超低管電壓聯(lián)合DLIR-H算法在冠脈CT血管成像“雙低”掃描中的應(yīng)用價值

文雨婷，李萬江，李真林，潘雪琳，帥桃，劉嘉麗

四川大學(xué)華西醫(yī)院 放射科，四川 成都 610041

引言

冠狀動脈CT血管成像（Coronary Computed Tomography Angiography，CCTA）是一種無創(chuàng)、風(fēng)險小且臨床診斷率高的檢查手段，廣泛應(yīng)用于冠心病的篩查、診斷及術(shù)后復(fù)查等[1]。然而，CCTA因其電離輻射特性備受外界關(guān)注[2]。降低輻射劑量的途徑有多種，包括降低管電壓、采用前門控技術(shù)以及圖像重建算法等，均可直接或間接降低CCTA輻射劑量[3-4]。同時，隨著對比劑腎病的不斷報道，CT檢查中的對比劑用量成為另一大安全隱患[5]。因此，雙低掃描（低輻射劑量、低對比劑用量）成為現(xiàn)階段CT增強檢查的熱門研究方向。降低管電壓是實現(xiàn)雙低掃描最有效的方法，但往往會因為X線能量降低，穿透力減弱，圖像噪聲增加，從而影響診斷[6]。近年來，隨著人工智能技術(shù)的不斷成熟，深度學(xué)習(xí)已逐漸應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，例如計算機輔助診斷、圖像質(zhì)量控制等[7]。有報道指出深度學(xué)習(xí)圖像重建（Deep Learning Image Reconstruction，DLIR）算法的降噪能力高于自適應(yīng)統(tǒng)計迭代重建（Volume-based Adaptive Statistical Iterative Reconstruction，ASIR-V）[8]。GE新一代Revolution Apex CT可提供70 kVp掃描模式，同時具備DLIR和ASIR-V降噪算法。本研究旨在探討與傳統(tǒng)120 kVp聯(lián)合ASIR-V算法相比，超低管電壓（70 kVp）聯(lián)合高權(quán)重深度學(xué)習(xí)圖像重建（High-strength Deep Learning Image Reconstruction，DLIR-H）算法在常規(guī)體質(zhì)指數(shù)（Body Mass Index，BMI）（BMI<24 kg/m2）患者行CCTA掃描時,對輻射劑量、對比劑用量和圖像質(zhì)量的影響。

1 資料與方法

1.1 一般資料

前瞻性收集2021年3—5月因疑似冠狀動脈疾病于我院擬行CCTA檢查的患者72例。納入標(biāo)準(zhǔn)：①BMI<25 kg/m2；② 呼吸配合良好。排除標(biāo)準(zhǔn)：① 碘對比劑過敏；② 甲狀腺疾病；③ 嚴(yán)重腎功能不全或腎衰竭；④ 心功能不全或心力衰竭；⑤ 冠狀動脈搭橋或支架植入術(shù)后。將72例患者隨機分為A、B兩組，每組36例。A組男17人，女19人，年齡33～82歲，平均（63.50±12.62）歲，該組患者在70 kV管電壓下行CCTA。B組男18人，女18人，年齡51～82歲，平均（64.89±10.17）歲，該組患者在傳統(tǒng)120 kV管電壓下行CCTA。本研究已通過本院倫理委員會審核，并且所有研究對象于檢查前簽署對比劑使用知情同意書。

1.2 儀器與方法

所有患者均使用256排寬體探測器CT掃描儀（Revolution Apex CT；GE Healthcare）行CCTA掃描。患者足先進(jìn)、仰臥位，雙手上舉置于頭側(cè)，掃描前進(jìn)行呼吸訓(xùn)練并連接心電門控電極，CCTA掃描范圍自氣管分叉部至心底。兩組均采用自動管電流調(diào)節(jié)技術(shù)，球管轉(zhuǎn)速0.28 s/r，掃描層厚0.625 mm。A組采用70 kV管電壓，噪聲指數(shù)（Noise Index，NI）設(shè)置30 HU，管電流范圍500～1300 mA；B組采用傳統(tǒng)120 kV管電壓，NI設(shè)置22 HU，管電流范圍400～900 mA。CCTA掃描時相：若患者心律齊（心率變化≤10次/min），心動周期采集收縮期（40%～55%）和舒張期（70%～80%）；心律不齊（心率變化>10次/ min），采用自動心電門控觸發(fā)掃描。選用高濃度對比劑碘美普爾（400 mg/mL），A組用量16 mgI/(kg.s)，B組用量32 mgI/(kg.s)，兩組均以10 s的對比劑注射持續(xù)時間計算對比劑注射流速，再分別以同等流速追加30 mL生理鹽水。采用對比劑追蹤技術(shù)，在升主動脈根部設(shè)置監(jiān)測興趣區(qū)，閾值150 HU，延遲時間3.1 s；平靜呼吸下屏氣曝光。根據(jù)CT設(shè)備智能時相技術(shù)自動推薦最佳心臟時相, 并采用快速凍結(jié)技術(shù)（Snap Shot Freeze，SSF）進(jìn)行心臟搏動偽影的校正。A、B組分別采用DLIR-H與50%ASIR-V算法進(jìn)行圖像重建。

1.3 圖像分析

1.3.1 圖像質(zhì)量主觀評價

利用GE ADW4.7工作站對CCTA進(jìn)行圖像分析。圖像后處理技術(shù)包括：冠狀動脈采用最大密度投影、容積再現(xiàn)、曲面重建及多平面重建等。由兩名具有5年或以上心血管診斷經(jīng)驗的影像醫(yī)師采用盲法評分，圖像評級參考美國心臟協(xié)會5分評價系統(tǒng)：5分，圖像質(zhì)量優(yōu)，血管邊界顯示清晰，無運動偽影，圖像噪聲小；4分，圖像質(zhì)量良好，血管邊界分界基本清晰，少量運動偽影，圖像噪聲小于平均水平；3分，可診斷，、圖像質(zhì)量欠佳但可以接受，圖像噪聲平均；2分，診斷困難，圖像質(zhì)量較差，血管邊界欠連續(xù)，圖像噪聲高于平均水平；1分，不可診斷，圖像質(zhì)量差，血管顯示模糊不清，運動偽影重，圖像噪聲高[9]。

1.3.2 圖像質(zhì)量客觀評價

由兩名研究者分別于橫軸位圖像主動脈根部層面測量胸壁脂肪CT值的標(biāo)準(zhǔn)差（Standard Deviation，SD），取兩者平均值作為圖像噪聲，兩組感興趣區(qū)（Region of Interest，ROI）大小設(shè)置、形態(tài)及位置一致。同時測量右冠狀動脈（Right Coronary Artery，RCA）、左冠狀動脈前降支（Left Anterior Descending，LAD）與回旋支（Left Circumflex，LCX）近段的CT值，計算信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）及對比噪聲比（Contrast to Noise Ratio，CNR）。計算公式：SNR=CT血管/SD；CNR=（CT血管-CT脂肪）/SD；CT血管為目標(biāo)血管腔內(nèi)的CT值，CT脂肪為血管臨近胸壁脂肪組織的CT值。測量時盡量避開鈣化、斑塊及狹窄部位。

1.4 輻射劑量分析

掃描結(jié)束后，記錄計算機自動生成的容積CT劑量指數(shù)（CT Dose Index Volume，CTDIvol）， 單 位：mGy；以及放射劑量長度乘積（Dose Length Product，DLP），單位：mGy.cm。患者所接受的輻射劑量采用有效輻射劑量（Effective Dose，ED）表示，單位：mSv，計算公式為：ED=k×DLP，其中k為轉(zhuǎn)換系數(shù)，參照歐洲CT質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)指南取胸部平均值0.014 mSV/(mGy.cm)[10]，同時計算并記錄碘攝入量。

1.5 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 19.0統(tǒng)計分析軟件。計量資料用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示。連續(xù)變量間差異比較采用獨立樣本t檢驗，包括SD、SNR、CNR、輻射劑量及碘攝入量；圖像主觀評分比較采用Mann-WhitneyUtest。兩名影像醫(yī)師評分的一致性評價采用Kappa檢驗（Kappa值≥0.7一致性良好，0.4

2 結(jié)果

2.1 患者一般資料對比

兩組患者年齡、性別、BMI及平均心率差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P>0.05），見表1。

表1 兩組患者一般資料及劑量對比

2.2 圖像質(zhì)量評價

72例患者共測量216支冠狀動脈分支，血管CT值均高于300 HU。兩組患者冠脈CT值無明顯差異（P>0.05）；A組圖像噪聲低于B組（P<0.05），A組SNR、CNR均高于B組（P<0.05）。兩組圖像主觀評分均≥3分，可用于診斷；A組主觀質(zhì)量評分高于B組（P<0.05）。兩名診斷醫(yī)生評分一致性良好，Kappa值均>0.7（P<0.05），見圖1、表2～3。

圖1 2例患者冠狀動脈分支圖像

表2 兩組客觀圖像質(zhì)量評價對比

表3 兩組主觀圖像質(zhì)量評價對比

2.3 輻射劑量及對比劑用量對比

兩組間DLP、CTDIvol、ED及對比劑用量差異均有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.05）。A組ED（0.82±0.15）mSv，B組ED（2.23±0.93）mSv，A組較B組ED降低63.2%。A組對比劑用量（22.87±4.06）mL明顯低于B組（48.64±7.09）mL，減少了53%，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.05），見表1。

3 討論與總結(jié)

當(dāng)代CT技術(shù)的發(fā)展方向?qū)@“快速、低劑量、深度學(xué)習(xí)及多能量”四個方向進(jìn)行[11]。本研究結(jié)合了快速成像設(shè)備、低管電壓與低碘對比劑用量及DLIR-H算法的綜合掃描方案，為正常BMI患者行CCTA檢查提供了更安全高效的選擇。本研究中，A組平均ED為0.82 mSv，達(dá)到了亞毫希伏級成像，表明70 kVp低管電壓可明顯降低輻射劑量，相較于B組120 kVp高千伏掃描方案降低了63.2%；A組對比劑用量比B組降低了53%，相當(dāng)于傳統(tǒng)120 kVp CCTA掃描方案對比劑總量的一半。同時，70 kVp組聯(lián)合DLIR-H算法可有效降低圖像噪聲，SNR、CNR均高于120 kVp組，在實現(xiàn)雙低掃描的前提下提高了圖像質(zhì)量。

雙低掃描最大的挑戰(zhàn)在于如何在降低輻射劑量和對比劑用量的同時使圖像質(zhì)量達(dá)到臨床診斷標(biāo)準(zhǔn)。眾所周知，X線的穿透能力取決于管電壓的大小。管電壓越低，X線電子能量越低，患者接受的輻射劑量越少；但隨著X線穿透人體組織的能力降低，獲取圖像量子噪聲升高，圖像質(zhì)量降低[12]。本研究實驗組雖采用70 kVp低管電壓掃描，但其自動毫安調(diào)制范圍高于對照組，可補償由于X線能量不足造成的穿透力減弱；再結(jié)合DLIR-H算法高強度的降噪能力，最終使圖像質(zhì)量優(yōu)于傳統(tǒng)高千伏聯(lián)合迭代重建算法方案。70 kVp管電壓的應(yīng)用，使得X線平均電子能量更接近于碘原子的K緣，對比劑衰減效果增強，目標(biāo)血管CT值明顯增加，可在保證冠狀動脈與背景組織對比度的前提下大幅度降低碘對比劑用量，降低注射流速，從而有效減少對比劑不良反應(yīng)、降低對比劑外滲的風(fēng)險[13]。

自CT掃描技術(shù)問世以來，用于改善圖像質(zhì)量的重建算法也應(yīng)運而生，早期應(yīng)用廣泛的有濾波反投影（Filtered Back Projection，F(xiàn)BP） 和 迭 代 重 建（Iterative Reconstruction，IR）[14]。FBP技術(shù)主要通過高通濾波器的原理穩(wěn)定、高效地創(chuàng)建圖像，是早期最常用的重建方法；IR算法則通過圖像預(yù)估和迭代校正的方式重建圖像，進(jìn)而提升圖像質(zhì)量。與FBP相比，IR算法可降低胸部增強CT近50%的平均ED，因此IR算法逐漸取代FBP技術(shù)，成為普遍認(rèn)可的CT圖像重建算法[15]。隨著人工智能技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)降噪算法開始用于CT圖像優(yōu)化[16]。與IR算法相比，深度學(xué)習(xí)重建算法具有幾點優(yōu)勢：① DLIR具備更強的降噪能力；② 噪聲與輻射劑量密切相關(guān)，DLIR可允許更低的輻射劑量；③ 通過從厚層圖像中創(chuàng)建薄層圖像虛擬改善空間分辨率；④ DLIR可有效改善線束硬化偽影[17]。本研究中采用70 kVp聯(lián)合DLIR-H算法對比120 kVp聯(lián)合50%ASIR-V算法的CCTA掃描方案，結(jié)果顯示低管電壓組SNR及CNR均高于高管電壓組，表明DLIR具有更佳的圖像修正能力。

本研究仍有一些不足：未將冠狀動脈支架植入術(shù)后及嚴(yán)重鈣化的患者納入本研究，DLIR對該類圖像質(zhì)量校正效果如何有待進(jìn)一步探究。本研究病例偏少,研究結(jié)果可能存在偏倚，有待收集更多病例做進(jìn)一步的研究。

綜上所述，70 kVp低管電壓聯(lián)合DLIR-H算法行CCTA掃描時可有效降低輻射劑量及對比劑用量，同時改善血管圖像質(zhì)量，對臨床選擇安全高效的冠狀動脈成像方案具有重大意義。