基于深度学习的像素闪烁算法对高体质量指数患者低剂量腹部CT平扫图像质量的影响

赵 莹，刘爱连*，刘静红，刘义军，武敬君，方 鑫，潘聚东

(1.大连医科大学附属第一医院放射科，辽宁 大连 116011；2.加州大学旧金山分校放射和生物影像科，加利福尼亚 旧金山 94143)

既往腹部CT低剂量成像研究[1-3]多采用优化扫描程序等方式降低辐射剂量，但降低程度受限于重建算法本身。近年来，迭代重建(iterative reconstruction, IR)算法在腹部CT低剂量领域中的应用已成为研究热点[4-5]，如自适应统计IR(adaptive statistical IR, ASiR)技术、基于模型的IR(model based IR, MBIR)技术及基于多模型的自适应统计IR(adaptive statistical iterative reconstruction Veo, ASiR-V)技术等，较滤波反投影(filtered back projection, FBP)重建算法可进一步提高图像质量并降低辐射剂量[6]。新兴人工智能(artificial intelligence, AI)技术中，基于深度学习的像素闪烁(pixel shine, PS)重建算法可将噪声大或伪影重的图像生成满足临床诊断需求的图像，质量较标准重建技术更优，辐射剂量更低。本研究探讨基于深度学习的PS重建算法对高体质量指数(body mass index, BMI)患者低剂量腹部CT平扫图像质量的影响。

1 资料与方法

1.1 一般资料 收集2017年7月—8月于我院因临床疑诊腹部疾病而接受腹部CT检查的59例患者，男35例，女24例，年龄31～84岁，平均(61.5±11.5)岁，BMI 25.0～33.6 kg/m2，中位BMI 26.3 kg/m2；扫描上腹24例，全腹35例。纳入标准：①BMI≥25 kg/m2；②呼吸平稳，可正常屏气。排除标准：既往有肝脏手术史；弥漫性肝脏疾病(脂肪肝及肝硬化)、肝内多发病变(囊肿、血管瘤或转移瘤)。根据管电压将患者分为2组：A组(管电压100 kVp)30例，男20例，女10例，年龄31～78岁，中位年龄64.5岁，BMI 25.0～31.7 kg/m2，中位BMI 26.1 kg/m2；B组(管电压120 kVp)29例，男15例，女14例，年龄36～84岁，中位年龄58.0岁，BMI 25.4～33.6 kg/m2，中位BMI 26.7 kg/m2。本研究经我院伦理委员会批准；所有患者均签署知情同意书。

1.2 仪器与方法 采用GE Revolution CT机，扫描参数：自动管电流调节(100～500 mA)，自动生成噪声指数(noise index, NI)，螺旋式扫描，球管转速0.5秒/转，螺距0.992∶1，探测器宽度80 mm，SFOV 50.0 cm，扫描层厚5 mm，层间距5 mm。采用ASiR-V算法重建图像，ASiR-V混合权重选择0(即传统FBP)和50%，50% ASiR-V为FBP图像与ASiR-V图像等比例混合而成。

1.3 图像评价 将图像传至GE AW4.6工作站，由2名分别具有10年和3年CT诊断经验的影像科医师评价所有图像，意见有分歧时经协商达成一致。采用PS算法重建A组FBP、50%ASiR-V图像。根据不同重建算法和处理方式，将A组分为A1(FBP)、A2(FBP+PS)、A3(50% ASiR-V)及A4(50% ASiR-V+PS)共4个亚组；将B组分为B1亚组(FBP)和B2亚组(50% ASiR-V)。

2名医师分别在相同层面肝右叶(S肝脏=78.54 mm2)及右侧竖脊肌(S竖脊肌=19.63 mm2)勾画3个大小相等的类圆形ROI，避开局限性病变及肝内血管(图1、2)，测定CT值及标准差(standard, SD)，测量3次，取均值。以竖脊肌为背景，计算肝脏SNR和CNR：SNR肝=CT肝/SD竖脊肌，CNR肝=│CT肝-CT竖脊肌│/SD竖脊肌。

比较A2与B1、A4 与B2亚组间各参数值差异，分析采用PS算法重建图像降低噪声(SD%)、提高图像质量(SNR%及CNR%)的能力：SD%=(SDB1或B2-SDA2或A4)/SDB1或B2×100%，SNR%=(SNRA2或A4-SNRB1或B2)/SNRA2或A4×100%；CNR%计算公式参照SNR%。

记录2组容积CT剂量指数(CT dose index of volume, CTDIvol)，计算A组CTDIvol降低程度，CTDIvol%=(CTDIvolB-CTDIvolA)/CTDIvolB×100%。

1.4 统计学分析 采用SPSS 17.0统计分析软件。根据组内相关系数(intraclass correlation coefficient, ICC)分析2名观察者所测数据的一致性：ICC<0.4为一致性差，0.4～0.75为一致性一般，>0.75为一致性良好。若一致性良好，采用观察者1(高年资影像诊断医师)所测数据；若一致性差，由2名观察者重新测量。以Shapiro-Wilk检验评估连续变量是否符合正态分布，对符合正态分布的计量资料以±s表示，采用单因素方差分析比较A组各亚组间参数值差异，以LSD法进行两两比较；非正态分布计量资料以中位数(上下四分位数)表示，采用Friedman秩和检验比较各参数值差异，两两比较采用FriedmanPosthoc检验，以Bonferroni法校正P值。比较2组间CTDIvol，A1、A2亚组分别与B1亚组，A3、A4亚组分别与B2亚组各参数差异；符合正态分布采用独立样本t检验，不符合采用Mann-WhitneyU检验。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 2名观察者测量各参数值一致性分析 2名观察者测量2组各参数值一致性良好(ICC值均>0.80，P均<0.05)。

2.2 A组各亚组间参数值比较 A1～A4各亚组间肝脏及竖脊肌CT值总体差异均无统计学意义(P均>0.05)；SD值总体差异均有统计学意义(P均<0.001)；亚组间两两比较，SDA4SNRA2>SNRA3>SNRA1(P均<0.005)。A1～A4亚组间肝脏CNR值总体差异有统计学意义(P<0.001)；A1亚组与A3亚组间CNR值差异无统计学意义(P=0.078)，其余亚组间两两比较CNRA4>CNRA2>CNRA3或CNRA1(P均<0.001)。见表1。

2.3 A1与B1亚组及A3与B2亚组各参数值比较 A1亚组肝脏图像噪声[SDA1=(13.55±1.35)HU]均高于B1亚组[SDB1=(12.54±1.22)HU]，A3亚组[SDA3=(8.24±1.082)HU]高于B2亚组[SDB2=(7.58±0.76)HU]，差异有统计学意义(P=0.007、0.009)；A1与B1亚组、A3与B2亚组肝脏SNR及CNR值差异无统计学意义(P均>0.05)。

2.4 A2与B1亚组及A4与B2亚组各参数值比较 A2亚组肝脏SD值较B1亚组，A4亚组较B2亚组明显降低，SNR及CNR值明显增高(P均<0.001)；见表2、3。 A2亚组肝脏图像噪声较B1亚组降低66.59%，SNR提高65.03%，CNR提高69.32%；A4亚组肝脏图像噪声较B2亚组降低64.25%，SNR提高62.89%，CNR提高66.86%。

2.5 辐射剂量比较 A组CTDIvol[(7.87±0.72) mGy]明显低于B组[(10.98±1.79) mGy；t=-8.689，P<0.001]，CTDIvol降低28.32%。

表1 A1～A4各亚组间测量各参数值比较(±s)

表1 A1～A4各亚组间测量各参数值比较(±s)

组别肝CT值(HU)肝SD值(HU)△竖脊肌CT值(HU)竖脊肌SD值(HU)△肝SNR△肝CNRA1亚组61．59±4．1113．55(12．65，14．17)51．29±5．6713．22(12．72，13．92)4．57(4．24，5．03)0．79±0．42A2亚组61．59±4．084．15(3．82，4．38)51．17±5．644．55(4．12，4．84)13．43(12．39，15．25)2．38±1．15A3亚组61．68±4．098．27(7．60，8．87)51．34±5．547．99(7．62，8．99)7．55(6．85，8．31)1．29±0．61∗A4亚组61．57±4．052．62(2．42，2．83)51．32±5．542．83(2．66，3．36)21．48(17．32，23．62)3．50±1．70F/M值0．00489．7090．00689．70989．70936．459P值1．000<0．0010．999<0．001<0．001<0．001

注：*：与A1亚组比较，P=0.078；△：以中位数(上下四分位数)表示

图1 管电压100 kVp图像 A.FBP+PS图像； B.50%ASiR-V+PS图像 图2 管电压120 kVp 图像 A.FBP图像； B.ASiR-V图像

组别SD值(HU)SNRCNRA2亚组4．18±0．4413．84±2．382．38±1．15B1亚组12．54±1．224．84±0．830．73±0．43t值-34．84319．5087．321P值<0．001<0．001<0．001

表3 A4亚组与B2亚组肝脏各参数值比较(±s)

表3 A4亚组与B2亚组肝脏各参数值比较(±s)

组别SD值(HU)△SNRCNRA4亚组2．62(2．42，2．83)20．91±4．653．50±1．70B2亚组7．53(7．10，7．88)7．76±1．531．16±0．66t值/F值-6．59714．6866．977P值<0．001<0．001<0．001

注：△：以中位数(上下四分位数)表示

3 讨论

CT辐射已成为业界关注焦点[7]。Albert等[8]发现约2%的癌症由CT检查所致。最大程度降低辐射剂量及改善图像质量是CT发展的必经之路。既往腹部CT低剂量检查多采用降低管电压、管电流及增加螺距等方式[1-3]，但随着辐射剂量降低，有效成像X线光子数量减少、噪声水平增高，致重建图像质量较差[9]。采用低管电压联合FBP扫描方案降低辐射剂量有限[1]，对于肥胖患者更为明显。IR技术可降低噪声、消除伪影，与FBP算法相比，能在降低辐射剂量的同时改善图像质量，为低管电压和低管电流技术的应用提供更大空间[1,4]。采用ASiR-V重建技术获得的图像质量较ASiR更好，且重建时间较MBIR更短，可在降低辐射剂量的同时保持空间分辨率不变，减少图像伪影[10-11]。高BMI患者以腹围增加为主要表现，X线的穿透力随BMI增加而减弱，过厚的腹部产生较多散射线，导致图像噪声增加、质量降低[12-13]。

深度学习功能系通过建立、模拟人脑的分层结构实现从外部输入数据提取由低级到高级的特征，从而解释外部数据，给AI带来了新的希望[14]。新AI技术PS是一种通过建立人工神经网络(artificial neural network, ANN)以改善低剂量图像质量的重建方法，通过对低剂量高噪声的图像和相应高剂量低噪声的图像进行配对训练，再采用ANN软件学习两者之间的相关性。ANN在像素水平进行训练，故不局限于特定解剖区域；一旦建立ANN，可由高噪声图像通过ANN的学习节点和权重而生成低噪声的高质量图像。本组2名观察者对各参数值测量的一致性良好，提示数据测量稳定性很好，可重复性高。本研究A组内4种算法间肝脏及竖脊肌CT值差异无统计学意义，SD值差异均有统计学意义(P均<0.001)，各亚组间SDA4SNRA2>SNRA3>SNRA1；A1亚组与A3亚组间CNR值差异无统计学意义(P=0.078)，其余亚组间两两比较CNRA4>CNRA2>CNRA3或CNRA1(P均<0.001)，提示PS算法不仅可降低图像噪声、提高SNR及CNR，且所测CT值结果很稳定。PS算法重建的FBP图像质量优于常规50% ASiR-V图像，对于无法进行ASiR-V重建的传统CT图像，可通过PS算法获得优质图像。PS技术可兼容多种算法的图像重建，可在ASiR-V算法基础上进一步提高图像质量。CTDIvol反映序列扫描平面中的平均剂量[12]，因本组病例包括全腹或上腹CT平扫，未限制扫描长度，故采用CTDIvol指标可更准确反映患者所受辐射剂量。本研究中A组CTDIvol低于B组，CTDIvol降低28.32%，但肝脏图像噪声增加，图像质量变差。A组采用PS算法重建FBP或ASiR-V图像，图像噪声降低、SNR及CNR明显增高，降低图像噪声达60%以上，提高SNR及CNR均达60%以上，提示采用PS算法重建的图像稳定、可大幅降低图像噪声，提高图像质量。对于高BMI(≥25 kg/m2)者，腹部CT平扫可采用100 kVp降低辐射剂量，在50% ASiR-V重建基础上，再采用PS算法重建，可获得优质图像。

本研究的不足：样本数较少，结果可能存在偏倚；仅探讨对肝脏图像质量的影响，未评估其他脏器；未评估病灶显示情况，将在今后研究中进一步探讨。

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《中国医学影像技术》投稿要求(三)

15计量单位采用国际单位制并严格执行国家标准GB 3100～3201《量和单位》的规定，使用法定计量单位，不再使用N(当量浓度)、M(克分子浓度)、百分比浓度[%(V/V)、%(m/m)]等已废除的非标准计量单位和符号。

16统计学符号以国家标准GB/T 3358.1-1993《统计学名词及符号》为准，样本算术平均数用英文小写斜体；标准差用英文小写斜体s；t检验用英文小写t；F检验用英文大写F；卡方检验用希文斜体χ2；相关系数用英文小写斜体r；自由度用希文斜体γ；概率用英文大写斜体P；样本数用英文小写斜体n。

17统计学方法需注明使用的统计学软件名称和版本，以及所使用的统计学方法。率的计算保留小数点后两位，年龄需要提供或者中位年龄，保留小数点后一位。

18图片研究论著类论文和短篇报道均需附有相应患者的影像学资料，图片分辨率应在300 dpi以上，JPG/JEPG格式，有良好的清晰度和对比度，最好是医院图像工作站中直接提取的图像。每图下面应标有图序号、图题、图说(解释图片内容的文字)，文中应有图位。图中箭示或文字应有说明，病理图应注明染色方法及放大倍数。

19表格本刊采用三线表，表格列于文后，每表应标有表序号、表题，文中应有表位。

20参考文献严格按照国家标准GB 7714-2015《文后参考文献著录规则》中规定，采用“顺序编码制”。仅限于作者直接阅读的近5年的文献，尽量不用二次文献，无特殊需要不必罗列众所周知的教科书或某些陈旧史料，提倡引用国内外同行新近发表的研究论文为参考文献，引用论点必须准确无误，不能断章取义。除短篇报道外，论文参考文献应至少来源于5种以上的期刊，研究论著类论文参考文献不少于13条，综述类论文参考文献应在20条以上，以反映论文的科学依据，以及对前人科学工作的继承性。参考文献的编排应按每条文献在文中出现的先后顺序逐条列于文后，并在文内引用处用右上角加方括号注明角码。参考文献书写格式如下：

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