噪聲優(yōu)化的虛擬單能量成像技術在雙能量CTPA圖像中的應用研究

易思琪，胡仕北，何雅坤，何長久

四川省腫瘤醫(yī)院 放射科，四川 成都 610041

引言

急性肺栓塞（Pulmonary Embolism，PE）是最常見的潛在危及生命的心血管疾病之一，CT肺動脈成像（CT Pulmonary Angiography，CTPA）是臨床診斷PE首選的無創(chuàng)影像學方法，研究表明快速且準確地診斷對患者的治療和管理具有重要的指導作用[1-2]。然而由于不恰當的造影方法、呼吸運動偽影、心臟泵血功能障礙等因素產生的次優(yōu)圖像，不僅不利于PE的準確診斷，還會使重復掃描累積的輻射劑量增加[2]。雙源CT為CTPA提供的多種掃描和圖像重建方法可用于提高圖像質量、降低輻射劑量和對比劑用量[3]。雙源CT的虛擬單能量成像（Virtual Monochromatic Imaging，VMI）技術在臨床上已有廣泛應用，相關研究表明，VMI技術虛擬的低keV圖像能增加碘信號衰減，提高組織的對比度和診斷準確性[4]，但圖像噪聲會隨之增加，即某種程度上會降低對比噪聲比（Contrast to Noise Ratio，CNR）。噪聲優(yōu)化的虛擬單能量成像技術（Noise-Optimized Virtual Monochromatic Imaging，VMI+） 融合了低光子能量圖像中的高對比度和中光子能量圖像中的低噪聲，既能夠提高血管內碘對比劑的可視化效果，還能降低圖像的噪聲[5]。本研究應用第二代雙源CT，通過比較不同的掃描方式和重建方式的圖像質量、栓子檢出效能以及輻射劑量，旨在探討VMI+技術在CTPA中的診斷價值。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

本研究方案經本院醫(yī)學倫理委員會審核批準，選取2020年7月至2021年3月在我院行CTPA檢查的患者，所有患者在入組前均簽署知情同意書。納入標準：患者出現胸痛、胸悶、呼吸困難等癥狀或臨床懷疑PE。排除標準[6]：① 有碘過敏史或其他嚴重過敏史的患者；② 嚴重的心、肝、腎功能受損（腎小球濾過率＜30 mL/min）和未經治療的甲狀腺功能亢進的患者；③ 妊娠期女性或年齡在18歲以下的患者；④ 造影劑團注流速＜4 mL/s。初步篩選65例患者被納入本研究中，隨機分為雙能量掃描組（A組）和單能量掃描組（B組），將在檢查過程中因無法屏氣或屏氣不佳造成圖像運動偽影的病例排除，最后共有61例被納入研究，其中A組30例，B組31例。

1.2 方法

1.2.1 掃描參數

所有患者均使用西門子第2代雙源CT（Somatom Definition Flash，Siemens Healthcare）行單能量和雙能量掃描。雙源CT的單能量管電壓為120 kV，雙能量管電壓為80/Sn140 kV?；颊呷∑脚P位，足先進，雙手后舉置于頭兩側，掃描方向為足-頭，掃描范圍為膈肌水平至胸廓入口。在獲得定位像并完成常規(guī)平掃（單源模式）后，將感興趣區(qū)（Region of Interest，ROI）置于右心室，采用對比劑智能追蹤技術動態(tài)檢測其CT值，當監(jiān)測點CT值達到50 HU閾值時延遲5 s后自動觸發(fā)掃描，每次掃描在患者一次屏氣期間完成。使用自動管電流技術（CARE Dose 4D）調整實際管電流，準直器寬度為128 mm×0.66 mm，球管旋轉時間為 0.28 s，視野（Field of View，FOV）350 mm×350 mm，螺距1.2。

1.2.2 注射方案

使用雙筒高壓注射器經右肘正中靜脈團注非離子型對比劑（優(yōu)維顯，含碘量370 mg/mL）。對比劑注射速度根據患者血管通暢情況設為5 mL/s或4 mL/s，對比劑總量為25 mL。采用“鹽水-混合液-對比劑-鹽水”的推注方案：注射20 mL 0.9%氯化鈉溶液，測試血管是否通暢，再注入30%的對比劑和70%的0.9%氯化鈉溶液混合液，之后以相同流速注入20 mL對比劑，最后用30 mL 0.9%氯化鈉溶液沖刷[7]。

1.2.3 輻射劑量

每次掃描完成后，從患者的掃描協議中記錄容積CT劑量指數（Volume CT Dose Index，CTDIvol）、劑量長度乘積（Dose Length Product，DLP）和掃描長度。通過選擇適當的標準轉換因子k，計算每例患者完成本次檢查所受的有效輻射劑量（Effective Radiation，ED）。計算方式見公式（1）。

1.3 圖像后處理及分組

所有影像數據均傳送至CT設備自帶影像工作站（Simens，Singovia）進行后處理。將雙源CT雙能量模式掃描后的140 keV和80 keV薄層圖像，分別使用融合系數M=0.6的線性融合技術（Linear Blending，LB）重建獲得LB圖像（A1組），使用“monoenergentic plus”應用程序獲取虛擬40 kV的單能圖像（VMI40+，A2組）和虛擬60 kV的單能圖像（VMI60+，A3組）；B組為120 kV單能量掃描所獲得的圖像。

1.4 圖像評價

1.4.1 主觀評價

將所有圖像進行以上處理后，由兩名有5年以上工作經驗的放射科醫(yī)師采用雙盲法對圖像質量和栓子顯示清晰度進行獨立分析，將圖像隨機并排成列給閱片者，注意不要告知閱片者這些圖像采用的重建方式，允許閱片者根據個人經驗更改窗口或背景設置[8]。

（1）主觀圖像評價。使用5分量法（5分：圖像質量優(yōu)異，肺動脈及其分支清晰，無明顯背景噪聲，可進行診斷；4分：圖像質量良好，肺動脈及其分支清晰，輕度背景噪聲，可進行診斷；3分：圖像質量中等，肺動脈及其分支顯示欠清，背景噪聲明顯，診斷較困難；2分：圖像質量差，肺動脈及其分支顯示不清，背景噪聲大，不能診斷；1分：圖像質量差，肺動脈起始部管腔CT值小于150 HU，或血管分支模糊，背景噪聲大，不能診斷[9]）來評價A組的3組圖像（A1組、A2組、A3組）和B組圖像質量，并計算4組圖像的可診斷率和優(yōu)異率?？稍\斷率=（4分病例數量+5分病例數量）/病例總數；優(yōu)異率=5分病例數量/病例總數。

（2）栓子顯示清晰度。兩名放射科醫(yī)師分別記錄A組中3組圖像（A1組、A2組、A3組）段以上及段以下肺動脈的栓子檢出數量[10]，并使用3分制（1分：栓子顯示不清晰，與鄰近肺動脈對比度不佳；2分：栓子顯示較清晰，與臨近肺動脈對比度一般；3分：栓子顯示清晰，與臨近肺動脈對比度好）對栓子顯示清晰度進行評價。

1.4.2 客觀評價

（1）客觀圖像質量。使用圓形測量工具勾畫ROI，范圍為血管管腔大小的75%左右，將ROI置于血管分叉處遠端1 cm的位置，通過復制粘貼功能使其大小、形狀和位置在同一病例的圖像上保持一致，盡量避開鈣化或血管狹窄嚴重區(qū)域。在肺動脈干分叉處層面，測量連續(xù)三層的肺動脈干和左右肺動脈CT值和標準差（Standard Deviation，SD），同層面背部肌肉的CT值和SD值，背景噪聲即皮下肌肉的SD值[11]。計算增強后圖像連續(xù)三層的平均信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）和 CNR。計算公式分別如公式（2）～（3）所示。

式中，HUvessel代表肺動脈管腔內的CT值，StdDevvessle代表肺動脈官腔內的標準差。

式中，HUmuscle代表同層面背部肌肉的CT值，StdDevmuscle代表背景噪聲，即同層面背部肌肉的SD值。

（2）輻射劑量。比較A組和B組的CTDIvol、DLP、ED值和掃描長度，并計算兩組間的輻射劑量衰減百分比。

1.5 統(tǒng)計學分析

采用SPSS 25.0軟件進行統(tǒng)計學分析，所有計量資料均符合正態(tài)分布，用±s表示。4組圖像的CNR和SNR值方差齊，采用單因素方差分析法，若差異有統(tǒng)計學意義，再使用最小顯著差法（Least Significant Difference，LSD）實施樣本均數間的比較。單、雙能量組患者的年齡、BMI和輻射劑量分析使用獨立樣本的t檢驗，男女比例比較使用χ2檢驗。兩名醫(yī)師對4組圖像的主觀評分和栓子顯示清晰度評分使用Kruskal-WallisH秩和檢驗分析。用χ2檢驗分析4組圖像的栓子檢出數量。一致性分析使用Kappa檢驗（0～0.20、0.21～0.40、0.41～0.60、0.61～0.80 和 0.81～1.00分別表示一致性較差、差、中等、強、極強）。以P＜0.05表示差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 A組和B組一般資料比較

A組和B組年齡、體質量指數、男女比例等一般資料比較差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05），見表1。

表1 A組和B組患者的一般資料（±s，n）

表1 A組和B組患者的一般資料（±s，n）

組別 年齡/歲 體質量指數/（kg/m2) 男/女A組（n=30） 51.7±10.2 23.0±2.7 14/16 B組（n=31） 55.5±7.4 23.1±2.9 19/12 t/χ2值 0.143 -1.433 1.313 P值 0.887 0.160 0.252

2.1 圖像質量

2.1.1 主觀圖像質量

兩名觀察者對4組圖像質量主觀評價結果一致性好，A1組、A2組、A3組、B組的Kappa值分別為0.607、0.849、0.730、0.704，Kappa均＞0.61。A3組圖像質量主觀評分最高為（4.32±0.75）分，A2組評分為（4.00±0.78）分，A1組為（3.62±1.03）分和B組為（3.45±0.97）分，4組圖像質量主觀評分有統(tǒng)計學差異（H=30.104，P＜0.001）。A2組與A3組間、A1組與B組間圖像質量主觀評分差異無統(tǒng)計學意義（Z=-1.990、0.964，P=0.279、1.000）。A3組的可診斷率最高，較A1組和A2組分別提高了35.00%和13.33%。A3組可診斷率與A1組和B組間比較差異存在統(tǒng)計學意義（χ2=16.338、22.248；均P＜0.001），A3組與A2組間可診斷率不存在顯著性差異（χ2=2.981，P=0.084）。A3組的優(yōu)異率最高，分別較A1組和A2組提高了23.33%和18.33%。A3組與A1組、A2組與B組間差異有統(tǒng)計學意義（χ2=7.033，P=0.008；χ2=4.432，P=0.040），統(tǒng)計結果見表2。

表2 4組圖像質量的主觀評分、可診斷率和優(yōu)異率的結果統(tǒng)計

2.1.2 客觀圖像質量

4組圖像在肺動脈干處CNR（F=17.767，P＜0.001）和SNR（F=8.666，P＜0.001），左肺動脈處 CNR（F=8.843，P＜0.001） 和 SNR（F=2.761，P＜0.001），右肺動脈處 CNR（F=15.991，P＜0.001） 和 SNR（F=2.981，P＜0.001）均存在統(tǒng)計學差異。A2組在肺動脈干、左肺動脈和右肺動脈處的SNR最低，分別為（13.60±3.09）、（11.41±3.33） 和（12.76±3.65）。A2組和 A1組（肺動脈干t=4.318，P=0.020；左肺動脈t=4.108，P=0.014；右肺動脈：t=2.212，P=0.014）、A2組和A3組（肺動脈干t=-4.039，P=0.002；左肺動脈t=2.939，P=0.027；右肺動脈：t=-1.597，P=0.010）和A2組和B組間（肺動脈干t=-4.582，P＜0.001；左肺動脈t=-1.953，P=0.023；右肺動脈：t=-2.047，P=0.042）SNR值差異均有統(tǒng)計學意義。A2組在肺動脈干、左肺動脈和右肺動脈處的CNR值最高，分別為（19.71±4.84）、（17.02±3.02）和（18.99±5.99）。A3組在3處肺動脈上的CNR值次之，與A2組間不存在統(tǒng)計學差異（肺動脈干t=2.054，P=0.054；左肺動脈t=1.362，P=0.178；右肺動脈t=1.744，P=0.086）。A1組和B組的CNR值差異無統(tǒng)計學意義（肺動脈干t=-0.202，P=0.841；左肺動脈t=-0.390，P=0.698；右肺動脈：t=0.065，P=0.949），但均小于A2和A3組。統(tǒng)計結果如圖1和表3所示。

表3 4組圖像肺動脈干和左右肺動脈CNR和SNR值比較（±s）

表3 4組圖像肺動脈干和左右肺動脈CNR和SNR值比較（±s）

組別 肺動脈干 左肺動脈 右肺動脈CNR SNR CNR SNR CNR SNR A1組 12.94±4.55 17.70±4.18 13.45±3.70 14.93±3.31 12.45±3.47 15.40±4.33 A2組 19.71±4.84 13.60±3.09 17.02±3.02 11.41±3.33 18.99±5.99 12.76±3.65 A3組 17.38±3.93 17.70±4.62 15.90±3.37 14.60±4.92 16.63±4.41 15.55±4.37 B組 13.12±3.94 19.99±7.06 13.77±2.46 14.67±8.55 12.39±3.62 14.92±4.00 F值 17.767 8.666 8.843 2.761 15.991 2.981 P值 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001

圖1 4組圖像中CNR和SNR的數值分布

2.2 肺動脈栓子檢出效能

30例行雙能量掃描CTPA檢查的患者，兩名醫(yī)師在A1組、A2組和A3組圖像上均檢出栓子，其中A1組段以上75個，段以下31個；A2組段以上75個，段以下69個；A3組段以上75個，段以下45個。A2組圖像檢出的栓子數量最多，3組段以下栓子檢出數量差異有統(tǒng)計學意義（χ2=9.144，P＜0.012），見表4。兩位放射科醫(yī)生對A1組、A2組和A3組圖像的栓子顯示清晰度評分結果一致性好，A1組、A2組、A3組段以上肺動脈Kappa值分別為0.761、0.670、0.760（Kappa均 ＞0.61)；A1組、A2組、A3組 段以下肺動脈Kappa值分別為0.701、0.739、0.817（Kappa均＞0.61）。3組圖像段以上肺動脈栓子顯示清晰度評分差異無統(tǒng)計學意義（H=4.517，P=0.105）。3組圖像段以下肺動脈栓子顯示清晰度評分差異具有統(tǒng)計學意義（H=15.107，P=0.001），A2組總體評分稍高于A3組，但兩組間差異無統(tǒng)計學意義（Z=0.027，P=1.000），見表4。1例患者的肺動脈圖像見圖2，如圖2所示，VMI40+圖像較LB和VMI60+其余兩組圖像栓子顯示得更為清晰。

表4 雙能量掃描3組后處理圖像的栓子檢出效能比較

圖2 1例左肺段以上肺動脈栓塞患者的雙能量CTPA圖像

2.3 輻射劑量

A組和B組掃描長度差異無統(tǒng)計學意義（t=4.154，P=0.978）。A組掃描輻射劑量參數ED、DLP、CTDI vol均顯著低于B組（P＜0.05），見表5。

表5 A組和B組輻射劑量評價指標比較（±s）

表5 A組和B組輻射劑量評價指標比較（±s）

組別 ED/mSv DLP/（mGy.cm）CTDIvol/mGy掃描長度/cm A組 2.76±0.34 197.29±24.50 5.12±0.61 38.68±3.78 B組 3.41±0.69 243.71±48.99 7.15±1.62 34.39±3.97 t值 -4.703 -4.703 -6.504 4.154 P值 ＜0.001 ＜0.001 ＜0.001 0.978

3 討論

本文評估了VMI+技術在提高CTPA圖像質量、栓子檢出效能和降低輻射劑量方面的潛在價值。VMI40+組圖像在4組圖像中CNR值最高，VMI60+組的CNR值次之。VMI60+組圖像的SNR值、主觀圖像質量評分、可診斷率和優(yōu)異率均最高。雙能量掃描的3組圖像雖然對中心PE的診斷無差異，但VMI+技術能顯著提高節(jié)段性PE的診斷效能，段以下栓子檢出數量和顯示清晰度明顯優(yōu)于LB組圖像。此外，雙能量掃描的CTDI vol、DLP和ED值均低于單能量掃描。以上結果表明，雙能量掃描的VMI+技術能顯著提高CTPA圖像主客觀圖像質量和段以下栓子檢出效能，且與常規(guī)120 kV掃描相比，還降低了輻射劑量。

雙源CT的兩個X射線球管依賴于獲取兩種不同能量的X射線束，一次掃描獲得的高keV圖像和低keV圖像，并根據被掃描組織結構的特異性按照設定的比例進行融合[11]。使用雙源CT進行雙能量掃描，一個區(qū)域的碘濃度可以從低能量和高能量數據之間CT數值的變化中推斷出來[12]。由于低能量光子的能量更接近碘的K殼層電子的結合能（33 keV），這些光子的能量更易與碘等高原子序數元素發(fā)生光電效應，在CT血管造影成像過程中低能量光子比高能量光子具有更高的衰減值，因此低keV數據貢獻比例更大。

VMI稱為虛擬單能量成像，在一個選定的假設能量水平上重建雙能量掃描的數據集，從而生成單能譜圖像，用戶可根據需求選擇重建不同能量水平的虛擬單能量圖像，VMI圖像的特征依據能量水平變化而不同[13]。低能量的X射線降低了探測器接收的信息量，可以提高血管CNR特別是細小血管的顯示，但能量水平的降低會導致圖像噪聲增加；高能量的X射線增加了探測器接收的信息量，降低了圖像噪聲，然而其軟組織對比度較差，易遺漏病灶。傳統(tǒng)的VMI技術虛擬的低keV圖像雖然提高了血管內碘等物質的對比度，但可能由于噪聲過大而無法提高圖像質量，在70 kV以下的能級上受到限制[14]。而結合低keV時獲得的低空間頻率數據與最佳keV時獲得的高空間頻率數據集的VMI+技術，能在超低能級下顯著提高對比度和定量圖像質量[13,15]。LB按照固定的線性比例融合高低兩種能量，借鑒關于VMI+技術的相關研究[16]，本研究選擇了VMI40+和VMI60+兩種能量水平與融合系數為0.6的LB圖像相比較，探尋CTPA圖像質量和肺動脈栓子顯示的最佳重建技術。

VMI技術在臨床上已有廣泛的應用，虛擬的高keV圖像能有效地減少金屬偽影，可用于髖關節(jié)置換術后的CT掃描[17-18]；也可用于減少血管造影劑流入（如上腔靜脈內高碘對比度對肝臟和肺動脈顯影的影響）和血管鈣化[19]（如改善冠狀動脈中血管鈣化或動脈瓣置換材料[20]對圖像質量的影響）。虛擬的低keV圖像運用于頭頸動脈CTA圖像中能夠提供更高的CNR值[21]和主觀評分[19-20,22]，提高胸腹部小動脈的可視性[23]，更準確地評估腫瘤病灶[24-25]。有研究表明，雙能量圖像通過LB技術處理后與120 kV單能量掃描的圖像有相同的圖像質量和診斷效果[26]，但將VMI+技術運用到肺動脈上與LB技術相比較的研究較少。誘導PE發(fā)的原因較多，如血栓、腫瘤、脂肪或氣體等。早期準確地診斷和及時的治療PE是非常有必要的，可顯著地將死亡率從30%降低至2%～10%。CTPA作為診斷急性疑似PE首選無創(chuàng)影像學方法，具有較高的靈敏度和特異度。然而在實際操作過程中，常會因肺循環(huán)快、不正確的給藥時間、患者個體差異（肥胖、年齡、屏氣等）、造影劑短暫中斷等導致肺動脈內碘衰減值過低而影響臨床診斷[27]?；谝陨螩TPA診斷PE的優(yōu)劣探討VMI+技術在CTPA圖像優(yōu)化和診斷中的價值具有重要意義。

本研究尚存在以下不足：① 病例數量較少，未來需選取更大的樣本量進一步驗證；② 雙能量和單能量CTPA檢查未在同一病例資料中完成，因此結果可能存在一定的偏差；③VMI+技術虛擬的單能圖像根據經驗直接選擇40 kV和60 kV，未對其他虛擬的低keV進行分析；④ 采用固定的對比劑注射速率、劑量及觸發(fā)閾值，將監(jiān)測層置于右心室，未考慮心率及其他心功能因素，可能對相關指標有所影響；⑤ 本研究未探討PE診斷準確度。

4 結論

本研究結果表明，雙能量VMI+技術虛擬的低keV圖像在保證圖像質量的前提下可減少患者受輻射劑量，并提高肺動脈圖像質量和栓子檢出效能，且綜合分析表明，VMI60+較VMI40+更為適用?；谝陨辖Y果，將該技術用于降低CTPA碘造影劑用量的前瞻性研究值得進一步探討。