數(shù)字化導管定位X線圖像的視覺分級分析：雙能量減影和導管類型對圖像質(zhì)量的影響＊

馬超偉 何子福 彭 銳文娣娣 白亞妮

1.空軍軍醫(yī)大學西京醫(yī)院放射科(陜西 西安 710032)

在患者體內(nèi)預植入導管已成為臨床治療方案中搭建體液通路的首選，體內(nèi)置管具有創(chuàng)傷小、留管時間長、操作簡便的優(yōu)勢，且有效減少了藥物對需長期輸液患者外周靜脈刺激所帶來的副反應[1]。FDA(the Food and Drug Administration)標準建議將經(jīng)外周靜脈置入中心靜脈導管 (peripherally inserted central catheter，PICC)末端放置于上腔靜脈右心房入口上1～2cm或上腔靜脈中下1/3處最為佳[2]，置管末端留置位置的準確是PICC術(shù)成功的關(guān)鍵，利用胸部X線攝影去評價PICC置管位置已成為臨床的必要選擇。胸部X線攝影具有快速、簡便、準確率高且費用低的特點，為臨床治療提供了可靠支持。但在放射實踐中也同時發(fā)現(xiàn)X攝影的不足之處，重疊的解剖結(jié)構(gòu)及病理變化會在正面遮蓋導管位置，混淆的背景結(jié)構(gòu)會增加判斷導管位置的難度，甚至存在無法診斷的可能，增加了患者治療的風險和不確定性。

基于數(shù)字化攝影(digital radiography，DR)和計算機輔助診斷技術(shù)的發(fā)展，能量減影(energy subtraction，ES)為臨床提供了一種新的解決方案，ES可以輕松識別許多人體內(nèi)的異物和設(shè)備，包括金屬、硅膠或塑料制品[3-4]。雙能量減影(dualenergy subtraction，DES)技術(shù)是經(jīng)高低兩種不同能量(管電壓值通常在120kV與60kV)的X線曝光后，計算機對兩次曝光獲得的組織衰減數(shù)據(jù)做加權(quán)減法，產(chǎn)生獨立的骨組織圖像與軟組織圖像，實現(xiàn)了解剖結(jié)構(gòu)上的“骨肉分離”，從而改善了鈣化和非鈣化病變的檢測特征，提高X光片上細微病變的診斷準確性[5]。Peter vock等[2,5]的研究認為PICC 導管定位是X線DES技術(shù)在臨床的重要應用方向，建議DES作為PICC定位的首選。熊鼐[6]的研究中也給出了類似的結(jié)論。然而PICC并不是臨床治療中唯一的體內(nèi)置管類型，植入式靜脈輸液港(venous port aces，VPA)、腹膜透析管(peritoneal dialysis catheter，PDC)及腎盂輸尿管雙J管(double-pigtail stents，DPS)都是影像檢查中常見的類型，腹部導管定位X線圖像同樣存在解剖結(jié)構(gòu)、病變與導管的部分容積效應，利用DES技術(shù)輔助診斷腹部X線圖像中導管定位的研究報道目前較少。

對患者進行準確的診斷是放射檢查的主要目的，投照技術(shù)的所有優(yōu)化都應集中在產(chǎn)生的圖像上，圖像質(zhì)量的優(yōu)劣決定了患者病變的診斷質(zhì)量。但是，優(yōu)化是一個復雜的過程，涉及圖像質(zhì)量的差異化與臨床治療的相關(guān)性研究等多種因素。視覺等級分析(visual grading analysis，VGA)評估圖像質(zhì)量是一種基于圖像內(nèi)可見結(jié)構(gòu)的可見性和再現(xiàn)性來測量圖像質(zhì)量的簡單且直觀的方法，解剖結(jié)構(gòu)與病理變化在圖像上呈現(xiàn)時，觀察者使用已定義解剖結(jié)構(gòu)的絕對或相對等級量表對圖像印象打分[7-11]。VGA研究的設(shè)置較ROC(receiver operating characteristics，ROC)分析方法容易，更適用于站在放射技師的角度去設(shè)計優(yōu)化研究[8,12]。

因此，本文目的是：(1)使用視覺等級特征分析(visual grading characteristics analysis ，VGC)[7]的方法評估DES與DR在以上四種導管類型定位X線圖像質(zhì)量，(2)比較分析DR與DES兩種攝影技術(shù)的輻射劑量變化。

1 資料與方法

1.1 一般資料回顧性分析從我院2019年1月至2020年4月申請X線導管末端定位的患者影像，根據(jù)以下標準最終進入研究的患者69例，其中男40例，女29例，年齡范圍14～82歲，平均年齡52.9歲。

納入標準：DR檢查時已完成導管置入術(shù)；檢查目的包含標注體內(nèi)導管末端位置；患者影像資料來自同一臺檢查設(shè)備；使用DES技術(shù)輔助診斷時均經(jīng)患者同意；影像診斷結(jié)果已證實體內(nèi)導管末端位置。排除標準：使用床旁X線設(shè)備獲得影像；異物偽影干擾嚴重且無法摘除；病理基礎(chǔ)較嚴重的患者導致影像解剖細節(jié)缺失。

1.2 研究設(shè)計納入研究的69例病例圖像依據(jù)攝影部位分為胸部組(39例)、腹部組(30例)，每位病例包括同一時間段內(nèi)DR與DES兩次攝影后采集的影像資料。胸部組依據(jù)類型分為PICC組(32例)與輸液港組(7例)，腹部組分為腹透管組(18例)，輸尿管組(12例)，納入研究的導管類型在各組內(nèi)部固定為同種規(guī)格，其中導管直徑和末端材質(zhì)為：PICC，單腔4F，聚氨酯；輸液港，6.5F，聚氨酯；腹膜透析管，2.6mm，半透明硅膠；輸尿管，5.0F，聚氨酯。本研究主要利用VGA 和VGC的評價方法，獲得每幅圖像的視覺等級評分(visual grading analysis score，VGAS)，采用非參數(shù)檢驗的方法檢驗各組間圖像質(zhì)量差異的統(tǒng)計學意義。輻射劑量評價依據(jù)影像采集器顯示的劑量范圍乘積(dose area product，DAP)和單次曝光劑量值進行統(tǒng)計分析。

1.2.1 檢查設(shè)備 檢查設(shè)備為通用醫(yī)療GE DR-Difinium6000數(shù)字化影像系統(tǒng)，圖像探測器為41×41cm2薄膜非晶硅基平板探測器，自動電離室曝光控制技術(shù)，圖像工作站配有DAP、單次曝光劑量顯示。

1.2.2 檢查方法與技術(shù)參數(shù) 檢查方法：(1)患者優(yōu)先采用DR檢查技術(shù)流程，獲得標準DR圖像；(2)若DR檢查無法確定導管末端位置時，與患者溝通取得同意后，采用DES技術(shù)輔助診斷，選擇DE-AP/PA程序后保持攝影體位不變，按下曝光手閘后在極短時間內(nèi)DR影像系統(tǒng)自動以高、低兩種kV值曝光兩次，將依次得到標準圖像(Standard)、軟組織圖像(Soft-Tissue)和骨組織(Bone)圖像(圖1～圖4)。

圖1A PICC 120Kv標準DR圖像，導管末端無法明確；圖1B 雙能量減影骨骼圖像，可見PICC末端與第6胸椎下緣重疊，定位清晰。圖2A 輸液港120Kv標準DR圖像，導管末端與中縱隔組織重疊，位置無法明確；圖2B 雙能量減影骨骼圖像，可見輸液港末端位于第6胸椎右側(cè)緣。圖3A 腹透管80Kv標準DR圖像，導管末端在盆腔位置無法明確；圖3B 雙能量減影骨骼圖像，可見腹透管末端位于恥骨聯(lián)合上方且與尾椎骨重疊。圖4A 輸尿管80Kv標準DR圖像，導管末端在右側(cè)盆腔成團狀影，末端位置無法明確；圖4B 雙能量減影后骨骼圖像，可見輸尿管末端位于右側(cè)骶髂關(guān)節(jié)下方且向內(nèi)側(cè)成團狀卷曲。圖5A PICC120Kv標準DR圖像，導管末端無法明確；圖5B 雙能量減影后軟組織圖像導管末端影像偽影(白色箭頭)；圖5C 雙能量減影骨骼圖像，導管末端影像呈現(xiàn)分叉?zhèn)斡?白色箭頭)。

攝影參數(shù)及后處理：DR與DES技術(shù)參數(shù)：胸部DR：管電壓120kV，管電流250mA，AEC兩側(cè)電離室；胸部DES：管電壓(高120kV，低60kV)，管電流250mA，AEC全電離室，曝光間隔時間0.1s；腹部DR：管電壓85kV，管電流400mA，AEC全電離室；腹部DES：管電壓(高130kV，低60kV)，管電流250mA，AEC中心電離室，曝光間隔時間0.1s；圖像后處理參數(shù)均采用系統(tǒng)默認值Factory1參數(shù)卡。

1.3 圖像質(zhì)量評價本研究中圖像質(zhì)量的評估采用VGA絕對等級類型方法[8]，依據(jù)歐洲共同體委員會(community european committee，CEC)制定24點放射診斷圖像質(zhì)量標準[13-15]，針對胸部與腹部影像解剖結(jié)構(gòu)細節(jié)制定VGAS標準(表1)，定義圖像評價分級分值，VGAS結(jié)果包括評價放射圖像質(zhì)量(radiographic image quality，RIQ)的相關(guān)參數(shù)，如空間分辨率、對比度分辨率和噪聲[16]。

表1 胸部與腹部圖像質(zhì)量視覺分級分析得分(VGAS)量表

觀察員共有5名，包括3位影像診斷醫(yī)師與2位主管技師，每位觀察者影像工作經(jīng)驗均在10年以上。5名觀察者分別用同一臺高分辨率顯示器(顯示器分辨率＞3M)在PASC上讀取圖像后分析，可以使用窗寬窗位調(diào)節(jié)、黑白翻轉(zhuǎn)及圖像放大等圖像觀察工具輔助。研究圖像由預先設(shè)計的隨機順序顯示，且觀察者不能在圖像序列之間來回移動以更改VGAS得分，顯示器特性校準根據(jù)DICOM灰度標準顯示功能(greyscale standard display function，GSDF)進行[16]。在視覺分析評價之前，使用研究之外的隔離圖像對所有觀察者培訓，培訓圖像具有相似的解剖細節(jié)，且相關(guān)技術(shù)參數(shù)與研究設(shè)計相同。為減少觀察者疲勞偏差，選擇在早晨時段進行圖像評價，并在每10組圖像后休息20分鐘。

1.4 統(tǒng)計方法使用SPSS 24.0版統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計分析，所有的參數(shù)以(±s)表示，用Wilcoxon signed-rank test檢驗比較各組間VGAS差異性，單次曝光劑量與DAP用t檢驗比較。確定P值法，當P＜0.05時認為差異具有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié) 果

表2為胸部組和腹部組DR與DES兩種圖像觀察者之間的總體VGAS結(jié)果，5位觀察者DR與DES的VGAS經(jīng)Wilcoxon 符號秩檢驗，均P＜0.0001，說明導管單項分值與圖像總分值之間存在統(tǒng)計學上的顯著差異，DES方法獲得的圖像質(zhì)量均高于DR，組織解剖結(jié)構(gòu)和導管的影像再現(xiàn)性較好。

表2 觀察者對胸部組和腹部組導管與圖像VGAS評價結(jié)果

觀察者間的內(nèi)部變異性分析中，觀察者之間導管類型分組的圖像評分再次進行Friedman檢驗，5位觀察者的P值范圍0.11～0.89， Friedman 統(tǒng)計值(1.16～8.54)，各觀察者之間均未發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計學上差異，表明觀察者之間對不同導管類型的評價標準較為一致。

不同導管類型分組中，DES與DR獲得的各類型導管定位圖像的之間的VGAS差異均有統(tǒng)計學意義(P＜0.001)，DES圖像質(zhì)量在導管末端和導管走行的可視性要高于DR(圖6A)。圖像質(zhì)量的總體評估結(jié)果顯示，各組間DES圖像的VGAS還是顯著高于DR,且均存在統(tǒng)計學上的顯著性差異(P＜0.001)(圖6B)。

表3顯示同一病例在DR與DES兩種投照技術(shù)下的輻射劑量參考值，胸部組中PICC與輸液港兩種導管類型的單次曝光劑量與DAP結(jié)果比較，配對T檢驗后均未發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計學上顯著性差異。腹部中輸尿管組的DR與DES的輻射劑量結(jié)果顯示P＜0.05，差異存在統(tǒng)計學意義，DES在單次曝光劑量與DAP測量值上均小于DR ，患者接受的輻射劑量水平低于DR。腹透管組未出現(xiàn)明顯差異(P＞0.05)，表明DES與DR輻射水平基本一致。

表3 四種導管類型的輻射劑量參考值

3 討 論

長期以來，X線攝影是判斷植入導管位置的主要標準，圖像內(nèi)容的可視化是決定臨床任務的關(guān)鍵因素。雖然X線攝影技術(shù)發(fā)展已有近百年的歷程，但至今圖像質(zhì)量的優(yōu)化仍然是一項艱巨的任務，仍需以盡可能低的輻射劑量得到足夠診斷的圖像質(zhì)量[18-19]。探測器類型、劑量和圖像后處理都可能對臨床的診斷產(chǎn)生重大影響，站在放射技師的角度，優(yōu)化要考量一種兼顧所有影響因子的方法來平衡圖像質(zhì)量和輻射劑量，結(jié)果是產(chǎn)生最佳醫(yī)療效果并得到認可的圖像[20]。在臨床環(huán)境或研究項目中，討論圖像質(zhì)量的診斷價值，以及診斷準確性和最終診斷對治療的價值可能相當耗時，也很困難，故選擇一種科學評估圖像質(zhì)量的方法尤為重要。圖像可視化分級分析(VGA)比臨床結(jié)果研究更為簡單和直觀，研究設(shè)計相對容易，也適用于放射技師的角度去分析和改進臨床工作結(jié)果。

圖6A～圖6B DR與DES在不同導管類型間導管定位及圖像質(zhì)量VGAS結(jié)果。圖

7 胸部與腹部DES圖像質(zhì)量ROC曲線

影像探測器的高量子檢出效率(DQE)與強大的圖像后處理技術(shù)在提高患者影像診斷水平的同時也降低了輻射劑量[21]，但是二維影像的容積效應也是無法克服的瓶頸，重疊的解剖結(jié)構(gòu)還是會遮蓋病變，在Austin等[22]的研究中發(fā)現(xiàn)，82%的病例中，病變被肋骨重疊，病變與2塊或2塊以上骨組織重疊的病例占比52%，混淆的背景結(jié)構(gòu)是診斷困難的主要原因。DES最開始的目的就是消除重疊的骨骼，增加診斷的敏感性。Ober等[1]的研究中胸部DES技術(shù)被建議成為PICC置管定位的首選方法。Gao等[23]也提到與標準DR相比，栓塞導管的輪廓在雙能量減影圖像上明顯更好。在本文的研究中圖6A的結(jié)果顯示DES技術(shù)在導管單項評分與圖像總評分方面，分值結(jié)果都要高于DR，DES與DR的roc曲線分析后，圖像評分的曲線下面積(AUC)胸部為0.9338(95%CI：0.9116-0.9560)，腹部為0.9430(95%CI：0.9200-0.9660)(圖7)。DES尤其對DR中存在骨骼或病變干擾的病例展現(xiàn)出優(yōu)勢，實現(xiàn)組織間在影像上的“骨肉分離”，減影后的軟組織像和骨骼像對導管位置的判斷提供很大幫助。在導管類型的分組比較中，同等研究條件下，植入式輸液港出現(xiàn)導管定位不清晰的患者病例占比要低于PICC導管(植入式輸液港占18%，PICC占82%)，VGAS結(jié)果中輸液港組DES的圖像質(zhì)量也高于PICC組，判斷可能與選擇導管的相關(guān)參數(shù)有關(guān)，比如導管直徑及材料。

放射檢查的優(yōu)化除了圖像質(zhì)量的提高，還包括輻射劑量水平的考慮。在本文收集的病例中發(fā)現(xiàn)，參考GE DR數(shù)字化影像系統(tǒng)顯示的單次曝光劑量(total dose)和DAP數(shù)值，DES較DR在PICC組、輸液港組及腹透管組劑量增加3%～17%，但在統(tǒng)計學上并未發(fā)現(xiàn)顯著差異(表4)。Fischbach等[24]的研究也報道了與單次標準胸部X射線(DR)相比，DES兩次曝光的輻射劑量增加了大約14%?？墒潜狙芯咳匀灰紤]電離輻射的因素，因此建議DES技術(shù)在成人中有選擇地使用，而在兒童中則不建議使用[25]。同樣，胸部側(cè)位(LAT)投照劑量可能是胸部后前位(PA)的兩倍以上，所以要盡量減少在側(cè)位使用DES技術(shù)[26]。表4中輸尿管組劑量降低22%～23%，分析后判斷可能與攝影技術(shù)參數(shù)有關(guān)，腹部DES技術(shù)管電壓為130kV，高千伏投照下射線的穿透力增加導致曝光時間縮短，因此出現(xiàn)了部分患者輻射劑量下降的情況。但由于本文收集的患者樣本量較小，腹部DES與DR之間的輻射劑量還需要進一步研究，此項研究的結(jié)果僅作為收集樣本的參考。輻射劑量分析旨在表明臨床必要時選擇DES技術(shù)所產(chǎn)生的額外劑量與臨床診療價值相比在可以接受的范圍。

表4 四種導管類型的輻射劑量差值比較(%)

DES技術(shù)也存在技術(shù)上的局限性，高低千伏的兩次曝光中間存在100ms～200ms的時間間隔，呼吸和心臟搏動產(chǎn)生運動位移后減影圖像上會出現(xiàn)運動偽影(圖5)，減少曝光間隔時間會改善圖像質(zhì)量，但也不能完全避免。由于第二次是低能量曝光，因此減影后軟組織區(qū)域(如胸膜、胸壁和膈肌)的周圍噪聲也會增加[27]。

這項VGA研究表明，DES與DR對于X線導管定位影像顯示存在明顯差異，尤其是對于背景結(jié)構(gòu)混淆的病例，DR無法明確時，DES 可幫助快速輔助診斷。PICC與腹膜透析管的患者可以將DES作為置管位置檢查的首選方法。VGA研究從對比度、噪聲和清晰度方面全面地評估正常結(jié)構(gòu)的可見性，視覺分析圖像的方法對于放射實踐中優(yōu)化研究的設(shè)置更簡便且直觀，不過也要盡可能降低觀察者主觀評價的偏差，使用明確定義的相關(guān)解剖標準評分和VGC統(tǒng)計方法顯得尤為必要。雖然這項研究已經(jīng)清楚地得出了DES技術(shù)在導管定位的應用價值，但具體的實踐仍需放射人員綜合判斷，根據(jù)患者情況選擇最佳的檢查方案。

此項研究的一些局限性：所有圖像和輻射計量參考值都來自GE DR設(shè)備， 因此得出的結(jié)論并不是主張一種絕對意義上的最佳處理方案，相反，更推薦放射技師使用這種圖像質(zhì)量評估的方法從自己的角度去為患者選擇一種合適的檢查技術(shù)。