王怡然，詹鶴鳳，吳文杰，侯佳蒙，馬雪妍，張永高

鄭州大學第一附屬醫(yī)院 放射科，河南 鄭州 450052

引言

多層螺旋CT技術的發(fā)展提高了心臟和冠狀動脈的非侵入性成像能力，支持冠狀動脈CT血管成像（Coronary CT Angiography，CCTA）在識別冠狀動脈狹窄方面的廣泛應用，但其性能受圖像質量的影響。近年來，CCTA帶來的輻射暴露問題不容忽視，迭代重建算法獲得的CCTA與標準濾波反投影相比可以提高圖像質量和診斷準確性。但目前冠狀動脈鈣化所導致的暈狀偽影、射束硬化偽影等仍然限制CCTA評估阻塞性冠狀動脈疾病（Coronary Artery Disease，CAD）的能力[1]。較低的圖像噪聲[2]可以允許使用更清晰的卷積核，這有助于在存在廣泛冠狀動脈鈣化的情況下改善圖像質量。但高權重迭代重建算法[3]會改變圖像的噪聲幅度和紋理特征，斑片狀、不自然的圖像紋理在多項研究中被證實。

目前，人工智能（Artificial Intelligence，AI）已經(jīng)在心血管系統(tǒng)有初步應用，例如東芝的Advanced Intelligent Clear-IQ Engine （AiCE）[4]以及東軟的AI輔助優(yōu)化算法[5]。最近，作為機器學習和AI的一個子集，深度學習（Deep Learning，DL）顯示出改善CT圖像重建的潛力，因為它可以處理更多的模型和參數(shù)，遠多于基于統(tǒng)計的迭代重建方法。GE公司研發(fā)的深度學習圖像重建（Deep Learning Image Reconstruction，DLIR）[6]（TrueFidelity，GE Healthcare）已經(jīng)在體模[7]和臨床研究[8-9]中被一些研究人員初步驗證，并且圖像紋理與高劑量條件下獲得的濾波反投影相似。

本研究目的是與自適應統(tǒng)計迭代算法相比，探討DLIR對高分辨率CT血管成像圖像質量和診斷準確性的影響，并以有創(chuàng)冠脈造影作為驗證。

1 材料與方法

1.1 研究對象

本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會批準（2021-KY-0043-002），所有患者均簽署知情同意書。前瞻性納入在2021年2月至5月在Revolution CT接受掃描的56例疑似CAD患者，男31例，女25例，平均年齡（59.7±12.3）歲。入選患者平均BMI為（24.1±3.21）kg/m2，掃描平均心率為（72±10.6）次/min，排除造影劑過敏、慢性腎?。ㄑ◆?1.5 mg/dL或腎小球濾過率<45 mL/min/1.73 m2）、BMI>40 kg/m2、有冠狀動脈支架置入史以及冠狀動脈旁路移植術史的患者。

1.2 采集與圖像重建

所有檢查均在256層 Revolution CT掃描儀上進行，掃描參數(shù)如下：所有掃描均以高分辨率模式進行，平面內(nèi)空間分辨率為0.23 mm×0.23 mm，準直256 mm×0.625 mm，矩陣大小為512×512像素，層厚和層間距為0.625 mm。Z軸空間分辨率0.23 mm，機架旋轉時間280 ms，掃描范圍140 mm或160 mm，顯示視野為25 mm。為了最大限度地減少輻射暴露，根據(jù)心率，分別為每個患者選擇回顧性心電門控或前瞻性心電門控。管電壓120 kVp，采用自動管電流調制技術。掃描前舌下含服硝酸甘油0.5 mg，用雙筒高壓注射器經(jīng)肘前靜脈注射對比劑35～60 mL（碘海醇，350 mgI/mL，揚子江藥業(yè)），流速3.5～6 mL/s，并追加生理鹽水50 mL。用50%權重自適應迭代重建技術（Adaptive Statistical Iterative Reconstruction，ASIR）-V以及中、高級別DLIR（分別為DLIR-M和DLIR-H）重建CCTA圖像，所有重建都應用了高清晰度卷積核。

1.3 圖像評價

隨后的測量在離線工作站（Advantage Workstation 4.7）上進行。將感興趣區(qū)（Region of Interest，ROI）放置在左主干（Left Main Artery，LMA）、左前降支（Left Anterior Descending Artery，LAD）近段、左回旋支（Left Circumflex Artery，LCX）近段、右冠狀動脈（Right Coronary Artery，RCA）近段和主動脈根部（Aorta Root，AR）的同一平面上測量CT值及其標準差（SD）代表噪聲。根據(jù)SCCT18分段法[10]進行冠狀動脈分段。同時將ROI放置在鄰近血管周圍組織中，用來計算血管的對比度噪聲比。管腔直徑小于1.5 mm的冠狀動脈節(jié)段被排除在分析之外。為了計算信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）和對比噪聲比（Contrast to Noise Ratio，CNR）[11]，見式(1)～ (2)：

圖像質量定性評估由兩位有經(jīng)驗的放射科醫(yī)生對三支主要冠狀動脈及整體圖像質量目測進行，評分不一致則商討達成共識。根據(jù)圖像噪聲、偽影大小、管腔的清晰度和對圖像的總體印象用Likert評分法[12-13]進行評分（1=差，2=一般，3=中等，4=良好，5=優(yōu)秀），得分在2～5分的圖像視為滿足診斷要求。

1.4 狹窄程度評估

兩位有三年以上經(jīng)驗的放射科醫(yī)生使用SCCT18分段法[10]在CT影像上共同評估是否存在管腔狹窄。顯著的冠狀動脈狹窄定義為狹窄程度大于50%，讀者對重建技術未知。有創(chuàng)冠狀動脈造影（Invasive Coronary Angiography，ICA）作為狹窄檢測的參考標準，至少獲得冠狀動脈的兩個正交視圖以進行狹窄程度判定。

1.5 輻射劑量

容積CT劑量指數(shù)（Volumetric CT Dose Index，CTDIvol）、劑量長度乘積（Dose Length Product，DLP）在劑量報告中記錄。用有效輻射劑量乘以心臟轉換系數(shù)（k=0.026 mSv/mGy·cm）估算有效輻射劑量（Effective Radiation Dose，ED）。

1.6 統(tǒng)計學分析

使用專業(yè)統(tǒng)計軟件SPSS 22.0進行統(tǒng)計分析。采用Kolmogorov-Smirnov檢驗對數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布檢驗。連續(xù)變量用（±s）表示，分類變量用百分比和計數(shù)表示。采用Wilcoxon符號秩和檢驗比較三種不同重建算法的圖像質量，通過Bonferroni校正調整后的成對比較以進行多次比較。P<0.05被認為有顯著差異。McNemar檢驗比較每患者的敏感度、特異度和準確度，ICA作為參考標準比較三種重建技術在診斷準確性上的差異。

2 結果

2.1 圖像質量

表1總結了主要冠狀動脈和AR的圖像質量的客觀測量數(shù)據(jù)（噪聲、SNR和CNR）。與ASiR-V 50%相比，DLIR-H的噪聲明顯減少，SNR和CNR明顯增加（P值均<0.05）。在AR，DLIR-H（20.5 HU）和DLIR-M（23.7 HU）的噪聲值明顯低于ASiR-V 50%（51.1 HU）（P值均<0.001）。DLIR-H在每個測量位置有類似的趨勢（P值均<0.05），DLIR-M也有類似的結果，但只有在AR、LMA、RCA的差異有統(tǒng)計學意義。DLIR-H的SNR和CNR明顯高于ASiR-V 50%（P值均<0.05），而DLIR-M有相同的趨勢，但在LAD和LCX，DLIR-M和ASiR-V 50%之間的差異不顯著（P值均>0.05）。DLIR-H和DLIR-M在噪聲、SNR、CNR方面沒有發(fā)現(xiàn)顯著差異（P值均>0.05）。表2顯示了主觀圖像質量的詳細定性分析。與ASIR-V相比，LAD、LCX、RCA在DLIR-H和DLIR-M的圖像質量評分均有統(tǒng)計學意義的改善（P值均<0.001）。

表1 三組重建算法的圖像噪聲值、SNR及對比噪聲比（±s）

表1 三組重建算法的圖像噪聲值、SNR及對比噪聲比（±s）

項目 ASiR-V 50%組 DLIR-M組 DLIR-H組 P值P值ASiR-V 50% vs.DLIR-M ASiR-V 50% vs.DLIR-H DLIR-M vs.DLIR-H AR CT值/HU 440.9±70.1 441.1±70.3 441.3±70.4 0.977 — — —AR 噪聲值 /HU 51.1±7.8 23.7±3.5 20.5±3.7 <0.001 <0.001 <0.001 0.071 AR SNR 8.7±1.5 18.9±3.7 22.8±9.9 <0.001 <0.001 <0.001 0.080 RCA 噪聲值/HU 54.8±30.1 40.2±15.5 37.9±14.9 <0.001 0.002 <0.001 0.506 RCA SNR 8.1±3.2 11.4±5.3 12.1±5.7 <0.001 0.004 <0.001 0.586 RCA CNR 6.5±2.8 9.3±4.5 9.8±4.9 <0.001 0.006 0.001 0.611 LMA 噪聲值/HU 49.1±14.6 36.9±14.2 34.7±14.0 <0.001 <0.001 <0.001 0.415 LMASNR 8.9±3.0 12.6±5.4 14.1±6.9 <0.001 <0.001 <0.001 0.402 LMA CNR 7.2±2.7 10.3±4.7 11.6±6.3 <0.001 <0.001 <0.001 0.423 LAD 噪聲值/HU 57.7±18.0 48.7±17.7 46.9±17.0 0.014 0.085 0.017 0.594 LAD SNR 6.9±2.7 8.9±4.7 9.2±4.9 0.014 0.064 0.019 0.695 LAD CNR 5.5±2.3 7.1±3.9 7.4±4.0 0.016 0.066 0.023 0.726 LCX 噪聲值/HU 58.0±15.6 50.8±16.3 48.5±15.7 0.006 0.068 0.006 0.458 LCX SNR 6.9±3.3 8.0±2.9 8.3±3.2 0.03 0.039 0.016 0.672 LCX CNR 5.5±3.2 6.3±2.5 6.6±2.8 0.029 0.125 0.036 0.666

表2 三組圖像主觀圖像質量評分的對比（±s）

表2 三組圖像主觀圖像質量評分的對比（±s）

項目 ASiR-V 50%組 DLIR-M組 DLIR-H組 P 值 P 值ASiR-V 50% vs.DLIR-M ASiR-V 50% vs.DLIR-H DLIR-M vs.DLIR-H RCA 3.1±0.6 4.0±0.6 4.2±0.5 <0.001 <0.001 <0.001 0.001 LAD 3.0±0.6 3.9±0.6 4.0±0.6 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001 LCX 3.0±0.5 3.9±0.5 4.1±0.5 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001基于病人分析 3.1±0.5 4.5±0.6 4.7±0.5 <0.001 <0.001 <0.001 <0.001

2.2 診斷準確性

兩位讀者評估了總共32例患者理論上480個冠狀動脈節(jié)段，而107個節(jié)段由于解剖變異或起始處直徑<1.5 mm（根據(jù)美國心臟協(xié)會的15段模型的參考標準定義）而排除。合并QCA的ICA發(fā)現(xiàn)17例（47%）患者的33處狹窄。其中單支病變10例，2支病變5例，3支病變2例。

用ASiR-V 50%重建的CCTA在17例經(jīng)ICA確認的CAD陽性患者中正確檢出15例，在15例陰性患者中正確排除7例，其敏感性、特異性和準確性分別為88%、60%和75%。用DLIR-M重建的CCTA正確識別了17名陽性患者中的15例，并正確排除了15名陰性患者中的9名，其敏感性、特異性和準確性分別為88%、60%和75%。用DLIR-H重建的CCTA正確檢出了17例陽性患者中的16例，并正確排除了15例陰性患者中的10例。結果顯示其敏感性、特異性和準確性分別為94%、66%和81%。不同重建的敏感性、特異性和診斷準確性均無明顯差異（P>0.05）。

2.3 輻射劑量

CTDIvol的中位數(shù)是6.4 mGy（四分位數(shù)5.3～7.6 mGy），DLP中位數(shù)是103 mGy·cm（四分位數(shù)85～122 mGy·cm），ED中位數(shù)是2.7 mSv（四分位數(shù)2.2～3.1 mSv）。

3 討論

本研究選擇的患者冠脈鈣化積分（Agatston積分）范圍0～2326，涵蓋了不同心血管疾病風險分層[14]。對于疑似冠心病的患者，采用高分辨率掃描模式和高清晰度卷積核進行重建。一般情況下，高分辨率掃描適合含鈣化病變較多或支架置入術后患者，這可以減少與暈狀效應相關的偽影。然而，對于體重較大的患者，其圖像質量甚至下降到影響診斷的水平[15]。因此，本研究嘗試通過一種新的重建算法來改善圖像質量從而提升診斷信心。已知迭代重建算法，如模型迭代重建可以減少斑塊周圍的暈狀偽影，并表現(xiàn)為所測量鈣化斑塊體積的減少。DLIR是否能減少暈狀偽影的影響有待進一步研究。

關于客觀圖像質量，我們發(fā)現(xiàn)在大動脈和小冠狀動脈中，DLIR產(chǎn)生的圖像噪聲更低，SNR和CNR比ASiR更高。DLIR的主觀總體圖像質量明顯優(yōu)于ASiR。特別是與ASiR-V 50%相比，DLIR-H可以在高清晰度卷積核下顯著降低圖像噪聲。如圖1所示，它還能提高非鈣化斑塊的識別率，但還沒有經(jīng)過大樣本的驗證。對于鈣化斑塊較嚴重的冠狀動脈節(jié)段，DLIR只能改善鈣化以外的血管壁的劃分，因為高密度鈣化的溢出效應[16]明顯遮蔽了冠狀動脈管腔，導致高估冠狀動脈管腔的狹窄程度，尤其是對管腔直徑原本較小的遠段冠狀動脈。一些研究利用改良后的減影冠狀動脈計算機斷層掃描血管成像[17]技術或去暈狀偽影算法[5]來解決這一問題，但其成功率受到設備、掃描方案和后處理軟件的限制。

圖1 患者男，70歲，分別用ASIR-V 50%（a）、DLIR-M（b）、DLIR-H（c）重建的曲面重組圖和ICA圖像（d）

我們的研究有以下局限性：① 這是一項單中心研究，納入的人數(shù)相對較少，需要更大規(guī)模的多中心研究來進一步確定DLIR的診斷性能；② 對圖像質量的定性評價可能會受到主觀性和固有偏見的影響；③ 對于嚴重鈣化的冠狀動脈節(jié)段，目前仍沒有很好的方法來減少鈣化對管腔的遮蔽效應。

綜上所述，DLIR提升了高分辨率掃描下冠狀動脈CTA檢查的圖像質量，同時不影響CAD診斷的準確性，這有助于擴大CCTA的應用范圍，從而減少不必要的后續(xù)檢查，如ICA或放射性核素心肌灌注成像，從而節(jié)省經(jīng)濟成本并減少輻射暴露的風險。