超分辨率深度学习重建（PIQE）在肝脏动态CT中改善肝细胞癌可见性：与混合迭代重建（AIDR 3D）及常规深度学习重建（AiCE）的比较研究

《Japanese Journal of Radiology》：Utility of super-resolution deep-learning reconstruction for improving visibility of hepatocellular carcinoma at hepatic dynamic CT: comparison with hybrid iterative reconstruction and conventional deep-learning reconstruction

　　

目的：本研究旨在评估Precise IQ Engine（PIQE）——一种利用深度卷积神经网络（DCNN）在降低图像噪声的同时增强空间分辨率的超分辨率深度学习重建——与混合迭代重建（Adaptive Iterative Dose Reduction with three-dimensional processing，AIDR 3D）及常规深度学习重建（Advanced Intelligent Clear-IQ Engine，AiCE）相比，在肝脏动态CT中是否改善肝细胞癌（HCC）可见性。

材料与方法：本研究评估64例接受肝脏动态CT检查的HCC患者。肝动脉期（HAP）和平衡期（EP）扫描分别采用AIDR、AiCE和PIQE重建。由一名放射科医师测量肝实质衰减的标准差作为图像噪声，并计算对比噪声比（CNR）=（ROI_T?ROI_L）/N（HAP）及（ROI_L?ROI_T）/N（EP）。ROI_L为肝实质平均衰减，ROI_T为肿瘤平均衰减，N为噪声。由另外2名放射科医师评估HCC可见性，并以肿瘤边缘勾画为重点，采用5点置信度量表分级。

结果：在HAP和EP中，PIQE均显示最低图像噪声，其次为AiCE和AIDR（均p < 0.01）。在HAP和EP中，HCC的CNR均以PIQE最高，其次为AiCE和AIDR（均p < 0.01）。HCC定性可见性评分也以PIQE最高，其次为AiCE和AIDR（均p < 0.01）。

结论：在肝脏动态CT中，与AIDR和AiCE相比，PIQE显著改善HCC可见性，同时降低图像噪声并提高CNR。

研究背景：美国肝病研究学会推荐动态CT或MRI用于肝细胞癌（HCC）的诊断及治疗反应评估。多数恶性肿瘤依赖活检病理诊断，但HCC若呈现典型影像学表现，如动脉期明显强化并随后在延迟期廓清，则可避免活检，因此准确的影像学诊断至关重要。CT上准确检测肝脏病变需要充分降低图像噪声，过度图像噪声会遮蔽包括HCC在内的低对比病变。深度学习重建（DLR）将深度卷积神经网络（DCNN）纳入CT图像重建过程，在腹部CT成像中已显示优良的降噪性能，既往研究报道DLR可改善肝脏肿瘤的可视化。然而，较高重建强度可能导致轻度信号丢失和图像模糊，从而可能遮蔽小病变。由于HCC预后包括复发和总生存与宏观肿瘤类型相关，高空间分辨率图像准确评估肿瘤形态可能有益；即使对于低对比病变，空间分辨率对于准确勾画病变边缘和评估肿瘤形态仍可能重要。但CT成像中在不增加辐射剂量的情况下同时提高空间分辨率并降低图像噪声通常困难。Precise IQ Engine（PIQE）是一种超分辨率深度学习重建，利用以实际高分辨率CT扫描仪采集数据训练的DCNN，旨在增强空间分辨率同时降低图像噪声。PIQE在冠状动脉CT血管成像中已显示在图像噪声、冠状动脉边缘锐利度和斑块可检测性方面优于混合迭代重建；在腹部成像中，PIQE也被显示可改善薄层CT检查的图像质量并提高胰腺癌的显著性。但据研究人员所知，尚无研究探讨PIQE对HCC可视化的影响。因此，本研究旨在比较PIQE与混合迭代重建（AIDR 3D）及常规深度学习重建（AiCE）在肝脏动态CT中对HCC可见性的改善作用。该研究的意义在于评估新型超分辨率DLR是否可在不增加辐射剂量的前提下改善HCC显示，但原文结论同时指出仍需进一步研究确定这些改善是否转化为更好的诊断性能。

关键技术方法：研究由体模研究和临床研究组成。体模为直径200 mm圆柱体，含相对背景约+10 HU和?10 HU的碘对比剂模块，用320排CT（Aquilion ONE GENESIS Edition）扫描，AIDR 3D、AiCE、PIQE重建，以噪声功率谱（NPS）和任务型调制传递函数（MTF）评估噪声与空间分辨率。临床为单中心回顾性研究，连续纳入2021年12月至2023年8月行肝脏动态CT的HCC患者；115例中51例因原始数据不可用无法重建PIQE被排除，最终64例（57男7女，年龄46–93岁，中位74.0岁），HCC由部分肝切除病理（27例）或影像学/LIRADS v2018（37例）诊断。取HAP和EP，以AIDR 3D、AiCE、PIQE重建；S.K.测量肝实质衰减标准差作为噪声，并以ROI_T、ROI_L计算对比噪声比（CNR）；S.M.和Y.N.用5点Likert量表评估整体图像质量和HCC可见性，加权κ评估观察者间一致性。

研究结果：

体模研究：通过体模扫描评价NPS和MTF。NPS自AIDR至AiCE至PIQE逐步降低，尤其在低频域。在50 HU任务对比度下，MTF以PIQE最高，其次为AiCE和AIDR，但三种重建方法间差异较小；MTF10%分别为AIDR 0.59、AiCE 0.66、PIQE 0.73，MTF50%分别为0.34、0.35、0.37。相反，在10 HU任务对比度下，无论正对比还是负对比任务，三种重建方法的MTF曲线总体相当，PIQE未见明确优于其他方法。正10 HU任务对比度下，MTF10%分别为0.59、0.68、0.61，MTF50%分别为0.39、0.33、0.30；负10 HU任务对比度下，MTF10%分别为0.63、0.86、0.76，MTF50%分别为0.41、0.46、0.36。用于MTF估计的160幅图像的总有效CNR在正10 HU任务对比度下分别为AIDR 12.6、AiCE 14.1、PIQE 21.7；负10 HU任务对比度下分别为12.7、13.5、19.3；50 HU任务对比度下分别为53.1、65.1、83.3。由此得出，PIQE在体模中降低噪声，尤其低频噪声，并在较高对比任务中显示一定MTF优势，但在低对比任务中空间分辨率优势不明确。

临床研究：通过64例HCC患者的HAP和EP图像评价图像噪声、对比度、CNR及定性评分。患者慢性肝病病因包括丙型肝炎病毒24例、乙型肝炎病毒18例、代谢功能障碍相关脂肪性肝病（MASLD）11例、酒精中毒6例、自身免疫性肝炎2例及未知3例；Child-Pugh A、B、C分别为49、12、3例。HCC中位直径18 mm（范围7.0–111.0 mm）。HAP和EP中图像噪声均以PIQE最低，其次为AiCE和AIDR（均p < 0.01）。与AIDR和PIQE相比，AiCE图像的HAP对比度和EP对比度显著较低（均p < 0.01）。PIQE的HAP对比度与AIDR无显著差异（p = 0.82），而EP对比度显著低于AIDR（p < 0.01），但差异非常小（AIDR和PIQE中位数均为15.0 HU）。CNRa和CNRe均以PIQE最高，其次为AiCE和AIDR，各重建方法间差异显著（均p < 0.01）。整体图像质量评分在HAP和EP中均以PIQE最高，其次为AiCE和AIDR，三种方法间差异均显著（均p < 0.01）；整体图像质量观察者间一致性为中等至优良（κ范围0.65–1.00）。HCC定性可见性评分在HAP和EP中也均以PIQE最高，其次为AiCE和AIDR（均p < 0.01）；HCC可见性观察者间一致性为良好至优良（κ范围0.83–0.95）。由此得出，PIQE在临床图像中实现最低噪声和最高CNR，并获得最高的整体图像质量及HCC可见性评分。

讨论部分总结：临床研究显示，PIQE在HAP和EP中均具有最低图像噪声和最高CNR，且整体图像质量与HCC可见性定性评分最高，提示与AIDR和AiCE相比，PIQE提供更强的降噪和更好的HCC可视化。体模研究中，PIQE的NPS最低，尤其在低频域；虽然低频NPS明显降低，但高空间频率处NPS相对升高。由于PIQE详细处理算法为专有技术，其确切机制尚不明确；该表现可能反映PIQE频率依赖性和非线性降噪特征。低频NPS降低并伴高频NPS相对升高提示噪声纹理发生改变，而非各空间频率均匀抑制。低频噪声成分增加会导致图像纹理变粗，出现“油画样”或“塑料样”外观，降低图像质量并影响小病变检测；因此研究人员认为PIQE明显降低低频噪声可能对临床研究中主观图像质量改善和HCC可见性增强起主要作用。在50 HU任务对比度下，PIQE的MTF10%最高，而MTF50%在AIDR、AiCE和PIQE间相当；在10 HU任务对比度下，PIQE的MTF未显示一致优势。临床研究中HCC的肿瘤-肝脏对比度在HAP约30 HU、EP约15 HU，提示PIQE的空间分辨率优势对HCC这类低对比病变可能有限。然而，反映肿瘤边缘勾画的HCC可见性定性评分显著高于AIDR和AiCE，因此尽管PIQE在低对比任务中未显示一致空间分辨率优势，其较AIDR和AiCE更强的降噪作用可能促进HCC可视化。常规DLR可降低腹部CT图像噪声并改善图像质量，但既往研究报道较高DLR重建强度可能导致轻度信号丢失和图像模糊，可能影响小病变检测。PIQE使用覆盖多个辐射剂量水平的模拟数据集训练，使网络不仅学习空间分辨率增强，也学习低剂量条件下有效降噪。本研究中PIQE较常规DLR（AiCE）提供更强降噪，而空间分辨率优势具有任务依赖性；尽管如此，PIQE的定性肿瘤可见性评分显著高于AiCE。既往对比增强腹部CT研究也报道PIQE较常规DLR提供更强降噪和更高图像锐利度；既往研究与本研究空间分辨率结果的差异可能与任务对比度不同有关，既往研究评价门静脉期图像锐利度，主要涉及相对高对比解剖结构，更接近本研究中50 HU任务下PIQE较AiCE MTF更高的结果；而在10 HU任务对比度下，PIQE未一致改善空间分辨率，可能反映其非线性、任务依赖性特征，即低对比下强降噪效应可能影响空间分辨率。由于每种重建方法仅评价标准重建强度，结果不应推广至其他重建强度，需进一步比较不同重建强度。研究局限性包括：单中心回顾性研究且样本量相对较小；体模与临床评价使用不同视野（分别为200 mm和400 mm），而PIQE性能可能依赖视野，因此体模实验结果向临床的直接外推需谨慎；在±10 HU任务对比度下，AIDR和AiCE用于MTF测量的总有效CNR低于AAPM TG-233推荐的15，而PIQE超过该值，因此AIDR和AiCE的MTF测量不能完全排除噪声影响；未进行观察者性能研究如受试者工作特征（ROC）分析，因此改善可见性是否转化为更好病变可检测性尚待确定；PIQE显著降低图像噪声，可能允许在维持诊断图像质量的同时降低辐射剂量，但本研究未评价该假设；未评估PIQE评价HCC形态学特征的价值；仅评价HCC，需进一步验证PIQE对其他局灶性肝脏病变包括转移性肝肿瘤的诊断价值。

研究结论翻译：总之，尽管PIQE在低对比任务中未显示一致的空间分辨率优势，但与AIDR和AiCE相比，它显著降低图像噪声并改善整体图像质量、HCC可见性和CNR。这些发现提示PIQE可能改善肝脏动态CT中HCC的可视化，但仍需进一步研究确定这些改善是否转化为更好的诊断性能。