基于Brain Time Stack圖像融合技術對80 kV頭部灌注CT圖像質量的改善研究

王宏，李玲，逯瑤，何祎，張晨，陳涓

北京醫院 國家老年醫學中心 中國醫學科學院老年醫學研究院 放射科，北京 100730

引言

對于急性缺血性卒中患者，國內外研究顯示[1-2]，及時行頭部CT灌注檢查可以獲得患者腦血流動力學信息，有助于醫務人員在有效搶救時間窗內對患者進行快速診斷，為臨床進一步治療提供依據，并可有效改善急性腦卒中患者的預后，降低致殘率和病死率[3-4]。頭部CT灌注成像作為一種快速、準確、易操作的影像學功能檢查方法，可以獲得多種腦血流動力學參數，如腦血流量、腦血容量、平均通過時間、達峰時間等[5-6]。正常頭部CT掃描的管電壓為 100～120 kV、管電流為 200～250 mAs；而頭部 CT 灌注掃描為降低輻射劑量，采用管電壓為70～80 kV、管電流為100～200 mAs[7-9]的掃描協議，使得灌注圖像的噪聲增加，腦組織對比度下降[10]，因此改善頭部CT灌注的圖像質量對臨床診斷具有重要意義。本研究擬采用Brain Time Stack圖像后處理功能，選擇動脈峰值期及相鄰期相的圖像進行融合，分別將原始圖像及后處理圖像進行對比，以探討Brain Time Stack圖像融合技術對圖像質量的改善作用。

1 資料與方法

1.1 一般資料

回顧性分析北京醫院2021年7—9月因顱內血管疾病行頭部CT灌注掃描的患者31例，其中男性21例、女性10例。納入標準：① 年齡＞18歲；② 影像數據完整。排除標準：① 合并嚴重肝、腎功能障礙；② 存在碘造影劑過敏史；③ 頭部仰角過大；④ 嚴重運動偽影或金屬偽影；⑤ 動脈峰值期血管CT值＞500 HU。本研究獲得北京醫院倫理委員會審批（2020BJYYEC-267-02）。

1.2 掃描方案

使用 Aquilion ONE Genesis 320 排 CT（佳能醫療，日本）獲得頭部CT灌注影像學數據[11]。掃描前使用頭架并綁帶固定患者額部和下頜部，限制頭部的運動。掃描參數如下[12]：管電壓80 kV，管電流150 mAs，準直器寬度16 cm，轉速 0.75 s/r，采用雙筒高壓注射器（Nemoto）經右側肘靜脈輸注對比劑，對比劑選擇碘帕醇370 mgI/mL，按照體重 0.6 mL/kg 進行注射，隨后注射 30 mL 0.9% NaCl溶液。對比劑注射7 s后開始啟動CT灌注掃描[13]。最終獲得動態掃描19期共6080幅0.5 mm層厚的圖像。

1.3 圖像后處理

如圖1所示，將19期共6080幅圖像導入后處理工作站（Vitrea，Vital Image），根據患者的時間-密度曲線選擇動脈峰值期、峰值前一期及后一期共3個時相的圖像，使用Brain Time Stack功能分別進行圖像融合，分為4組：A組（動脈期）、B組（動脈期結合前一期圖像）、C組（動脈期結合后一期圖像）、D組（動脈期結合前一期及后一期圖像）。

圖1 動脈峰值前一期、峰值期及峰值后一期的時相選擇

1.4 圖像質量評價

1.4.1 客觀評價

選擇圖像（層厚為0.5 mm）的兩個層面：側腦室體部層面及聽眥線層面，分別測量并計算4組圖像的額葉白質、灰質、側腦室、延髓、小腦、顳肌肌肉的CT平均值（以下簡稱CT值）、標準差值（Standard Deviation，SD）、信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）及對比噪聲比（Contrast to Noise Ratio，CNR）[14]，見圖 2。

圖2 4組圖像感興趣區位置的選擇示例

1.4.2 主觀評價

將4組0.5 mm圖像采用Reformat技術分別重建成5 mm 層厚的圖像（窗寬 200 HU，窗位60 HU）[15]進行圖像主觀質量的評價。

對4組圖像的腦組織顯示情況進行評價，由2名分別具有3年和5年工作經驗的放射科醫師進行雙盲評分，評分標準采用4分制（1分：圖像噪聲較大，無法區分大腦灰白質和大腦核團；2分：圖像噪聲明顯，模糊區分大腦灰白質和大腦核團；3分：圖像噪聲較低，可以區分大腦灰白質和大腦核團；4分：圖像噪聲低，明確區分大腦灰白質和大腦核團）。其中，3～4分圖像基本滿足診斷需求，而1～2分圖像不滿足診斷需要[16]。

1.5 統計學分析

本研究采用SPSS 26.0進行統計學分析。首先對相關數據行正態性檢驗，若為正態性數據，則以±s表示，通過單因素方差分析比較其組間差異，并行邦弗倫尼檢驗比較組內差異；若為偏態數據，以M（Q1，Q3）表示，通過Kruskal-WallisU檢驗比較其差異性。此外，對于圖像的主觀質量評價，通過Kappa檢驗評價兩觀察者間的一致性：Kappa值≤0.40為一致性較差，0.40＜Kappa值≤0.75為一致性中等，Kappa值＞0.75為一致性較好；采用Kruskal-WallisU檢驗比較4組圖像質量的差異性。P＜0.05表示存在統計學差異。

2 結果

2.1 客觀圖像質量評價

4組圖像的CT值不具有統計學差異，且組間比較不具有統計學差異，見表1。由表2～3結果可知，4組圖像的SD值及SNR存在顯著的統計學差異（P＜0.001）。同時，A組圖像與B組、C組、D組圖像SD值和SNR值的組間比較存在明顯的統計學差異（P＜0.05）；D組圖像與B組、C組圖像SD值和SNR值的組間比較存在顯著的統計學差異（P＜0.05）；而B組與C組圖像SD值和SNR值的組間比較不存在顯著的統計學差異。4組圖像的白質/灰質CNR值對比，A組圖像CNR值為（1.80±0.21），B組為（2.53±0.23），C 組為（2.94±0.27），D 組為（3.71±0.32），4組CNR值對比存在統計學意義（P＜0.001）。其中，A組與B組CNR值組間比較有統計學差異（P=0.047）；A組與C組CNR值組間比較有統計學差異（P=0.002）；A組與D組CNR值組間比較有統計學差異（P＜0.001）；B組與C組CNR值組間比較無統計學差異（P=0.269）；B組與D組CNR值組間比較存在統計學差異（P=0.002）；C組與D組CNR值組間比較有統計學差異（P=0.038）。

表1 不同方法獲得的CT值比較（±s，HU）

表1 不同方法獲得的CT值比較（±s，HU）

注：A組（動脈期）、B組（動脈期結合前一期相）、C組（動脈期結合后一期相）、D組（動脈期結合前一期及后一期）。P1：A組與B組CT值組間比較的P值；P2：A組與C組CT值組間比較的P值；P3：A組與D組CT值組間比較的P值；P4：B組與C組CT值組間比較的P值；P5：B組與D組CT值組間比較的P值，P6：C組與D組CT值組間比較的P值。

CT值 額葉白質 額葉灰質 腦室 延髓 小腦內側 小腦外側 肌肉A組 59.15±1.54 42.61±0.91 12.94±1.13 43.13±1.57 49.82±1.32 62.31±1.70 47.91±2.15 B組 57.70±1.33 41.10±0.72 13.15±0.96 41.37±1.65 47.36±1.15 60.40±1.68 46.80±2.19 C組 61.91±1.29 42.84±0.85 13.53±1.01 44.40±1.62 51.45±1.20 64.35±1.67 48.53±2.05 D組 60.24±1.32 41.80±0.83 14.51±1.64 42.78±1.68 49.33±1.11 62.32±1.63 47.76±2.13 P值 0.177 0.436 0.805 0.627 0.121 0.427 0.952 P1值 0.457 0.202 0.902 0.446 0.149 0.421 0.713 P2值 0.158 0.843 0.729 0.584 0.338 0.388 0.836 P3值 0.577 0.492 0.362 0.879 0.773 0.996 0.962 P4值 0.032 0.141 0.824 0.192 0.017 0.097 0.565 P5值 0.194 0.554 0.431 0.542 0.247 0.418 0.749 P6值 0.391 0.376 0.571 0.484 0.214 0.391 0.799

表2 不同方法獲得的SD值比較（±s）

表2 不同方法獲得的SD值比較（±s）

注：A組（動脈期）、B組（動脈期結合前一期相）、C組（動脈期結合后一期相）、D組（動脈期結合前一期及后一期）。P1：A組與B組SD值組間比較的P值；P2：A組與C組SD值組間比較的P值；P3：A組與D組SD值組間比較的P值；P4：B組與C組SD值組間比較的P值；P5：B組與D組SD值組間比較的P值，P6：C組與D組SD值組間比較的P值。

SD值 額葉白質 額葉灰質 腦室 延髓 小腦內側 小腦外側 肌肉A組 9.87±0.42 10.43±0.45 10.99±0.46 11.48±0.58 10.73±0.53 10.78±0.57 12.00±0.56 B組 6.71±0.28 6.74±0.32 6.79±0.35 7.66±0.31 7.32±0.33 7.04±0.25 8.23±0.40 C組 6.93±0.31 6.67±0.30 7.81±0.47 7.96±0.36 7.37±0.26 7.23±0.27 8.80±0.41 D組 5.16±0.17 5.02±0.19 5.58±0.15 6.22±0.18 5.67±0.18 5.67±0.15 7.16±0.35 P值 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 P1值 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 P2值 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 P3值 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 P4值 0.612 0.875 0.061 0.579 0.908 0.701 0.361 P5值 0.001 ＜0.001 0.026 0.010 0.001 0.006 ＜0.001 P6值 ＜0.001 0.001 ＜0.001 ＜0.001 0.001 0.002 0.009

2.2 主觀圖像質量評價

2名醫師的主觀評價一致性較好，Kappa值為0.817，P＜0.001。此外，4組圖像的主觀質量評分之間存在統計學差異（H=90.422，P＜0.001）。A組圖像與B組（H=25.364.422，P＜0.001）、C 組（H=39.158，P＜0.001）、D 組（H=62.000，P＜0.001）圖像的主觀質量存在明顯的統計學差異；同時，D組圖像與B組（H=39.158，P＜0.001）、C組（H=39.158，P＜0.001）圖像之間存在顯著的統計學差異。而B組與C組圖像主觀評分之間不存在顯著的統計學差異。

表3 不同方法獲得的SNR值比較（±s）

表3 不同方法獲得的SNR值比較（±s）

注：A組（動脈期）、B組（動脈期結合前一期相）、C組（動脈期結合后一期相）、D組（動脈期結合前一期及后一期）。P1：A組與B組SNR值組間比較的P值；P2：A組與C組SNR值組間比較的P值；P3：A組與D組SNR值組間比較的P值；P4：B組與C組SNR值組間比較的P值；P5：B組與D組SNR值組間比較的P值，P6：C組與D組SNR值組間比較的P值。

SNR值 額葉白質 額葉灰質 腦室 延髓 小腦內側 小腦外側 肌肉A組 6.35±0.32 4.32±0.21 1.23±0.10 4.01±0.23 4.93±0.23 6.31±0.39 4.32±0.31 B組 9.04±0.41 6.73±0.50 2.06±0.16 5.65±0.29 6.85±0.34 8.94±0.44 6.16±0.42 C組 9.42±0.44 6.81±0.33 1.78±0.11 5.99±0.36 7.25±0.31 9.35±0.48 5.89±0.36 D組 12.09±0.50 8.94±0.63 2.61±0.27 7.11±0.38 8.97±0.36 11.25±0.45 7.15±0.45 P值 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 P1值 ＜0.001 ＜0.001 0.001 0.001 ＜0.001 ＜0.001 0.001 P2值 ＜0.001 ＜0.001 0.027 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 0.005 P3值 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 P4值 0.526 0.894 0.242 0.458 0.366 0.508 0.623 P5值 ＜0.001 0.001 0.027 0.002 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 P6值 ＜0.001 0.001 0.001 0.016 ＜0.001 0.003 0.024

3 討論

Brain Time Stack圖像融合技術是通過對4D動態容積圖像數據進行疊加，獲得的圖像是同一位置所有像素的平均值，最多可疊加25期圖像，從而在一定程度上提高圖像SNR，改善圖像質量[17]。目前國內外對Brain Time Stack技術的研究較少，亟待相關研究的展開。

在本研究中，通過對80 kV頭部CT灌注圖像進行Brain Time Stack圖像融合，分別從客觀及主觀兩個方面評價了Brain Time Stack圖像融合技術對頭部CT灌注圖像質量的改善情況，研究發現融合后的圖像噪聲明顯減低、SNR及CNR優于單時相的原始圖像，同時頭部軟組織的對比度也得到一定程度的提升。使用Brain Time Stack圖像融合技術的圖像質量均優于單時相動脈峰值圖像質量，并且融合動脈峰值期前后3期圖像質量優于2期融合的圖像質量。

由于電離輻射存在誘發腫瘤的潛在風險，因此在獲得滿足診斷水平圖像的同時，應當盡可能地降低輻射劑量[18]。頭部CT灌注掃描因期相較多、連續曝光時間較長，因此其輻射劑量廣泛受到關注[19]。馬恩裕等[20]研究顯示，通過降低管電壓、降低管電流、降低采集頻次以及采用迭代后處理算法可以在減少噪聲的基礎上，達到降低輻射劑量的目的。本研究采用了80 kV的管電壓進行頭部CT灌注掃描，有效地降低了頭部CT灌注的輻射劑量，但是由于管電壓下降，圖像質量也受到了一定的影響。在不增加輻射劑量的前提下，通過Brain Time Stack技術的使用可以有效改善頭部灌注CT的圖像質量，對臨床而言具有重要意義。

本研究存在一定局限性：① 本研究樣本量較少，有待于大樣本研究進一步驗證；② 通過Brain Time Stack圖像融合技術融合動脈峰值期前后的圖像，可以有效提高圖像質量，對診斷有一定幫助，融合更多期的圖像，是否可以進一步提高圖像質量以及灰白質對比，也需要進一步研究證實，我們將在后期的工作中完善相關內容。

4 結論

綜上所述，在80 kV管電壓下，結合Brain Time Stack圖像融合技術可以有效降低頭部灌注CT圖像的噪聲、腦灰白質對比增加、改善圖像質量，能夠提高解剖學影像診斷的準確性，結合腦血流量、腦血容量、平均通過時間、達峰時間等功能學參數信息，可以為臨床提供更為全面的影像學信息。