基于EMPIRE算法的數(shù)字乳腺斷層合成X線成像結合重建二維及三維圖像對乳腺良惡性病灶的鑒別診斷價值

朱宏， 柴維敏， 嚴福華， 孫琨

全屏數(shù)字乳腺X線成像(full-field digital mammography，F(xiàn)FDM)是目前最常用的乳腺癌診斷及篩查的影像學檢查方法。FFDM能在一定程度上提高早期乳腺癌的檢出率，然而其對于致密型腺體的診斷敏感性及特異性均有所降低。數(shù)字乳腺斷層合成X線成像(digital breast tomosynthesis，DBT)是一種新的X線成像技術，通過不同角度投照，獲取重建三維斷層圖像，能在一定程度上避免纖維腺體組織對病灶顯示的干擾，提高病灶檢出率及減低召回率。目前，已有研究表明FFDM結合DBT能提高乳腺病灶的可見性及病灶的診斷準確率。然而，將這兩種方法結合應用，會在原有輻射劑量的基礎上，增加至少1倍的輻射劑量，這在一定程度上限制了兩種方法的聯(lián)合應用。目前也有研究顯示，DBT聯(lián)合其重建出的類似FFDM的二維圖像同樣能提高乳腺病灶的顯示度。DBT圖像不僅能重建二維圖像，還能重建三維圖像。三維重建圖像能更加直觀的顯示病灶與周圍腺體組織之間的關系。相對于傳統(tǒng)的濾波反投影，基于EMPIRE迭代算法的DBT圖像能提高病灶與周圍組織對比度，優(yōu)化病灶細節(jié)的顯示。目前國內尚無基于EMPIRE迭代算法的DBT圖像聯(lián)合三維重建圖像的相關研究，亦無不同檢查的組合方式對乳腺病灶的可見性及良惡性病灶鑒別的相關研究。本文擬通過不同檢查的組合方式對乳腺病灶的可見性及良惡性病灶的鑒別診斷效能的比較研究，篩選出最適合診斷乳腺病灶的組合方式。

材料與方法

1.研究對象

本研究為前瞻性研究，所有受檢者均于檢查前簽署知情同意書。收集我院2016年6月-2017年4月經超聲診斷為乳腺影像報告和數(shù)據系統(tǒng)(BI-RADS)分類為4類及以上、擬行手術或穿刺活檢的患者。排除標準：①患側乳腺已行介入性操作或治療；②患者配合較差，伴較大移動偽影；③妊娠期或哺乳期婦女。最終126例患者納入本研究，患者年齡30～77歲，平均年齡(48.7±12.8)歲。

2.影像學檢查方法

所有患者均于穿刺活檢或手術前兩周內行FFDM及DBT檢查。采用Siemens Mammomat Inspiration數(shù)字乳腺X線攝影機。所有患者均行頭尾位(cranio-caudal，CC)和內外側斜位(medio-lateral oblique，MLO)雙體位投照。每例患者先獲得單一體位FFDM，隨即在同一壓迫條件下由設備自動完成DBT掃描。DBT檢查中，X線管先以0°為中心預曝光確定乳腺檢查中正確的曝光參數(shù)，而后在-25°～25°范圍內掃描乳腺，每旋轉2°自動曝光一次，在不同角度獲得多幅低劑量圖像，然后經過計算機重建得到層厚為1 mm的與平板探測器平面平行的斷層圖像，斷層圖像的層數(shù)取決于受檢乳腺的厚度。經計算機后處理將所有斷層圖像重新組合，重建出與FFDM類似的二維圖像和17幅三維立體自由旋轉的三維圖像。

3.圖像分析

由2名從事乳腺影像診斷的放射科醫(yī)師共同完成閱片，分別對FFDM、DBT結合2D重建圖像(DBT-s2D)、DBT結合3D重建圖像(DBT-s3D)、DBT結合FFDM圖像(DBT-FFDM)進行分析。醫(yī)師采用每次連續(xù)完成一組圖像的閱片方式，每隔兩周完成另一組閱片，分四次完成所有閱片。根據BI-RADS標準對乳腺病變進行評價和分類，同時觀察記錄以下指標：①輻射劑量：記錄所有患者FFDM和DBT兩種檢查方式單體位的平均腺體劑量；②病灶可見性評級：對四組圖像中的病灶可見性進行評估，未見明確病灶為0級，可見或隱約可見病灶為1級，病灶清晰顯示為2級；③病灶良惡性及診斷效能評估：參照BI-RADS分類標準，將BI-RADS分類4a以下病灶診斷為良性或陰性，4a及以上病灶診斷為惡性或陽性，并以病理學結果為金標準，比較不同檢查方式的診斷效能。

4.病理分析

對標本進行常規(guī)固定、染色、包埋和切片。由1名從事乳腺疾病病理診斷的高年資醫(yī)師進行診斷，獲得病灶的組織學類型。

5.統(tǒng)計分析

采用SPSS 23.0軟件和Medcalc12.7軟件進行統(tǒng)計學分析。采用單因素方差分析比較四種類型圖像的腺體平均輻射劑量，組間兩兩比較采用LSD法。采用配對樣本符號秩和檢驗比較不同類型圖像之間的可見性評級。以病理學為金標準，計算四種類型圖像鑒別診斷乳腺良惡性病灶的敏感性及特異性；采用ROC曲線分析四種不同類型圖像鑒別乳腺良惡性病灶的診斷效能，利用Z檢驗比較4種不同組合的ROC曲線下面積。因為本研究分成4組，采用Bonferroni校正，P<0.0125認為差異有統(tǒng)計學意義。

結 果

1.病理結果

126例均為單發(fā)病灶，4例為穿刺證實，122例為手術病理證實。126例中，良性病灶61例(表皮囊腫1例、導管擴張1例、膿腫1例、炎癥2例、導管上皮普通型增生2例、纖維腺瘤30例、腺病11例、導管內乳頭狀瘤13 例)；惡性病灶65例(浸潤性導管癌52例、浸潤性小葉癌2例、實性乳頭狀癌2例、粘液癌1例、導管原位癌6例、惡性分葉狀腫瘤2例)。

2.單個體位的平均腺體劑量

四種類型圖像間的單個體位平均腺體劑量差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.0001)，其中DBT-FFDM的平均腺體劑量最高(表1)。

表1 四種類型圖像的單個體位平均腺體輻射劑量

注：F值=169.54，P值<0.0001。DBT-s2D與DBT-s3D圖像的單個體位平均腺體劑量相同；組間兩兩比較LSD法顯示，除了DBT-s2D與DBT-s3D圖像，其余圖像兩兩比較均具有統(tǒng)計學差異(P均<0.0001)。

3.四種組合對腺體類型的判讀

四種類型圖像對乳腺類型的判讀無明顯差異，其中對于脂肪型乳腺，四種類型圖像的判讀完全一致(表2)。

4.四種類型圖像對病灶的BI-RADS分類

四種類型圖像對病灶的BI-RADS分類結果如表3所示。DBT-FFDM、DBT-s2D及DBT-s3D明顯降低了BI-RADS 0類及4a類的病灶個數(shù)。

表2 四種類型圖像對乳腺類型的分類 (例)

表3 四種類型圖像對病灶的BI-RADS分類結果 (例)

5.病灶的可見性

DBT-FFDM(116/126)、DBT-s2D(116/126)及DBT-s3D(117/126)較單獨FFDM(98/126)顯著提高了病灶的可見性，其中DBT-s3D對病灶的可見性最高(93%)。

6.病灶的主要X線表現(xiàn)

本組病灶主要表現(xiàn)為單純腫塊(圖1、2)及腫塊伴可疑鈣化，具體X線表現(xiàn)如表4所示。對于伴鈣化或以鈣化為主要表現(xiàn)的病灶，四種類型圖像的判讀基本類似；而對于腫塊樣病灶，DBT結合s2D/s3D/FFDM均比單獨FFDM具有更高的檢出率。

表4 四種類型圖像對乳腺病灶征象的評估 (例)

注：FAD代表局灶非對稱團片狀密度增高影。

7.診斷效能

FFDM、DBT-FFDM、DBT-s2D及DBT-s3D鑒別乳腺良惡性病灶的ROC曲線下面積分別為0.749、0.804、0.832、0.864(圖3)。DBT-s3D鑒別乳腺良惡性病灶的敏感度(95%)及特異度(77%)最高。

討 論

在乳腺疾病的檢查中，單獨行FFDM檢查會遺漏不少病灶，從而可能錯過最好的治療時間；而同時行FFDM和DBT檢查將不可避免的增加患者的輻射劑量，如何在盡可能降低輻射劑量的同時，達到診斷效能的最大化一直是近年來放射科醫(yī)師迫切希望解決的問題。隨著后處理技術的不斷發(fā)展，通過DBT的三維薄層圖像重建出類似于FFDM的二維圖像已應用于臨床[1-2]。張云燕等[2]對93例乳腺病灶的研究結果證實，DBT結合二維重建圖像較單獨FFDM能提高乳腺病灶的顯示度及良惡性病灶的診斷效能，且無需增加輻射劑量。Svahn等[3]的研究結果顯示，如果將乳腺癌篩查中的FFDM換成二維重建圖像能減少約一半的輻射劑量。

圖1 女，62歲，自覺左乳腫物3個月，病理證實為浸潤性導管癌Ⅱ級。a) 17幅CC位重建三維圖像； b) 17幅MLO位重建三維圖像； c) FFDM左乳CC位圖像； d) FFDM左乳MLO位圖像； e) 左乳CC位重建二維圖像； f) 左乳MLO位重建二維圖像。

圖2 女，31歲，自覺左乳腫物2個月，病理證實為纖維腺瘤。a) 17幅CC位重建三維圖像； b) 17幅MLO位重建三維圖像； c) FFDM左乳CC位圖像； d) FFDM左乳MLO位圖像； e) 左乳CC位重建二維圖像； f) 左乳MLO位重建二維圖像；

眾所周知，DBT圖像質量完全依賴于重建算法，目前臨床最常用的重建算法為濾波反投影[4]，迭代重建算法次之，而EMPIRE算法是將濾波反投影與迭代重建算法聯(lián)合應用。Rodriguez-Ruiz等[5]的研究結果表明，采用EMPIRE算法的圖像具有更好的對比度、更高的圖像質量、更少的偽影以及對鈣化的更清晰顯示。基于EMPIRE算法的DBT不僅能在CC、MLO位的投影方向上重建二維圖像，還能重建出17幅不同角度的圖像以實現(xiàn)三維立體觀察。目前，有關DBT重建的三維圖像的研究較少，其價值尚不明確。因此，本研究不僅比較基于EMPIRE算法的DBT結合二維重建圖像與單獨FFDM的診斷效能，還同時比較了基于EMPIRE算法的DBT結合三維重建圖像與FFDM的診斷效能，旨在探討檢查乳腺病灶的最佳組合方式。

圖3 四種類型圖像對乳腺良惡性病灶的鑒別診斷效能的ROC曲線圖。

本研究結果顯示，DBT-s2D/s3D圖像的單個體位平均腺體劑量為(3.28±0.79)mGy，約為單獨FFDM圖像的1.9倍；而DBT-FFDM圖像的單個體位平均腺體劑量則明顯高于單獨FFDM(約2.8倍)和DBT-s2D/s3D圖像(約1.5倍)。因此，DBT-s2D/3D具有相對較低的輻射劑量及較高的診斷準確率，是建議推薦的一種組合方式。

本研究結果提示，四種檢查方式組合中，DBT-s3D評估病灶BI-RADS 0級的個數(shù)最少，病灶可見性最高(93%)，鑒別乳腺良惡性的ROC曲線下面積最大(0.864)，分析原因為：DBT-s3D可通過后處理及三維立體旋轉最大程度的減少腺體組織背景的重疊，能立體直觀的顯示病灶與周圍組織的關系，從而提高病灶檢出率。Tani等[6]應用重建合成圖像聯(lián)合DBT顯示微鈣化的研究結果發(fā)現(xiàn)，DBT聯(lián)合重建三維立體圖像較FFDM具有更高的診斷效能，此結論與本研究結果類似；同時，該研究還發(fā)現(xiàn)，重建三維立體圖像在14例以微鈣化為主要表現(xiàn)的乳腺癌病灶中的微鈣化顯示率優(yōu)于DBT圖像。本研究沒有單獨比較重建三維圖像與DBT之間對于微鈣化顯示的差異，但本組資料亦顯示重建三維圖像聯(lián)合DBT對于鈣化的顯示優(yōu)于FFDM。

國外的相關研究多將DBT作為乳腺癌早期篩查的一種方式。Gur等[7]的研究結果顯示，DBT-s2D與DBT-FFDM圖像具有相似的診斷特異性，但前者診斷特異性略低。而Zuckerman等[8]對15571l例乳腺癌患者的篩查結果研究顯示，在減少輻射劑量的前提下，DBT-s2D與DBT-FFDM具有相同的診斷效能。同樣，Skaane等[9]也發(fā)現(xiàn)DBT-s2D與DBT-FFDM具有相似的診斷效能，可用于臨床常規(guī)的乳腺癌篩查。Aujero等[10]在一項基于大樣本量(78810l例)的社區(qū)研究中發(fā)現(xiàn)，在不降低乳腺癌檢出率的前提下，與DBT-FFDM相比，DBT-s2D明顯降低了召回率，提高了陽性預測值。Choi等[11]在有關乳腺癌患者的診斷研究中發(fā)現(xiàn)，二維重建圖像在T1期乳腺癌的診斷中具有與FFDM相似的診斷效能，因此，基于DBT的二維重建圖像基本可取代FFDM的作用。

本研究存在一定的局限性。首先，樣本量相對較少，病灶主要以腫塊為主，因此，無法從統(tǒng)計學角度對不同表現(xiàn)的乳腺病灶進行分析；其次，在診斷效能比較方面，以BI-RADS 4a級為良惡性病灶的分界點，可能存在高估的可能。

綜上所述，基于EMPIRE算法的DBT結合重建二維及三維圖像可提高乳腺病灶的可見度，具有較高的良惡性病灶鑒別診斷效能，有望取代FFDM，成為更具應用前景的一種乳腺病灶診斷方式。

致謝：感謝西門子醫(yī)療Dr.Wicklein Julia，Dr. Mitschke Matthias和Dr. He, Wei(赫偉)對本研究項目中合成二維及三維重建圖像的后處理工作。