70 kVp 聯(lián)合深度學(xué)習(xí)算法改進(jìn)兒童腹部雙低CTA 圖像質(zhì)量的研究

孫記航 劉志敏 霍愛華 王蓓 王帆寧 高軍 彭蕓

為了降低患者，特別是兒童患者輻射損傷的潛在風(fēng)險(xiǎn)，低劑量CT 已經(jīng)被廣泛應(yīng)用［1,2］，同時(shí)，為進(jìn)一步降低對(duì)比劑誘發(fā)腎病的潛在風(fēng)險(xiǎn)，低輻射劑量和低對(duì)比劑劑量的“雙低”CT 血管造影（CT angiography，CTA）已開始廣泛應(yīng)用［3,4］。受益于低電壓掃描下，可增加碘離子吸收率，從而提高碘對(duì)比劑的增強(qiáng)效果［5］，因此低電壓掃描常成為雙低CTA 的必須手段，特別是70 kVp 的低電壓掃描，更適合兒童使用［6-9］。近年來，雙低CTA 常規(guī)結(jié)合迭代重組（iterative reconstruction，IR）算法使用，以降低圖像噪聲，提升血管的對(duì)比噪聲比（contrast to noise ratio，CNR），以滿足診斷要求［10-13］。由于IR 算法依靠預(yù)制的物理模型來計(jì)算以達(dá)到消除圖像噪聲的目的［14］，所以IR 算法的降噪能力會(huì)受到建模數(shù)量和復(fù)雜度的限制，在高權(quán)重IR 重組過程中，會(huì)導(dǎo)致圖像失真，出現(xiàn)模糊偽影或斑點(diǎn)狀外觀［15］，大大影響了圖像的降噪效率，實(shí)際臨床工作中往往需要對(duì)IR 權(quán)重進(jìn)行限制，通常50%為臨床常用權(quán)重［16,17］，雖然更高的權(quán)重可使圖像噪聲降低，但會(huì)犧牲圖像分辨率，影響圖像的組織清晰度，不能帶來更佳的診斷效果。為了在降低圖像噪聲過程中消除這種模糊偽影，基于人工智能和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)圖像重組（deep learning image reconstruction，DLIR）算法得到發(fā)展。研究表明，使用DLIR 可在避免IR 算法模糊偽影同時(shí)進(jìn)一步降低圖像噪聲，提高圖像質(zhì)量［16］。筆者擬嘗試?yán)肈LIR 重組算法來優(yōu)化兒童腹部雙低CTA 圖像，觀察DLIR 是否可在低輻射劑量、低對(duì)比劑量的前提下，提升圖像質(zhì)量。

資料與方法

本研究得到本院倫理委員會(huì)的批準(zhǔn)。在行腹部CTA 檢查前獲得家長(zhǎng)的書面知情同意書。本研究選取北京市兒童醫(yī)院2019 年9 月16 日～2019年11 月30 日間行腹部CTA 檢查的連續(xù)病例納入觀察組，采用低劑量雙低CTA 掃描方案進(jìn)行檢查；對(duì)照組選取2019 年6 月1 日～8 月31 日使用常規(guī)低輻射劑量方案掃描的腹部CTA 病例。觀察組37 例[7 個(gè)月～14歲，平均（6.87±3.11）歲]，對(duì)照組34 例[年齡1～15歲，平均（6.34±3.11）歲]。

1.CT 數(shù)據(jù)采集

所有檢查均在256 排多排CT 掃描儀（Revolution CT，GE Healthcare）上進(jìn)行，觀察組使用雙低CTA檢查方案，掃描管電壓70 kV，采用自動(dòng)管電流調(diào)節(jié)技術(shù)，根據(jù)患兒年齡設(shè)置不同的噪聲指數(shù)（noise index，NI），0～2歲NI=11，3～6歲NI=13，7～18歲NI=15，管電流范圍10～500 mA，轉(zhuǎn)速為0.5 s。對(duì)照組使用常規(guī)低輻射劑量檢查方案，采用固定管電壓100 kV，余掃描參數(shù)相同。所有檢查探測(cè)器寬度為40 mm，掃描層厚為5.0 mm，層厚間距為5.0 mm。檢查時(shí)確保患兒處于安靜狀態(tài)時(shí)進(jìn)行，對(duì)于不能合作的兒童，給予10%水合氯醛口服安睡后進(jìn)行檢查，劑量為0.4 ml/kg（按體重計(jì)）。

2.增強(qiáng)掃描方案

對(duì)比劑均使用碘克沙醇（320 mg I/ml，威視派克，GE Healthcare），對(duì)比劑用量根據(jù)兒童體重調(diào)整，觀察組為低對(duì)比劑用量：3～5 kg 為1.6 ml/kg，5.1～10 kg 為1.4 ml/kg，10.1～20 kg 為1.2 ml/kg，20.1～50 kg 為1.0 ml/kg。對(duì)照組為常規(guī)對(duì)比劑用量：3～5 kg 為1.8 ml/kg，5.1～10 kg 為1.6 ml/kg，10.1～20 kg 為1.4 ml/kg，20.1～50 kg 為1.2 ml/kg。使用單頭電動(dòng)高壓注射器注射對(duì)比劑，注射流率根據(jù)用藥總量調(diào)整，保證注射時(shí)間為15 s。于注射完畢2 s 后開始CTA 掃描，掃描過程中患兒仰臥位，雙臂舉過頭頂，平靜呼吸。掃描范圍上緣包括膈面頂部，下緣至髂前上棘連線水平。

3.CT 數(shù)據(jù)重組

觀察組將得到的雙低CTA 原始數(shù)據(jù)重組為高強(qiáng)度權(quán)重的DLIR 圖像（DL-H）。對(duì)照組將得到的常規(guī)低輻射劑量CTA 原始數(shù)據(jù)重組為50%ASIR-V 圖像。兩組圖像均重組為層厚0.625 mm，層間距0.625 mm 的標(biāo)準(zhǔn)算法圖像，不采用任何圖像增強(qiáng)。

4.圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)

所有圖像均傳輸至Advantage Workstation 工作站（AW 4.7，GE Healthcare）。兩名分別有15 年和8 年兒童放射診斷經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師共同采用5 分制對(duì)所有圖像進(jìn)行主觀圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)過程中所有病人信息和掃描方案相關(guān)的信息全部進(jìn)行屏蔽，觀察者可以根據(jù)自己的觀察習(xí)慣自由調(diào)整圖像的窗寬和窗位，并允許使用多平面重組和三維重組技術(shù)對(duì)血管進(jìn)行評(píng)估。若兩位觀察者評(píng)分不一樣，則邀請(qǐng)另一位具有20 年兒童放射診斷經(jīng)驗(yàn)的資深放射科醫(yī)師對(duì)圖像進(jìn)行評(píng)估并給出最終分?jǐn)?shù)。主觀評(píng)分包括圖像噪聲、血管邊緣清晰度和血管對(duì)比度三項(xiàng)，均為5 分制（表1）。

主觀評(píng)價(jià)后，兩名觀察者一起在工作站上進(jìn)行客觀測(cè)量，選取肝門層面作為測(cè)量層面，在腹主動(dòng)脈（aorta，Ao）中央放置類圓形興趣區(qū)，興趣區(qū)直徑為同層面降主動(dòng)脈直徑的1/2，測(cè)量其CT 值和標(biāo)準(zhǔn)差（standard deviation，SD）值，標(biāo)準(zhǔn)差即為血管噪聲值。同時(shí)，在該層面左側(cè)豎脊肌中央密度均勻區(qū)域放置同樣面積類圓形興趣區(qū)，測(cè)量肌肉（muscle，Mu）的CT 值及SD值，最后，測(cè)量圖像CNR，具體公式為：

5.統(tǒng)計(jì)分析

所有數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示。使用配對(duì)t 檢驗(yàn)對(duì)2組圖像結(jié)果進(jìn)行比較。P＜0.05 被認(rèn)為有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的差異。

結(jié)果

放射劑量方面，觀察組與對(duì)照組CTDIvol值無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異［（1.47±0.26）mGy 比（1.55±0.48）mGy，P＞0.05］。觀察組的對(duì)比劑用量為（28.19±13.47）ml，較對(duì)照組的（37.25±10.62）ml 用量減少了24.32%（P＜0.05）。客觀評(píng)分結(jié)果及主觀評(píng)分結(jié)果見表2，肌肉和主動(dòng)脈的圖像噪聲觀察組較對(duì)照組分別減少了23.72%及24.89%，CNR 顯著提高了56.08%（P 均<0.05）。主觀評(píng)價(jià)顯示血管對(duì)比度兩組圖像差異不明顯，圖像噪聲及血管壁清晰程度觀察組質(zhì)量均有所提高（P 均<0.05）（圖1，2）。

圖1 a)CTA 軸位及b)冠狀位重組圖，檢查對(duì)象為5歲男孩（16 kg），使用70 kV 掃描，軸位掃描層面電流為241 mA，CTDIvol為1.08 mGy，DLP 為24.11 mGy·cm，一共使用了18 ml 對(duì)比劑（1.13 ml/kg），腹主動(dòng)脈CT 值為375.0 HU，噪聲為18.9 HU，同層面豎脊肌CT 值為51.8 HU，噪聲為12.1 HU，主觀評(píng)分血管對(duì)比度很好（4 分），血管邊緣清晰（4 分），噪聲較少（3 分）圖2 a)CTA 軸位及b)冠狀位重組圖，檢查對(duì)象為4歲男孩（18 kg），使 用100 kV 掃 描，軸位掃描層面電流 為137 mA，CTDIvol為1.55 mGy，DLP 為36.28 mGy·cm，一共使用了26 ml 對(duì)比劑（1.44 ml/kg），腹主動(dòng)脈CT 值為246.1 HU，噪聲為38.6 HU，同層面豎脊肌CT 值為55.8 HU，噪聲為15.7 HU，主觀評(píng)分血管對(duì)比度可接受（3 分），血管邊緣清晰程度可接受（3 分），噪聲很多（2 分）

表1 主觀評(píng)分評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表2 主觀及客觀評(píng)價(jià)結(jié)果

討論

隨著高轉(zhuǎn)速、寬體探測(cè)器、低管電壓、管電流自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)等方法的開發(fā)和應(yīng)用，如今CT 掃描的輻射劑量已大大降低。在此基礎(chǔ)上，有學(xué)者提出了雙低CTA 掃描方案，即低輻射劑量與低對(duì)比劑用量相結(jié)合，可以在低輻射劑量的基礎(chǔ)上，同時(shí)減少對(duì)比劑引起的腎臟損傷。為此，設(shè)計(jì)了此次雙低CTA 掃描研究。鑒于我院所使用的CTA 方案在輻射劑量方面已經(jīng)較低，不具備進(jìn)一步降低輻射劑量的基礎(chǔ)，所以，本次研究中，筆者在對(duì)DLIR 未做過前期研究的情況下，沒有進(jìn)一步降低放射劑量，僅減少對(duì)比劑用量，即將原始的低輻射劑量CTA 改為雙低CTA，以保證圖像滿足診斷要求。對(duì)于CTA 檢查，最關(guān)鍵的評(píng)價(jià)指標(biāo)就是對(duì)比噪聲比，此指標(biāo)主要與血管的強(qiáng)化程度正相關(guān)，與圖像噪聲強(qiáng)度負(fù)相關(guān)，在血管強(qiáng)化程度提升方面，此次研究應(yīng)用了70 kV 的低電壓掃描技術(shù)，較常規(guī)100 kV 掃描大幅度提升血管的強(qiáng)化程度，雖然研究組的對(duì)比劑用量較對(duì)照組減少了24.32%，但是受益于碘離子在低電壓情況下出現(xiàn)K 峰［5］，可大幅度提升CT 值，所以觀察組的CT 值反而較對(duì)照組提升了21.50%達(dá)（401.41±108.21）HU，于此同時(shí)，在圖像噪聲控制方面，在相同掃描劑量下，DL-H 的降低噪聲的效果也優(yōu)于常規(guī)的50%ASIR-V 算法，可以降低約24%的噪聲，所以，通過聯(lián)合使用70 kV低電壓掃描和DLIR 技術(shù)，在降低24.32%對(duì)比劑用量的情況下，CNR 提升了56.08%，大大提高了CTA 圖像質(zhì)量（圖1、2）。在圖像重組算法選擇方面，由于IR 需要使用固定的預(yù)制數(shù)據(jù)模型來重組數(shù)據(jù)，在設(shè)計(jì)方法選擇上存在不足，即需要使用預(yù)制的物理模型來計(jì)算消除圖像噪聲［18,19］，所以IR 算法會(huì)受到建模復(fù)雜度的限制，通過使用不同的迭代權(quán)重來維持圖像空間分辨率和圖像噪聲之間的平衡［19,20］，更高的IR 權(quán)重可以使圖像噪聲降低，但會(huì)犧牲圖像分辨率，影響圖像組織的清晰度，使圖像出現(xiàn)片狀或塑料樣偽影，影響圖像的主觀觀察效果，雖然測(cè)量的圖像噪聲值很低，但是對(duì)提升圖像主觀質(zhì)量實(shí)際幫助不大［21,22］。所以在實(shí)際臨床工作中，往往需要對(duì)IR 權(quán)重進(jìn)行限制，通常50%為臨床常用權(quán)重，DLIR 不同于傳統(tǒng)的IR算法，它可以通過深度學(xué)習(xí)過程重構(gòu)圖像，無需將實(shí)際系統(tǒng)的復(fù)雜模型簡(jiǎn)化為有限的數(shù)據(jù)模型。這些模型可以通過訓(xùn)練過程直接形成，具有較高的維數(shù)和數(shù)百萬(wàn)個(gè)參數(shù)，可同時(shí)由計(jì)算機(jī)進(jìn)行訓(xùn)練和處理。DLIR 算法在抑制噪聲的同時(shí)重組CT 圖像，在不改變?cè)肼暭y理或不影響解剖和病理結(jié)構(gòu)的情況下顯示出巨大的潛力，在此過程中產(chǎn)生的圖像信息的完整性保持不變，無任何人為添加或遺漏的發(fā)現(xiàn)［21,22］。DLIR 可以克服傳統(tǒng)IR算法在圖像噪聲和空間分辨率之間的妥協(xié)，這在體模研究和一些最新的臨床研究中得到了證實(shí)。

主觀評(píng)分結(jié)果方面，顯示在相同放射劑量水平下，DL-H 的降噪較常規(guī)50%ASIR-V 提升（圖像噪聲評(píng)分，2.91±0.43 比2.00±0.52），顯示DL-H圖像在0.625 mm 薄層圖像上，接近5 mm 層面圖像的診斷要求（3 分）。在血管對(duì)比度方面，主要與血管CT 值有關(guān)，所以兩組圖像主觀評(píng)分差距不大。血管邊緣清晰程度方面，根據(jù)之前的研究成果，高權(quán)重的ASIR-V 或先進(jìn)的基于模型的迭代重組算法［14］也可達(dá)類似的降噪效果，但很少應(yīng)用于臨床，主要是由于高權(quán)重的IR 算法在降低噪聲的同時(shí)，會(huì)使圖像噪聲頻率譜（noise power spectrum）向左移，使圖像更模糊，組織邊界模糊［15］，不利于顯示組織結(jié)構(gòu)，雖然圖像噪聲測(cè)量值降低，但沒有提升對(duì)圖像內(nèi)不同密度結(jié)構(gòu)的辨別能力，所以高權(quán)重的IR 沒有真正提升圖像質(zhì)量。本研究顯示DLIR 圖像在雙低條件下，血管邊緣對(duì)比度有進(jìn)一步提升（P<0.001），體現(xiàn)出DLIR 在降低圖像噪聲的基礎(chǔ)上，不改變圖像紋理特征。

本次研究尚存在一些不足之處：（1）本研究為前瞻性預(yù)實(shí)驗(yàn)，所以入組病例數(shù)量較少，沒有對(duì)患兒年齡進(jìn)行分層，需要在進(jìn)一步的研究中提升樣本量；（2）為了不對(duì)患兒造成不必要的傷害，根據(jù)之前的研究成果，選擇70 kVp 掃描并降低了對(duì)比劑用量，但是由于之前沒有兒童DLIR 應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，所以本次研究沒有進(jìn)一步降低放射劑量。結(jié)果顯示DLIR 可有效的降低圖像噪聲并提升圖像質(zhì)量，進(jìn)一步降低放射劑量。

采用70 kVp 結(jié)合DLIR 算法在兒童低輻射劑量和對(duì)比劑量下能獲得良好的0.625 mm 薄層腹部CTA 圖像，為進(jìn)一步降低放射劑量提供了新途徑。