人工智能后處理在“雙低”頭頸部CT血管成像中的應(yīng)用

方 磊 方 慧 夏美燕 沈 琦 張新妹 劉新疆

腦血管疾病目前在中國死因順位中居第三位，僅次于惡性腫瘤和心臟病，且發(fā)病率仍持續(xù)升高，給家庭和社會(huì)帶來了沉重負(fù)擔(dān)［1］。 CT 血管成像（computed tomography angiography，CTA）在腦血管疾病的診斷及評估中價(jià)值高、優(yōu)點(diǎn)多，已經(jīng)成為頭頸部血管病變診斷及長期隨訪首選的無創(chuàng)性影像學(xué)檢查方法［2］。伴隨著頭頸部CT 輻射暴露越來越受到關(guān)注［3］，在滿足診斷要求的前提下，不同掃描模式和重建算法對圖像質(zhì)量的影響是目前研究熱點(diǎn)［4-5］。近年，人工智能（artificialintelligence，AI）技術(shù)推動(dòng)了醫(yī)學(xué)影像分析和后處理技術(shù)的快速發(fā)展［6］，鑒于AI 后處理技術(shù)在低劑量頭頸部CTA 中的研究較少，本研究旨在探討“雙低”（低管電壓、低碘攝入量）掃描方案聯(lián)合AI 后處理技術(shù)在頭頸部CTA 中的應(yīng)用價(jià)值。

方法

1. 臨床資料

選擇2021年10月至2022年1月在復(fù)旦大學(xué)附屬浦東醫(yī)院擬行頭頸部CTA 檢查的患者，排除標(biāo)準(zhǔn)：（1）碘對比劑過敏者；（2）體重指數(shù)（BMI）＞26 kg/m2；（3）嚴(yán)重心、腎功能不全者；（4）妊娠期、哺乳期女性；（5）意識不清等原因無法配合檢查者。所有患者均于檢查前簽署知情同意書，最終共納入70 例患者，并隨機(jī)分配為實(shí)驗(yàn)組（A 組）和常規(guī)組（B 組），每組各35 例。A 組年齡40~87 歲，平均（72.03±10.73）歲；B組年齡38~87歲，平均（67.37±12.07）歲。

2. CT檢查方法

檢查儀器為西門子第二代雙源 CT （Siemens SOMATOM Definition Flash），患者仰臥位，頭先進(jìn)，掃描范圍從主動(dòng)脈弓到顱頂，對比劑由高壓注射器經(jīng)右肘靜脈注射。A 組管電壓80 kV，對比劑用量30 mL，對比劑濃度320 mgl/mL；B 組管電壓120 kV，對比劑用量40 mL，對比劑濃度350 mgI/mL。2 組對比劑注射速率均為5.0 mL/s，隨后以相同速率注入40 mL 生理鹽水。其他掃描參數(shù)均相同，包括CARE Dose4D 自動(dòng)調(diào)節(jié)毫安秒，對比劑團(tuán)注追蹤法觸發(fā)掃描，感興趣區(qū)（ROI）放置在主動(dòng)脈弓，閾值為100 HU，延遲3 s啟動(dòng)掃描，螺距1.1，轉(zhuǎn)速0.5 s/r，重建層厚0.75 mm，重建間隔0.50 mm。

3. 圖像后處理

頭頸部CTA 人工后處理在西門子Syngo Via 工作站完成，運(yùn)用Neuro-DSA 軟件進(jìn)行血管減影去骨，后處理圖像包括容積再現(xiàn)（volume reconstruction，VR）、最大密度投影（maximum intensity projection，MIP）、多平面重建（multi planner reconstruction，MPR） 及曲面重建（curved planner reformation，CPR），原始數(shù)據(jù)經(jīng)人工后處理后得到A1 組和B1 組圖像。AI 后處理軟件為北京深睿血管CT 影像輔助診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于深度學(xué)習(xí)算法開發(fā)，可自動(dòng)分割提取動(dòng)脈血管，自動(dòng)識別并生成VR、MIP、MPR 及CPR 圖像，原始數(shù)據(jù)經(jīng)AI 后處理后得到A2和B2 組圖像。

4. 圖像質(zhì)量評價(jià)

包括客觀評價(jià)和主觀評價(jià)。

（1）客觀評價(jià)：測量所有患者主動(dòng)脈弓、頸總動(dòng)脈、頸內(nèi)動(dòng)脈頸段、大腦中動(dòng)脈水平段及基底動(dòng)脈內(nèi)CT 值，雙側(cè)血管取其平均值。胸鎖乳突?。i總動(dòng)脈分叉層面）平均CT 值的標(biāo)準(zhǔn)差值（SD）作為背景。信噪比（signal to noise ratio，SNR）=目標(biāo)動(dòng)脈平均CT 值/胸鎖乳突肌SD 值，對比噪聲比（contrast to noise ratio，CNR）=（目標(biāo)動(dòng)脈平均CT 值－胸鎖乳突肌平均CT值）/胸鎖乳突肌SD值。

（2）主觀評價(jià)：由2 名具有10年以上頭頸部CTA 工作經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)生采用雙盲法完成，如意見不統(tǒng)一，則通過共同商討后決定。根據(jù)血管顯示的完整性、對比度、邊緣光滑程度以及偽影情況對圖像進(jìn)行4分法評價(jià)（4分，圖像質(zhì)量優(yōu)良；3分，圖像質(zhì)量較好；2 分，圖像質(zhì)量一般，達(dá)到診斷標(biāo)準(zhǔn)；1 分，圖像質(zhì)量差，不能用于診斷）。

5. 輻射劑量和碘攝入量

容積CT 劑量指數(shù)（volume computed tomography dose index，CTDIvol）和劑量長度乘積（dose length product，DLP）由CT 機(jī)器自動(dòng)生成，記錄并計(jì)算有效輻射劑量（effective radiation dose，ED），公式為ED=DLP×k，k 為轉(zhuǎn)換因子，本研究k 值取0.003 1 mSv/（mGy·cm）。平均碘攝入量等于對比劑用量與對比劑濃度乘積。

6. 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

使用SPSS 22.0 統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。滿足正態(tài)分布的計(jì)量資料用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，使用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析。分類變量用頻數(shù)表示，2 組間性別比例使用卡方檢驗(yàn)分析。主觀圖像質(zhì)量評分使用Kruskal-WallisH非參數(shù)檢驗(yàn)分析，采用Bonferroni 法校正顯著性水平的事后兩兩比較。P＜0.05 表示組間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié)果

1. 臨床資料

2 組患者的年齡、BMI、身高、體重資料符合正態(tài)分布，2 組間年齡、性別比例，BMI、身高、體重的差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。詳見表1。

表1 2組患者的一般臨床資料比較

2. 圖像質(zhì)量評價(jià)

客觀評價(jià)結(jié)果：A 組和B 組的動(dòng)脈血管內(nèi)CT 均值在300 HU 以上，滿足了診斷要求，A 組血管內(nèi)CT值高于B 組，組間差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。SNR 和CNR 在主動(dòng)脈、頸總動(dòng)脈及頸內(nèi)動(dòng)脈測量處差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P≥0.05），在大腦中動(dòng)脈水平段和基底動(dòng)脈測量處組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。詳見表2。

表2 2組客觀圖像質(zhì)量比較

主觀評價(jià)結(jié)果：2 名高年資診斷醫(yī)生對A1、A2、B1、B2 圖像的質(zhì)量評價(jià)均≥2 分，均滿足臨床診斷要求。AI 后處理組圖像在遠(yuǎn)端血管顯示、對比度、血管邊緣光滑程度方面明顯優(yōu)于人工后處理組（圖1、2）。4 組圖像質(zhì)量主觀評分差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05，表3），兩兩比較后發(fā)現(xiàn)，A1組與A2組、B1組與B2 組的圖像質(zhì)量評分差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），其他組之間的圖像質(zhì)量評分差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。

圖1 “雙低”掃描影像

圖2 常規(guī)掃描影像

表3 各組主觀圖像質(zhì)量比較

3. 輻射劑量和碘對比劑攝入量

A 組較B 組ED 降低了69.27%，平均碘攝入量降低了31.43%，CTDIvol、DLP、ED 組間差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01）。詳見表4。

表4 2組CTDIvol 、DPL與ED的比較

討論

CTA“雙低”掃描方案的可行性與X射線和碘原子物理特性相關(guān)。X 線照射強(qiáng)度與管電壓平方成正相關(guān)，因此降低管電壓可有效減少輻射劑量［7］；另一方面，低管電壓降低了X 線束能量，受康普頓效應(yīng)影響，血管腔內(nèi)CT 值升高，從而增加了與周圍組織的對比度，這是降低碘對比劑用量的基礎(chǔ)［8］。本研究實(shí)驗(yàn)組較常規(guī)組有效輻射劑量降低了69.27%，平均碘攝入量降低了31.43%，在大幅度減少患者輻射劑量的同時(shí)，也降低了發(fā)生碘對比劑誘導(dǎo)急性腎損傷事件的可能性，與既往研究結(jié)果相仿［9］。

基于深度學(xué)習(xí)的AI 算法在識別復(fù)雜模式成像數(shù)據(jù)中優(yōu)勢明顯，可對射線特征定量評估［6］，相比于人工手動(dòng)重建，AI 不僅可以減少圖像后處理時(shí)間，還可以獲得相同或更好的圖像質(zhì)量［5，10-11］。本研究AI后處理圖像較人工組在遠(yuǎn)端血管顯示、對比度方面明顯優(yōu)于人工組，展示了AI 后處理技術(shù)在臨床應(yīng)用的前景和價(jià)值。在日常工作中，傳統(tǒng)的人工手動(dòng)頭頸部CTA 后處理重建大多要求相同位置的動(dòng)脈期與平掃期數(shù)據(jù)，而AI 算法只需要?jiǎng)用}期數(shù)據(jù)，其本身就減少了掃描時(shí)間及采集次數(shù)，降低了患者輻射劑量。

理論上，低管電壓在降低輻射劑量的同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致圖像噪聲增加，從而顯著降低圖像質(zhì)量，但是基于深度學(xué)習(xí)的AI 算法可以對低劑量圖像進(jìn)行優(yōu)化，在保證圖像細(xì)節(jié)無明顯丟失的前提下分離噪聲和圖像，改善低劑量圖像質(zhì)量［12-13］。王珍等［11］的研究表明AI優(yōu)化技術(shù)可以減低頭頸部CTA 的圖像噪聲，并顯著提升后處理重建圖像的質(zhì)量。張凱等［14］研究發(fā)現(xiàn)基于深度學(xué)習(xí)的圖像重建算法可以降低頭部各組織噪聲，提高低劑量模式下的圖像質(zhì)量。王曼等［15］的研究表明，通過AI 成像優(yōu)化技術(shù)對低管電壓低劑量冠脈CTA 圖像進(jìn)行優(yōu)化后，能夠達(dá)到與常規(guī)120 kV 管電壓相當(dāng)?shù)膱D像質(zhì)量水平。在本研究中，雖然實(shí)驗(yàn)組的客觀圖像質(zhì)量較常規(guī)組略低，不同血管區(qū)域間存在差異，尤其在遠(yuǎn)端血管處，但AI 后處理圖像質(zhì)量評分依舊達(dá)到了和常規(guī)掃描相當(dāng)?shù)馁|(zhì)量水平，均能滿足診斷要求，這一結(jié)果也提示了AI 后處理技術(shù)可以明顯改善頭頸部CTA“雙低”掃描方案的后處理成像質(zhì)量。

本研究的不足之處：（1）本研究樣本量較小，對比劑劑量未按照患者體重精細(xì)計(jì)算，并排除了肥胖患者，結(jié)果可能存在偏倚；（2）沒有進(jìn)行AI 與人工閱片的診斷效能分析。以上內(nèi)容將在增加樣本量的前提下做進(jìn)一步探討。

綜上所述，頭頸CTA“雙低”掃描方案聯(lián)合AI后處理技術(shù)的圖像質(zhì)量評分高，在滿足了臨床診斷要求的前提下，有效降低了輻射劑量和碘攝入量，具有良好的臨床應(yīng)用價(jià)值。