不同掃描方式對CCTA人工智能重建與分析的影響

耿紀剛，李笑石，朱寅虎，金大永，李馨，張巍琪，秦越

1.西安大興醫(yī)院 影像科，陜西 西安 710016；2.空軍軍醫(yī)大學(xué)附屬西京醫(yī)院 影像科，陜西 西安 710032

引言

冠狀動脈CT 血管成像（Coronary Computed Tomography Angiography，CCTA）是螺旋CT技術(shù)領(lǐng)域最主要的研究方向之一，隨著寬體探測器的問世，容積掃描心動周期凍結(jié)技術(shù)在CCTA領(lǐng)域得以應(yīng)用[1-2]。大量研究表明，容積掃描可以在更低劑量的條件下獲得相同質(zhì)量的圖像，并且在實際臨床應(yīng)用中裝備了寬體探測器的CT在進行CCTA時也首選容積掃描模式[3-5]。

隨著醫(yī)學(xué)人工智能（Artificial Intelligence，AI）影像學(xué)的發(fā)展，深度學(xué)習(xí)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)字原始圖像識別等技術(shù)得以應(yīng)用于復(fù)雜且數(shù)據(jù)量較大的CCTA后處理中，AI借助大數(shù)據(jù)平臺工具成為影像科醫(yī)生進行CCTA輔助診斷和圖像分析的重要助手[6]。而應(yīng)用AI技術(shù)提升圖像質(zhì)量、降低誤判率和提高診斷時間的研究也有越來越多[7]。但是影響AI進行心血管處理結(jié)果準確性的因素較多，各大軟件廠商的處理平臺與重建算法的差異也較大[8]，目前業(yè)內(nèi)比較主流的觀點是，CCTA檢查中AI重建圖像質(zhì)量會因運動偽影（包括心律和呼吸）、底層數(shù)據(jù)采集方式和重建算法不同而存在差異[9-10]。本研究通過對比容積掃描與螺旋掃描兩種方式下不同心率組CCTA檢查的AI重建圖像質(zhì)量，旨在探究不同掃描方式對于AI重建質(zhì)量的影響。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

選取2020年11月至2021年11月在我院進行CCTA檢查的患者100例作為研究對象，其中男性55例（61.11%），女性35例（38.89%）；年齡37～72歲，平均年齡（51.30±5.61）歲；體質(zhì)指數(shù)（Body Mass Index，BMI）21.12～30.51 kg/m2，平均BMI（2.11±4.21）kg/m2，患者按掃描方式不同分為兩組，將容積掃描納入A組，螺旋掃描納入B組，每組50例。A組和B組再按照心率將每組分為兩個亞組：心率≤75次/min為A1組（33例）、B1組（35例），心率＞75次/min為A2組（17例）、B2組（15例）。其中A組中男性22例（73.30%），女性8例（16.70%）；年齡39～78歲，平均年齡（53.91±5.10）歲；BMI 21.31～27.61 kg/m2，平均BMI（21.39±3.21）kg/m2。B組男性20例（66.70%），女性10例（33.30%）；年齡42～79歲，平均年齡（57.32±4.55）歲；BMI 22.01～30.51 kg/m2，平均BMI（23.32±3.31）kg/m2。所有患者掃描前均自愿簽署造影劑知情同意書。納入標準：符合CTA檢查標準的患者；無CT檢查禁忌證的患者；對碘造影劑無過敏反應(yīng)的患者；雙手可舉過頭頂?shù)幕颊摺Ｅ懦龢藴剩簢乐匦摹⒎巍⒛I功能不全的患者；意識不清、無法進行呼吸配合的患者；進行過冠狀動脈搭橋手術(shù)后復(fù)查或心律波動較大的患者。

1.2 方法

兩組均采用佳能醫(yī)療系統(tǒng)320排寬體探測器CT（Aquilion ONE，Canon Medical System，日本），患者取仰臥位，雙上肢上舉交叉，頭先進，掃描范圍從胸廓入口處至膈肌下1.0 cm處，掃描方向從頭至足側(cè)，采用100 kV管電壓，管電流采用智能毫安由系統(tǒng)自動設(shè)置，調(diào)節(jié)范圍120～900 mA，重建技術(shù)采用3D自適應(yīng)迭代重建技術(shù)（Adaptive Iterative Dose Reduction 3D，AIDR 3D），重建迭代比例為ARDR 3D（Adaptive Iterative Dose Reduction 3D，AIDR 3D）50%，造影劑采用GE制藥公司的350 mg/L碘克沙醇，流速5.0 mL/s，對比劑使用量50～80 mL，兩組圖像掃描后將層厚0.625 mm的薄層數(shù)據(jù)至數(shù)坤人工后處理工作站進行分析。

（1）A組采用容積掃描。足先進，掃描范圍從氣管分叉處至膈肌下1.0 cm處，掃描方向從頭至足側(cè)，降主動脈設(shè)置興趣區(qū)（Region of Interest，ROI）進行監(jiān)測，觸發(fā)閾值為220 HU，呼吸指令根據(jù)心率調(diào)整，范圍為13～15 s，達到閾值后延遲即刻開始掃描，設(shè)置前瞻性心電門控，SD=28，球管轉(zhuǎn)速 0.275 s/圈，層厚 0.5 mm，層間距 0.35 mm。

（2）B組采用螺旋掃描。足先進，掃描范圍從氣管分叉處至膈肌下1.0 cm處，掃描方向從頭至足側(cè)，在升主動脈設(shè)置興趣區(qū)進行監(jiān)測，觸發(fā)閾值為120 HU，達到閾值后延遲5 s開始掃描，前瞻性心電門控，固定螺距比1.49/14.9，SD=28，球管轉(zhuǎn)速0.275 s/圈，探測器組合設(shè)置0.5 mm×100 mm，層厚0.5 mm，層間距0.35 mm。

1.3 圖像后處理

所有原始數(shù)據(jù)傳送至數(shù)坤Coronary Doc（版本1711.1711）AI工作站進行后處理，采用基于深度學(xué)習(xí)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，用復(fù)合的2D與3D模型提取血管不同特征，運用模型進行動靜脈分離、血管斷裂連接進行pixel level精確提取及分隔結(jié)果優(yōu)化，生成冠狀動脈容積再現(xiàn)成像（Volume Rendering，VR）、多平面重建圖像（Multi-Planner Reformation，MPR）、曲面重建圖像（Curved Plannar Reconstruction，CPR）以及最大密度投影圖像（Maximal Intensity Projection，MIP）。

1.4 圖像質(zhì)量評價

1.4.1 主觀圖像質(zhì)量評價

（1）VR主觀圖像質(zhì)量評價。AI后處理工作站會自動重建出正中位置心臟與冠狀動脈的VR三維模型，心臟血池用紅色（標號ff0033），冠狀動脈用黃色（標號ffcc00）進行重建，重建完成后的VR模型可以自由旋轉(zhuǎn)、放大和調(diào)整顏色。

（2）CPR主觀圖像質(zhì)量評價。AI冠狀動脈工作站會自動識別冠狀動脈分支并給予命名與分段，根據(jù)美國心臟病協(xié)會（American Heart Association，AHA）推薦的 18 段分段法[11]，將每組患者冠狀動脈按照相同協(xié)議進行分段，其中血管閉塞及遠端不計入統(tǒng)計。

VR與CPR圖像質(zhì)量均采用Likert4評分法[12]進行打分，由兩名高年資影像科醫(yī)師采用雙盲法對所有節(jié)段的圖像質(zhì)量進行分級評價，如果出現(xiàn)分歧則由第3名醫(yī)師進行判斷。具體評價標準如下：1級：血管無偽影和中斷，邊界清晰；2級：血管有輕度偽影，邊界輕微模糊；3級：血管有中度偽影，節(jié)段連續(xù)；4級：血管管腔及管壁顯示不清，走行連續(xù)性中斷，出現(xiàn)階梯狀偽影。1～3級的圖像可以滿足臨床診斷需求，4級為無法完成臨床診斷。

1.4.2 客觀圖像質(zhì)量評價

選取冠狀動脈右冠近段距離開口1 cm處、右冠中段、前降支左主干距離血管開口1 cm處、前降支中段、前降支遠段，回旋支近段6個ROI，每個ROI直徑5 mm，測量以下數(shù)值：CT值、同層面肌肉標準差（Standard Deviation，SD），并計算信噪比（Signal Noise Ratio，SNR）。

1.5 輻射劑量統(tǒng)計

記錄兩組患者檢查時所接受的容積劑量指數(shù)（Volume Computed Tomography Dose Index，CTDIvol）和劑量長度乘積（Dose Length Product，DLP），根據(jù)結(jié)果計算有效劑量（Effective Dose，ED）。

1.6 統(tǒng)計學(xué)分析

所有數(shù)據(jù)采用SPSS 26.0軟件包進行統(tǒng)計分析。所有測量數(shù)據(jù)均采用±s表示。主觀統(tǒng)計評價一致性采用Kappa檢驗。符合正態(tài)分布的連續(xù)變量采用t檢驗，不符合正態(tài)分布的連續(xù)變量比較采用非參數(shù)檢驗。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 VR圖像主觀評價

在冠狀動脈VR三維模型中，A組與B組圖像主觀質(zhì)量評價無顯著差異，見圖1～2。A組能滿足臨床診斷（1～3級）的有46例（A1組32例，A2組14例），B組能滿足臨床診斷（1～3級）的有47例全（B1組34例，B2組13例）。A組和B組及高、低心率亞組VR圖像主觀評價比較無統(tǒng)計學(xué)差異（P＞0.05），見表1。

圖1 A1組和B1組冠狀動脈VR圖像

圖2 A2組和B2組冠狀動脈VR圖像

表1 VR主觀圖像質(zhì)量評價[n（%）]

2.2 CPR圖像主觀質(zhì)量評價

A組和B組共識別出1800段冠狀動脈血管，其中A1組594段，A2組306段，B1組630段，B2組270段。A組和B組圖像中，可以滿足診斷需求（1～3級）的冠狀動脈數(shù)量分別為818根（92.00%）與813根（90.33%），兩組主觀圖像質(zhì)量無統(tǒng)計學(xué)差異（P＜0.05）。在不同心率亞組的對比中，A1組與B1組可以滿足診斷需求（1～3級）的圖像比較無統(tǒng)計學(xué)差異（P＞0.05），見圖3～4和表2。

圖3 A1組和B1組冠狀動脈CPR圖像

圖4 A2組和B2組冠狀動脈CPR圖像

表2 CPR圖像主觀質(zhì)量評級[n（%）]

2.3 圖像質(zhì)量客觀評價

A組和B組圖像在低心率亞組前降支遠段的SNR值比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義（P=0.8091），其余所有節(jié)段的SNR值B1組均顯著高于A1組（P＜0.0001）；而高心率亞組中，遠段節(jié)段的SNR值B2組均小于A2組，近中段節(jié)段的SNR值則表現(xiàn)為B2組均大于A2組（P＜0.0001），見表3～4。

表3 低心率亞組冠狀動脈客觀質(zhì)量評價表（±s，n=200）

表3 低心率亞組冠狀動脈客觀質(zhì)量評價表（±s，n=200）

部位 CT值 SD值 SNR值A(chǔ)1右冠近段 375.58±21.35 21.25±7.21 17.67±2.33 B1右冠近段 379.24±20.89 17.10±6.56 21.94±3.98 P值 0.0839 ＜0.0001 ＜0.0001 A1右冠遠段 346.50±20.99 15.47±5.12 22.40±3.21 B1右冠遠段 353.64±19.99 14.69±2.19 24.07±3.31 P值 0.0007 0.0483 ＜0.0001 A1左主干 434.50±22.21 17.16±5.12 25.32±3.90 B1左主干 415.31±23.45 9.53±1.90 43.58±5.90 P值 ＜0.0001 ＜0.0001 ＜0.0001 A1前降支中段 421.54±19.03 29.84±7.12 14.13±2.90 B1前降支中段 292.75±11.21 14.11±2.10 20.74±3.11 P值 ＜0.0001 ＜0.0001 ＜0.0001 A1前降支遠段 279.41±15.50 23.61±4.12 11.83±2.90 B1前降支遠段 256.52±12.23 21.56±5.01 11.90±2.89 P值 ＜0.0001 ＜0.0001 0.8091 A1回旋支近段 332.25±21.22 18.23±4.99 18.22±3.01 B1回旋支近段 375.77±20.89 9.19±1.09 40.89±21.23 P值 ＜0.0001 ＜0.0001 ＜0.0001

表4 高心率亞組冠狀動脈客觀質(zhì)量評價表（±s，n=200）

表4 高心率亞組冠狀動脈客觀質(zhì)量評價表（±s，n=200）

部位 CT值 SD值 SNR值A(chǔ)2右冠近段 359.38±21.23 16.15±4.31 22.25±4.23 B2右冠近段 270.00±19.90 10.30±2.21 26.21±4.12 P值 ＜0.0001 ＜0.0001 ＜0.0001 A2右冠遠段 332.20±23.32 12.60±2.98 26.37±3.99 B2右冠遠段 265.17±19.89 16.2±3.01 16.37±3.33 P值 ＜0.0001 ＜0.0001 ＜0.0001 A2左主干 341.42±30.31 12.96±2.36 26.34±3.10 B2左主干 301.83±29.93 13.12±1.98 23.01±2.98 P值 ＜0.0001 0.4631 ＜0.0001 A2前降支中段 302.22±29.90 22.50±3.97 13.43±2.21 B2前降支中段 289.05±26.79 9.97±1.98 28.98±3.46 P值 ＜0.0001 ＜0.0001 ＜0.0001 A2前降支遠段 220.01±19.98 12.52±2.21 17.57±2.98 B2前降支遠段 149.40±13.22 11.08±1.99 13.48±3.01 P值 ＜0.0001 ＜0.0001 ＜0.0001 A2回旋支近段 308.64±29.00 15.98±3.31 19.31±3.99 B2回旋支近段 255.75±21.22 9.02±1.02 28.35±6.10 P值 ＜0.0001 ＜0.0001 ＜0.0001

2.4 輻射劑量與對比劑用量比較

A組CTDIvol、DLP、ED均顯著低于B組（P＜0.0001），A組輻射劑量減低率為70.28%，見表5。

表5 A組和B組輻射劑量與對比劑用量比較（±s）

表5 A組和B組輻射劑量與對比劑用量比較（±s）

注：CTDIvol：容積劑量指數(shù)；DLP：劑量長度乘積；ED：有效劑量。輻射劑量減低率=（B組ED-A組ED）/B組ED。

指標 A組 B組 t值 P值CTDIvol/（mGy.cm） 7.90±3.10 39.80±7.21 57.483 ＜0.0001 DLP/（mGy.cm） 111.30±32.12 375.10±88.22 69.863 ＜0.0001 ED/mSv 1.56±0.45 5.25±1.37 39.737 ＜0.0001

3 討論

目前AI影像工具在臨床上的應(yīng)用主要有兩大方面，分別為CCTA血管智能提取與診斷為代表的血管AI影像和以肺結(jié)節(jié)查找判斷為代表的微小病變AI影像[13]。其中CCTA AI系統(tǒng)分為兩個主工作流程，即冠狀動脈標準化后處理與管腔狹窄診斷，本研究主要探究CCTA AI影像中，不同掃描方式對AI后處理VR、MPR圖像質(zhì)量的影響。

國內(nèi)外研究表明，AI影像在冠狀動脈識別的準確率為95%～99%[14]。朱剛明等[6]的研究表明，AI節(jié)約了73.73%的重建時間和56.08%的診斷時間，且AI診斷工具可以不受診斷醫(yī)師主觀因素的影響，耗時較為穩(wěn)定，結(jié)果標準統(tǒng)一化、客觀化。暴云鋒等[15]研究表明，AI工具在統(tǒng)一的掃描模式下，得到的后處理圖像質(zhì)量也與人工處理接近（VR圖像AI重建合格率為97.20%，人工重建合格率為99.07%）；Van Assen等[16]對比了19000條冠狀動脈，結(jié)果表明AI重建的CPR圖像在冠狀動脈節(jié)段命名準確率也與人工準確率接近（AI準確率為人工命名的96.88%）。但之前的研究在進行CCTA圖像質(zhì)量對比時僅考慮了運動偽影的影響；Carson等[17]研究中，由于運動偽影造成的冠狀動脈重建圖像質(zhì)量不合格，在人工組中依然存在，但人工組可以進行手動重建修訂，從而提高了極少數(shù)較差圖像的合格率。但是隨著AI工具的版本迭代，其自動修訂能力提高。由于上述研究采用統(tǒng)一的掃描方案或重建算法，圖像質(zhì)量的影響只能說明AI工具對于運動偽影糾錯的能力，而無法反映AI工具對于原始數(shù)據(jù)判斷的影響。

Rabbat等[18]研究表明，影響AI重建圖像質(zhì)量除了心臟搏動和呼吸運動偽影之外，還包括底層原始數(shù)據(jù)的搭建原理，如重建算法、掃描方式選擇、曝光劑量、對比劑濃度、注射流率等因素影響。這是由于AI工具的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)能力需要在初級階段獲取不同參數(shù)的掃描病例數(shù)據(jù)，尤其是不合格的數(shù)據(jù)。如果在訓(xùn)練集上無法匹配此前學(xué)習(xí)過的重建數(shù)據(jù)特征，就會產(chǎn)生分割遺漏和噪聲，出現(xiàn)過擬合或者欠擬合[19]。

容積掃描是寬體探測器獨有的低劑量掃描方式，不同于普通的螺旋掃描，僅曝光一次就可以采集160 mm范圍的影像數(shù)據(jù)，大大減少了輻射劑量。大量的研究[20-22]已經(jīng)證實，寬體探測器容積掃描與螺旋掃描在圖像質(zhì)量上無顯著差異，而輻射劑量卻大幅度減低，但根據(jù)歐陽中敏等[23]的研究，雖然總體可以滿足臨床診斷要求，但容積掃描模式在心律越高的患者中運動偽影越高，在大于75次/min時尤為明顯。本研究中，為了避免運動偽影影響圖像質(zhì)量判斷，排除了嚴重心律不齊的患者，同時對患者按照高低心律進行了亞組區(qū)分，分別評價不同掃描方式下對于低心率組和高心率組的重建效能差別。

本研究結(jié)果表明，對于不同心率，AI對于容積掃描與螺旋掃描的VR重建圖像質(zhì)量均無顯著差異，而CPR重建圖像質(zhì)量在高心律組中略有差異。結(jié)合AI工作原理，VR圖像是進行了2D與3D融合并結(jié)合pixel level技術(shù)精確提取及分隔結(jié)果優(yōu)化生成的圖像。對VR圖像著色和渲染視覺感較強，即使心律較高的圖像組中，也能表現(xiàn)出比較好的局部解剖結(jié)構(gòu)形態(tài)，對于原始數(shù)據(jù)的矯正和整合算法有很好的效果[23-24]。因此在兩種掃描方法的VR圖像評價中，高、低心率組均無顯著差異。容積掃描和螺旋掃描在低心律組CPR圖像主觀質(zhì)量中無顯著差異，而在高心律組中的圖像質(zhì)量存在差異，主要表現(xiàn)為圖像質(zhì)量優(yōu)秀的部分。原因為CPR圖像是系統(tǒng)依靠分割圖像結(jié)果進行曲面重建，因而去掉了渲染部分和心肌部分，對于血管內(nèi)部情況顯示地更為清晰，能判斷管腔的狹窄率和斑塊情況，且無偽彩渲染的差值矯正，因此不同掃描方法的圖像質(zhì)量出現(xiàn)了差異，部分容積掃描的圖像在右冠狀動脈出現(xiàn)了管壁毛糙，不如螺旋掃描平滑，造成圖像評分無法達到優(yōu)秀[25]。容積掃描和螺旋掃描在客觀圖像質(zhì)量上的評價有顯著差異，兩種掃描方法對于血管內(nèi)造影劑的顯示和填充表現(xiàn)不一致，但并不影響AI進行重建與診斷分析的效能，主要由于兩種掃描方式原理的不同。

本研究存在以下不足，首先樣本量較少，分成高低心律亞組之后每組的患者數(shù)量分流，如增加樣本量可能結(jié)果會更全面；其次是評價時未進一步分析重建算法在其中的影響，在后續(xù)的研究中，將對重建算法進一步區(qū)分，以得到更全面的評價。

4 結(jié)論

AI在冠狀動脈CTA不同掃描方式下，重建的圖像質(zhì)量合格率無顯著差異，容積掃描方式獲得的CPR后處理圖像僅在高心律組中優(yōu)秀圖像比例較螺旋掃描略低，但是輻射劑量卻大幅度降低。本研究結(jié)果表明，容積掃描在冠狀動脈CTA AI后處理方面具有較高的臨床意義。