探討不同管電壓下DLIR重建算法對(duì)冠狀動(dòng)脈CTA圖像質(zhì)量的影響

朱麗娟,馬 瑞,沈 云,汪 芳,楊彥兵,曹永佩,楊利莉,吳小紅

冠狀動(dòng)脈CT血管造影(CTA)是一種簡(jiǎn)單有效而無創(chuàng)的冠狀動(dòng)脈早期疾病診斷和預(yù)測(cè)的方法,對(duì)于測(cè)量冠脈粥樣硬化斑塊大小,分析斑塊性質(zhì)、檢查先天性冠脈發(fā)育異常、冠心病支架置入術(shù)后和冠脈旁路移植術(shù)后的隨訪也有一定的優(yōu)勢(shì)。盡管CCTA臨床應(yīng)用不斷普及,其使用局限也逐漸顯現(xiàn),由于X線檢查在穿透人體時(shí)產(chǎn)生電離輻射,因此輻射劑量問題一直讓公眾有所擔(dān)憂［1］。低輻射劑量通常可以通過降低管電壓來實(shí)現(xiàn),低管電壓雖然可以達(dá)到提高圖像對(duì)比度的目的,從而降低對(duì)比劑用量,但是圖像噪聲較大,圖像顆粒感較重;而高管電壓雖然輻射劑量較高,但圖像噪聲較低,圖像更為細(xì)膩,有利于展現(xiàn)病變細(xì)節(jié)。研究顯示,結(jié)合重建算法可以有效提高圖像質(zhì)量,目前臨床上常用迭代重建算法［2-3］。近年來,隨著深度學(xué)習(xí)的快速發(fā)展,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在圖像處理中的應(yīng)用也愈加廣泛。深度學(xué)習(xí)圖像重建(DLIR) 是新一代基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DNN)的重建算法,其性能優(yōu)于傳統(tǒng)算法［4］。本研究通過對(duì)比不同管電壓(70 kVp及120 kVp)下深度學(xué)習(xí)圖像重建算法(DLIR)對(duì)CCTA圖像質(zhì)量、輻射劑量和對(duì)比劑用量的影響,旨在選取最佳的管電壓,以此獲取高質(zhì)量圖像的同時(shí)降低輻射劑量和對(duì)比劑用量,為臨床CCTA診斷與治療提供最佳的影像學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 一般資料:前瞻性收集在我院采用最新引進(jìn)的DLIR深度學(xué)習(xí)圖像重建技術(shù)標(biāo)配的GE APEX CT行CCTA掃描患者共計(jì) 60例,所有患者均一次性掃描完成,根據(jù)掃描管電壓的不同分為2組,每組患者各30例,A組掃描管電壓70kVp、B組掃描管電壓120kVp。本研究共納入男性患者共計(jì)33例,女性患者共計(jì)27例,年齡26～83歲,平均年齡(57.38±12.80) 歲。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)并在其監(jiān)督下進(jìn)行,所有患者均簽署知情同意書。

1.1.1 排除標(biāo)準(zhǔn):未成年患者;孕婦及哺乳期婦女;嚴(yán)重腎功能不全患者;嚴(yán)重心動(dòng)過速、心律不齊患者;碘對(duì)比劑過敏者。

1.2 檢查方法:采用Revolution Apex CT,應(yīng)用對(duì)比劑碘克沙醇,濃度370 mg/mL,采用雙筒高壓注射器,經(jīng)肘正中靜脈注射?；颊呷⊙雠P位,掃描前指導(dǎo)進(jìn)行患者屏氣訓(xùn)練。掃描范圍為上界自氣管隆嵴下1～2 cm水平(根據(jù)患者體型調(diào)整),下界達(dá)心臟膈面。以對(duì)比劑示蹤技術(shù)在氣管分叉水平降主動(dòng)脈選擇ROI檢測(cè)CT值,CT值達(dá)閾值250 HU后延遲3 s自動(dòng)觸發(fā)掃描。A組患者設(shè)置掃描參數(shù)為管電壓70 kVp、管電流自動(dòng)調(diào)節(jié)范圍為100～1 300 mA,對(duì)比劑劑量0.6 mL/kg;B組患者設(shè)置掃描參數(shù)為管電壓120 kVp、管電流自動(dòng)調(diào)節(jié)范圍為100～900 mA,對(duì)比劑劑量0.8 mL/kg。2組圖像的預(yù)計(jì)噪聲指數(shù)(NI)均為24 HU。采用冠狀動(dòng)脈追蹤凍結(jié)技術(shù)(SSF)降低心臟搏動(dòng)偽影。對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行不同算法重建,包括自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)迭代重建(ASiR-V40%)及DLIR重建,所得圖像數(shù)據(jù)傳輸至GE ADW4.7獨(dú)立工作站進(jìn)行冠狀動(dòng)脈圖像后處理。

1.3 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià):客觀圖像評(píng)價(jià)。分別在主動(dòng)脈根部AO、 LMA、RCA、LAD、LCX 近端各勾畫1個(gè)感興趣區(qū)(ROI),將ROI置于血管中央,定義背景噪聲為主動(dòng)脈根部層面的豎脊肌測(cè)得的X線衰減值的標(biāo)準(zhǔn)差(SD);置于主動(dòng)脈根部及豎脊肌的ROI大小約100 mm2,各冠狀動(dòng)脈根部的ROI大小取決于血管管徑,范圍<10 mm2。計(jì)算動(dòng)脈根部及各冠狀動(dòng)脈的對(duì)比噪聲比(CNR)和背景圖像的信噪比(SNR),CNR=(血管管腔平均CT值-豎脊肌CT值)/豎脊肌CT值標(biāo)準(zhǔn)差;SNR= 豎脊肌CT值/豎脊肌CT值標(biāo)準(zhǔn)差。

主觀圖像評(píng)價(jià)。由2名具有豐富工作經(jīng)驗(yàn)的影像科醫(yī)師根據(jù)圖像噪聲偽影、組織結(jié)構(gòu)清晰度、血管及周圍結(jié)構(gòu)的對(duì)比度等因素,采用5-Likert評(píng)分法［8］評(píng)估,1分為圖像噪聲及偽影嚴(yán)重,組織結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)難辨,血管壁邊緣模糊;2分為圖像噪聲偽影較重,組織結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)顯示不清,血管壁邊緣較模糊; 3分為圖像存在少許噪聲偽影,組織結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)顯示不佳,血管壁邊緣可見。4組重建圖像(ASiR-V 40% 、DLIR-L、DLIR-M 和 DLIR-H) 隨機(jī)分配給觀察者,屏蔽患者信息及圖像注釋,確保實(shí)驗(yàn)的可信度。3～5分為可評(píng)估圖像。5分為圖像無噪聲及偽影,組織結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)清晰,血管壁光滑銳利;4分為圖像存在輕微噪聲偽影,組織結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)略模糊,血管壁邊緣顯示尚清。

1.4 輻射劑量:記錄經(jīng)Revolution Apex CT檢查設(shè)備掃描結(jié)束后,自動(dòng)生成的容積CT劑量指數(shù)(CTDI vol)和劑量長(zhǎng)度乘積(DLP),計(jì)算有效輻射劑量(ED),ED=DLP×K。本次研究中胸部轉(zhuǎn)換因子K取0.014 mSV/(mGy·cm)［5］。

2 結(jié)果

2.1 一般情況:60例受檢者均順利一次性完成CCTA檢查;A組男性患者12例,女性患者18例,年齡24～83歲;B組男性患者17例,女性患者13例,年齡26～83歲。2組受檢者男女比例為40.0% vs 56.67%(P>0.05),年齡比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

2.2 客觀圖像評(píng)價(jià):對(duì)比常規(guī)ASiR-V40%重建圖像,DLIR重建算法對(duì)圖像質(zhì)量提升高,且隨著DLIR降噪級(jí)別的升高,圖像噪聲值降低,CNR值升高,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),其中DLIR-H重建圖像的SNR和CNR均優(yōu)于其他重建圖像(P<0.05)。2組間背景圖像(豎脊肌)比較顯示,A組噪聲較B組噪聲高,A組與B組CT值接近,但總體2組間SNR的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。2組間CT值的差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。在ASiR-V40%重建圖像中,2組間CNR的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),而在DLIR-H重建圖像中,A組CNR較B組高(P<0.05),見表1至表3。

表1 2組重建算法的客觀指標(biāo)比較

表2 2組重建算法的圖像CT值

表3 2組重建算法的圖像對(duì)比噪聲比

2.3 主觀圖形評(píng)價(jià):隨著DLIR重建算法降噪級(jí)別的提升,主觀圖像質(zhì)量評(píng)分隨之增高,即DLIR-H最高,差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05),見圖1(封三)。對(duì)比ASiR-V40與DLIR-L重建圖像,二者間主觀評(píng)分差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),DLIR-M和DLIR-H的主觀評(píng)分提高了25.75%、31.09%。在管電壓70kVp下DLIR-L、DLIR-M、DLIR-H重建圖像如圖a-c所示(封三),在管電壓12 070 kVp下DLIR-L、DLIR-M、DLIR-H重建圖像如圖d-f所示(封三);2組均顯示DLIR-H重建圖像更為細(xì)膩、清晰。2組圖像間主觀評(píng)分差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),見表4。

表4 2組圖像主觀圖像質(zhì)量評(píng)分比較

2.4 輻射劑量:在2組之間,CTDI vol、DLP和ED的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。與B組相比,A組CTDI vol、DLP及ED分別降低了11.49%、14.73%和13.38%,見表5。

表5 2組圖像輻射劑量對(duì)比

2.5 對(duì)比劑用量:采用對(duì)比劑濃度370 mg/mL,A組采用對(duì)比劑劑量0.6 mL/kg, B組采用對(duì)比劑劑量0.8 mL/kg。所以在本研究中,70 kVp的A組比常規(guī)120 kVp的B組總體用量減少25%。

3 討論

隨著CT技術(shù)的快速發(fā)展,冠脈CT成像(CCTA)己經(jīng)成為臨床上廣泛使用的冠心病無創(chuàng)性檢查方法［6-7］。隨之而來的輻射劑量備受關(guān)注［8］。目前降低輻射劑量的方法主要有降低管電壓、降低管電流、縮短曝光時(shí)間以及采用重建技術(shù)重建圖像等［9］。根據(jù) X 線強(qiáng)度計(jì)算公式,I = KiZU2(其中I為X線強(qiáng)度,K為比例系數(shù),i 為管電流,Z為陽極靶原子序數(shù),U為管電壓),可知管電壓與輻射劑量呈指數(shù)相關(guān),管電流與輻射劑量呈正比關(guān)系。但管電壓及管電流對(duì)于輻射劑量的降低是存在限度的。以往本院常規(guī)使用的Revolution CT,將管電壓調(diào)至70 kVp時(shí),最大管電流為500 mA,嚴(yán)重限制了低管電壓70 kVp在CCTA檢查中的應(yīng)用;而自動(dòng)管電壓聯(lián)合自動(dòng)管電流調(diào)制技術(shù)(APSCM)可以根據(jù)定位像自動(dòng)確定受檢者的體型,自動(dòng)計(jì)算不同管電壓下所需管電流的基準(zhǔn)值和變化曲線［10］。已有研究顯示［11］在頭頸部 CT 血管成像檢查中,使用自動(dòng)管電流調(diào)節(jié)技術(shù)可以降低射線劑量18% 。

本次研究采用的Apex CT具有自動(dòng)管電流調(diào)節(jié)技術(shù),在70 kVp低管電壓掃描條件下,管電流可高達(dá)1 300 mA,能夠增加血管的CT值,有助于病變血管的顯示。此外該設(shè)備還具備 DLIR 和 ASiR-V 降噪算法,DLIR以高劑量濾波反投影(FBP)圖像為金標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行訓(xùn)練,將低劑量圖像與相同數(shù)據(jù)高劑量FBP圖像的圖像噪聲、低對(duì)比度分辨率、低對(duì)比度可檢測(cè)性及噪聲紋理等多個(gè)參數(shù)進(jìn)行比較,輸出圖像并將差異反饋于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DNN)供其修改,并多次重復(fù)該過程,直至輸出圖像與相同數(shù)據(jù)高劑量圖像達(dá)到精確匹配。本次研究對(duì)DLIR-L 、DLIR-M 、DLIR-H和ASiR-V40%進(jìn)行比較,A組(70 kVp)和B組(120 kVp)的背景CT值接近,A組噪聲較B組高,總體比較2組間的SNR值沒有差異。對(duì)比ASiR-V40%圖像和DLIR圖像,圖像的CT值接近,但ASiR-V40%圖像的SD值最高,DLIR-H圖像的SD值最低,相應(yīng)SNR值最高,其中ASiR-V40%與DLIR-L的SNR值接近,這與既往研究相一致［12］。A、B 2組間各血管CT值比較顯示,即使在A組的對(duì)比劑用量少于25%的條件下,A組遠(yuǎn)比B組CT值高,且差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。這可能是70 kVp管電壓使得X線平均電子能量接近碘對(duì)比劑中碘原子衰減的臨界值,延遲對(duì)比劑衰減時(shí)間,增加血管的CT值,有助于病變血管的顯示［13］。但在ASiR-V40%圖像中,2組間的CNR值沒有差異,這可能與A組劑量減低引起的比較高的噪聲有關(guān)?？傮w來看,在深度學(xué)習(xí)圖像重建圖像中,A組圖像的CNR較高;與ASiR-V相比,DLIR在低管電壓、高噪聲的條件下可產(chǎn)生良好的噪聲紋理和更高的圖像質(zhì)量。既往研究顯示［4］DLIR算法可明顯降低圖像噪聲,并且明顯提高圖像質(zhì)量(SNR、CNR),與本次研究相符 。隨著深度學(xué)習(xí)DLIR降噪級(jí)別的增高,兩位觀察者均認(rèn)為診斷效果最佳的為DLIR-H,ASiR-V40%與DLIR-L主觀圖像評(píng)分沒有明顯差異,這與國(guó)內(nèi)外關(guān)于CCTA聯(lián)合深處學(xué)習(xí)重建技術(shù)的研究相一致［14］。但從肉眼看,不同管電壓的2組圖像均適宜診斷,且2組間沒有差異,這與國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)基于迭代重建算法上腹部成像的研究結(jié)果［15］相一致。A組的有效輻射劑量較B組降低了13.38%,表明基于ADMIRE的低管電壓掃描模式能夠降低輻射劑量。關(guān)于對(duì)比劑用量,A組和B組均采用對(duì)比劑濃度370 mg/mL;A組采用對(duì)比劑劑量0.6 mL/kg, B組采用對(duì)比劑劑量0.8 mL/kg。所以在本研究中,70 kVp的A組比常規(guī)120 kVp的B組總體用量減少25%。所以本研究顯示了與常規(guī)120 kVp掃描模式相比,結(jié)合DLIR重建算法的70 kV掃描模式可以在降低劑量和對(duì)比劑用量的同時(shí)提高CCTA的圖像質(zhì)量(CT值,SD和CNR)。本次研究的局限性在于樣本量較小,研究結(jié)果可能存在偏倚;2組圖像分別取自不同患者,樣本存在偏差;2組患者使用的對(duì)比劑濃度不統(tǒng)一,圖像測(cè)量值存在偏差。

綜上所述,70kVp管電壓聯(lián)合深度學(xué)習(xí)DLIR能提升CCTA圖像的整體質(zhì)量,且70kVp輻射劑量最低;隨著深度學(xué)習(xí)DLIR降噪級(jí)別的增高,圖像質(zhì)量隨之增高,但2組圖像的主觀圖像未見明顯差異。總體來說,70kVp管電壓聯(lián)合深度學(xué)習(xí)圖像重建技術(shù)更具有臨床應(yīng)用價(jià)值。