深度學(xué)習(xí)重建AiCE 技術(shù)在腹主動(dòng)脈瘤腔內(nèi)修復(fù)術(shù)后CTA 中的應(yīng)用

謝定祥 賴志滿 陳明杰 馬慧 徐如林 黃木蘭 趙靜 吳嘉樂

腹主動(dòng)脈瘤瘤體隨時(shí)有破裂風(fēng)險(xiǎn)，病死率極高［1］。對(duì)于腹主動(dòng)脈瘤的治療，首選治療方案為腔內(nèi)修復(fù)術(shù)［2，3］。術(shù)后對(duì)患者進(jìn)行追蹤檢查時(shí)，CT 血管造影（CT angiography，CTA）是一種重要的評(píng)估手段。然而，腔內(nèi)修復(fù)術(shù)后支架及支架上的鉑銥金屬材料會(huì)在CT 成像中引起明顯的條帶及放射狀偽影，嚴(yán)重影響支架及周邊結(jié)構(gòu)的觀察。減少支架引起的組織偽影并提高CTA 圖像質(zhì)量具有重要的臨床意義［4］。近年來，深度學(xué)習(xí)重建（deep learning reconstruction，DLR）應(yīng)用越來越廣泛，其應(yīng)用主要集中在冠脈、頭頸血管等部位，且效果優(yōu)良［5，6］。DLR 重建算法AiCE（advanced intelligent clear-IQ engine）技術(shù)利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以低質(zhì)量混合迭代重建（hybrid iterative reconstruction，HIR）圖像和高質(zhì)量基于模型的迭代重建（modelbased iterative re construction，MBIR）圖像作為訓(xùn)練對(duì)象，自主學(xué)習(xí)高質(zhì)量MBIR 圖像的特征，對(duì)低質(zhì)量Hybrid IR 圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。訓(xùn)練完成后，將所得的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入到圖像重組流程中，重建出具備高質(zhì)量全模型迭代重建特征的圖像。有研究表明，相較于濾波反投影法（filtered back projection，F(xiàn)BP）算法，MBIR 算法能顯著減少CT 圖上的金屬偽影，更有效地分析金屬植入物周圍的軟組織［7］。本研究探討DLR-AiCE 在腔內(nèi)修復(fù)術(shù)后CTA中的應(yīng)用價(jià)值。

1 資料與方法

1.1 一般資料

共收集26 例患者CTA 資料，其中男22 例，女4 例；年齡49～86 歲，平均年齡（68.7±8.5）歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：所有患者均簽署CT 增強(qiáng)知情同意書；腹主動(dòng)脈瘤并行腔內(nèi)修復(fù)術(shù)的患者。排除標(biāo)準(zhǔn)為：碘過敏者；嚴(yán)重心腎功能不全；行彈簧圈栓塞治療者。

1.2 CT 檢查方法

采用320 排640 層CT 掃描設(shè)備（Aquilion ONE GENESIS，Canon 醫(yī)療）進(jìn)行檢查。患者取仰臥位、腳先進(jìn)、出床掃描，掃描范圍為膈頂至恥骨聯(lián)合下緣，掃描參數(shù)為管電壓120 kV，自適應(yīng)管電流，轉(zhuǎn)速0.75 s/r，層厚1 mm，層間距0.8 mm，矩陣為515×512。使用巨鯊雙筒高壓注射器經(jīng)肘靜脈注射非離子型對(duì)比劑典邁倫（400 mg I/mL），對(duì)比劑用量1.0～1.2 kg/mL，注射流率4 mL/s，再以相同流率推注50 mL 生理鹽水。于腹主動(dòng)脈起始端設(shè)置興趣區(qū)（region of interest，ROI）為閾值監(jiān)測點(diǎn)，閾值設(shè)定為200 HU，采用自動(dòng)觸發(fā)技術(shù)，達(dá)到閾值后機(jī)器發(fā)出吸氣屏氣指令后啟動(dòng)掃描。完成掃描后每位患者的數(shù)據(jù)進(jìn)行兩次容積重建，一組為HIR，另一組為深度學(xué)習(xí)重建中的高信噪AI 引擎，為減少支架偽影對(duì)結(jié)果的影響，兩次重建均聯(lián)合單能量去金屬偽影技術(shù)。

1.3 圖像評(píng)價(jià)

1.3.1 圖像質(zhì)量主觀評(píng)價(jià)

兩位高年資放射科醫(yī)生采用雙盲法分別對(duì)兩組圖像質(zhì)量進(jìn)行獨(dú)立評(píng)價(jià)，采用5 分法從4 個(gè)方面對(duì)圖像進(jìn)行分析，包括：1）圖像整體質(zhì)量；2）肝、腎等實(shí)質(zhì)器官圖像質(zhì)量；3）支架內(nèi)血管最大偽影層面的圖像質(zhì)量；4）支架外血栓最大偽影層面的圖像質(zhì)量。4 項(xiàng)評(píng)分的平均值作為最終評(píng)分。

1.3.2 圖像質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)

CT 觀察時(shí)設(shè)置窗寬500 HU，窗位70 HU。在原始圖像中的腹主動(dòng)脈瘤支架內(nèi)分別選取主體支架段、左髂總動(dòng)脈分支段及右髂總動(dòng)脈分支段偽影最重的橫斷層面及偽影最少的橫斷層面為ROI，面積與支架內(nèi)動(dòng)脈相同；在支架外腹主動(dòng)脈瘤腔內(nèi)取偽影最重的橫斷層面及偽影最少的橫斷層面ROI，面積為100 mm2；在無支架及無偽影橫斷層面取腹主動(dòng)脈ROI，面積與腹主動(dòng)脈相同；再取無偽影影響層面的空氣、豎脊肌、肝臟及腎臟的ROI，面積為100 mm2（圖1）［8］。分別記錄各組ROI的CT 值和標(biāo)準(zhǔn)差（standard deviations，SD）值，通過測出的CT 值和SD 值，用來計(jì)算偽影指數(shù)（artifacts index，AI）、信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）及對(duì)比噪聲比（contrast-to-noise ratio，CNR），公式分別為：

圖1 各ROI 測量示意圖。ROI 1：豎脊肌，ROI 2：肝臟，ROI 3：腎臟，ROI 4：無支架腹主動(dòng)脈段，ROI 5：主體支架內(nèi)最大偽影層面，ROI 6：主體支架內(nèi)最小偽影層面，ROI 7：左側(cè)髂動(dòng)脈支架內(nèi)最大偽影層面，ROI 8：右側(cè)髂動(dòng)脈支架內(nèi)最大偽影層面，ROI 9：支架外血栓最大偽影層面，ROI 10：左側(cè)髂動(dòng)脈支架內(nèi)最小偽影層面，ROI 11：右側(cè)髂動(dòng)脈支架內(nèi)最小偽影層面，ROI 12：支架外血栓最小偽影層面。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

使用SPSSAU（https://spssau.com/）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。兩組圖像質(zhì)量主觀評(píng)分以M（Q1，Q3）表示，組間比較采用Mann-Whitney U 秩和檢驗(yàn)。采用組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（intraclass correlation coefficient，ICC）分析兩位觀察者評(píng)分的一致性。兩組的AI、SNR 及CNR 值以表示，組間比較采用獨(dú)立樣本t 檢驗(yàn)。P＜0.05 表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 圖像主觀評(píng)價(jià)

DLR-AiCE 組的圖像質(zhì)量主觀評(píng)分均高于HIR 組（P 均＜0.001）（表1，圖2～4）。兩位觀察者間評(píng)分有較高的一致性（ICC 為0.927，95%CI：0.905～0.944，P＜0.001）。

圖2 女，71 歲，術(shù)后復(fù)查CTA 圖。a）HIR 重建示左側(cè)髂動(dòng)脈支架內(nèi)見高密度條狀偽影，主觀評(píng)分4 分；b）DLR-AiCE 重建示支架內(nèi)未見條狀偽影，主觀評(píng)分5 分。圖3 女，74 歲，術(shù)后復(fù)查CTA 圖。a）HIR 重建示右側(cè)髂支架內(nèi)見片狀低密度影及高密度金屬偽影，嚴(yán)重影響支架內(nèi)血管觀察，主觀評(píng)分2 分；b）DLR-AiCE 重建示支架內(nèi)金屬偽影明顯減少，明確診斷右側(cè)髂總動(dòng)脈支架閉塞，主觀評(píng)分4 分。圖4 男，61 歲，術(shù)后復(fù)查CTA 圖像。a）HIR 重建示血管支架偽影影響支架內(nèi)外的觀察，主觀評(píng)分2 分；b）DLR-AiCE 重建示支架內(nèi)外偽影基本消失，可清晰顯示血管內(nèi)支架術(shù)后未見栓塞及內(nèi)漏情況，主觀評(píng)分5 分。

表1 HIR 組和DLR-AiCE 組患者圖像主觀質(zhì)量評(píng)價(jià)的比較［M（Q1，Q3）］

2.2 圖像客觀評(píng)價(jià)

除右髂總動(dòng)脈支架內(nèi)最小偽影和肝臟層面外，DLR-AiCE 組各個(gè)位置AI 值均小于HIR 組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＜0.05）（表2）。DLR-AiCE組各個(gè)位置SNR 值均大于HIR 組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＜0.05）（表2）。除右髂總動(dòng)脈支架內(nèi)最大偽影和雙側(cè)支架內(nèi)最小偽影外，DLR-AiCE 組各個(gè)位置CNR 值均大于HIR 組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（均P＜0.05）（表2）。

表2 HIR 組和DLR-AiCE 組圖像客觀質(zhì)量的比較（）

表2 HIR 組和DLR-AiCE 組圖像客觀質(zhì)量的比較（）

注：AI 為偽影指數(shù)；HIR 為混合選代算法重建；DLR-AiCE 為深度學(xué)習(xí)重建高信噪AI 引擎。

2.3 隨訪情況

26 例患者中HIR 組及DLR-AiCE 組均發(fā)現(xiàn)8例內(nèi)漏（8/26）。DLR-AiCE 組發(fā)現(xiàn)支架內(nèi)栓塞2例；而HIR 組只能確診支架內(nèi)栓塞1 例，另外1例因支架內(nèi)偽影影響無法確定是否有栓塞（圖3）。

3 討論

腹主動(dòng)脈瘤腔內(nèi)修復(fù)術(shù)后的患者需進(jìn)行定期隨訪，而CTA 由于便捷、無創(chuàng)、安全，不受腸氣、腹腔積液及身高體重等因素影響［9］，已成為首要復(fù)查手段。但血管內(nèi)金屬支架所產(chǎn)生偽影可對(duì)血管的細(xì)節(jié)和清晰度產(chǎn)生影響［10］，并會(huì)遮擋周邊組織及器官［11］，對(duì)術(shù)后療效的評(píng)估帶來不確定性。因此，如何更清楚地顯示術(shù)后血管及支架的情況，明確術(shù)后支架周圍組織器官是否受影響［12-14］，是本研究的關(guān)鍵和要點(diǎn)。

近年來較多新技術(shù)可提高圖像質(zhì)量并減少圖像偽影。其中，DLR-AiCE 是一種基于人工智能網(wǎng)絡(luò)的新型圖像重建算法，具有識(shí)別和區(qū)分圖像有用信號(hào)和噪聲的能力，并將信號(hào)和噪聲深度卷積到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，進(jìn)而重組出圖空間分辨率更高、噪聲更低的圖像，從而改善圖像質(zhì)量［15-17］。本研究客觀指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，除右髂支架內(nèi)最小偽影和肝臟層面外，DLR-AiCE 組各個(gè)位置AI 值均顯著小于HIR 組，表明DLR-AiCE 對(duì)減少偽影有積極作用。DLR-AiCE 組各個(gè)位置SNR 值均顯著大于HIR 組，且均提高1 倍以上，表明DLR-AiCE 對(duì)SNR的提高有顯著作用。除右髂總動(dòng)脈支架內(nèi)最大偽影和雙側(cè)支架內(nèi)最小偽影外，DLR-AiCE 組各個(gè)位置CNR 值均顯著大于HIR 組。即使在右髂總動(dòng)脈支架內(nèi)最小偽影層面CNR 數(shù)值比HIR 組低了1.48，但其余DLR-AiCE 組CNR 數(shù)值均大于HIR組。這一結(jié)果可能與測量ROI 處位于盆腔內(nèi)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜有關(guān)，而算法重建強(qiáng)度較低不足以克服這些復(fù)雜因素。本研究結(jié)果表明，DLR-AiCE 對(duì)圖像CNR的提高亦有積極作用，這與既往文獻(xiàn)一致［18-21］。在主觀評(píng)價(jià)方面，兩組均能滿足診斷要求，DLRAiCE 組的圖像質(zhì)量主觀評(píng)分明顯高于HIR 組。因此，使用DLR-AiCE 既能降低腹主動(dòng)脈瘤腔內(nèi)修復(fù)術(shù)后支架內(nèi)外及四周的金屬偽影，減少金屬偽影對(duì)周圍組織的干擾，又能提高圖像的局部及整體質(zhì)量［22］，將有助于更精準(zhǔn)地評(píng)估術(shù)后情況。

本研究存在一些局限：1）納入的樣本量較?。?）研究中只分析了DLR-AiCE 對(duì)減少偽影及改善圖像質(zhì)量的作用，DSA 檢查進(jìn)行對(duì)比；3）未對(duì)DLR-AiCE 技術(shù)與其他去偽影技術(shù)進(jìn)行對(duì)比；4）應(yīng)用DLR-AiCE 技術(shù)雖然減少了偽影，但金屬偽影未能完全消除，還可能存在原始信息的丟失等情況。

總之，DLR-AiCE 算法可減少腹主動(dòng)脈瘤腔內(nèi)修復(fù)術(shù)后支架產(chǎn)生的金屬偽影，提供支架內(nèi)外及周邊器官等更清晰的CTA 圖像，有助于腹主動(dòng)脈瘤腔內(nèi)修復(fù)術(shù)后周邊結(jié)構(gòu)、支架內(nèi)外、內(nèi)漏及栓塞等評(píng)估。