Karl不同等级迭代重建技术联合CAD在慢性阻塞性肺疾病中的应用研究

Karl不同等级迭代重建技术联合CAD在慢性阻塞性肺疾病中的应用研究

刘良进1,方纪成2,胡军武2

1. 江汉大学附属湖北省第三人民医院 放射科,湖北 武汉 430033;2. 华中科技大学同济医学院附属同济医院 放射科,湖北 武汉 430000

[摘 要]目的 探究Karl不同等级迭代重建技术对慢性阻塞性肺疾病图像质量的影响。方法 选取2017年7月至2019年7月我院诊治的115例慢性阻塞性肺疾病患者进行研究。患者首次接受常规剂量(120 kV、150 mAs)CT检查,同一患者复查时则采用低剂量(120 kV、80 mAs)CT扫描,图像均行滤波反投影法(Filtered Back Projection,FBP)重建与1~9级Karl迭代重建,并通过计算机辅助诊断(Computer Aided Diagnosis,CAD)定量分析比较全肺容积(Lung Volume,LV)、双肺低于-910 HU的低密度衰减区(Low Attenuation Area,LAA)占全肺体积的百分比(LAA-910%)、双肺低于-950 HU的低密度衰减区占全肺体积的百分比(LAA-950%)、肺气肿指数(Emphysema Index,EI)、平均密度(Mean Lung Density,MLD)、两侧肺叶间裂表面积及完整度、支气管数量、长度、体积等指标的差异。结果 常规剂量FBP、低剂量FBP、不同Karl迭代级别之间LV、LAA-910%、LAA-950%、EI、MLD比较差异无统计学意义(P>0.05);但常规剂量FBP全肺容积、LAA-910%、LAA-950%、EI低于低剂量FBP和不同Karl迭代级别,而MLD高于低剂量FBP和不同Karl迭代级别;低剂量不同Karl迭代级别LAA-950%、EI低于低剂量FBP,且Karl迭代级别升高而LAA-950%、EI减少。常规剂量FBP、低剂量FBP、不同Karl迭代级别之间叶间裂表面积及完整度、支气管数量、长度、体积比较差异无统计学意义(P>0.05)。结论 Karl不同等级迭代重建技术在慢性阻塞性肺疾病中有重要应用,能在低剂量扫描中有效保证图像质量。

[关键词]Karl迭代重建;慢性阻塞性肺疾病;CT;图像质量

引言

慢性阻塞性肺疾病是临床呼吸内科常见病症之一,其特点为气流受限不完全可逆,具有进行性加重的趋势[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]。因此对该病主要核心检查是进行肺功能检查,但容易受到心功能或血压不稳定等因素影响。近年来,临床通过CT及图像后处理技术一定程度上推动了肺功能定量分析研究[3]。另外,为减少患者及家属对CT辐射剂量担忧,选择低剂量扫描、图像重建技术(解析重建算法和迭代重建算法)具有重要意义,其中迭代重建算法可避免解析重建算法中重建量大、计算复杂、高剂量等弊端[4]。Karl迭代重建技术是迭代重建算法中新型方式,具有重建迭代级别多、重建速度快等优势,在扫描剂量降低幅度较大时,经人体形态结构学修改,可达到常规剂量图像质量的标准[5]。基于此,本研究以我院影像科诊治的115例慢性阻塞性肺疾病患者临床资料行回顾性分析,探讨Karl不同等级迭代重建技术对慢性阻塞性肺疾病图像质量的影响。

1 一般资料与方法

1.1 一般资料

选取2017年7月至2019年7月我院影像科诊治的115例慢性阻塞性肺疾病患者进行研究。纳入标准:① 患者符合《慢性阻塞性肺疾病诊治指南(2013年修订版)(一)》[6]中慢性阻塞性肺疾病诊断标准;② 患者无胸廓畸形;③ 患者吸入支气管扩张剂后第一秒用力呼气容积占用力肺活量百分 比(Forced Expiratory Volume in One Second/Forced Vital Capacity,FEV1/FVC)<0.70;④ 患者CT图像显示胸部双气相及肺组织清晰;⑤ 患者及家属知情并签署知情同意书。排除标准:① 患者近三个月内有肺内手术史;② 患者患有恶性肿瘤或肿瘤样病变;③ 患者存在严重肺不张及肺实变;④ 患者存在心、肝、肾等严重障碍。115例慢性阻塞性肺疾病患者,男90例,女25例,年龄48~82岁,平均年龄(62.45±3.78)岁,病程1~3年,平均病程(1.12±0.38)年。

1.2 方法

CT扫描:患者仰卧位,采用GE公司16排螺旋CT进行扫描。扫描前进行呼吸训练,扫描时根据口令在深吸气末、深呼气末屏住呼吸。扫描参数:常规剂量,管电流150 mA、管电压120 kV、螺距1.015、转速0.5 s/r、准直40 mm、层厚5 mm,吸气相与呼气相图像重建层厚1 mm、视野35 mm、矩阵1024×1024;低剂量,管电流80 mA、管电压120 kV、螺距1.015、转速0.5 s/r、准直40 mm、层厚5 mm,吸气相与呼气相图像重建层厚1 mm、视野35 mm、矩阵1024×1024。扫描范围:全肺。

图像重建:原始数据经滤波反投影法(Filtered Back Projection,FBP)重建和1~9级Karl迭代重建。重建图像由两名高资历放射科医师在不知情情况下进行评估,当意见不一致时由其他位高资历放射科医师进行评估。

1.3 观察指标

图像分析:通过计算机辅助诊断(Computer Aided Diagnosis,CAD)定量分析并进行肺叶分割及支气管定量测量,并比较全肺容积(Lung Volume,LV)、双肺低于-910 HU的低密度衰减区(Low Attenuation Area,LAA)占全肺体积的百分比(LAA-910%)、双肺低于-950 HU的低密度衰减区占全肺体积的百分比(LAA-950%)、肺气肿指数(Emphysema Index,EI)、平均密度(Mean Lung Density,MLD),以及左肺斜裂表面积、左肺斜裂完整度、右肺斜裂表面积、右肺斜裂完整度、右肺水平裂表面积、右肺水平裂完整度、支气管数量、长度、体积等指标。具体为: 将所得图像采用“数字肺”测试平台(陕西渭南神州德信医学成像技术有限公司,V1.0;软件性能:自动分割、标注、量化支气管树,自动检测、分割、量化肺结节,自动检测和分割肺部血管,自动分割、量化肺损害面积,三维可视化整个肺部组织结构,虚拟支气管漫游,自动分割、标注、量化左右肺部区域等)进行肺叶分割和支气管定量。肺叶分割[7]:经自适应边界行进法得到全肺组织,采用计算几何法检查、分割叶间裂,隐式函数法检查部分叶间裂分割,骨架提取算法分割支气管,自动提取支气管骨架,自动测量所需的定量指标;肺叶分割后定量数据:LV,双肺低于-910 HU和-950 HU的LAA体积占整个肺体积的百分比(LAA-910%、LAA-950%),EI,MLD;支气管定量分析软件定量指标:支气管数量、长度、体积(图1~4)。

图1 肺叶分割图

注:a. 肺部提取结果;b. 肺叶分割结果;c. 肺裂分割结果。

图2 数字肺测试平台肺实质定量分析图

图3 支气管分割图

注:a.支气管提取结果;b.支气管分级结果。

图4 数字肺测试平台支气管定量分析图

1.4 统计学方法

采用SPSS 20.0进行统计分析,计量资料以(xs)的形式表示,组间采用独立样本t检验、组内均采用配对样本t检验;计数资料以“%”表示,组间比较采用χ2检验,存在差异时,采用最小显著性差异法进行两两比较。记P<0.05为差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 全肺肺叶分割定量指标比较

常规剂量FBP、低剂量FBP、不同Karl迭代级别重建之间LV、LAA-910%、LAA-950%、EI、MLD比较无显著差异(P>0.05);但常规剂量FBPLV、LAA-910%、LAA-950%、EI低于低剂量FBP和不同Karl迭代级别重建,而MLD高于低剂量FBP和不同Karl迭代级别重建;低剂量不同Karl迭代级别重建LAA-950%、EI低于低剂量FBP,且Karl迭代级别升高而LAA-950%、EI减少,见表1。

2.2 全肺肺裂定量指标比较

常规剂量FBP、低剂量FBP、不同Karl迭代级别重建之间左肺斜裂表面积、左肺斜裂完整度、右肺斜裂表面积、右肺斜裂完整度、右肺水平裂表面积、右肺水平裂完整度比较差异无统计学意义(P>0.05),见表2。

表1 全肺肺叶分割定量指标比较[(±s),n=115]

重建方式 LV/mL LAA-910/% LAA-950/% EI/% MLD/HU常规剂量 FBP 5640.21±1304.56 57.07±11.22 39.72±10.48 35.47±11.19 -873.35±33.46低剂量 FBP 5782.78±1217.11 58.03±9.86 41.68±9.03 36.60±10.28 -876.73±30.96低剂量 Karl 1 5777.90±1208.82 58.21±9.99 41.65±9.09 36.47±10.21 -876.36±30.93低剂量 Karl 2 5777.78±1208.88 58.80±10.19 41.46±9.24 36.43±10.30 -876.98±30.99低剂量 Karl 3 5604.65±1110.16 57.46±11.14 40.33±9.94 36.41±10.39 -872.79±35.26低剂量 Karl 4 5782.27±1217.15 58.71±10.40 41.08±9.60 36.39±10.49 -877.54±30.91低剂量 Karl 5 5777.46±1208.88 58.90±10.47 40.96±9.75 36.37±10.58 -877.36±35.65低剂量 Karl 6 5604.58±1110.02 57.96±11.41 40.02±10.30 36.36±10.67 -873.36±35.65低剂量 Karl 7 5782.21±1217.26 59.27±10.88 40.77±10.04 36.35±10.76 -878.23±31.16低剂量 Karl 8 5628.08±1079.41 58.73±11.63 40.31±10.81 36.34±10.85 -874.98±34.75低剂量 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 全肺肺裂定量指标比较[(±s),n=115]

重建方式 左肺斜裂表面积/cm2右肺水平裂完整度/%常规剂量 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低剂量 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低剂量 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低剂量 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低剂量 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低剂量 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低剂量 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低剂量 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低剂量 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低剂量 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低剂量 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/%右肺斜裂表面积/%右肺斜裂完整度/%右肺水平裂表面积/cm2

2.3 全肺支气管定量指标比较

常规剂量FBP、低剂量FBP、不同Karl迭代级别重建之间支气管数量、长度、体积比较差异无统计学意义(P>0.05),见表3。

表3 全肺支气管定量指标比较[(±s),n=115]

重建方式 支气管数量/支 支气管长度/cm 支气管体积/mL常规剂量 FBP 165.71±83.99 289.05±136.58 104.88±30.57低剂量 FBP 168.58±81.15 299.95±138.14 105.22±30.52低剂量 Karl 1 170.71±80.81 299.65±135.09 105.15±30.36低剂量 Karl 2 170.52±52.77 299.77±136.88 105.15±30.31低剂量 Karl 3 159.08±69.22 283.71±121.04 103.40±29.64低剂量 Karl 4 168.15±81.57 299.40±139.72 105.33±30.45低剂量 Karl 5 167.33±83.32 298.08±139.72 105.15±30.52低剂量 Karl 6 159.96±97.07 283.27±122.66 103.58±29.90低剂量 Karl 7 169.08±81.38 300.21±139.77 105.27±30.43低剂量 Karl 8 151.43±68.70 272.55±122.94 101.90±29.64低剂量 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 讨论

近年来,随着影像学检查方式不断更新,胸部CT对慢性阻塞性肺疾病诊断具有重要作用,CT具有高时间分辨率、高空间分辨率、高密度分辨率等特点,在诊断胸部疾病优势较突出[8]。但常规剂量扫描容易对患者产生辐射,仅减低剂量会降低图像质量。经研究证实,低剂量联合Karl迭代重建技术可在保证降低辐射量时保障图像质量[9]。CAD常用于肺结节、肺癌早期诊断和筛查,具有影像医师的诊断助手的称号[10]。有研究表示,标准剂量下CT扫描肺结节、肺癌早期筛查图像运用CAD具有重要意义,且在低剂量条件下运用CAD同样至关重要[11]。但在低剂量联合Karl迭代重建技术条件下,CAD定量分析软件对不同Karl迭代重建得到的数据差异问题需要得到证实。

慢性阻塞性肺疾病吸气末肺气肿的评定包括LAA-950%、LAA-910%、EI是一定阈值范围内像素容积占全肺容积百分比[12]。而且,常规剂量全肺体积比低剂量全肺体积小30 mL左右[13]。本研究结果表示,常规剂量FBP LV、LAA-910%、LAA-950%、EI低于低剂量FBP和不同Karl迭代级别,而MLD高于低剂量FBP和不同Karl迭代级别;低剂量Karl迭代重建LAA-950%、EI低于低剂量FBP,且Karl迭代级别升高而LAA-950%、EI减少。提示本研究结果与上述研究一致,且LAA950%、EI对CAD具有较高敏感性。低剂量Karl迭代重建定量检测慢性阻塞性肺疾病肺气肿和间接性评估其病情具有重要意义,可以得出低剂量Karl迭代重建有利于慢性阻塞性肺疾病肺实质定量分析。有研究表示,不同慢性阻塞性肺疾病患者肺裂表面积和完整度具有一定差异,随着病情加重,肺内某一肺叶病变可进入另一肺叶,改变肺裂表面积和完整度[14-15]。故观察肺裂表面积和完整度有利于评估慢性阻塞性肺疾病严重程度。本文研究结果显示,常规剂量FBP、低剂量FBP、不同Karl迭代级别之间左肺斜裂表面积、左肺斜裂完整度、右肺斜裂表面积、右肺斜裂完整度、右肺水平裂表面积、右肺水平裂完整度比较无显著差异。说明常规剂量和低剂量Karl迭代对图像无明显影响。支气管是肺重要组成部分,能够通气、过滤及加湿吸入气体,肺内气管的分级会出现器官数目增多、气管壁薄弱等改变[16]。病变差异也会引起对应支气管数量、长度及体积的改变。有研究表示,Karl迭代重建可以计算支气管数量、长度及体积,减少了操作上及时间上的误差,更具有客观性[17-18]。本研究结果表示,常规剂量FBP、低剂量FBP、不同Karl迭代级别重建之间支气管数量、长度、体积比较无显著差异。提示低剂量Karl迭代重建对支气管数量、长度、体积无明显影响,可用于气道方面的检查。

本研究分析了Karl不同迭代级别重建技术在低剂量CT扫描中的应用,为慢性阻塞性肺疾病的胸部CT低剂量扫描提供了一定依据。但本研究同时存在以下不足:① 由于慢性阻塞性肺疾病的特殊性及对患者的配合度要求较高,导致样本量偏少,应增加样本量进行加深研究;② 本研究只对慢性阻塞性肺疾病进行了分析,未对胸部其他疾病进行分析,后续将纳入更多疾病进行研究和应用;③ 本文使用滤波反投影法和Karl不同等级迭代重建技术,尚未建立个性化扫描方案,后续会继续尝试。

综上所述,肺实质与支气管的常规剂量与低剂量Karl不同迭代级别重建后图像无显著变化;肺实质定量指标中LAA-950%、EI对Karl迭代重建技术敏感性较高;且低剂量迭代重建有利于临床进行定量分析。Karl不同等级迭代重建技术在慢性阻塞性肺疾病中有重要应用,能在低剂量扫描中有效保证图像质量。

[参考文献]

[1]Hyungjin K,Jin MG,Yoshiharu O,et al.Effect of reconstruction parameters on the quantitative analysis of chest computed tomography[J].J Thorac Imaging,2019,34(2):1.

[2]梁春意,许乙凯,严承功,等.低剂量CT联合全模型迭代重组算法对周围型肺癌图像质量影响的研究[J].临床放射学杂志,2018,12(11):1928-1932.

[3]Anais V,Christoph A,Damien R,et al.Effects of various generations of iterative CT reconstruction algorithms on low-contrast detectability as a function of the effective abdominal diameter: a quantitative taskbased phantom study[J].Phys Med,2018,(48):111-118.

[4]刘秀香,程钢,王振常.螺旋CT在老年人慢性阻塞性肺疾病急性期小气道诊断中的应用价值研究[J].临床放射学杂志,2019,24(2):107-109.

[5]Valentina L,Martina I,Elisabetta P,et al.Comparing four radiotherapy techniques for treating the chest wall plus levels III-IV draining nodes after breast reconstruction[J].Br J Radiol,2018,91(1086):874.

[6]中华医学会呼吸病学分会慢性阻塞性肺疾病学组.慢性阻塞性肺疾病诊治指南(2013年修订版)(一)[J].中华结核和呼吸杂志,2013, 36(4):484-491.

[7]刘平,张晓明,刘平,等.慢性支气管炎临床检查与最佳治疗方案[M].天津:天津科学技术出版社,2004.

[8]Neroladaki A,Martin SP,Bagetakos I,et al.Metallic artifact reduction by evaluation of the additional value of iterative reconstruction algorithms in hip prosthesis computed tomography imaging[J].Medicine,2019,98(6):107-109.

[9]贾广生,李金平,户宏艳,等.自适应性统计迭代重建技术结合低管电压在肝脏三期增强低剂量扫描中的应用[J].中华医学杂志,2019,99(3):198-203.

[10]Juho TKS,Erkki JT.Oncologic resection and reconstruction of the chest wall[J].Plast Reconstr Surg,2018,23(17):536-547.

[11]冉姗姗,綦维维,张淼,等.多参数设置对低剂量胸部CT扫描图像质量及辐射剂量的影响[J].中国医学影像技术,2018,34(1):113-117.

[12]Anitha D,Subburaj K,Kopp FK,et al.Effect of statistically iterative image reconstruction on vertebral bone strength prediction using bone mineral density and finite element modeling: a preliminary study[J].J Comput Assist Tomo,2018,43(1):1027.

[13]Poudel J,Na S,Wang LV,et al.Iterative image reconstruction in transcranial photoacoustic tomography based on the elastic wave equation[J].Phys Med Biol,2020,65(5):114.

[14]Shrestha D,Qin N,Zhang Y,et al.Iterative reconstruction with boundary detection for carbon ion computed tomography[J].Phys Med Biol,2018,63(5):1147-1149.

[15]Dong Y,Hansen PC,Hochstenback ME,et al.Fixing nonconvergence of algebraic iterative reconstruction with an unmatched back projector[J].Siam J Sci Comput,2019,41(3):1822-1839.

[16]高益萍,黎良山,沈志炜,等.肺结节CT靶扫描及重建技术对肺腺癌支气管改变的诊断价值分析[J].中国医学计算机成像杂志,2019,25(2):35-38.

[17]Skarysz M,Garmory A,Dianat M.An iterative interface reconstruction method for PLIC in general convex grids as part of a coupled level set volume of fluid solver[J].J Comput Phys,2018,368(23):254-276.

[18]周慧,朱莉,尹小花,等.评价KARL迭代重建技术低剂量CT对肺间质性病变征象显示的影响[J].医学影像学杂志,2019,11(7):1110-1114.

Application of Karl Different Grade Iterative Reconstruction Technique Combined with CAD in Chronic Obstructive Pulmonary Disease

LIU Liangjin1, FANG Jicheng2, HU Junwu2

1. Department of Radiology, Hubei No.3 People’s Hospital of Jianghan University, Wuhan Hubei 430033, China; 2. Department of Radiology, Tongji Hospital, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan Hubei 430000, China

Abstract: Objective To explore the influence of Karl’s different level iterative reconstruction technology on the image quality of CT chest scan of COPD. Methods 115 patients from July 2017 to July 2019 with COPD were selected in our study. All patients received conventional dose (120 kV, 150 mAs) CT examination at the first time and low dose (120 kV, 80 mAs) CT when reexamination. The images were reconstructed by filtered back projection (FBP) and 1-9 level Karl iterative reconstruction. Then the lobes were segmented and the bronchi were measured by computer aided diagnosis (CAD), and statistics were performed between the two groups, such as the lung volume (LV), the percentage of the low attenuation area of the total lung volume of the double lungs lower than -910 HU (LAA-910%), LAA-950%, emphysema index (EI), mean lung density (MLD). Results There was no significant difference in the LV, LAA-910%, LAA-950%, EI and MLD among conventional dose FBP, low-dose FBP and different Karl iteration levels (P>0.05). However,for the conventional dose FBP, LV, LAA-910%, LAA-950%, and EI were lower than the low-dose FBP and different Karl iteration levels, while MLD was higher than low-dose FBP and different Karl iteration levels. For the low-dose different Karl iteration levels LAA-950%, EI were lower than low-dose FBP, and Karl iteration level increased, while LAA-950% and EI decreased. There was no significant difference in the number, length and volume of bronchus between the conventional dose FBP, low dose FBP and different Karl iteration levels (P>0.05). Conclusion Karl iterative reconstruction technology with different levels has important application in chronic obstructive pulmonary disease, which can effectively ensure the image quality in low-dose scanning.

Key words: Karl iterative reconstruction; chronic obstructive pulmonary disease; CT; image quality

[中图分类号]R563.9

[文献标识码]A

doi:10.3969/j.issn.1674-1633.2020.10.042

[文章编号]1674-1633(2020)10-0186-05

收稿日期:2020-06-24

通信作者:胡军武,主任技师,主要研究方向为医学影像技术。

通信作者邮箱:hjw620924@aliyun.com

本文编辑 韩莹