Karl不同等級(jí)迭代重建技術(shù)聯(lián)合CAD在慢性阻塞性肺疾病中的應(yīng)用研究

劉良進(jìn)，方紀(jì)成，胡軍武

1. 江漢大學(xué)附屬湖北省第三人民醫(yī)院 放射科，湖北 武漢 430033；2. 華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬同濟(jì)醫(yī)院 放射科，湖北 武漢 430000

引言

慢性阻塞性肺疾病是臨床呼吸內(nèi)科常見(jiàn)病癥之一，其特點(diǎn)為氣流受限不完全可逆，具有進(jìn)行性加重的趨勢(shì)[1]。有研究表示，慢性阻塞性肺疾病居于全世界死亡因素第三位[2]。因此對(duì)該病主要核心檢查是進(jìn)行肺功能檢查，但容易受到心功能或血壓不穩(wěn)定等因素影響。近年來(lái)，臨床通過(guò)CT及圖像后處理技術(shù)一定程度上推動(dòng)了肺功能定量分析研究[3]。另外，為減少患者及家屬對(duì)CT輻射劑量擔(dān)憂，選擇低劑量掃描、圖像重建技術(shù)（解析重建算法和迭代重建算法）具有重要意義，其中迭代重建算法可避免解析重建算法中重建量大、計(jì)算復(fù)雜、高劑量等弊端[4]。Karl迭代重建技術(shù)是迭代重建算法中新型方式，具有重建迭代級(jí)別多、重建速度快等優(yōu)勢(shì)，在掃描劑量降低幅度較大時(shí)，經(jīng)人體形態(tài)結(jié)構(gòu)學(xué)修改，可達(dá)到常規(guī)劑量圖像質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)[5]?；诖耍狙芯恳晕以河跋窨圃\治的115例慢性阻塞性肺疾病患者臨床資料行回顧性分析，探討Karl不同等級(jí)迭代重建技術(shù)對(duì)慢性阻塞性肺疾病圖像質(zhì)量的影響。

1 一般資料與方法

1.1 一般資料

選取2017年7月至2019年7月我院影像科診治的115例慢性阻塞性肺疾病患者進(jìn)行研究。納入標(biāo)準(zhǔn)：① 患者符合《慢性阻塞性肺疾病診治指南（2013年修訂版）（一）》[6]中慢性阻塞性肺疾病診斷標(biāo)準(zhǔn)；② 患者無(wú)胸廓畸形；③ 患者吸入支氣管擴(kuò)張劑后第一秒用力呼氣容積占用力肺活量百分 比（Forced Expiratory Volume in One Second/Forced Vital Capacity，F(xiàn)EV1/FVC）＜0.70；④ 患者CT圖像顯示胸部雙氣相及肺組織清晰；⑤ 患者及家屬知情并簽署知情同意書。排除標(biāo)準(zhǔn)：① 患者近三個(gè)月內(nèi)有肺內(nèi)手術(shù)史；② 患者患有惡性腫瘤或腫瘤樣病變；③ 患者存在嚴(yán)重肺不張及肺實(shí)變；④ 患者存在心、肝、腎等嚴(yán)重障礙。115例慢性阻塞性肺疾病患者，男90例，女25例，年齡48～82歲，平均年齡（62.45±3.78）歲，病程1～3年，平均病程（1.12±0.38）年。

1.2 方法

CT掃描：患者仰臥位，采用GE公司16排螺旋CT進(jìn)行掃描。掃描前進(jìn)行呼吸訓(xùn)練，掃描時(shí)根據(jù)口令在深吸氣末、深呼氣末屏住呼吸。掃描參數(shù)：常規(guī)劑量，管電流150 mA、管電壓120 kV、螺距1.015、轉(zhuǎn)速0.5 s/r、準(zhǔn)直40 mm、層厚5 mm，吸氣相與呼氣相圖像重建層厚1 mm、視野35 mm、矩陣1024×1024；低劑量，管電流80 mA、管電壓120 kV、螺距1.015、轉(zhuǎn)速0.5 s/r、準(zhǔn)直40 mm、層厚5 mm，吸氣相與呼氣相圖像重建層厚1 mm、視野35 mm、矩陣1024×1024。掃描范圍：全肺。

圖像重建：原始數(shù)據(jù)經(jīng)濾波反投影法（Filtered Back Projection，F(xiàn)BP）重建和1～9級(jí)Karl迭代重建。重建圖像由兩名高資歷放射科醫(yī)師在不知情情況下進(jìn)行評(píng)估，當(dāng)意見(jiàn)不一致時(shí)由其他位高資歷放射科醫(yī)師進(jìn)行評(píng)估。

1.3 觀察指標(biāo)

圖像分析：通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助診斷（Computer Aided Diagnosis，CAD）定量分析并進(jìn)行肺葉分割及支氣管定量測(cè)量，并比較全肺容積（Lung Volume，LV）、雙肺低于-910 HU的低密度衰減區(qū)（Low Attenuation Area，LAA）占全肺體積的百分比（LAA-910%）、雙肺低于-950 HU的低密度衰減區(qū)占全肺體積的百分比（LAA-950%）、肺氣腫指數(shù)（Emphysema Index，EI）、平均密度（Mean Lung Density，MLD），以及左肺斜裂表面積、左肺斜裂完整度、右肺斜裂表面積、右肺斜裂完整度、右肺水平裂表面積、右肺水平裂完整度、支氣管數(shù)量、長(zhǎng)度、體積等指標(biāo)。具體為： 將所得圖像采用“數(shù)字肺”測(cè)試平臺(tái)（陜西渭南神州德信醫(yī)學(xué)成像技術(shù)有限公司，V1.0；軟件性能：自動(dòng)分割、標(biāo)注、量化支氣管樹(shù)，自動(dòng)檢測(cè)、分割、量化肺結(jié)節(jié)，自動(dòng)檢測(cè)和分割肺部血管，自動(dòng)分割、量化肺損害面積，三維可視化整個(gè)肺部組織結(jié)構(gòu)，虛擬支氣管漫游，自動(dòng)分割、標(biāo)注、量化左右肺部區(qū)域等）進(jìn)行肺葉分割和支氣管定量。肺葉分割[7]：經(jīng)自適應(yīng)邊界行進(jìn)法得到全肺組織，采用計(jì)算幾何法檢查、分割葉間裂，隱式函數(shù)法檢查部分葉間裂分割，骨架提取算法分割支氣管，自動(dòng)提取支氣管骨架，自動(dòng)測(cè)量所需的定量指標(biāo)；肺葉分割后定量數(shù)據(jù)：LV，雙肺低于-910 HU和-950 HU的LAA體積占整個(gè)肺體積的百分比（LAA-910%、LAA-950%），EI，MLD；支氣管定量分析軟件定量指標(biāo)：支氣管數(shù)量、長(zhǎng)度、體積（圖1～4）。

圖3 支氣管分割圖

圖4 數(shù)字肺測(cè)試平臺(tái)支氣管定量分析圖

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 20.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)量資料以（x-±s）的形式表示，組間采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)、組內(nèi)均采用配對(duì)樣本t檢驗(yàn)；計(jì)數(shù)資料以“%”表示，組間比較采用χ2檢驗(yàn)，存在差異時(shí)，采用最小顯著性差異法進(jìn)行兩兩比較。記P＜0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 全肺肺葉分割定量指標(biāo)比較

常規(guī)劑量FBP、低劑量FBP、不同Karl迭代級(jí)別重建之間LV、LAA-910%、LAA-950%、EI、MLD比較無(wú)顯著差異（P＞0.05）；但常規(guī)劑量FBPLV、LAA-910%、LAA-950%、EI低于低劑量FBP和不同Karl迭代級(jí)別重建，而MLD高于低劑量FBP和不同Karl迭代級(jí)別重建；低劑量不同Karl迭代級(jí)別重建LAA-950%、EI低于低劑量FBP，且Karl迭代級(jí)別升高而LAA-950%、EI減少，見(jiàn)表1。

2.2 全肺肺裂定量指標(biāo)比較

常規(guī)劑量FBP、低劑量FBP、不同Karl迭代級(jí)別重建之間左肺斜裂表面積、左肺斜裂完整度、右肺斜裂表面積、右肺斜裂完整度、右肺水平裂表面積、右肺水平裂完整度比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），見(jiàn)表2。

表1 全肺肺葉分割定量指標(biāo)比較[（±s），n=115]

表1 全肺肺葉分割定量指標(biāo)比較[（±s），n=115]

重建方式 LV/mL LAA-910/% LAA-950/% EI/% MLD/HU常規(guī)劑量 FBP 5640.21±1304.56 57.07±11.22 39.72±10.48 35.47±11.19 -873.35±33.46低劑量 FBP 5782.78±1217.11 58.03±9.86 41.68±9.03 36.60±10.28 -876.73±30.96低劑量 Karl 1 5777.90±1208.82 58.21±9.99 41.65±9.09 36.47±10.21 -876.36±30.93低劑量 Karl 2 5777.78±1208.88 58.80±10.19 41.46±9.24 36.43±10.30 -876.98±30.99低劑量 Karl 3 5604.65±1110.16 57.46±11.14 40.33±9.94 36.41±10.39 -872.79±35.26低劑量 Karl 4 5782.27±1217.15 58.71±10.40 41.08±9.60 36.39±10.49 -877.54±30.91低劑量 Karl 5 5777.46±1208.88 58.90±10.47 40.96±9.75 36.37±10.58 -877.36±35.65低劑量 Karl 6 5604.58±1110.02 57.96±11.41 40.02±10.30 36.36±10.67 -873.36±35.65低劑量 Karl 7 5782.21±1217.26 59.27±10.88 40.77±10.04 36.35±10.76 -878.23±31.16低劑量 Karl 8 5628.08±1079.41 58.73±11.63 40.31±10.81 36.34±10.85 -874.98±34.75低劑量 Karl 9 5604.03±1110.39 58.42±11.86 39.53±10.63 36.33±10.94 -873.78±35.61 F值 0.092 0.065 0.094 0.028 0.061 P值 9.875 0.945 0.947 0.964 0.912

表2 全肺肺裂定量指標(biāo)比較[（±s），n=115]

表2 全肺肺裂定量指標(biāo)比較[（±s），n=115]

重建方式 左肺斜裂表面積/cm2右肺水平裂完整度/%常規(guī)劑量 FBP 172.07±76.9 96.08±9.34 197.53±78.62 99.18±1.59 94.37±42.28 99.83±0.77低劑量 FBP 170.07±67.9 99.83±9.77 241.77±72.62 99.33±1.51 95.45±46.08 99.33±1.98低劑量 Karl 1 194.21±42.6 99.77±9.41 217.52±72.62 99.15±1.69 110.52±46.17 99.15±2.52低劑量 Karl 2 187.46±61.8 95.21±9.35 216.71±71.36 96.33±1.39 106.46±61.52 99.83±0.77低劑量 Karl 3 191.71±48.4 98.83±8.78 214.15±47.24 99.77±1.24 92.08±41.27 100.02±1.02低劑量 Karl 4 194.46±43.4 99.83±7.48 211.90±71.23 99.58±1.23 107.27±57.40 97.90±5.20低劑量 Karl 5 196.58±53.1 99.58±9.41 213.96±68.13 99.02±1.52 92.21±44.70 99.27±2.10低劑量 Karl 6 180.27±52.5 100.02±7.52 202.02±62.24 99.40±2.05 99.27±44.02 98.15±2.75低劑量 Karl 7 186.90±51.9 100.02±7.52 209.65±56.78 99.40±1.88 100.21±50.25 99.02±2.21低劑量 Karl 8 174.37±54.4 99.84±7.85 206.31±55.43 99.78±0.99 93.37±42.02 99.49±1.61低劑量 Karl 9 182.21±53.5 99.46±8.56 215.58±50.41 99.58±1.23 97.83±51.30 98.77±2.43 F值 0.468 1.054 164 1.448 0.296 1.297 P值 0.917 0.406 0.947 0.176 0.985 0.245左肺斜裂完整度/%右肺斜裂表面積/%右肺斜裂完整度/%右肺水平裂表面積/cm2

2.3 全肺支氣管定量指標(biāo)比較

常規(guī)劑量FBP、低劑量FBP、不同Karl迭代級(jí)別重建之間支氣管數(shù)量、長(zhǎng)度、體積比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），見(jiàn)表3。

表3 全肺支氣管定量指標(biāo)比較[（±s），n=115]

表3 全肺支氣管定量指標(biāo)比較[（±s），n=115]

重建方式 支氣管數(shù)量/支 支氣管長(zhǎng)度/cm 支氣管體積/mL常規(guī)劑量 FBP 165.71±83.99 289.05±136.58 104.88±30.57低劑量 FBP 168.58±81.15 299.95±138.14 105.22±30.52低劑量 Karl 1 170.71±80.81 299.65±135.09 105.15±30.36低劑量 Karl 2 170.52±52.77 299.77±136.88 105.15±30.31低劑量 Karl 3 159.08±69.22 283.71±121.04 103.40±29.64低劑量 Karl 4 168.15±81.57 299.40±139.72 105.33±30.45低劑量 Karl 5 167.33±83.32 298.08±139.72 105.15±30.52低劑量 Karl 6 159.96±97.07 283.27±122.66 103.58±29.90低劑量 Karl 7 169.08±81.38 300.21±139.77 105.27±30.43低劑量 Karl 8 151.43±68.70 272.55±122.94 101.90±29.64低劑量 Karl 9 156.90±70.47 282.38±122.58 103.47±29.32 F值 0.115 0.098 0.024 P值 0.987 0.957 0.985

3 討論

近年來(lái)，隨著影像學(xué)檢查方式不斷更新，胸部CT對(duì)慢性阻塞性肺疾病診斷具有重要作用，CT具有高時(shí)間分辨率、高空間分辨率、高密度分辨率等特點(diǎn)，在診斷胸部疾病優(yōu)勢(shì)較突出[8]。但常規(guī)劑量掃描容易對(duì)患者產(chǎn)生輻射，僅減低劑量會(huì)降低圖像質(zhì)量。經(jīng)研究證實(shí)，低劑量聯(lián)合Karl迭代重建技術(shù)可在保證降低輻射量時(shí)保障圖像質(zhì)量[9]。CAD常用于肺結(jié)節(jié)、肺癌早期診斷和篩查，具有影像醫(yī)師的診斷助手的稱號(hào)[10]。有研究表示，標(biāo)準(zhǔn)劑量下CT掃描肺結(jié)節(jié)、肺癌早期篩查圖像運(yùn)用CAD具有重要意義，且在低劑量條件下運(yùn)用CAD同樣至關(guān)重要[11]。但在低劑量聯(lián)合Karl迭代重建技術(shù)條件下，CAD定量分析軟件對(duì)不同Karl迭代重建得到的數(shù)據(jù)差異問(wèn)題需要得到證實(shí)。

慢性阻塞性肺疾病吸氣末肺氣腫的評(píng)定包括LAA-950%、LAA-910%、EI是一定閾值范圍內(nèi)像素容積占全肺容積百分比[12]。而且，常規(guī)劑量全肺體積比低劑量全肺體積小30 mL左右[13]。本研究結(jié)果表示，常規(guī)劑量FBP LV、LAA-910%、LAA-950%、EI低于低劑量FBP和不同Karl迭代級(jí)別，而MLD高于低劑量FBP和不同Karl迭代級(jí)別；低劑量Karl迭代重建LAA-950%、EI低于低劑量FBP，且Karl迭代級(jí)別升高而LAA-950%、EI減少。提示本研究結(jié)果與上述研究一致，且LAA950%、EI對(duì)CAD具有較高敏感性。低劑量Karl迭代重建定量檢測(cè)慢性阻塞性肺疾病肺氣腫和間接性評(píng)估其病情具有重要意義，可以得出低劑量Karl迭代重建有利于慢性阻塞性肺疾病肺實(shí)質(zhì)定量分析。有研究表示，不同慢性阻塞性肺疾病患者肺裂表面積和完整度具有一定差異，隨著病情加重，肺內(nèi)某一肺葉病變可進(jìn)入另一肺葉，改變肺裂表面積和完整度[14-15]。故觀察肺裂表面積和完整度有利于評(píng)估慢性阻塞性肺疾病嚴(yán)重程度。本文研究結(jié)果顯示，常規(guī)劑量FBP、低劑量FBP、不同Karl迭代級(jí)別之間左肺斜裂表面積、左肺斜裂完整度、右肺斜裂表面積、右肺斜裂完整度、右肺水平裂表面積、右肺水平裂完整度比較無(wú)顯著差異。說(shuō)明常規(guī)劑量和低劑量Karl迭代對(duì)圖像無(wú)明顯影響。支氣管是肺重要組成部分，能夠通氣、過(guò)濾及加濕吸入氣體，肺內(nèi)氣管的分級(jí)會(huì)出現(xiàn)器官數(shù)目增多、氣管壁薄弱等改變[16]。病變差異也會(huì)引起對(duì)應(yīng)支氣管數(shù)量、長(zhǎng)度及體積的改變。有研究表示，Karl迭代重建可以計(jì)算支氣管數(shù)量、長(zhǎng)度及體積，減少了操作上及時(shí)間上的誤差，更具有客觀性[17-18]。本研究結(jié)果表示，常規(guī)劑量FBP、低劑量FBP、不同Karl迭代級(jí)別重建之間支氣管數(shù)量、長(zhǎng)度、體積比較無(wú)顯著差異。提示低劑量Karl迭代重建對(duì)支氣管數(shù)量、長(zhǎng)度、體積無(wú)明顯影響，可用于氣道方面的檢查。

本研究分析了Karl不同迭代級(jí)別重建技術(shù)在低劑量CT掃描中的應(yīng)用，為慢性阻塞性肺疾病的胸部CT低劑量掃描提供了一定依據(jù)。但本研究同時(shí)存在以下不足：① 由于慢性阻塞性肺疾病的特殊性及對(duì)患者的配合度要求較高，導(dǎo)致樣本量偏少，應(yīng)增加樣本量進(jìn)行加深研究；② 本研究只對(duì)慢性阻塞性肺疾病進(jìn)行了分析，未對(duì)胸部其他疾病進(jìn)行分析，后續(xù)將納入更多疾病進(jìn)行研究和應(yīng)用；③ 本文使用濾波反投影法和Karl不同等級(jí)迭代重建技術(shù)，尚未建立個(gè)性化掃描方案，后續(xù)會(huì)繼續(xù)嘗試。

綜上所述，肺實(shí)質(zhì)與支氣管的常規(guī)劑量與低劑量Karl不同迭代級(jí)別重建后圖像無(wú)顯著變化；肺實(shí)質(zhì)定量指標(biāo)中LAA-950%、EI對(duì)Karl迭代重建技術(shù)敏感性較高；且低劑量迭代重建有利于臨床進(jìn)行定量分析。Karl不同等級(jí)迭代重建技術(shù)在慢性阻塞性肺疾病中有重要應(yīng)用，能在低劑量掃描中有效保證圖像質(zhì)量。