基于图的心肌灌注显像 SPECT 左心室分割：提升诊断精度的关键突破

《EJNMMI Physics》：Myocardial perfusion imaging SPECT left ventricle segmentation with graphs

在心肌灌注显像（MPI）中，单光子发射计算机断层扫描（SPECT）存在诸多问题，影响左心室（LV）分割及诊断。研究人员开展基于图的 LV 分割研究，对比深度学习方法。结果显示，新方法性能更优，且不同准直技术影响心脏几何形状。这有助于提升诊断准确性。

　　在医学影像学领域，心肌灌注显像（MPI）借助单光子发射计算机断层扫描（SPECT）技术，成为评估冠状动脉疾病（CAD）的重要手段。然而，SPECT 数据的随机性使得其图像解释和自动检测困难重重。在 MPI 的实际操作中，为了更精准地判断 CAD，会使用多种专门或通用的准直器，这就导致成像特征差异极大。同时，左心室（LV）形状的先验 “学习” 信息也会干扰成像协议的最终诊断。目前，虽然已有多种商业解决方案用于 SPECT MPI 左心室分割，如 Corridor 4DM、Cedars - Sinai 等，但这些方法大多需要不同程度的人工监督，并且在多供应商和新型多相机设置下的鲁棒性未经充分测试。在这样的背景下，为了攻克这些难题，来自匈牙利 E?tv?s Loránd 大学和 Semmelweis 大学的研究人员 ádám István Sz?cs、Béla Kári 和 Oszkár Pártos 开展了一项关于心肌灌注显像 SPECT 左心室分割的研究。他们的研究成果发表在《EJNMMI Physics》上，为该领域带来了新的突破。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先，他们引入了一种结合连续最大流（CMF）和基于密度估计的形状先验信息的方法，即先进分割方法（ASM）。该方法基于 Mumford - Shah 泛函进行改进，通过构建松弛模型来实现数值计算。其次，利用统计形状先验来处理左心室形状的多样性，通过在高维特征空间中估计 “平均” 形状，构建基于马氏距离的能量函数。此外，研究中使用了多种量化评估指标，如准确率（Accuracy）、精确率（Precision）、召回率（Recall）、交并比（IoU）和 DICE 系数等，以全面评估分割效果。研究数据来源于 80 例患者，包括混合几何形状、不同准直器采集的数据，并且使用了模拟数据进行噪声耐受性测试。

在研究结果部分，首先是对模拟数据的定量评估。通过在模拟的左心室图像中添加不同水平的随机泊松噪声来模拟真实 SPECT 背景，结果显示在低峰值信噪比（PSNR）时，该方法在各项定量指标上表现较差，但在 PSNR 约为 5 及以上时表现良好，其中召回率在阈值 5 之后达到最高水平。这可能是因为分割中的数据项基于 Kullback - Leibler（KL）散度，能够在分割区域的内部和外部找到理想的平衡。

接着是对患者数据的定性评估。研究人员选取了两种几何形状的患者数据，即最常见的平行准直和新型的多针孔（MPH）准直数据。结果表明，形状先验信息能够帮助分割过程更准确地分类像素，比单纯应用数据项效果更好。

然后是对患者数据的定量评估。一方面，在混合数据集上，ASM 算法在大多数指标上优于其他竞争技术，仅在召回率上稍显落后。这可能与创建分割统计时的模型参数有关，或许可以通过更好地选择参数或在优化过程中增加形状参数的权重来改善。另一方面，在不同准直几何形状的数据集上，结果呈现出差异。MPH 准直在某些指标上表现最佳，但精度和召回率的偏差较大；而 CardioC 和 CardioD 准直技术产生的 ROC 曲线更稳定，这可能是因为它们专门为心脏成像优化，且重建方法能产生清晰的左心室体积，背景噪声少。

此外，研究还分析了灌注缺损对分割性能的影响。根据灌注缺损大小将患者分为轻度、中度和重度三组，结果显示不同数据集上灌注缺损对分割性能的影响各异。在多数数据集上，算法在重度缺损的左心室上表现最佳；而在 MPH 数据集上，算法在中度缺损的情况下效果最好。

最后，研究人员通过统计测试和均匀流形近似与投影（UMAP）方法进一步探索不同准直几何形状下左心室的差异。统计测试表明不同准直几何形状的左心室存在显著差异，MPH 几何形状在区分不同左心室方面表现出较高的统计显著性，而平行准直由于重建方法不够优化，区分能力较差。UMAP 估计结果显示，不同准直几何形状的心脏模型参数可以区分，且调整 UMAP 估计的参数会影响准直几何形状的可分离性。

在研究结论和讨论部分，研究人员提出的基于图的左心室分割方法具有重要意义。首先，该方法结合形状先验信息，能够更好地模拟左心室形状的多样性，在性能上优于深度学习方法，并且具有更可解释的结构。其次，该方法可以通过分割的左心室区分不同的投影几何形状，有助于理解不同准直下的灌注缺损，避免因准直差异导致的误差。这也凸显了为每种几何形状和准直技术创建正常数据库的重要性。这项研究为心肌灌注显像的临床应用提供了更可靠的技术支持，有望进一步提高冠状动脉疾病的诊断准确性，推动医学影像学在心脏疾病诊断方面的发展。