深度学习重建算法AiCE在骶髂关节低剂量CT检查中的应用研究

曹立坤，沈文笛，王沄，许英浩，马壮飞，付海鸿，金征宇

1.中国医学科学院北京协和医院 放射科，北京 100730；2.佳能医疗系统（中国）有限公司，北京 100015

引言

骶髂关节CT检查是临床常用检查方式，对早期诊断骶髂关节病变、随访病变进展有重要意义[1]。与X线、MRI相比，CT检查空间分辨力更高，能多角度观察骶髂关节病变，更清晰地显示骶髂关节面骨质破坏与骶髂关节间隙改变，被认为是诊断骶髂关节骨质病变、评估病变等级的“金标准”[2-3]。但CT检查的缺点是存在电离辐射危害。骶髂关节位置因骨盆结构的存在，躯干横径较胸腹部长，易产生更强的噪声与射线硬化伪影；骶髂关节毗邻人类生殖器官，难以进行辐射防护，电离辐射易对生殖系统产生危害。因此，探索低剂量骶髂关节CT成像方法一直是临床研究的重点。近年来研究发现，基于神经网络的深度学习重建算法（Deep Learning Reconstruction，DLR）能够降低图像噪声，改善图像质量，降低扫描所需剂量[4]。AiCE是首个商品化的DLR算法，其以高质量全模型迭代重建（Model-Based Iterative Reconstruction，MBIR）图像特征作为学习目标，通过修正低质量混合迭代重建（Hybrid Iterative Reconstruction，HIR）模型的图像数据，并将训练得到深度卷积神经网络模块引入重建流程中，因此能实现低剂量条件下，重建出具备MBIR高信噪比且不破坏影像纹理的图像，这为降低骶髂关节CT辐射剂量提供了可能。DLR算法现有临床研究集中在心脏冠脉[5-6]、肺动脉[7-8]、胸腹部CT[9-10]等重要部位的成像重建应用，但尚无其在骨关节系统评价中价值的研究。因此，本研究拟通过与现临床应用的HIR算法对比，评估DLR算法（AiCE）在改善骶髂关节CT图像质量与降低辐射剂量中的能力，探讨其临床应用价值。

1 资料与方法

1.1 一般资料

本前瞻性研究经北京协和医院伦理委员会批准（HS-2427），所有受试者均签署知情同意书。本研究连续收集2021年5月至2022年3月于我院就诊并需行骶髂关节CT扫描的患者。纳入标准：因临床需求需行骶髂关节CT检查者。排除标准：① 接受骨盆、腰骶椎手术的患者；② 合并骶髂关节占位、骨折及感染性病变的患者；③ 妊娠期女性或近1年内有生育要求者；④ 1年内接受过盆腔区CT检查者；⑤ 图像质量差，因运动或金属伪影影响评估者。共收集121例患者，排除45例（骨盆腰椎手术史3例、骨折1例、有生育要求者6例、1年内接受过盆腔CT检查者34例，运动伪影影响评估者1例），最终研究纳入76例。将所有患者按体质量指数（Body Mass Index，BMI）分为正常体重（BMI＜24.0 kg/m2）、超重（24.0 kg/m2≤BMI＜28.0 kg/m2）、肥胖（BMI≥28.0 kg/m2）3组[11]。

1.2 检查方法与图像重建

采用日本佳能 Canon Aquilion ONE GENESIS 320 排探测器CT扫描仪对所有患者行骶髂关节CT检查。患者呈足先进仰卧位，双臂上举，扫描范围自第五腰椎体开始覆盖整个骶髂关节。常规剂量（Standard Dose，SD）与低剂量（Low Dose，LD）CT采用噪声指数不同的自动管电流调制方法（sureExposure 3D），SDCT噪声指数为7.5（管电流121～485 mA），LDCT 噪声指数为15（管电流100～184 mA），其余扫描参数均相同：管电压120 kV，矩阵512×512，旋转时间0.5 s/圈，螺距0.815，准直器宽度80×0.5 mm。患者接受常规剂量扫描后，在相同定位像与扫描视野下立刻接受低剂量扫描。

扫描完成后，采用HIR算法（AIDR3D，kernel值FC=30）对SDCT原始数据进行重建，采用HIR与DLR（AiCE，kernel Bone）两种算法对LDCT原始数据进行重建，重建层厚均为1 mm，层间距0.8 mm，最终获得3组图像，分别表示为SD-HIR、LD-HIR、LD-DLR。将3组重建图像发送至佳能Vitrea工作站行图像后处理，采用多平面重组（Multi-Planar Reformation，MPR）重建骶髂关节斜冠状位图像，与横轴位图像共同用于后续分析。

1.3 辐射剂量

检查结束后，记录系统自动计算生成的容积CT剂量指数（Volume CT Dose Index，CTDIvol）、剂量长度乘积（Dose Length Product，DLP），计算患者有效辐射剂量（Effective Dose，ED），公式如式（1）所示。

计算患者体型特异性扫描剂量（Size Specific Dose Estimate，SSDE），计算公式如式（2）所示。

式中，fw在美国医学物理协会204报告中得到[12-13]。

1.4 图像评价

1.4.1 客观评价

由1名具备5年放射科诊断经验的影像医师对3组图像行测量分析，所有图像均在窗宽2000 HU、窗位500 HU下显示。于第一骶椎中间水平层面，勾画圆形感兴趣区（Region of Interest，ROI）测量第一骶椎与关节面下髂骨内骨髓的CT值与标准差（Standard Deviation，SD），测量时避开骨皮质、骨质硬化、关节间隙及可疑骨髓异常区域。测量同层面腰大肌处CT值，记作CT腰大肌；测量同层面空气标准差作为背景噪声（Background Noise，BN）。ROI面积为30～60 mm2，同一位置ROI重复测量3次，计算平均值作为最终结果。根据公式（3）计算4组图像中第一骶椎与髂骨的信噪比（Signal To Noise Ratio，SNR），根据公式（4）计算对比噪声比（Contrast To Noise Ratio，CNR）。

1.4.2 主观评价

由2名分别具备10年和3年骨肌系统诊断经验的放射诊断医师在双盲、独立的条件下对图像行主观评分，评分若一致性好，则采用高年资医师评分作为最终评分，用于后续分析；若一致性差，由第3名具备15年诊断经验的放射科医师独立评价全部图像，将其结果作为最终评分。采用Likert 5分量表法（5分：解剖结构与细节显示非常清晰，无明显噪声，无射线硬化伪影，完全满足诊断要求；4分：解剖结构与细节显示较为清晰，图像噪声与射线硬化伪影水平低，不影响诊断；3分：大部分解剖结构与细节显示较清晰，可见中等图像噪声或射线硬化伪影，基本满足诊断要求；2分：解剖结构与细节显示不够清晰，图像噪声或射线硬化伪影水平较高，局部图像显示欠佳，不满足诊断要求；1分：解剖结构与细节难以辨认，图像噪声与射线硬化伪影严重，图像质量差，无法用于诊断），评价内容包括：① 骶髂关节面及间隙、骶孔、周围软组织等解剖结构及细节的显示；② 图像噪声；③ 射线硬化伪影[14-15]。

1.4.3 骶髂关节病变分级

由具备5年以上骨肌系统诊断经验的放射诊断医师独立评估双侧骶髂关节病变情况，病变分级采用1984年修订的骶髂关节炎的纽约分级标准[16-17]（0级：CT图像未见异常；1级：骶髂关节面毛糙，髂骨或骶骨骨小梁增粗、紊乱，出现关节面下小囊变；2级：骶髂关节面多发骨质破坏，呈虫蚀样，关节面下小囊变明显，并可见明显增生硬化区，关节间隙未见明显增宽或狭窄；3级：于2级基础上出现关节间隙增宽或狭窄，并合并部分关节强直；4级：图像显示关节完全强直，关节间隙消失）。

1.5 统计学分析

采用SPSS 24.0软件进行统计分析。在全部患者及以BMI分类的3组患者中均进行统计分析，对计量资料行正态分布检验，符合正态分布的采用±s表示，不符合正态分布采用M（Q1，Q3）表示，计数资料采用n（%）表示。组间比较采用成对样本t检验或Wilcoxon符号秩和检验；多组间比较采用单因素方差分析或Friedman秩和检验，而后进一步行两两比较。对两位观察者的主观评分和分级诊断结果行Kappa一致性检验，Kappa≤0.40为一致性差，0.40＜Kappa≤0.60为一致性中等，0.60＜Kappa≤ 0.80为一致性良好，0.80＜Kappa≤1.00为一致性优。以P＜0.05为差异存在统计学意义。

2 结果

2.1 一般资料与CT辐射剂量

本研究共纳入患者76例，其中男38例、女38例，年龄 31～75（51±13）岁，BMI为 23.2（20.1，26.4）kg/m2，正常体重组44例、超重组17例、肥胖组15例。

全部患者中，LDCT的ED与SSDE水平均低于SDCT（P＜0.001），LDCT的ED较SDCT降低了56.6%，SSDE降低了50.2%。以BMI分类的3组患者中，LDCT的ED与SSDE也均低于SDCT（P＜0.001），降低率随BMI升高而增加，详见表1。

表1 全部患者及不同BMI分组患者组内SDCT与LDCT的辐射剂量比较

2.2 客观评价

由表2可知，3组重建后图像的BN、SNR、CNR值均有统计学差异（P＜0.001），CT值均未见统计学差异（P＞0.05）；LD-DLR图像的BN值低于SD-HIR图像与LDHIR图像，两两比较差异均有统计学意义（Z=-1.71～11.19，P＜0.05）；LD-DLR图像的SNR、CNR值均大于SD-HIR和LD-HIR图像，差异有统计学差异（Z=-8.68～-3.29，P＜0.05）。全部患者和以BMI分类的3组患者中，全部患者与正常体重组患者SD-HIR图像的CNR骶椎值大于LDHIR图像，差异有统计学意义（Z=0.02，P＜0.05；Z=2.77，P＜0.05），超重与肥胖组患者SD-HIR图像与LD-HIR图像的CNR骶椎值未见统计学差异（Z=0.17，P＞0.05；Z=0.55，P＞0.05）；各体重组 SD-HIR和LD-HIR组间SNR骶椎、SNR髂骨、CNR髂骨值未见统计学差异（P＞0.05）。LD-DLR图像相比SD-HIR图像，各客观指标明显改善：BN值降低，SNR与CNR值均提高。具体改善率如表2所示。

表2 全部患者及不同BMI分组患者3种重建图像的客观指标分析

2.3 主观评价

2名观察者对SD-HIR、LD-HIR和LD-DLR图像的主观评分一致性均好（Kappa值=0.719、0.847、0.846，P＜0.001），选择高年资医师的主观评分行组间比较。在全部患者及以BMI分类的3组患者中，SD-HIR、LD-HIR和LD-DLR图像的主观评分存在统计学差异（P＜0.001），如表3与图1所示。两两比较结果显示，SD-HIR、LD-DLR图像的主观评分均高于LD-HIR图像评分（P＜0.001）；SDHIR与LD-DLR图像的主观评分比较，全部患者（Z=-0.243，P=0.808）、正常体重组（Z=-0.107，P=0.915）、超重组（Z=-6.000，P=0.548）和肥胖组（Z=0.730，P=0.465），均未见统计学差异。

图1 BMI为30.0 kg/m2的患者骶髂关节CT斜冠状位重建图像

表3 全部患者及不同BMI分组患者3种重建图像的主观评分结果[M（Q1，Q3）]

2.4 骶髂关节炎诊断一致性

LD-HIR图像的主观评分较低，部分图像不能满足诊断要求，因此本研究仅评估SD-HIR和LD-DLR图像上两侧骶髂关节的分级诊断结果。LD-DLR图像可见0级49个，1级34个，2级21个，3级35个，4级13个；SD-HIR图像可见0级52个，1级29个，2级27个，3级34个，4级10个，两组图像评估骶髂关节分级的一致性优（Kappa值=0.888，P＜0.001），差异未见统计学意义（Z=-1.94，P=0.052）（表 4）。

表4 基于SD-HIR和LD-DLR图像的骶髂关节分级诊断结果比较（n=152）

3 讨论

骶髂关节CT扫描是早期诊断和随访骶髂关节病变的最常用手段。由于其位置毗邻男女性生殖腺，降低骶髂关节CT扫描的辐射剂量以减轻生殖系统的辐射危害，一直是临床研究关注的重点。DLR算法是近年来提出的基于人工智能的新型CT算法，将能够识别影像图像有用信号与噪声的深度卷积神经网络引入重建流程中，能在降低噪声的同时提高图像空间分辨力，改善图像质量[5,18]。已有多项研究探讨了DLR技术在各部位重建图像的优势，如Singh等[9]发现与HIR和滤波反投影重建算法相比，DLR能够提高胸腹部亚毫西弗CT的图像质量与病灶检出率；Bernard等[6]发现与HIR算法相比，DLR能够在将冠状动脉CT血管成像图像质量提高50%的情况下，将辐射剂量降低40%；此外，DLR在降低肺动脉成像的辐射剂量、改善图像质量中也有明显优势[5,7-8]。本研究首次将DLR算法应用于骨关节系统的评价，结合管电流自动调制技术，将骶髂关节CT的管电流由常规的121～485 mA降低至100～184 mA，患者的ED和SSDE分别降低了56.6%、50.2%，而客观图像质量明显提高，主观评分不受影响。此外，本研究还比较了基于SD-HIR与LD-DLR图像所得到的骶髂关节炎分级诊断结果，一致性为优，进一步表明应用DLR算法能够在不影响骶髂关节炎分级诊断的条件下降低患者辐射剂量，具备良好的临床应用前景。

为进一步探索DLR对不同BMI患者图像质量的改善情况，本研究依据BMI将患者分为正常体重、超重和肥胖组，结果显示各组LD-DLR图像的客观图像质量均高于另2种图像，主观评分与SD-HIR相当，优于LD-HIR，说明DLR在超重和肥胖患者中也具备较好地提升图像质量的能力。Akagi等[19]发现DLR能够提高肥胖患者腹部CT图像客观与主观评分，效果优于HIR和MBIR算法，是肥胖患者腹部CT扫描最理想的重建方式。Lenfart等[7]发现尽管随着BMI增加，图像CNR将不可避免地降低，但DLR图像上CNR下降速度明显慢于HIR图像，DLR对高体重患者图像改善能力优于HIR，这与本研究结果一致。此外，本研究中超重组与肥胖组患者的ED分别降低了59.1%、68.5%，SSDE分别降低55.9%、67.6%，高于正常体重组患者（45.0%、46.6%），因此，应用DLR算法能在保证图像质量的同时能极大地降低高体重患者辐射剂量，对于改善超重和肥胖患者成像方案具有重要意义。

随着CT扫描技术与重建算法的发展，越来越多研究尝试不断降低骶髂关节CT辐射剂量。Chahal等[15]认为通过缩小扫描视野，骶髂关节CT扫描可以在低于1 mSv的剂量下完成；Li等[17]提出使用斜冠状位扫描，能将有效剂量降低至0.87 mSv；冯其全等[14]对26例强直性脊柱炎患者的骶髂关节CT应用斜冠状位容积扫描，平均辐射剂量降至0.46 mSv。本研究应用DLR算法，使辐射剂量降至更低，为0.36 mSv，低于现有的临床研究结果，仅相当于每年自然本底辐射的1/7，远低于英国与欧洲放射学会制订的成年人盆腔部螺旋CT检查的最大辐射剂量参考值（8.4 mSv和12.1 mSv）[20]。相比其他扫描方案，DLR算法操作简单，重建速度快，对检查设备要求低，适合临床广泛应用。本研究还同时计算了患者SSDE值，既往研究表明相比ED，SSDE考虑到患者体型差异，是监测与控制人群辐射剂量更精确和个性化的指标[21]，本文所测SSDE结果可以为未来研究提供参考。本研究设计采用自身对照，结果更具说服力，尽管患者接受了常规与低剂量两次CT检查，但两次检查的有效剂量总和控制在1 mSv左右，低于先前各研究中常规剂量CT[14,17,22-23]，且未对患者造成额外伤害。

本研究尚存在一些不足之处：① 样本量较小，特别是超重与肥胖的患者，且为单中心研究，未来应于多中心扩大样本量进一步验证结论；② 受重建速度的影响，本研究未纳入MBIR组作为对照；③ 仅比较了同一厂家的HIR（AIDR）和DLR（AICE）算法，未与其他厂家的DLR算法进行对比，近期GE公司开发了新型DLR算法（TrueFidelity），未来应进一步探索不同DLR算法改善图像质量的能力。

4 结论

与HIR相比，DLR算法能够在降低骶髂关节CT辐射剂量的同时改善图像质量，满足诊断需求，有助于提高骶髂关节CT扫描的安全性，值得临床推广。