中华放射医学与防护杂志  2025, Vol. 45 Issue (7): 685-691   PDF    
引用本文
杜长谕, 刘义军, 魏巍, 胡梦婷, 张竞颐, 程启烨, 何健, 陈安良. 自动预置技术联合迭代重建算法在低剂量肺动脉CT血管成像中的应用价值[J]. 中华放射医学与防护杂志, 2025, 45(7): 685-691, DOI: 10.3760/cma.j.cn112271-20240725-00280.
自动预置技术联合迭代重建算法在低剂量肺动脉CT血管成像中的应用价值
杜长谕 , 刘义军 , 魏巍 , 胡梦婷 , 张竞颐 , 程启烨 , 何健 , 陈安良     
大连医科大学附属第一医院放射科，大连 116011
收稿日期: 2024-07-25
通信作者: 刘义军，Email: yijunliu1965@126.com
[摘要] 目的 探究自动预置技术联合迭代重建算法“双低”技术在肺动脉CT血管成像(CTPA)中的应用价值。方法 前瞻性收集大连医科大学附属第一医院临床怀疑肺栓塞行CTPA检查的患者86例，按随机数表法分为对照组(45例)：管电压120 kVp，常规60 ml碘对比剂，重建后置40% 自适应统计迭代重建算法(ASIR-V)图像; 观察组(41例)：管电压采用自动预置技术，0.4 ml/kg个体化低碘对比剂，分别重建后置40%、60%和80% ASIR-V图像，记为观察1、观察2和观察3组。记录并比较4组容积CT剂量指数(CTDIvol)、剂量长度乘积(DLP)，并计算有效辐射剂量(E)。测量肺动脉干、左右肺动脉和左右肺叶动脉的CT值及标准差(SD)，计算上述动脉的信噪比(SNR)和对比噪声比(CNR); 测量上腔静脉对比剂浓聚处SD值并计算伪影指数(AI)。由两名观察者采用盲法独立对各组肺动脉显示情况、图像噪声和上腔静脉硬化伪影进行评估。结果 观察组有效辐射剂量3.28(2.08，3.93)mSv低于对照组5.03(4.86，5.20)mSv，差异有统计学意义(Z=174.00，P＜0.05);观察组对比剂用量28(25，30)ml低于对照组60 ml，差异有统计学意义(Z=0，P＜0.05)。观察组肺动脉干、左右肺叶动脉CT值高于对照组，差异均有统计学意义(t=-3.65~-3.89，P＜0.05)，观察2和观察3组的SNR、CNR高于对照组(t=-9.20~-2.98，P＜0.05)。两名观察者间主观评价一致性较好(Kappa=0.729~0.879，P＜0.05)。对照组与观察组图像肺动脉显示主观评分差异无统计学意义(P＞0.05)，观察2和观察3组图像噪声主观评分高于对照组(U =598.50、654.00，P＜0.05);观察组上腔静脉硬化伪影显著少于对照组(χ2=46.09，P＜0.001)。结论 自动预置技术结合ASIR-V重建算法及低对比剂成像方案可在不影响图像质量的前提下降低辐射剂量和对比剂用量，实现个体化“双低”CTPA成像。
[关键词] 肺动脉CT血管成像    肺动脉栓塞    低剂量    自动预置    
临床试验注册  中国临床试验注册中心，YJ-KY-2022-57

Clinical trial registration  Chinese Clinical Trial Registry, YJ-KY-2022-57

Application value of auto-prescription technique combined with iterative reconstruction algorithm in low-dose CT pulmonary angiography
Du Changyu , Liu Yijun , Wei Wei , Hu Mengting , Zhang Jingyi , Cheng Qiye , He Jian , Chen Anliang     
Department of Radiology, First Affiliated Hospital of Dalian Medical University, Dalian 116011, China
Corresponding author: Liu Yijun, Email: yijunliu1965@126.com
[Abstract] Objective To explore the application value of the double-low technique of auto-prescription technique combined with iterative reconstruction algorithm in CT pulmonary angiography (CTPA). Methods A total of 86 patients who were clinically suspected of having pulmonary embolism and underwent CTPA examination in the First Affiliated Hospital of Dalian Medical University were prospectively collected and randomly assigned to a control group (n = 45) and an observation group (n = 41) according to the random number table method. In the control group, a tube voltage of 120 kVp was used with a standard iodine contrast agent dose of 60 ml, and images were reconstructed using the 40% adaptive statistical iterative reconstruction algorithm (ASIR-V). In the observation group, the tube voltage was set by auto-prescription technique, and 0.4 ml/kg of personalized low iodine contrast agent was used. Images were reconstructed with 40%, 60%, and 80% ASIR-V, respectively, and designated as observation 1, observation 2, and observation 3 respectively. The volume CT dose index (CTDIvol), dose-length product (DLP), and effective dose (E) were recorded and compared among the four groups. The CT values and standard deviation (SD) of the main pulmonary artery, left and right pulmonary arteries, as well as the left and right pulmonary lobe arteries were measured, and the signal-to-noise ratio (SNR) and contrast-to-noise ratio (CNR) of these arteries were calculated. Additionally, the SD value at the contrast medium concentration in the superior vena cava was measured, and the artifact index (AI) was subsequently calculated. Two observers independently assessed the visibility of the pulmonary arteries, image noise, and sclerosis artifacts in the superior vena cava using a blinded method. Results The E in the observation group was 3.28 (2.08, 3.93) mSv, which was significantly lower than that in the control group [5.03 (4.86, 5.20)] mSv, and the difference was statistically significant (Z = 174.00, P < 0.05). The contrast agent dosage in the observation group was 28 (25, 30) ml, which was lower than that in the control group (60 ml), and the difference was statistically significant (Z = 0, P < 0.05). The CT values for the main pulmonary artery and the left and right pulmonary lobe arteries in the observation group were higher than those in the control group, and the differences were all statistically significant (t = -3.65 to -3.89, P < 0.05). The SNR and CNR of the observation groups 2 and 3 were greater than those of the control group (t = -9.20 to -2.98, P < 0.05). The consistency of subjective evaluations between the two observers was good (Kappa = 0.729 - 0.879, P < 0.05). There was no statistically significant difference in the subjective score of pulmonary artery visibility between the control and observation group (P > 0.05). The subjective scores for image noise in observation group 2 and group 3 were higher than those in the control group (U =598.50, 654.00, P < 0.05). The presence of artifacts due to sclerosis in the superior vena cava was significantly lower in the observation group compared to the control group (χ2 = 46.09, P < 0.001). Conclusions The combination of auto-prescription technique with ASIR-V reconstruction algorithm and low contrast agent imaging protocol can reduce the radiation dose and contrast agent dose without compromising image quality, and enable personalized double low CTPA imaging.
[Key words] Pulmonary CT angiography    Pulmonary embolism    Low dose    Auto-prescription    

肺动脉栓塞(pulmonary embolism，PE)是由内源性或外源性栓子堵塞肺动脉主干或其分支导致肺循环障碍的急性心血管疾病，死亡率极高，因此，早期明确诊断至关重要[1-2]。肺动脉CT血管成像(computed tomography pulmonary angiography，CTPA)是PE的首选影像学检查方法，具有快速、无创等优点[3]。然而，随着CT检查人数的逐年增加，CT辐射剂量和碘对比剂不良反应得到广泛关注，如何在保证图像质量的同时降低辐射剂量和碘摄入量是临床关注的热点问题[4]。既往实现低剂量CTPA的方式主要有降低管电压(kVp)或降低毫安(mA)扫描，通过降低kVp减少患者辐射暴露的同时利用光电效应增加碘对比度，从而减少对比剂用量，即“双低”扫描[5-8]。但较低的kVp不适用于体型较大患者，临床适用范围受限。自动预置技术(auto-prescription)可以根据患者体型自动选择最佳的kVp和mA，平衡图像质量的同时降低患者的辐射剂量，同时根据患者的体重注射对比剂用量，从而实现个体化“双低”CTPA扫描。但辐射剂量的降低势必会增加图像噪声，应用自适应统计迭代重建算法(adaptive statistical iterative reconstruction-V，ASIR-V)可有效降低CT低剂量扫描带来的图像噪声，从而优化图像质量。Auto-prescription和ASIR-V二者的联合使用在胸腹部成像中研究较多[9-10]，但在CTPA中的应用鲜有报道。因此，本研究旨在探究Auto-prescription联合ASIR-V及低剂量对比剂在CTPA中的应用价值。

资料与方法

1.研究对象：连续纳入2024年4月至7月于大连医科大学附属第一医院行CTPA检查的90例患者。纳入标准：出现呼吸困难、胸痛、咯血等临床症状疑似肺栓塞的患者; 排除标准：急症躁动无法配合检查者; 对比剂过敏者; 肝肾功能障碍者; 检查部位有起搏器、金属物。4例患者被排除，最终纳入86例患者。其中，男54例，女32例，年龄41~85岁，平均(65.79±9.17)岁; 体质量指数(body mass index，BMI)为(16.33~ 33.22)kg/m2，平均(24.20±3.16)kg/m2。根据扫描方案将患者按随机数表法分为对照组(45例)和观察组(41例)，对照组男27例，女18例，年龄41~85岁，平均年龄(64.00±8.74)岁; BMI为(17.99~33.22)kg/m2，平均BMI(23.87±3.19)kg/m2，观察组，其中男27例，女14例，年龄42~84岁，平均(67.76±9.34)岁; BMI为(16.33~31.62)kg/m2，平均(24.55±3.65)kg/m2。本研究经医院伦理委员会批准(审批号：YJ-KY-2022-57)，所有患者均签署知情同意书。

2.检查方法：所有患者均采用美国GE公司的Revolution螺旋CT行CTPA检查。患者仰卧位足先进，双手上举置于头侧，扫描范围为肺尖到肺底。成像参数：对照组：管电压120 kVp，重建后置40% ASIR-V图像; 观察组，管电压采用Auto-prescription技术，重建后置40%、60%、80% ASIR-V图像，分别记为观察1、观察2和观察3组3个亚组。其余参数均一致：自动管电流调制(smart-mA：50~600 mA)，噪声指数(noise index，NI)设为11，前置40% ASIR-V，探测器宽度80 mm，螺距1.532，转速0.5 s/r，扫描层厚5 mm，重建卷积核Stnd，重建层厚及层间隔1.25 mm。将各组图像传至GE AW4.7工作站行曲面重组(curve planar reformation，CPR)和最大密度投影(maximum intensity projection，MIP)进行分析评估。

对比剂注射方案：使用Ulrich双通道高压注射器经右肘正中静脉注射对比剂，两组患者对比剂均使用碘海醇(350 mg I/ml)，对照组患者碘对比剂采用常规剂量60 ml[11]，流速4.5 ml/s，注射完成后以相同速率跟注20 ml生理盐水。观察组患者采用个体化低对比剂方案，以4.5 ml/s的流速注射0.4 ml/kg对比剂[12]，注射完毕后以5.0 ml/s的速率跟注30 ml生理盐水。两组患者均采用自动阈值触发技术(smart prep)，设置肺动脉主干作为监测层面，触发阈值为100 HU，注射对比剂3 s后开始监测，关闭自动语音功能。当靶血管CT监测值达到触发阈值时，嘱患者屏气扫描。

3.图像评价

(1) 客观评价：在轴位图像上测量肺动脉干、左右肺动脉和左右肺叶动脉的CT值和标准差(standard deviation，SD)，感兴趣区(region of interest，ROI)大小为覆盖管腔截面的2/3，测量时避开肺动脉栓子、上腔静脉线束硬化、骨骼伪影等区域。背景信号强度和背景噪声定义为肺动脉干水平椎旁肌CT值和SD值，计算信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)和对比噪声比(contrast-to-noise ratio，CNR)。SNR=HU肺动脉/SD肺动脉; CNR=(HU肺动脉- HU椎旁肌)/SD椎旁肌。同时测量右肺上叶动脉硬化伪影SD值(上腔静脉对比剂浓聚处)，并计算右肺上叶伪影指数(artifacts index，AI)，$\mathrm{AI}=\sqrt{\mathrm{SD}_{\text {伪影}}^2-\mathrm{SD}_{\text {背景}}^2}$，所有值均3次测量取平均值。

(2) 主观评价：由2名高年资胸部影像诊断医师采用盲法对各组图像质量进行评分[13]。在CPR和MIP图像上对肺动脉总体图像质量行5分制评分; 在轴位图像上对图像噪声行5分制评分; 在轴位图像上对上腔静脉硬化伪影采用2级制评价[14]。上述评分均取两位观察者中评分标准差较小者进行统计分析。评价标准见表 1。

表 1 CTPA检查患者图像质量主观评分标准 Table 1 Subjective assessment criteria for CTPA image quality of patients

4.辐射剂量：扫描结束后记录对照组和观察组的容积CT剂量指数(volume CT dose index，CTDIvol)、剂量长度乘积(dose-length product，DLP)，并计算有效辐射剂量(effective dose，E)，E=DLP×k，胸部剂量转化系数k取0.014 mSv·mGy-1·cm-1。

5.统计学处理：应用SPSS 26.0软件对数据进行统计学处理，符合正态分布的计量资料以x±s表示，非正态分布的采用中位数(四分位间距)[M (Q1，Q3)]表示。对照组和观察组间男女性别比例采用χ2检验，年龄分布、身高、体重及BMI比较采用独立样本t检验。CTDIvol、DLP、E及对比剂用量不符合正态分布，采用Mann-Whitney U检验。主肺动脉、左右肺动脉和左右肺叶动脉CT值、SD值、SNR和CNR均符合正态分布，组内差异采用单因素方差分析，两两比较采用LSD检验，组间差异采用独立样本t检验。采用Kappa检验比较两名诊断医师主观评分的一致性，图像血管的主观评分组内比较采用Friedman检验，组间比较采用Mann-Whitney U检验。P＜0.05为差异有统计学意义。

结果

1.kVp预设值、辐射剂量及对比剂用量：观察组kVp预设值80 kVp 17例，100 kVp 22例，120 kVp 2例。观察组平均CTDIvol、DLP、E与对照组相比，分别降低了19.49%、20.90%、20.90%，两组比较差异均有统计学意义(Z=315、391、374，P＜0.001)。对比剂用量观察组与对照组相比，降低了53.33%(Z=0，P＜0.001)，见表 2。

表 2 不同扫描方案的CTPA检查患者有效剂量和对比剂用量比较[M (Q1，Q3)] Table 2 Comparison of effective dose and contrast agent dosage of CTPA examination in patients with different scanning protocols[M (Q1, Q3)]

2.客观图像质量比较：观察组主肺动脉、左、右肺叶动脉CT值均高于对照组(t=-3.86~3.65，P＜0.001)。观察组组内随着ASIR-V等级的提高，图像SD值降低，SNR、CNR逐渐升高，其中观察2组和观察3组背景噪声SD值均低于对照组，SNR和CNR高于对照组(t=-9.20~10.95，P＜0.05)。观察组组内两两比较，主肺动脉、左、右肺叶动脉CT值差异无统计学意义(P＞0.05)，背景噪声SD值、SNR、CNR差异有统计学意义(F= 8.87~96.84，P＜0.05)。与对照组相比，观察1、观察2、观察3组3个亚组伪影指数均明显降低(t=5.54、5.00、5.85，P＜0.05，表 3)。

表 3 肺动脉CT血管成像客观图像参数比较(x±s) Table 3 Comparison of objective image parameters of CTPA(x±s)

3.主观图像质量比较：两名观察者对肺动脉显示、图像噪声和上腔静脉硬化伪影评分一致性较好(Kappa=0.729~0.879，P＜0.05)。在肺动脉显示上，观察组与对照组主观评分差异无统计学意义(P＞0.05)，观察组组内差异无统计学意义(P＞0.05)。在图像噪声评分中，观察2组和观察3组图像噪声得分高于对照组(U =598.50、654.00，P＜0.05)，观察组组内随着ASIR-V权重提高，图像噪声主观评分呈先升高后降低的趋势。对照组中可见明显上腔静脉硬化伪影36例，观察组仅2例，显著低于对照组(χ2=46.09，P＜0.001，表 4，图 1)。

表 4 肺动脉CT血管成像主观图像质量比较(x±s) Table 4 Comparison of subjective image quality of CTPA(x±s)

注：A~B.窗宽1 017 HU，窗位241 HU; C~D.窗宽360 HU，窗位50 HU 图 1 2例患者CT肺动脉成像A、C. 57岁女性，BMI 31.24 kg/m2，120 kVp，对比剂60 ml，重建后置40% ASIR-V图像，A为轴位MIP图像，可见上腔静脉硬化伪影，C为CPR图像，肺动脉远端充盈较好; B、D. 61岁男性，BMI 30.67 kg/m2，Auto-prescription技术推荐100 kVp，对比剂38 ml，重建后置60% ASIR-V图像，B为轴位MIP图像，上腔静脉无伪影，D为CPR图像，肺动脉远端充盈较好 Figure 1 CTPA images of two patients. Images A and C are for a 57-year-old female patient with BMI 31.24 kg/m2, scanned at 120 kVp with contrast agent 60 ml, with images reconstructed at 40% ASIR-V. A is the axial MIP image with the superior vena cava sclerosis artifacts; C is the CPR image with the distal pulmonary artery well filled. Images B and D are for a 61-year-old male patient with BMI 30.67 kg/m2, scanned at 100 kVp recommended by auto-prescription technology with contrast agent 38 ml, with images reconstructed at 60% ASIR-V. B is the axial MIP image without artifacts in the superior vena cava; D is the CPR image with the distal pulmonary artery well filled

讨论

近年来，低辐射剂量和低对比剂用量CTPA扫描是临床研究热点之一。闫莉等[5]采用60 kVp低管电压联合30 ml低对比剂实现正常体质量指数患者肺动脉成像; 郝文雅等[8]联合使用70 kVp低管电压、20 ml碘对比剂以及大螺距扫描在不影响CTPA图像质量的前提下降低患者的辐射剂量和对比剂用量，以上研究均采用单一较低的kVp和固定的低对比剂用量实现“双低”扫描。而在临床工作中，单一较低的kVp对于高BMI患者无法使图像质量达到要求; 而固定的对比剂用量对于体重不同的患者，出现对比剂用量不足或过剩的情况，以上方法难以在不同体型患者中实现真正“双低”成像。与上述研究相比，本研究的“双低”扫描均采用个体化成像方案。首先，本研究通过联合应用Auto-prescription技术和ASIR-V重建算法实现了个体化低辐射剂量扫描。Auto-prescription技术是一种智能的管电压调制技术，可以根据定位像中患者体型不同，结合预先设置的图像噪声水平，自动选择最佳的kVp和mA进行扫描[15]，在扫描中观察组所选的kVp大多低于常规组120 kVp，从而该技术可个体化地降低患者的辐射剂量。该技术在头颈和胸部等检查部位得到广泛应用，结果证明Auto-prescription技术可以在降低辐射剂量的同时提高血管对比度，很好地平衡了图像质量和辐射剂量之间的关系[16-17]。本研究首次将Auto-prescription技术应用于CTPA中，结果显示与对照组相比辐射剂量降低了20.90%。同时，本研究采用了个体化低对比剂注射方案，按照患者体重以0.4 ml/kg计算对比剂用量，与对照组相比，对比剂用量降低53.33%。本研究个体化“双低”，在较大BMI范围内实现了“双低”扫描。

此外，在既往的CTPA成像中，上腔静脉硬化伪影一直是个难点，是干扰肺动脉显示的重要因素之一，原因是较高剂量的对比剂使肺动脉显影的同时仍有大量的对比剂残留在上腔静脉，进而产生线束硬化伪影。为了降低上腔静脉伪影对肺动脉显示的干扰，本研究将观察组在降低对比剂剂量的同时将生理盐水的跟注速率提升至5.0 ml/s，不仅使得上腔静脉硬化伪影显著减少，而且结合Auto-prescription技术使得管电压降低后观察组在更低的对比剂用量下主肺动脉、左右肺叶动脉平均CT值均远高于对照组，肺动脉远端分支充盈效果仍较好。

本研究中，观察1组SD值高于对照组，是因为较低的管电压虽然提高了碘的对比度，但也增加了图像噪声，因此图像噪声主观评价观察1组低于对照组。为解决低剂量导致的图像噪声问题，本研究在Auto-prescription技术的基础上叠加了后置ASIR-V重建算法。ASIR-V算法是一种集合物体建模、物理建模和噪声模型来实现降噪的迭代重建算法，它引入了更多的计算模型、加快重建速度，在低辐射剂量的前提下仍然有较好的降噪能力[15]。ASIR-V算法共有10个权重等级，临床实践中将40% ASIR-V设为默认值，降噪效果随着权重等级的提高而增强。为了凸显降噪水平且避免过高的权重出现的蜡状伪影，因此在本研究中仅选择40%、60%和80% 3个权重等级。结果显示在观察组组内，随着ASIR-V权重等级的提高，图像SD值降低，SNR、CNR均升高，与胡梦婷等[18]在腹壁下动脉的结果一致。但图像噪声主观评分出现先升高后降低的趋势，其中观察2组主观评分最高。这是因为过高的ASIR-V权重改变了图像噪声结构，使图像细节丢失，且血管边缘结构可能被过度平滑，导致伪影增强，使图像产生蜡状伪影。任占丽等[19]的研究证明80%ASIR-V会使图像主观评分下降，本研究结果与其一致。

本研究尚存在不足之处：患者例数相对较少，仍需增加样本量进一步验证; 前置ASIR-V权重值均设置为40%，而前置ASIR-V权重值为影响辐射剂量的重要因素，亟待探究前置ASIR-V权重值对CTPA辐射剂量和图像质量的影响。

综上所述，Auto-prescription技术联合后置60% ASIR-V在个体化“双低”CTPA成像中具有很好的临床应用价值，可保证不同体型患者CTPA图像质量的同时较大幅度降低患者辐射剂量和碘摄入量。

利益冲突  无

作者贡献声明  杜长谕负责实验构思、采集数据、论文撰写; 刘义军指导论文的撰写和修改; 魏巍、胡梦婷、张竞颐、程启烨负责设计实验、分析结果以及论文修改; 何健、陈安良负责数据处理及主客观分析

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