.73±1.62）mGy，劑量長度乘積為（63.16±59.19）mGy·cm，有效輻射劑量為（0.87±0.84）mSv。

2.2 CAD檢測的肺氣腫定量指標(biāo) FBP、MBIR和ASIR重建圖像經(jīng)CAD檢測的全肺體積差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P>0.05），F(xiàn)BP和ASIR重建圖像經(jīng)CAD檢測得到的LAA%多于MBIR，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.05）。各重建算法圖像經(jīng)CAD檢測肺氣腫定量指標(biāo)比較見表1和圖1。

2.3 CAD檢測支氣管長度 重建算法影響CAD自動檢測右肺中葉支氣管長度，ASIR算法、FBP算法及MBIR算法圖像自動提取的右肺中葉支氣管長度分別為（13.99±3.17）cm、（13.23±3.12）cm、（18.82±2.90）cm，MBIR算法圖像自動提取的右肺中葉支氣管長度明顯長于ASIR和FBP算法，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（F=34.531，P<0.05）。

表1 CAD檢測3種算法重建圖像肺氣腫定量指標(biāo)比較（±s）

表1 CAD檢測3種算法重建圖像肺氣腫定量指標(biāo)比較（±s）

注：CAD為計算機(jī)輔助檢測，F(xiàn)BP為濾波反投影，ASIR為自適應(yīng)迭代重建，MBIR為基于模型的迭代重建，LAA%為低衰減區(qū)百分比

指標(biāo) FBP ASIR MBIR F值 P值 全肺體積（mm3） 4420.79±403.38 4416.92±399.28 4388.10±399.57 0.072 0.931 LAA% 全肺 11.29±2.09 10.93±2.03 0.75±0.18 452.216 ＜0.001 右肺 10.63±2.17 10.31±2.07 0.69±0.15 381.487 ＜0.001 右肺上葉 11.73±2.38 11.34±2.30 0.88±0.19 373.416 ＜0.001 右肺中葉 14.91±4.12 14.22±3.66 0.67±0.23 228.721 ＜0.001 右肺下葉 9.03±3.06 8.58±2.86 0.50±0.20 141.896 ＜0.001 左肺 7.79±1.66 7.40±1.38 0.55±0.15 381.050 ＜0.001 左肺上葉 15.33±2.02 14.89±2.05 1.01±0.17 859.608 ＜0.001 左肺下葉 9.09±2.42 8.86±2.30 0.59±0.18 226.618 ＜0.001

2.4 主觀評價CAD提取支氣管樹圖像質(zhì)量 以ASIR為標(biāo)準(zhǔn)，2名醫(yī)師對FBP和MBIR圖像經(jīng)CAD自動提取支氣管樹圖像偽影、氣管壁連續(xù)性、氣管軟骨環(huán)清晰度的主觀評分一致性好（Kappa=0.908、0.888）。重建算法影響CAD自動提取支氣管樹的圖像質(zhì)量，F(xiàn)BP重建圖像評分低于ASIR（Z=-5.396、-5.477），MBIR重建圖像評分高于ASIR（Z=-5.397、-5.410），差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.05）。3種重建算法圖像經(jīng)CAD提取支氣管樹圖像質(zhì)量主觀評分比較見表2和圖1。

表2 3種算法經(jīng)CAD重建支氣管樹主觀評分比較（例）

圖1 女，80歲，COPD 20余年，右肺上葉軟組織密度小結(jié)節(jié)隨診復(fù)查。CAD自動定量得到FBP重建圖像（A）全肺LAA%為15.30%[CAD診斷中度COPD，預(yù)測結(jié)果為1秒用力呼氣容積（FEV1）占預(yù)計值百分比=75.4%，1秒率=61.2%，COPD氣流受限嚴(yán)重程度2級），稍大于ASIR重建圖像（B）全肺LAA%的14.88%（CAD診斷中度COPD，預(yù)測結(jié)果為FEV1占預(yù)計值百分比=76.2%，1秒率=61.8%，COPD氣流受限嚴(yán)重程度2級]，明顯大于MBIR重建圖像（C）全肺LAA%的0.51%（CAD診斷無COPD，預(yù)測結(jié)果為FEV1占預(yù)計值百分比=105.4%，1秒率=81.3%）。CAD提取FBP重建圖像（D）支氣管樹比ASIR重建圖像（E）分支少，支氣管連續(xù)性及清晰度均較差且將疝入縱隔的胃腔融入提取的支氣管樹，主觀評分為-2/-2（甲/乙）；MBIR重建圖像（F）支氣管樹比ASIR重建圖像（E）分支多，支氣管連續(xù)性及清晰度明顯改善，主觀評分為2/2（甲/乙）

3 討論

螺旋CT容積掃描能幫助檢測肺氣腫，并確定其形態(tài)學(xué)類型和程度[11]。目前，目測和定量CT圖像上低衰減區(qū)比例是評估COPD的補(bǔ)充方法，CAD可評估肺容積、肺氣腫的體積及支氣管分析，提供針對 COPD的一系列關(guān)于肺實質(zhì)、肺血管、支氣管的生物學(xué)標(biāo)記點，為其病程判斷提供了一整套定量影像的參考方案[2]。多種混合迭代、完全迭代重建能降低噪聲，提高密度和空間分辨率，進(jìn)而改善CT圖像質(zhì)量，為降低輻射劑量提供進(jìn)一步的潛能，逐漸廣泛應(yīng)用于臨床[12]，其價值在LDCT中更為突出[13]。與FBP相比，各種迭代算法重建圖像對對象空間分辨率和密度分辨率的改善必然不同程度地改變肺容積、肺氣腫的體積及支氣管分析結(jié)論，但這種定量上的改變勢必導(dǎo)致隨訪和分級過程中的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。因此，臨床應(yīng)用中不能忽略重建算法對CT定量參數(shù)的影響。黃曉旗等[14]研究顯示迭代重建能提高CT定量測量的COPD準(zhǔn)確性，但目前對于重建算法影響CT檢測肺氣腫的定量研究仍較少。本研究比較FBP、混合迭代重建算法ASIR和完全迭代重建算法MBIR對LDCT肺氣腫定量和支氣管量化分析的影響。

基于系統(tǒng)統(tǒng)計模型的ASIR屬于混合迭代重建算法，臨床應(yīng)用中根據(jù)成像條件和檢查部位會選擇一定權(quán)重迭代圖像與解析圖像混合而產(chǎn)生。胸部LDCT條件下，40% ASIR（40% ASIR和60% FBP混合）效果較好[15]，故本研究選取這一迭代權(quán)重代表ASIR，結(jié)果顯示ASIR重建圖像經(jīng)CAD定量分析得到的全肺、右肺、左肺及各肺葉LAA%稍低于FBP重建圖像，與劉卓等[5]在多模型的自適應(yīng)統(tǒng)計迭代重建算法影響肺CT量化分析的部分結(jié)論相似，分析其原因可能為在常規(guī)和LDCT條件下一定程度上降低圖像噪聲和優(yōu)化密度分辨率后，肺氣腫指數(shù)這個受密度分辨率影響的參數(shù)將發(fā)生相應(yīng)的變化，但由于包括ASIR和自適應(yīng)統(tǒng)計迭代重建算法在內(nèi)的混合迭代重建算法對空間分辨率的影響較輕微[16]，其對LAA%和支氣管長度的影響也較小。

僅在投影數(shù)據(jù)空間實現(xiàn)完全迭代重建的MBIR除建立系統(tǒng)統(tǒng)計模型外，還建立了系統(tǒng)光學(xué)模型，對體素、X射線光子初始位置和探測器幾何因素均進(jìn)行模型模擬，更為真實地還原了X射線從投射到信號采集的全過程，與ASIR相比，MBIR可顯著提高圖像噪聲和減少硬化偽影，且減少輻射劑量時對圖像質(zhì)量影響不明顯[17]。本研究結(jié)果表明，MBIR會明顯減少LDCT胸部成像經(jīng)CAD檢測全肺、右肺、左肺及各肺葉LAA%，進(jìn)而影響LDCT肺氣腫嚴(yán)重程度的預(yù)測結(jié)果和診療計劃[1]，進(jìn)一步表明迭代重建算法會影響CAD評價肺氣腫的準(zhǔn)確率和一致性[18-19]，分析其原因為MBIR明顯減少了CT圖像噪聲、優(yōu)化了密度分辨率和空間分辨率，而明顯變化的圖像噪聲、密度分辨率和空間分辨率也將明顯改變基于CT圖像產(chǎn)生的肺氣腫定量指標(biāo)[20]和支氣管分析結(jié)果[7]，提示使用迭代重建，特別是完全迭代重建CT圖像進(jìn)行CT檢測肺氣腫定量時應(yīng)注意和統(tǒng)一重建算法。

本研究存在一定的局限性：①MBIR遠(yuǎn)慢于FBP和ASIR重建時間[21]，本組樣本重建速度約為1000幀/20～30 min，而后2種基本能實現(xiàn)實時顯示圖像，隨著計算機(jī)運算速度的加快，這一不足將得到解決。②CAD評價LDCT肺氣腫定量和支氣管分析結(jié)果未與肺功能等臨床檢查結(jié)果進(jìn)行對比，未分析迭代算法是否能更準(zhǔn)確地評價肺氣腫的嚴(yán)重程度。③本研究納入受檢者人數(shù)較少，今后將擴(kuò)大樣本量并結(jié)合臨床相關(guān)肺功能檢查進(jìn)一步分析迭代重建在CAD評價肺氣腫定量和支氣管分析中的應(yīng)用價值。

總之，重建算法影響LDCT評價COPD患者肺氣腫定量和支氣管分析，在采用CAD隨訪和預(yù)測COPD嚴(yán)重程度時需確定重建算法，特別是完全迭代重建的MBIR，在支氣管分析中具有重要價值。