80 kV掃描結(jié)合AI優(yōu)化技術(shù)在體重超重患者CCTA臨床應(yīng)用研究

馮倩倩，余星瑤，王文馨，徐霖，劉超，吳磊，許晨思，王克軍

1.十堰市太和醫(yī)院醫(yī)學(xué) 影像中心，湖北 十堰 442000；2.東軟醫(yī)療系統(tǒng)股份有限公司 a.人工智能與臨床創(chuàng)新研究院；b.CT產(chǎn)品事業(yè)部，遼寧 沈陽 110167

引言

近年來，冠心病患者逐漸向年輕化發(fā)展，我國現(xiàn)有患病人數(shù)約為1139萬，并且呈逐年遞增的趨勢。有研究[1-2]表明，肥胖是冠心病的獨立危險因素，故對于體重超重冠心病患者的早期診斷及準(zhǔn)確評估有重要臨床意義。冠狀動脈CT血管造影（Coronary Artery Computed Tomography Angiography，CCTA）已成為冠脈疾病診斷首選的評估標(biāo)準(zhǔn)并在臨床廣泛應(yīng)用。CCTA具有可視化、量化和表征斑塊成分等優(yōu)勢，研究表明，其靈敏度和特異度分別為98%和 89%[3-4]。身體質(zhì)量指數(shù)（Body Mass Index，BMI）是影響圖像質(zhì)量的獨立因素[5]，體重超重患者需要升高管電壓來提高圖像的對比度和信噪比，這增加了輻射劑量。常用有效降低輻射劑量的手段是優(yōu)化體重超重患者CCTA的管電壓[4,6-7]，但降低管電壓會導(dǎo)致噪聲、偽影增加[8]。因此，通常采用迭代重建提高圖像質(zhì)量，但其圖像處理等待時間較長，且需要大量的投影數(shù)據(jù)[9]。人工智能（Artificial Intelligence，AI）是基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法的新興圖像優(yōu)化技術(shù)，其不依賴于投影數(shù)據(jù)，能直接對低劑量CT圖像進行去噪聲及優(yōu)化，更容易應(yīng)用于臨床工作中[10]。本研究旨在探討80 kV掃描結(jié)合AI優(yōu)化技術(shù)對提高體重超重患者CCTA圖像質(zhì)量的價值。

1 材料與方法

1.1 一般資料

前瞻性連續(xù)納入我院2020年9月至2021年3月在 256層CT（東軟醫(yī)療NeuViz Glory）行CCTA檢查的60例體重超重（BMI≥24 kg/m2）[1]患者，平均年齡（55.72±10.43）歲，其中男33例、女27例。納入標(biāo)準(zhǔn)：① 臨床懷疑冠心病的患者；②BMI≥24 kg/m2。排除標(biāo)準(zhǔn)：① 碘對比過敏者；② 腎功能異常（血清肌酐≥133 μmol/L）；③ 妊娠期女性；④ 嚴(yán)重心律失常、失代償性心功能不全者。采用隨機數(shù)表法分為A、B兩組，每組各30例。本研究經(jīng)倫理委員會批準(zhǔn)（2022KS026），所有患者檢查前均簽署知情同意書。

1.2 CCTA檢查

所有患者采取仰臥位，掃描范圍為氣管隆突下（1～2 cm）至心臟膈面下水平。掃描前對患者進行屏氣訓(xùn)練，心率≥70次/min者服用美托洛爾控制心率，劑量25 mg，心率＜70次/min者不服用美托洛爾。

CT掃描參數(shù)：A組采用120 kV管電壓掃描，B組采用80 kV管電壓掃描，兩組其余掃描參數(shù)設(shè)置相同，均為前瞻性心電門控螺旋掃描模式采集，自動管電流技術(shù)（mA modulation），旋轉(zhuǎn)時間0.259 s/r，螺距0.16，層厚及層間距均為0.625 mm，重建矩陣512×512，濾波參數(shù)為F20。增強掃描應(yīng)用對比劑智能追蹤技術(shù)觸發(fā)掃描，監(jiān)測點位于降主動脈（氣管分叉平面），觸發(fā)閾值設(shè)置為180 HU，達到閾值延遲6 s后自動觸發(fā)掃描。

對比劑采用碘海醇350（含碘35 mg/mL），采用雙筒高壓注射器注入對比劑及0.9% NaCl溶液，對比劑用量為0.7 mL/kg，注射流率5 mL/s，之后以同樣的速率注射0.9%NaCl溶液 50 mL。

1.3 圖像優(yōu)化及圖像后處理

掃描結(jié)束后，將CCTA原始軸位圖像傳至東軟醫(yī)療AVW 2.0醫(yī)學(xué)影像后處理工作站進行圖像后處理。A組采用50% ClearView+得到迭代重建圖像，對B組的原始圖像采用50% ClearView+迭代重建，得到B1組圖像，采用Optimize 25% AI優(yōu)化技術(shù)進行重建，得到B2組圖像。

通過對A、B1、B2組的圖像進行后處理從而獲得包括最大密度投影（Maximum Intensity Projection，MIP）、容積再現(xiàn)（Volume Rendering，VR）圖像及曲面重組（Curved Planar Reformation，CPR）在內(nèi)的所需圖像。

1.4 圖像質(zhì)量分析

1.4.1 主觀評價

由兩名高年資放射科醫(yī)師通過雙盲法獨立閱片對圖像質(zhì)量進行主觀評價。當(dāng)評價意見不一致時，進行討論并統(tǒng)一意見。所有冠狀動脈按照美國心血管CT協(xié)會推薦的18分段標(biāo)準(zhǔn)改良分段法進行分段評價。使用Likert 4級評分法對所有圖像進行評分，根據(jù)圖像質(zhì)量評估分級，分級標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 CCTA圖像質(zhì)量主觀評分標(biāo)準(zhǔn)

1.4.2 客觀評價

分別在主動脈根部（Aortic，Ao）、左前降支（Left Anterior Descending，LAD）中段、左回旋支（Left Circumflex Artery，LCX）中段、右冠狀動脈（Right Coronary Artery，RCA）中段及Ao平面前胸壁皮下脂肪放置感興趣區(qū)（Region Of Interest，ROI），大小分別為 ROIAo199.00～201.00 mm2、ROI皮下脂肪29.00～30.00 mm2、ROI血管1.00～3.00 mm2。所有患者均在同一位置層面進行測量，且同一血管ROI的面積相同，ROI的選擇需要避開偽影、斑塊，并且選擇不包含血管壁的密度均勻區(qū)域。測量ROIAo、ROILAD、ROILCX及 ROIRCA的 CT 值及噪聲（Standard Deviation，SD），并根據(jù)公式（1）～（2）計算SNR、CNR值。

計算各ROI的信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）和對比噪聲比（Contrast to Noise Ratio，CNR）。

1.5 輻射劑量

記錄掃描的容積 CT 劑量指數(shù)（Volume CT Dose Index，CTDIvol）、劑量長度乘積（Dose Length Product，DLP）、有效輻射劑量（Effective Dose，ED），計算公式如式（3）所示。

推薦成人冠狀動脈轉(zhuǎn)換系數(shù)K值為0.014 mSv/（mGy.cm）。

1.6 統(tǒng)計學(xué)分析

所有數(shù)據(jù)采用SPSS 25.0統(tǒng)計學(xué)軟件進行統(tǒng)計分析。采用Shapiro-Wilk檢驗對患者年齡、身高、體重、BMI、心率、掃描長度、客觀圖像質(zhì)量評價指標(biāo)及輻射劑量進行正態(tài)分布檢驗。符合正態(tài)分布的計量資料用±s表示，不符合正態(tài)分布的計量資料用中位數(shù)（上、下四分位數(shù)）表示，分類變量用頻數(shù)表示。采用χ2檢驗比較3組冠狀動脈節(jié)段數(shù)主觀評價，采用Cohen Kappa檢驗對兩名醫(yī)師的評分一致性進行檢驗。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。3組間比較采用ANOVA檢驗及Bonferroni法校正，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 一般資料

60例患者均一次性完成CCTA檢查及重建，統(tǒng)計結(jié)果表明，兩組患者年齡、性別構(gòu)成、BMI、心率、掃描長度比較差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），見表2。

表2 兩組患者臨床資料的比較

2.2 圖像質(zhì)量評價

2.2.1 主觀評價

60例患者中3組圖像共計1203個節(jié)段評分?jǐn)?shù)值，其中，A組總節(jié)段為403段，B1組總節(jié)段為400段，B2組總節(jié)段為400段。A、B1、B2組的可評價節(jié)段百分比分別為99.5%、97.6%和99.5%。A、B2組冠狀動脈節(jié)段圖像質(zhì)量主觀評價均顯著優(yōu)于B1組（醫(yī)師1，P＜0.001；醫(yī)師2，P＜0.001），且A、B2組間節(jié)段圖像質(zhì)量主觀評價差異無統(tǒng)計學(xué)意義（醫(yī)師 1，P=0.19；醫(yī)師 2，P=0.29），見表 3。A、B1、B2組的Kappa值分別為0.81、0.84、0.80，2名醫(yī)師對于各組圖像質(zhì)量的主觀評價一致性均為良好。

表3 3組CCTA冠狀動脈節(jié)段圖像質(zhì)量主觀評價結(jié)果[n（%）]

2.2.2 客觀評價

在CT值方面，B1、B2組分別與A組相比，各ROI的CT值差異均有統(tǒng)計學(xué)意義，且B1、B2組的CT值均顯著高于A組（P＜0.05）。B2組與B1組相比，各ROI的CT值差異均無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。

在噪聲方面，A組與B1組相比，ROIAo、ROILAD、ROIRCA的噪聲顯著低于B1組（P＜0.05）；B2組與B1組相比，ROIAo、ROILAD的噪聲顯著低于B1組；A組與B2組相比，ROIRCA的噪聲顯著低于B2組（P＜0.05）；在其余ROI差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05）。

在SNR、CNR方面，B1組與A組相比，ROILCX的SNR顯著高于A組（P＜0.05）；B2組與B1組相比，ROIAo的SNR顯著高于B1組（P＜0.05），各ROI的CNR均顯著高于B1組（P＜0.05）；B2組與A組相比，ROIAo、ROILCX的SNR顯著高于A組，各ROI的CNR均顯著高于A組（P＜0.05）；在其余ROI差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P＞0.05），見圖1和表4。

表4 3組CCTA的客觀評價比較

圖1 120 kV和80 kV掃描CCTA圖像

2.3 .輻射劑量比較

A組與B組的輻射劑量指標(biāo)CTDIvol、DLP及ED對比見表5。結(jié)果顯示，B組輻射劑量指標(biāo)均顯著低于A組（P＜0.001），且ED降低達75.18%。

表5 兩組患者輻射劑量指標(biāo)比較[M（Q1，Q3）]

3 討論

本研究采用80 kV掃描結(jié)合AI優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于體重超重（BMI≥24 kg/m2）患者CCTA掃描。結(jié)果顯示，此方案的圖像質(zhì)量與120 kV標(biāo)準(zhǔn)掃描相一致，且患者接受的ED僅為 3.81（3.65，3.97）mSv。

CCTA已成為疑似冠心病患者的首選檢查方法。120 kV標(biāo)準(zhǔn)掃描常用于正常體重患者[11]，而不適用于體重超重患者，原因為心血管成像質(zhì)量與患者BMI相關(guān)。研究表明，體重超重患者更易患有冠心病[1]，而此類患者較厚的皮下軟組織引起的光子衰減更多，導(dǎo)致圖像噪聲增加，且其血液分布的變化會造成達峰時間血管乳化差，進而使血管強化程度差，降低圖像質(zhì)量[12]，因此體重超重患者CCTA圖像質(zhì)量需要進一步優(yōu)化。

為提高圖像質(zhì)量，對體重超重患者常用的掃描方法是增加管電壓，但同時也增加了輻射劑量[13]，然而低劑量CT掃描已成為當(dāng)下研究前沿和熱點。以往的研究表明，降低管電壓在正常體重及體重超重患者CCTA具有可行性[11,14]，心血管CT成像輻射劑量優(yōu)化中國專家共識推薦25 kg/m2＜BMI≤30 kg/m2患者使用 100 kV 管電壓[7]。相關(guān)研究表明，若通過降低管電壓的方法降低輻射劑量，管電壓降至80 kV時X線對人體的輻射傷害最低[15]，但同時圖像的噪聲增加、空間分辨率下降。以往研究表明冠狀動脈血管強化CT值在350 HU以上即可滿足診斷需求[16]，本研究B組冠狀動脈各分支節(jié)段的CT值均＞350 HU，足以滿足臨床診斷需求。本研究中A組RCA的噪聲低于B2組的原因是提高管電壓能提供更多光量子，從而獲得的圖像信息更多，故圖像噪聲更低[17]，盡管如此，該結(jié)果并沒有引起B(yǎng)2組主觀評價的明顯降低。

然而，通過降低管電壓來降低輻射劑量必然引起圖像噪聲增加，需結(jié)合圖像優(yōu)化技術(shù)提高圖像質(zhì)量[7-8]。迭代重建為常用的圖像優(yōu)化技術(shù)，本研究采用的ClearView+迭代技術(shù)是基于多模型的雙域迭代重建技術(shù)，實現(xiàn)了生物數(shù)據(jù)域到圖像域的完全深度迭代，在降低管電壓的情況下可降低噪聲、保持或提高圖像的分辨率[18-19]，但是迭代重建比重越大，圖像越易過度平滑和產(chǎn)生蠟狀偽影，降低了低對比度病變的檢測能力和空間分辨率[20-22]。AI優(yōu)化技術(shù)已應(yīng)用于低劑量CT圖像質(zhì)量的優(yōu)化，其中基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的定制模型將低劑量CT圖像逐片映射到相應(yīng)的正常劑量圖像，可有效去除圖像噪聲，同時能保留圖像細節(jié)、避免圖像過度平滑，且速度是迭代重建的2倍，幾乎達到實時重建的水平[10,20,23]，該算法已成功應(yīng)用于胸部CT、主動脈CTA、正常體重患者CCTA[11,22,24]等低劑量圖像，在達到標(biāo)準(zhǔn)劑量圖像質(zhì)量的同時提升了診斷可判讀性，但是針對體重超重患者的研究尚較少。本研究將此AI優(yōu)化技術(shù)直接用于優(yōu)化80 kV掃描原始圖像，在避免圖像失真的同時省略了迭代重建所需的圖像重建等待時間，結(jié)果表明AI優(yōu)化技術(shù)在80 kV掃描圖像的主觀評價、噪聲優(yōu)于ClearView+迭代技術(shù)圖像，僅有0.5%為不可評價血管，且圖像質(zhì)量與120 kV標(biāo)準(zhǔn)掃描具有較高的一致性，達到臨床診斷要求，同時ED降低達75.18%，證明了80 kV掃描結(jié)合AI優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于體重超重患者CCTA具有可行性。

本研究存在一些局限性：① 樣本數(shù)量較小，可能存在一定的統(tǒng)計學(xué)偏倚，需擴大數(shù)量，使結(jié)果更有說服力；② 雖然兩名放射科醫(yī)師采用雙盲法對圖像質(zhì)量進行評分，但不同管電壓、重建方法得到的圖像特征明顯，故結(jié)果存在一定的主觀偏倚；③ 雖然采用的是同一臺設(shè)備掃描及重建圖像，但是不同患者主動脈及冠狀動脈分支的直徑、狹窄部位和程度不同，不能保證所有患者ROI面積大小及位置完全相同，且不同的掃描方案對于重建方法的圖像質(zhì)量優(yōu)化效果也不同，亦可能造成一定的誤差。后期將擴大樣本量，針對該技術(shù)在不同類型冠狀動脈疾病的應(yīng)用進行分類研究。

4 結(jié)論

低劑量CT掃描、AI優(yōu)化技術(shù)已成為CCTA的發(fā)展趨勢，AI優(yōu)化技術(shù)在體重超重患者CCTA檢查的圖像主、客觀評價優(yōu)于ClearView+迭代技術(shù)，80 kV掃描結(jié)合AI優(yōu)化技術(shù)的圖像主、客觀評價與120 kV標(biāo)準(zhǔn)掃描相一致，且輻射劑量顯著降低，可在臨床推廣應(yīng)用。