容積CT數(shù)字減影血管造影與人工智能技術(shù)對(duì)頭頸CTA減影效果的比較

重慶醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院 放射科，重慶 400016

引言

頭頸CT血管成像技術(shù)（CT Angiography，CTA）常用的主要有容積CT數(shù)字減影血管造影技術(shù)（Volume Computed Tomographic Digital Subtraction Angiography，VCTDSA）[1-2]和匹配蒙片去骨技術(shù)（Matched Mask Bone Elimination，MMBE）[3-4]。姜雪等[5-7]的前期研究通過(guò)對(duì)兩種血管成像技術(shù)的對(duì)比，得出了圖像質(zhì)量的顯示上VCTDSA法更好，且VCTDSA法在顱內(nèi)動(dòng)脈瘤以及動(dòng)靜脈畸形上的顯示優(yōu)于MMBE法的結(jié)論。故實(shí)際臨床工作中，常用的技術(shù)是VCTDSA法。然而當(dāng)今人工智能技術(shù)（Artificial Intelligence Technology，AI）已經(jīng)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像的各個(gè)方面[8-12]。眾所周知AI的一大優(yōu)勢(shì)就是方便快捷，能夠提高工作效率，但AI在頭頸血管方面的顯示，是否優(yōu)于圖像質(zhì)量較好的VCTDSA法還有待研究。針對(duì)AI血管后處理的相關(guān)研究，國(guó)外少有涉及，僅Lang等[13]研究探討了3D數(shù)字血管減影造影術(shù)（The Three-Dimensional Digital Subtraction Angiography，3D-DSA）和基于AI系統(tǒng)的3D血管造影術(shù)（Artificial Intelligence-Based 3D Angiography，3DA） 之 間 的對(duì)比，并肯定了3DA的價(jià)值，認(rèn)為3DA能夠可靠的顯示腦血管并有減少患者輻射計(jì)量的可能，而國(guó)內(nèi)則僅有冠脈CTA的相關(guān)研究[14-15]。故本研究擬對(duì)VCTDSA和AI兩種技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)正常人頭頸CTA減影的效果，以明確AI能否替代VCTDSA法而提高放射科后處理的工作效率。

1 資料與方法

1.1 一般資料

回顧分析2018年1月至8月我院70名行頭頸CTA檢查的正常人的影像及臨床資料。排除標(biāo)準(zhǔn)：① 嚴(yán)重顱內(nèi)及頭頸血管疾病：顱腦外傷、腫瘤、腦出血、血管閉塞等；② 明顯的運(yùn)動(dòng)或金屬偽影干擾。共納入70例患者，平均年齡（61.14±12.80）歲；男性32例，平均年齡（59.72±12.69）歲；女性38例，平均年齡（62.34±12.93）歲。

1.2 儀器與方法

掃描方式：采用GE Discovery HD750 CT機(jī)，先小劑量團(tuán)注測(cè)試，后按照頭頸部VCTDSA的順序掃描患者。參數(shù)：管電壓平掃為100 kV、增強(qiáng)為120 kV；管電流為250～450 mA；層厚及層間距為5 mm；螺距為0.969；FOV為20～24 cm。原始圖像重建層厚為0.625 mm。

對(duì)比劑使用情況：使用高壓注射器經(jīng)肘靜脈先注射對(duì)比劑（優(yōu)維顯，370 mgI/mL），后跟注生理鹽水。小劑量團(tuán)注測(cè)試對(duì)比劑用量4.0 mL，生理鹽水用量15.0 mL，速率為4.0 mL/s ；VCTDSA對(duì)比劑用量45.0～55.0 mL，生理鹽水用量40.0 mL，速率同前[1]。

1.3 圖像后處理

將VCTDSA圖像分別導(dǎo)入AW4.6工作站（美國(guó)GE）和人工智能軟件（中國(guó) 數(shù)坤）[16]，同一操作者對(duì)其進(jìn)行減影后處理，并對(duì)減影后的圖像進(jìn)行評(píng)價(jià)。減影過(guò)程中計(jì)算兩者對(duì)頭頸CTA的減影時(shí)間。由于無(wú)論是VCTDSA還是AI，數(shù)據(jù)的重建均為后臺(tái)處理，該過(guò)程均不會(huì)占用操作者的時(shí)間，所以不納入后臺(tái)重建時(shí)間，僅計(jì)算減影的時(shí)間。并記錄兩個(gè)后處理方法所需圖像的患者輻射計(jì)量。

1.4 圖像評(píng)價(jià)及指標(biāo)

由2位有經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)師對(duì)AW4.6工作站和人工智能軟件減影后的圖像進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)，意見(jiàn)不一致時(shí)協(xié)商決定。

通過(guò)VR和MIP圖對(duì)頭頸主要血管進(jìn)行分段評(píng)價(jià)，分別為：① 動(dòng)脈系統(tǒng)：頸總動(dòng)脈、頸內(nèi)動(dòng)脈顱外段、頸內(nèi)動(dòng)脈顱內(nèi)段、椎動(dòng)脈顱外段、椎動(dòng)脈顱內(nèi)段、大腦前動(dòng)脈、大腦中動(dòng)脈、大腦后動(dòng)脈；② 靜脈系統(tǒng)：上矢狀竇、橫竇、乙狀竇。

根據(jù)血管完整性、光滑程度以及殘留雜質(zhì)的情況對(duì)血管進(jìn)行評(píng)分。評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：Ⅰ級(jí)：血管完整、光滑且無(wú)雜質(zhì)；Ⅱ級(jí)：血管完整，較為光滑，或少量雜質(zhì)干擾；Ⅲ級(jí)：血管完整但粗糙，或中量雜質(zhì)干擾，尚能進(jìn)行影像診斷；Ⅳ級(jí)：血管未顯示、中斷或大量雜質(zhì)干擾，無(wú)法做出影像學(xué)診斷。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

2 結(jié)果

2.1 兩種方法減影時(shí)間的差異

VCTDSA法和AI技術(shù)所需時(shí)間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001）（表 1）。

表1 VCTDSA和AI所需時(shí)間對(duì)比

2.2 兩種方法患者輻射計(jì)量對(duì)比

VCTDSA需要平掃及增強(qiáng)掃描，患者的平均CTDI為（30.12±2.05）mGy；DLP 為（1147.04±105.75）mGy.cm ；AI僅需要?jiǎng)用}期掃描，患者的平均CTDI為（18.72±2.03）mGy；DLP為（713.30±91.02）mGy.cm。

2.3 兩種方法減影效果的評(píng)價(jià)

AI在頸總動(dòng)脈、頸內(nèi)動(dòng)脈顱內(nèi)段以及椎動(dòng)脈顱外段的顯示上，優(yōu)于VCTDSA法，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；而VCTDSA在上矢狀竇、橫竇以及乙狀竇的顯示上，優(yōu)于AI，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（圖1～2，表2）。

圖1 VCTDSA和AI減影效果對(duì)比圖-后位靜脈圖

由于患者平掃和增強(qiáng)掃描未保持完全一致，故VCTDSA減影用時(shí)34 min 24 s，且多數(shù)血管顯示差，而AI減影僅需3.71 s，所示血管好。

VCTDSA減影用時(shí)301 s，且靜脈系統(tǒng)顯示良好，AI減影僅需2.55 s，但靜脈系統(tǒng)完全無(wú)法顯示。

表2 VCTDSA和AI減影效果對(duì)比[n(%)]

圖2 VCTDSA和AI減影效果對(duì)比圖-后位靜脈圖

3 討論

3.1 兩種技術(shù)所需時(shí)間及輻射計(jì)量對(duì)比

盡管AI目前未大量應(yīng)用于頭頸CTA后處理中，但本研究結(jié)果顯示，AI既省時(shí)省力又降低了患者的輻射計(jì)量，使得該技術(shù)在臨床工作中具有高度的可行性。VCTDSA法需要?jiǎng)用}期數(shù)據(jù)減去平掃期數(shù)據(jù)，從而得到僅剩對(duì)比劑充盈的血管圖像，然后后處理人員在此基礎(chǔ)上進(jìn)行手動(dòng)減影，去除血管以外殘留的雜質(zhì)以使圖像達(dá)到診斷水平[5]。這需要患者兩期掃描保持完全一致，若出現(xiàn)了些許運(yùn)動(dòng)，則會(huì)出現(xiàn)不匹配從而導(dǎo)致自動(dòng)減影效果差的情況[17]，這就增加了后處理人員手動(dòng)減影的難度以及時(shí)間。AI算法僅需要?jiǎng)用}期數(shù)據(jù)，對(duì)顱內(nèi)主要大血管進(jìn)行分割處理，從而只獲得顱內(nèi)主要大血管圖像，而大量的算法運(yùn)算時(shí)間都在后臺(tái)進(jìn)行，不耽誤后處理人員的工作時(shí)間，這也是在時(shí)間消耗上AI優(yōu)于VCTDSA法的根本原因。同樣也因?yàn)锳I較VCTDSA法而言所需數(shù)據(jù)少了一個(gè)平掃期，所以該技術(shù)大大降低了患者的輻射計(jì)量。

3.2 兩種技術(shù)減影效果對(duì)比

AI在頭頸CTA后處理中的減影圖像效果是其能否運(yùn)行于臨床的重要條件，故本研究將其與減影效果較好的VCTDSA法做對(duì)比，則可得到更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。在頸總動(dòng)脈、頸內(nèi)動(dòng)脈顱內(nèi)段以及椎動(dòng)脈顱外段的顯示上，AI優(yōu)于VCTDSA法（圖1）。主要的原因有：① 其他結(jié)構(gòu)的遮擋，比如未完全去除的甲狀腺、海綿竇則可分別導(dǎo)致頸總動(dòng)脈、頸內(nèi)動(dòng)脈顱內(nèi)段顯示欠佳；② 當(dāng)血管CT值較高且離骨組織較近時(shí)，易被誤認(rèn)為是骨組織而分割失敗[5]，出現(xiàn)血管壁毛糙或骨組織殘留，比如頸內(nèi)動(dòng)脈顱內(nèi)段近床突處、椎動(dòng)脈顱外段近橫突處。在上矢狀竇、橫竇以及乙狀竇的顯示上，VCTDSA法明顯優(yōu)于AI（圖2）。由于AI算法的原因，目前的版本無(wú)法分割顱內(nèi)大的靜脈系統(tǒng)，故AI不利于部分患者病變的顯示，比如顱內(nèi)靜脈血栓、靠近腦表面的動(dòng)靜脈畸形等。本研究和Lang等[13]的研究主要區(qū)別是：① 對(duì)比的技術(shù)不同。本研究主要對(duì)比的是VCTDSA法和AI在頭頸血管減影的效果，后者則主要對(duì)比的是3D-DSA和3DA之間的對(duì)比；② 涉及對(duì)比的主要血管不同。他們只針對(duì)wilis環(huán)作對(duì)比，而本研究擴(kuò)大了對(duì)比范圍（增加了頸總動(dòng)脈、頸內(nèi)動(dòng)脈顱外段以及椎動(dòng)脈和顱內(nèi)主要靜脈）；③ 樣本量的不同。本研究70例樣本遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于后者的15例樣本。但總的來(lái)講，兩個(gè)研究的結(jié)果均證實(shí)了AI在顱內(nèi)動(dòng)脈系統(tǒng)有著極好的顯示作用。

3.3 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)比VCTDSA和AI兩種技術(shù)在正常人頭頸CTA減影中的時(shí)間、輻射計(jì)量以及圖像質(zhì)量等方面的研究，分析并總結(jié)得出：臨床醫(yī)生若對(duì)顱內(nèi)動(dòng)靜脈均有需求，可選擇動(dòng)靜脈均顯示較好的VCTDSA法；若僅對(duì)顱內(nèi)動(dòng)脈有需求，AI可替代VCTDSA法。

本研究創(chuàng)新于探討頭頸CTA后處理常規(guī)VCTDSA技術(shù)和AI的對(duì)比，同樣也發(fā)現(xiàn)了一些不足：① 本研究主要對(duì)比的是頭頸主要?jiǎng)屿o脈的一二級(jí)分支，并未涉及到遠(yuǎn)段分支血管，如何使減影技術(shù)將遠(yuǎn)段血管顯示清楚值得深入探討研究；② 本研究并未探討AI技術(shù)對(duì)于頭頸血管性疾病（動(dòng)脈瘤、動(dòng)靜脈畸形、腫瘤性病變的血供情況）的減影效果，而這也將是本團(tuán)隊(duì)下一步的研究方向。當(dāng)前正是AI技術(shù)發(fā)展的黃金時(shí)代，不停學(xué)習(xí)完善的AI技術(shù)也將為臨床應(yīng)用的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。