模型迭代重建與柔性減影CE-Boost 技術(shù)在肥胖患者CT 肺動脈造影中的應(yīng)用

葉梅 邢艷 侯娟 趙梓程 徐敏 劉文亞

肺栓塞（pulmonary embolism，PE）發(fā)病率高，病因復(fù)雜，臨床表現(xiàn)不一，是全球心血管急性死亡的第三大原因［1］。CT 肺動脈造影（CT pulmonary angiography，CTPA）因其非侵入性和出色的空間分辨率而成為確診PE 的首選方法［2，3］。然而，對于肥胖患者來說，較大的體重會明顯導(dǎo)致圖像噪聲的增加和單位體積對比劑的減少，可能影響PE 診斷的準(zhǔn)確性。為了保證最佳圖像質(zhì)量，常常通過增加管電流提高圖像質(zhì)量，這會使患者暴露于更高的輻射劑量。研究表明，創(chuàng)新的圖像處理技術(shù)可改善肥胖患者圖像噪聲［4-6］。

在不影響空間分辨率和診斷準(zhǔn)確性的情況下減少圖像噪聲，人們采用了多種重建算法。混合迭代重建（hybrid iterative reconstruction，HIR）就是其中一種重建算法，它在臨床實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用［7］。然而，由于在降噪方面的表現(xiàn)有限，大體重患者可能仍然不能從HIR 中獲益。最近，又推出了一種基于模型的迭代重建（model-based iterative reconstruction，MBIR），對測量參數(shù)進(jìn)行前向建模，與傳統(tǒng)的HIR 相比，能更好地減少噪聲和偽影［8-12］。先前的研究表明，MBIR 更擅長顯示小動脈和細(xì)微的結(jié)構(gòu)［8］。

除了重建方法外，柔性減影（contrast-enhancement boost，CE-Boost）技術(shù)可提高血管的可視化效果，以進(jìn)一步提高圖像質(zhì)量［13］。利用精確的可變形配準(zhǔn)算法，通過從增強(qiáng)圖像中減去非對比圖像來生成碘圖像。然后，通過自動去噪過程，將碘圖像添加到原始增強(qiáng)圖像中，得到對比度更大的增強(qiáng)圖像。該技術(shù)已應(yīng)用于胸部和腹部CT 血管造影，以提高周圍血管的圖像質(zhì)量［14，15］。本研究目的是評價CE-Boost 技術(shù)和MBIR 對肥胖患者CTPA 圖像質(zhì)量的改善能力。

1 資料與方法

1.1 研究人群

前瞻性收集我院2023 年2 月—9 月期間所有接受CTPA 檢查的體重指數(shù)（body mass index，BMI）超過25 kg/cm2肥胖者。本研究獲醫(yī)院的倫理審查委員會的批準(zhǔn)（K202310-11），所有患者簽署知情同意書。排除標(biāo)準(zhǔn)為孕婦和哺乳期患者、未經(jīng)治療的甲狀腺功能亢進(jìn)、碘過敏和腎功能不全。BMI 超過25kg/m2者分別采用HIR（A 組）、MBIR（B 組）和CE-Boost（C 組）。根據(jù)國際指南，BMI 超過25 kg/cm2被認(rèn)為是肥胖的標(biāo)志［5］。

1.2 CT 檢查方法

CT 檢查均采用320 層探測器CT 掃描儀（Aquilion ONE GENESIS，Canon 醫(yī)療）。掃描參數(shù)如下：管電壓120kVp，自動管電流調(diào)節(jié)（SUREExposure 3D，Canon），準(zhǔn)直器寬度80×0.5 mm，間距0.813，旋轉(zhuǎn)時間0.35 s，噪聲指數(shù)12.0?；颊卟捎醚雠P位，手臂舉過頭頂。將18G 套管針埋置于右側(cè)肘正中靜脈，與雙筒高壓氧注射器相連。首先行胸部平掃，掃描范圍規(guī)定為鎖骨下區(qū)至兩側(cè)膈肌腳。注射45 mL 碘對比劑（350 mg I/mL，恒瑞醫(yī)藥），流率4.5 mL/s，相同注射流率注射生理鹽水21 mL。在肺動脈干中使用了一個自動觸發(fā)掃描系統(tǒng)，觸發(fā)閾值為120 HU。在觸發(fā)兩秒鐘后，自動執(zhí)行CT 血管造影（CT angiography，CTA）掃描。

1.3 CT 圖像重建

A 組使用HIR（adaptive iterative dose reduction 3-dimensinal，AIDR 3D，F(xiàn)C18）對CTA 圖像進(jìn)行重組。B 組使用MBIR（forward projected model-based iterative reconstruction solution，F(xiàn)IRST，Body standard）對CTA 圖像進(jìn)行重組。此外，將A 組的非對比增強(qiáng)和對比增強(qiáng)的HIR 圖像發(fā)送到專用的后處理軟件（SURESubtraction Iodine Mapping）來生成C 組CEBoost 數(shù)據(jù)集。

1.4 客觀評價

分別在肺動脈主干、右肺動脈干、左肺動脈干和椎旁肌上繪制圓形興趣區(qū)（region of interest，ROI）進(jìn)行客觀圖像質(zhì)量評價。ROI 覆蓋了至少2/3的管腔部分，同時避開了血管邊緣。測量ROI 內(nèi)的CT 值和標(biāo)準(zhǔn)差（standard deviation，SD），記錄平均值。背景噪聲定義為椎旁肌的標(biāo)準(zhǔn)差。信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）和對比信噪比（contrastto-noise ratio，CNR）的計算公式如下：

1.5 主觀評價

主觀評估包括整體圖像質(zhì)量和診斷信心。兩名擁有3 年和5 年胸部CT 診斷經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)生獨(dú)立對CT 圖像進(jìn)行分級，對圖像采集方法和患者信息不知情。采用Likert 5 分量表評估整體圖像質(zhì)量：5 優(yōu)秀；4 良好；3 一般；2 低；1 差。診斷信心評估如下：5 最自信；4 非常自信；3 自信；2 一般自信；1 沒有信心［14，16-18］。兩名醫(yī)生打分不一致的情況，討論取得一致結(jié)果。

1.6 輻射劑量

容積CT 劑量指數(shù)（volume CT dose index，CTDIvol）和劑量長度乘積（dose length product，DLP）從劑量報告中獲得。有效輻射劑量（effective dose，ED）計算為DLP 的乘積，胸部特異性轉(zhuǎn)換因子為0.014 mSv/mGy·cm［19］。

1.7 統(tǒng)計分析

2 結(jié)果

2.1 研究人群

本研究共納入60 例疑似PE 患者（男31 例，女29 例）。BMI 平均值為（28.58±3.75）kg/m2。

2.2 客觀圖像質(zhì)量分析

從表1 中可以看出，C 組肺動脈主干、右肺動脈干、左肺動脈干的CT 值均高于A 組和B 組圖像（P 均＜0.001）。A 組和B 組圖像的CT 值相差不大。而B 組的圖像噪聲顯著低于A 組和C 組（均為P＜0.001）。

表1 比較三組肺動脈圖像的CT 值和SD（）

表1 比較三組肺動脈圖像的CT 值和SD（）

注：a 與A 組比較P＜0.05；b 與B 組比較P＜0.05。

B 組及C 組的SNR 及CNR 均高于A 組（P＜0.05）（表2）。C 組圖像的CNR 均優(yōu)于B 組（均P＜0.05），而其SNR 比較無顯著差異（P 均＞0.05）。

表2 比較三組肺動脈圖像的SNR 和CNR（）

表2 比較三組肺動脈圖像的SNR 和CNR（）

注：a 與A 組比較P＜0.05。

2.3 主觀圖像質(zhì)量分析

本數(shù)據(jù)結(jié)果是兩位打分者在有分歧時，討論一致得到的最終結(jié)果。如表3 所示，B 組或C 組均觀察到診斷信心的顯著提高（均為P＜0.05），而B組和C 組之間沒有統(tǒng)計學(xué)差異。整體圖像質(zhì)量，與A 組圖像相比，B 組和C 組圖像顯示出更好的改善（均P＜0.05）。觀察者間對于整體圖像質(zhì)量和診斷信心（Kappa 值分別為0.874、0.917）一致性良好（圖1、2）。

圖1 女，58 歲，BMI 為31 kg/m2，主訴胸悶氣短。a)常規(guī)重建軸位圖像，d)常規(guī)重建VR 圖像；b)MBIR 重建軸位圖像，e)MBIR 后再重組VR 圖像；c)常規(guī)重組后采用CE-Boost 后處理技術(shù)軸位圖像，f)CE-Boost 后重組VR 圖像。與a)圖像相比，b)和c)圖中肺動脈干的成像質(zhì)量相當(dāng)，肺動脈主干及左右肺動脈干顯示更加清晰。b)圖顯示更加細(xì)膩，清晰度高，c)血管顯示更亮。在VR 圖像中e)和f)能更清晰顯示遠(yuǎn)端血管，f)能顯示更多分支。

圖2 男，38 歲，BMI 為39 kg/m2，主訴咳嗽咳痰。a)、b)常規(guī)重建VR、最大密度投影（maximum intensity projection，MIP）圖像，c)、d)為MBIR后再重建VR、MIP 圖像，e)、f)為CE-Boost 后重建VR、MIP 圖像。三組圖像相比，c)、d)圖和e)、f)圖肺動脈干的成像質(zhì)量相當(dāng)，肺動脈主干及左右肺動脈干顯示更加清晰，MBIR 和CE-Boost 能更清晰顯示遠(yuǎn)端分支血管。

表3 比較三組肺動脈圖像的主觀評分

2.4 輻射劑量

CTDIvol、DLP 和ED 平均值分別為（8.85±3.36）mGy、（328.78±125.27）mGy·cm 和（4.60±1.75）mSv。

3 討論

本研究中筆者發(fā)現(xiàn)利用CE-Boost 技術(shù)或MBIR 算法，肥胖患者CTPA 的圖像質(zhì)量超過了傳統(tǒng)HIR 圖像。值得注意的是，CE-Boost 技術(shù)圖像顯示肺動脈干及其分支的對比度增強(qiáng)。研究結(jié)果也顯示，MBIR 圖像在三個數(shù)據(jù)集中的圖像噪聲最低，這與之前的研究報道的結(jié)果一致。

BMI 是健康體重或肥胖分類最廣泛的人體測量方法之一［20］。維吾爾族、哈薩克族人群聚居在中國西北邊疆，由于特殊的地理環(huán)境，形成了以高鹽和高糖為主的獨(dú)特飲食習(xí)慣，導(dǎo)致了血脂水平的升高，這可能導(dǎo)致該地區(qū)的BMI 高于中國其他地區(qū)［21，22］。理論上，胸部CT 動脈造影中通過使用大量對比劑評估胸部動脈結(jié)構(gòu)的異常，而肥胖患者由于血液中碘濃度降低，造影增強(qiáng)效果較差。亞節(jié)段肺栓塞可引起血流動力學(xué)異常導(dǎo)致慢性肺栓塞，甚至可引起血栓擴(kuò)散形成大面積PE［23-25］。然而，大體重患者圖像噪聲過大會影響遠(yuǎn)端肺動脈微栓子和外周肺野小病變的觀察［26，27］。本研究中A 組HIR 圖像的肺動脈干、左右肺動脈干CT 值明顯低于B 組及C 組圖像，說明肥胖患者的CTA圖像不能通過自動管電流調(diào)節(jié)來補(bǔ)償。

CE-Boost 技術(shù)是一種新引入的旨在提高血管亮度的后處理技術(shù)，已應(yīng)用于門脈、主動脈和肺動脈顯像。本研究表明，通過在原始CTPA 圖像中添加Boost 圖像，CE-Boost 技術(shù)圖像的血管密度明顯高于肥胖患者的傳統(tǒng)HIR 圖像，甚至高于MBIR 數(shù)據(jù)集。出乎意料的是，A 組（HIR 圖像）和B 組（MBIR 圖像）的圖像噪聲值都低于C 組（CEBoost 圖像）。Otgonbaatar 等［14］認(rèn)為，稍高的噪聲可能是由圖像配準(zhǔn)過程中的去噪濾波器引起。在兩次掃描過程中，胸部配準(zhǔn)也會受到呼吸運(yùn)動偽影的影響，因此CE-Boost 技術(shù)處理后的圖像會產(chǎn)生噪聲和增強(qiáng)的粒度。然而，CE-Boost 技術(shù)圖像在肺動脈中的SNR 和CNR 等于或高于參考圖像和MBIR 圖像。同時，CE-Boost 技術(shù)的整體圖像質(zhì)量、診斷信心評分均優(yōu)于A 組。特別是在肺動脈分支顯示方面，CE-Boost 技術(shù)在三個數(shù)據(jù)集中得分最高?？偟膩碚f，與肥胖患者的傳統(tǒng)HIR 圖像相比，CE-Boost 圖像在不增加對比劑用量的情況下顯示出更好的圖像質(zhì)量。

MBIR 在降低噪音方面具有優(yōu)勢，特別是在顯示小血管和微小的結(jié)構(gòu)方面［8］。在本研究中，MBIR 圖像顯示肺動脈干、左右肺動脈的血管密度和圖像噪聲低于HIR 圖像。MBIR 與參考HIR 圖像的信噪比和CNR 均無顯著性差異。在亞節(jié)段動脈方面，肥胖患者的MBIR 圖像噪聲也較低。然而，其耗時較長阻礙了MBIR 在日常實(shí)踐中的應(yīng)用。它需要比其他技術(shù)和特定硬件更多的計算能力，而這只有在最先進(jìn)的CT 提供商中才可使用。由于這些原因，MBIR 算法在許多沒有配備特定掃描儀的機(jī)構(gòu)中是不能應(yīng)用的［28］。由于CE-Boost 技術(shù)需要較少的計算能力，并且在理論上可被許多CT 廠商采用。因此，CE-Boost 技術(shù)在評估小血管結(jié)構(gòu)方面很有潛力。

本研究有一定的局限性。首先，屬于前瞻性的單中心研究，研究人群相對較小。其次，所有的CT圖像均采用HIR 或MBIR 進(jìn)行重建，最新的基于深度學(xué)習(xí)的CT 圖像重建算法［如人工智能圖像重建系統(tǒng)（advanced intelligent clear-IQ engine，AiCE）］未納入分析。第三，CE-Boost 技術(shù)在低劑量掃描方案中的性能也需要進(jìn)一步評估。第四，僅提供了肺亞節(jié)段性肺動脈的定性分析。

綜上所述，CE-Boost 技術(shù)和MBIR 算法均能提高肥胖患者CTPA 圖像質(zhì)量；CE-Boost 技術(shù)在提高遠(yuǎn)端血管可視化方面具有更大的潛力。