基于人工智能的辅助运动校正算法对CCTA图像质量的影响

尹伟，王敏杰，徐瑞敏，贾紫珺，赵冰辉，胡信心，陆建平

冠状动脉CT血管成像(coronary computed tomography angiography，CCTA)作为一种无创性的诊断方法，较为广泛的应用于冠心病的排查、评估、诊疗以及随访等方面[1]。CT技术的进步使CCTA检查更为便捷、精准，但辐射剂量与运动伪影一直是CCTA检查过程中面临的最重要的两个问题。如何降低辐射剂量以及消除运动伪影一直是CCTA检查的研究热点[2-3]。前瞻性心电门控轴扫是降低辐射剂量最有效的方式之一[4]，而通过提高硬件性能并与软件相结合的方式来提高CT的时间分辨率，是降低运动伪影最有效的方法[5]。

目前，主要通过增加探测器宽度和提高转速来提高CT硬件性能，而软件方面则通过运动校正算法来优化图像质量，与提升硬件性能相比，软件策略具有更高的性价比。基于人工智能的辅助运动校正(CardioCapture，联影)是新一代320排CT机搭载的冠状动脉运动矫正算法，目前国内外少有应用此算法的相关研究。本研究旨在探讨CardioCapture技术对CCTA图像质量的影响，旨在为其临床使用提供依据。

材料与方法

1.一般资料

搜集2021年6月-2021年7月在本院顺利完成CCTA检查的58例患者的临床和影像资料。其中，男34例，女24例，年龄34～82岁，平均(58.14±9.50)岁；心率51～100次/分，平均(66.81±9.11)次/分。主要临床表现：冠心病复查5例，胸痛、胸闷25例，胸部不适15例，体检4例。排除标准为碘对比剂过敏、肾功能不全(血肌酐>120 μmol/L)及冠状动脉支架或搭桥术后。本研究通过海军军医大学第一附属医院伦理委员会审批，所有患者检查前签署知情同意书。

2.CT检查方法

使用联影医疗uCT960+320排CT机进行扫描。检查前1.0～1.5 h患者服用β受体阻滞剂(酒石酸美托洛尔片)控制心率：65次/min≤心率<75次/min时，口服25 mg，75次/min≤心率<90次/min时，口服50 mg，心率≥90次/min时，口服75 mg。检查前向患者介绍检查流程和注意事项，并进行呼吸训练，扫描前3 min患者舌下含服0.5 mg硝酸甘油片。先进行定位像扫描，确定CCTA的扫描范围为气管分叉下方10 mm至心脏膈面。采用Ulrich双筒高压注射器进行碘对比剂个性化方案注射。采用非离子型碘对比剂碘普罗胺(Iopromide；370 mg I/mL)，对比剂总量为275 mg I/kg，对比剂注射时间为11 s，随后以相同流率注射40 mL生理盐水。采用自动触发扫描技术，监测位置选取心脏中心层面降主动脉管腔内，触发阈值为120 HU，当ROI的CT值达到阈值后，延迟6 s开始扫描。

CCTA扫描采用前瞻性心电门控轴扫模式，扫描参数：120 kV，80～200 mAs，0.25 s/r，准直器宽度根据心脏大小进行调整，范围为12～16 cm，扫描时相根据心率进行调整，心率≤65次/min时采用72%～85% R-R间期；65次/min≤心率<80次/min时采用35%～85% R-R间期；心率≥80次/min时采用35%～55% R-R间期。重建参数：重建层厚0.50 mm，层间距0.25 mm，混合迭代重建算法KARL 3D(level 7)，图像重建的显示视野(display field of view，DFOV)为200 mm×200 mm，重建矩阵512×512。

3.图像分析和数据测量

将获取的扫描数据进行不同参数重建。A组为对照组：采用固定R-R间期重建图像，心率≤65次/min时，选择75% R-R间期重建图像；心率>65次/min时，比较45% R-R间期与75% R-R间期图像质量，选择主观评分较高的图像。B～F组为实验组：B组采用ePhase技术自动重建图像，C、D、E与F组在B组的基础上联合不同校正等级[level-3(C组)、level-5(D组)、level-7(E组)、level-9(F组)]的CardioCapture技术进行图像重建。将所有组的重建图像采用容积再现(volume rendering，VR)、曲面重组(curved planar reformation，CPR)及最大密度投影(maximum intensity projection，MIP)技术进行后处理。

所有图像均由两位经验丰富的放射科医师独立进行评估。图像质量客观评价：在右冠状动脉(right coronary artery，RCA)、左冠脉的前降支(left coronary descending，LAD)和回旋支(left circumflex artery，LCX)勾画ROI，测量其CT值及其标准差(standard deviation，SD)，以3支冠状动脉节段CT值和SD的平均值分别作为冠状动脉CT值和图像噪声(noise，N)。此外，在相同层面的图像上在胸壁肌肉组织内勾画ROI，测量其CT值。勾画ROI时应避开管壁及钙化灶，大小为1～2 mm2。计算图像信号噪声比(signal to noise ratio，SNR)和对比噪声比(contrast to noise ratio，CNR)的公式如下：

(1)

(2)

图像质量主观评价：根据美国心脏协会(AHA)的冠状动脉15段划分方法[6]，RCA定义为1～4段； LAD定义为5～10段，LCX定义为11～15段。图像质量评分标准采用5分制[7]。5分表示优秀，无运动伪影，血管轮廓清晰；4分表示良好，轻微伪影，冠脉节段轮廓略模糊；3分表示可接受，中度运动伪影，临床可评估；2分表示差，严重运动伪影，部分节段不可评估；1分表示非常差，无法评估(图1～4)。冠脉节段质量评分为3～5分的为可满足诊断要求。

图1 患者男，72岁，心率为150次/min。图a至图f为RCA横轴面图像，显示运动伪影由重度转变为轻度，根据冠状动脉评分标准，此冠脉节段(箭)的主观评分依次为2、3、4、4、4和4分。a)A组；b)B组；c)C组；d)；D组；e)E组；f)F组。 图2 患者男，32岁，心率为70次/min。图a至图f为LAD横轴面图像，显示运动伪影由轻中度转为无伪影，根据冠状动脉评分标准，此处冠脉节段(箭)的主观评分依次为4、3、5、5、5和5分。a)A组；b)B组；c)C组；d)；D组；e)E组；f)F组。 图3 患者男，72岁，心率为152次/min。图a至图f为LCX横轴面图像，显示运动伪影由轻中度转为无伪影，根据冠状动脉评分标准，此处冠脉节段(箭)的评分依次为3、4、5、5、5和5分。a)A组；b)B组；c)C组；d)；D组；e)E组；f)F组。 图4 患者63岁，心率为65次/min。图a至图f为RCA曲面重组图像，显示运动伪影由轻中度转为无伪影，根据冠状动脉评分标准，此处冠脉节段(箭)的评分依次为3、4、5、5、5和5分。a)A组；b)B组；c)C组；d)；D组；e)E组；f)F组。

辐射剂量：扫描完成后记录CT设备自动生成的剂量长度乘积(dose length product，DLP)，并计算有效辐射剂量(effective dose，ED)：

ED=DLP×k

(3)

本研究中k值取0.014mSv/(mGy·cm)。

4.统计学分析

使用SPSS 19.0统计学软件进行统计分析。计量数据以均数±标准差表示。图像质量客观评价指标的比较采用单因素方差分析，图像质量主观评分的一致性评估采用Kappa分析：Kappa≥0.8为一致性良好，0.40≤Kappa<0.80为一致性较好，0.2

结 果

1.基本临床资料

共58例患者完成CCTA检查，应评估885个冠状动脉节段，实际评估804个冠状动脉节段，心率≤65次/min的患者共29例，实际评估395个冠状动脉节段；心率>65次/min的患者共29例，实际评估409个冠状动脉节段。其中81个节段因解剖变异或管径太小(直径<1.5mm)而未显示。

2.一致性分析

两位观察者对6组图像冠状动脉节段主观评分的一致性均为良好(A～F组的Kappa值分别为0.890、0.885、0.869、0.834、0.807和0.825)。

3.图像质量客观评价指标的比较

六种重建方法的图像质量客观评价指标测量值及组间比较结果见表1。六组CCTA图像上冠脉的CT值、SD值、SNR和CNR的差异均无统计学意义(P>0.05)。

表1 六种重建方法图像质量客观评价指标值的比较

3.图像质量主观评分的比较

不同心率条件下6组图像的主观评分及组间比较结果见表2，A至F组3支冠脉节段的图像质量主观评分依次增加。C组为ePhase技术结合cardiocapture(Level 3)技术重建图像，是目前最为常用的重建手段，将C组与其他5组进行两两比较更有意义。故本研究中，当6组之间冠状动脉节段差异有统计学意义时，仅比较C组与其它组之间的差异。

表2 不同心率条件下6组图像上3支冠脉节段主观评分及组间比较

本组结果显示：当心率≤65次/min时，6组之间RCA和LAD主观评分的差异均具有统计学意义(χ2分别为42.296和22.484，P均<0.001)，而6组之间LCX主观评分的差异无统计学意义(χ2=9.310，P=0.097)。C组RCA与LAD主观评分与其它组比较，差异均无统计学意义(P>0.05)。

当心率>65次/min时，6组之间RCA、LAD和LCX主观评分的差异均具有统计学意义(χ2=95.403，P=0.000；χ2=14.033，P=0.015；χ2=11.273，P=0.046)。C组RCA的主观评分与A组之间的差异具有统计学意义(P<0.05)，与其它组之间的差异均无统计学意义(P>0.05)。C组LAD和LCX主观评分与其它组两两比较，差异均无统计学意义(P>0.05)。

58例患者所有冠状动脉节段主观评分结果及可诊断率见表3。当心率≤65次/min时，6组之间冠状动脉节段可诊断率和优秀率的差异均具有统计学意义(P<0.05)。六组之间进行两两比较：冠状动脉节段的可诊断率的组间差异均无统计学意义(P>0.05)；C组冠状动脉节段的优秀率(94.85%)与其它5组比较，差异均无统计学意义(P>0.05)，B组冠状动脉节段的优秀率(91.18%)与D组(96.32%)、E组(96.81%)和F组(96.81%)的差异均具有统计学意义(P<0.05)。

表3 六组重建图像上所有冠脉节段的主观评分情况及组间比较结果 /例

当心率>65次/min时，6组之间冠状动脉节段可诊断率和优秀率差异均具有统计学意义(P<0.05)。进一步进行组间两两比较：冠状动脉节段的可诊断率，C组(100%)高于A组(91.90%)，差异具有统计学意义(P<0.05)，C组与其它组之间的差异均无统计学意义(P>0.05)。冠状动脉节段的优秀率，C组(91.39%)高于A组(69.87%)和B组(83.80%)，差异均具有统计学意义(P<0.05)；C组与D组(94.68%)、E组(95.44%)和F组(95.44%)之间的差异均无统计学意义(P>0.05)。

5.辐射剂量和图像重建时间

CCTA扫描的辐射剂量指标值：DLP为(325.31±238.93) mGy·cm，ED为(4.55±3.34) mSv。

A组至F组的图像重建时间分别为(28.80±0.17)、(28.61±1.00)、(90.92±0.20)、(123.48±0.78)、(156.86±1.35)和(190.08±5.19)s，其中A组与B组的重建时间基本相等，而采用运动校正算法的C、D、E和F组的重建时间随CardioCapture校正等级的提升而明显增加。

讨 论

CCTA已广泛应用于冠状动脉疾病(coronary artery disease，CAD)的诊断。影响CCTA准确性的因素有很多，如运动伪影、重建时相选择不当、对比剂伪影、心率过快和心律不齐等[9-10]。其中运动伪影和重建时相选择不当是产生伪影的主要因素，根本原因在于CT扫描的时间分辨率不够，运动伪影将导致图像质量明显下降。本研究采用160 mm宽探测器联合0.25 s/r的机架转速，在心率>65次/min的条件下使用固定重建时相，实现了冠状动脉节段91.90%的可诊断率以及81.94%的优秀率，通过使用ePhase技术联合低校正等级(level-3)CardioCapture技术，可实现冠状动脉节段100%的可诊断率以及91.39%的优秀率。

CardioCapture技术是一种专用于冠状动脉的人工智能辅助运动校正算法[11]，算法以目标时相为中心，利用深度学习技术分割相邻多时相的冠状动脉树，并获取不同时相之间的冠脉运动模型；然后对重建数据进行冠脉运动校正，实现目标时相的冠脉冻结，突破系统硬件时间分辨率的局限。以CardioCapture(level-3)为例，心脏图像重建所需的180°数据被分为3组，每组获得60°数据，对应的时间分辨率为125 ms/3≈42 ms。每一个子扇区的时间分辨率均得到提高，但60°数据不足以重建完整的冠脉解剖结构。而通过子扇区，可以获得相邻子扇区至中心扇区的冠脉运动信息，根据此信息就可以对重建所需数据进行校正，并将校正后的180°数据重建为具有完整解剖结构且搏动伪影明显改善的冠状动脉图像。如果将成像所需的180°数据划分为更多的子扇区，每个子扇区将对应更小角度的数据和更高的时间分辨率，进而构建更加精细化的多时相冠状动脉运动模型，提升运动校正效果。基于CardioCapture技术，冠状动脉成像等效时间分辨率最高可达125 ms/6≈21 ms。

本研究中在心率≤65次/min时，3支冠状动脉节段的主观评分在6组图像之间的差异无统计学意义(P>0.05)。在心率>65次/min时，采用CardioCapture技术可将RCA图像主观评分从(3.58±1.13)分最高提升至(4.94±0.16)分，差异具有统计学意义(P<0.05)，而LAD和LCX的图像质量主观评分提升效果不明显。主要原因是RCA的运动速度快于LAD和LCX，当心率>65次/min时，LAD和LCX的运动速度低于25 mm/s，而RCA的运动速度可达35 mm/s[12]，在此运动速度下采用ephase技术重建可满足LAD和LCX对时间分辨率的要求，但不能满足RCA对时间分辨的要求。而CardioCapture技术可以提高时间分辨率，达到RCA对时间分辨率的要求，保证了图像质量，这意味着心率越高，对CardioCapture技术的要求也越高。本研究结果与Liang等[13]的研究结果相似，该研究在对高心率患者行单心电周期CCTA时，有91.1%的患者采用了冠状动脉追踪技术(snapshot freeze，SSF)对图像进行优化。本研究中采用CardioCapture技术level-9组的图像质量主观评分最高，评分达到5分的冠状动脉节段的比例达96.14%，这验证了CardioCapture技术在CCTA成像中的优越性。但本研究中采用不同校正等级的C、D、E以及F组之间主观评分的差异均无统计学意义(P>0.05)。这可能是因为本研究中患者的平均心率较低，低心率条件下的冠状动脉运动幅度较小，采用较少的子扇区划分即可获得准确的冠状动脉运动信息。

在当前紧张的医患关系中，如何优化CCTA检查的工作流程是控制图像质量和辐射剂量之外的另一项重要工作。目前影响CCTA工作流程的关键在于冠状动脉重建，常规CCTA重建时一般依靠经验直接选择重建时相，或通过CT设备提供的相位预览功能对心脏感兴趣层面进行多时相重建，再从中选择运动伪影最少的时相进行重建。由于时相的选择具有很高的主观性，可能需要重复多次重建才能得到满意的图像，整体效率较低。本研究中采用ePhase技术可获得较客观的最佳时相，再结合CardioCapture技术可显著减少冠状动脉的重建工作，对于优化CCTA检查整体的工作流程有重要意义。

本研究中发现是否使用CardioCapture技术进行重建对冠脉CT值、图像噪声、SNR和CNR的影响均不显著，这与回顾性心电门控螺旋CT扫描模式下采用单扇区重建技术的结果不同，其采用单扇区重建技术在降低伪影的同时，图像噪声也有较显著的提升[14]，其主要原因可能是参与重建的原始数据量有所降低。刘军波等[15]的研究中采用SSF技术，不影响CCTA图像上冠脉的CT值、SD值、SNR以及CNR，这与本研究中的CardioCapture技术的结果类似。

本研究的局限性：1、样本量较小，高心率患者较少；2、本研究中排除了心律不齐及搭桥的患者，在CCTA检查中，对心律不齐和心脏搭桥患者的扫描对设备以及技术的要求较高，需进一步搜集相关数据进行深入研究；3、本研究中采用120和100kV的管电压进行扫描，未考虑CardioCapture技术在更低管电压条件下的使用情况。

综上所述，采用ePhase联合CardioCapture技术可提升CCTA的图像质量，推荐使用低校正等级的CardioCapture技术进行图像重建，可进一步提高CCTA检查效率。