Image Quality Inprovement for Small Vessel in Diabetic Foot Arteriography Using Dual-energy Computed Tomography
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摘要:
目的：探究能谱CT在糖尿病患者足部动脉造影中小血管成像的应用价值。材料和方法：前瞻性收集2022年1月至2023年1月于我院放射科行下肢血管CTA检查的30例糖尿病患者。在患者行下肢CT血管造影（传统CTA组）后，立即采集足部血管的能谱图像，获得最佳虚拟单能图像（能谱CTA组），将两组的足部图像进行比较，以观察足部动脉小血管的显示并且计算对比噪声比（CNR）和信噪比（SNR）。使用5分法对动脉走向和小血管显示进行评分。结果：能谱CTA组中的CNR和SNR显著优于传统CTA组。能谱CTA组的胫后动脉和足背动脉的主观评分也显著高于传统CTA组（均 > 3分）。结论：与传统CTA成像相比，能谱成像能够提供更好的图像质量，提高足动脉造影的诊断性能，增加医生对疾病诊断的信心。
Abstract:Objective: To investigate the feasibility of dual-energy computed tomography (DECT) in foot arteriography for small vessel image quality in patients with diabetes . Methods: A total of 30 patients with diabetes were enrolled prospectively between January and November 2022 in the radiology department of our hospital, where DECT was acquired immediately after the CT angiography (routine CTA group) of the lower extremity.The optimal virtual monochromatic images (DECT group) were derived from the DECT data. Image quality was assessed by measuring the CT values and noise in foot arteries, and signal-tonoise ratio (SNR) and contrast-to-noise ratio (CNR) were calculated. The arterial course and small vessel display were scored using a 5-point scale (1, poor; 5, excellent). Results: The CNR and SNR were significantly better in the DECT group than in the routine CTA group. The DECT group received higher subjective scores on the posterior tibial artery and the foot arteries (all > 3) than did the routine CTA group. Conclusion: Compared to the routine CTA imaging, DECT offers superior image quality for foot arteriography, thereby enhancing the diagnostic accuracy of foot arteriography and bolstering physicians’ confidence in disease diagnosis.
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Keywords:
- dual-energy CT /
- foot angiography /
- virtual monoenergetic images /
- image quality /
- diabetes
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糖尿病是以血糖代谢异常导致的机体血糖长期偏高的代谢性疾病，并且伴有多种并发症[1]。据统计，在我国50岁以上的糖尿病患者糖尿病足的发病率高达8.1%[2]，截肢率为2.14%，术后的5年死亡率高达40%，因此糖尿病足已成为糖尿病患者死亡、残疾的主要原因之一[3]。研究表明由于动脉供血受阻引起营养不足，导致糖尿病足周围神经病变和周围动脉疾病发生[4-7]。因此，糖尿病患者早期发现糖尿病足至关重要。
计算机断层扫描下肢血管造影（lower extremities CT angiography，LECTA）是一种可靠的无创伤性检查方法[8]。然而，对于下肢远端和足部血管距离远，直径小，血流相对缓慢而且对比剂大幅减少，普通CTA对下肢远端和足部血管成像需优化[9]。双能CT血管造影可以应对这个问题，因为它利用高低两种能量进行成像，在此基础上通过物质分离算法，重建的虚拟单能图像（vitrual monotromatic image，VMI）可以进一步模拟各级能量下不同物质的衰减从而实现了对比剂可检测性[10-13]，并且VMI对于血管显示不佳图像能在噪声增加不显著的情况下改善血管的可视化及图像的信噪比和对比噪声比[14]。尽管证明了双能量下肢CT优于普通CTA，但针对于远离中心的足动脉，仍需要深度探究，此次研究集中在3个动脉，即胫后动脉、足背动脉和足底动脉[15]。
1. 资料与方法
1.1 一般资料
2022年1月至11月期间，从糖尿病患者中招募志愿者，在原定进行下肢CTA检查后立即进行额外足部的能谱CTA检查。每位患者均获得了书面知情同意（伦理编号：B2023-057 R）。
最终被扫描的志愿者包括30名患者。其中，10例女性，20例男性；平均年龄（67.6±7.5）岁，范围56~87岁；CTA和DECT的平均剂量-长度积分别为（425±34）mGy·cm和（397±41）mGy·cm。
1.2 方法
所有检查均使用320排CT系统（uCT 960，联影）进行。该方案由两部分组成：传统CTA范围从第1腰椎到末端脚趾，能谱CTA范围从胫骨中部以下到脚趾。所有患者均采用相同的造影剂增强方案，根据患者体重使用90至120 mL碘化造影剂（碘帕醇，370 mg碘/mL，Bayer，Leverkusen），通过静脉以3~4 mL/s的注射速率注射，并以同样的速率使用40 mL生理盐水冲洗。用于团注跟踪的感兴趣区域（region of interesting，ROI）设置在腹主动脉上第1腰椎的水平处，触发阈值为200 HU，延迟时间为19 s。
传统CTA和能谱CTA均在螺旋模式下进行，旋转时间为0.5 s。对于传统CTA，使用100 kV管电压、自动管电流77 mAs、40 mm纵向准直和1.0螺距。能谱CT采用80 mm准直，螺距0.24，高能部分采用管电压140 kVp，管电流80 mAs，低能部分采用管电压80 kVp，管电流332 mAs。
所有CT图像均采用常规可用的混合迭代重建算法（Karl 3D）进行图像重建，层厚度为1 mm，层间隔为1 mm。所有患者在CTA扫描中可以获得两个图像集：100 kVp CTA图像和一对分别为80 kVp和140 kVp的DECT图像，其中后两个图像被转移到临床工作站进行双能量后处理。虚拟单能图像（VMI）的最佳能量被确定为60 keV，选取传统CTA图像和能谱中的VMI来比较图像质量。
1.3 图像分析
客观图像测量。足部动脉的图像质量由具有8年CT成像经验的放射科医生测量。所有感兴趣区域（ROI）均设置为尽可能大，不包括血管边界、钙化或斑块。胫后动脉的ROI平均大小为5 mm2，足背动脉和足底内侧动脉的ROI平均大小为3 mm2，小腿肌肉的ROI平均大小为100 mm2。每次测量均在3个不同的横断面图像上重复3次得出。为了评估图像对比度，对小腿肌肉进行了额外的测量。
噪声定义为ROI内像素值的标准差（standard deviation，SD），单位为HU。信噪比（Signal-to-noise ratio，SNR）和对比度噪声比（contrast-to-noise ratio，CNR）的计算方法：
$${\mathrm{ SNR}}= {\mu }_{\mathrm{动}\mathrm{脉}}/{{\mathrm{SD}}}_{\mathrm{动}\mathrm{脉}} \text{，} $$ (1) $$ {\mathrm{CNR}}= \left({\mu }_{\mathrm{动}\mathrm{脉}}-{\mu }_{\mathrm{肌}\mathrm{肉}}\right)/{{\mathrm{SD}}}_{\mathrm{肌}\mathrm{肉}} ， $$ (2) 其中，
$ \mu $ 是ROI内像素的平均值，SD是ROI内像素的噪声。主观图像评估。胫后动脉、足背动脉和足底内侧动脉的图像由两名具有4年和6年下肢CT成像经验的放射科医生采用双盲法进行主观评价。结合虚拟现实（virtual reality，VR），轴向CT图像和最大密度投影图像（maximum intensity projection，MIP）对图像质量进行评分[16-18]。
对于动脉走向和动脉血管的对比度使用一个5分法的评分。5分代表优秀：轮廓清晰，连续下行不间断，直至远端细小分支，血管内造影剂充盈极佳，可完全用于诊断；4分代表良好：轮廓结构无明显的不连续性或可见度丢失，对比度良好，充盈好，诊断信心充足；3分代表一般：轮廓具有小的不连续性且可见度尚可，血管对比度适中，不影响诊断；2分代表不足：轮廓呈现不连续性且可见度明显降低，对比度明显不足，诊断信心降低；1分代表差：轮廓严重不连续性且几乎无可见度，无法用于诊断。主观评分大于3分代表可以用于临床诊断。
1.4 统计分析
应用SPSS 21.0软件进行数据统计与分析。采用Kolmogorov-Smirnov检验验证数据的正态性，符合正态分布的计量资料以（平均值±方差）表示，样本间比较采用相关样t检验。非正态分布的计量资料以中位数及四分位数
$ M({P}_{25},{P}_{75}) $ 表示，样本间比较采用Wilcoxon Signed Rank Test检验比较两组图像的图像质量。两名医生主观评价的一致性采用Kappa统计进行评价：Kappa=0.75~1.00，一致性好；Kappa=0.4~0.75，一致性一般；Kappa < 0.4，一致性较差。P < 0.05为差异具有统计学意义。
2. 结果
2.1 客观图像质量
客观评价结果如表1所示。能谱CTA在足背动脉和足底内侧动脉上的SNR显著高于传统CTA。能谱CTA在两个足部动脉上的CNR分别显著高于传统CTA。
表 1 两组CTA图像质量客观评估Table 1. Comparison of objective image quality scores between the two CTA groups组别 项目 传统CTA 双能CTA 统计检验 Z P SNR 胫后动脉 6.66±3.00 10.05±6.40 −3.279 0.001 足背动脉 4.57±2.99 7.37±3.12 −3.748 < 0.001 足底动脉 6.20±3.25 8.60±4.51 −3.416 0.001 CNR 胫后动脉 16.63±4.72 23.72±9.53 −4.008 < 0.001 足背动脉 12.67±6.45 20.50±7.89 −4.012 < 0.001 足底动脉 13.73±4.78 22.75±9.13 −4.349 < 0.001 因此，对于足部动脉的图像质量而言，能谱CTA优于传统CTA。
2.2 主观图像质量
两组的主观图像质量评分汇总如表2。能谱CTA的胫后动脉和足部动脉的主观评分高于传统CTA，而传统CTA的足背动脉和足底内侧动脉的主观评分均低于3分，即相应的图像质量无法满足诊断要求。医生对图像质量的评价高度一致，如表2所列（Kappa > 0.80），表明能谱CTA的主观图像质量优于传统CTA。
表 2 主观图像评分Table 2. Comparison of subjective image quality scores between the two groups血管走形与对比剂显示 传统CTA 能谱CTA P Score（mean±SD） Kappa value Score（mean±SD） Kappa value 胫后动脉 3.45±0.72 0.80 4.00±0.84 0.88 0.001 足背动脉 2.14±0.89 0.88 3.23±1.05 0.86 0.001 足底动脉 2.33±0.85 0.88 3.23±1.20 0.87 0.001 图1显示两种不同成像方式对足部血管的显示，其中能谱CTA组对足部侧支循环的成像效果更清楚。此外，从MIP图上来看，CTA的MIP图像显示的动脉比较模糊，但能谱CTA的MIP图像上显示的动脉清晰度和对比度分辨率明显更优。
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图 1 同一患者的传统CTA（a）和（c）与能谱CTA（b）和（d）的足部血管图像质量对比注：如红色箭头所示，（b）能谱CTA（60 keV VMI）在VR和MIP中对足部小血管的显示更加清晰，（d）MIP视图下，足背和足底血管尤为明显。Figure 1. Comparison of foot vascular image quality between conventional CTA (a) and (c) and dual-energy CTA (b) and (d) of the same patient3. 讨论
全球范围内目前预估有5.37亿人患有糖尿病，到2045年将有7.83亿人受到影响[19] 。糖尿病患者的动脉疾病特点是多节段和双侧病变，通常是长节段胫动脉闭塞，累及下肢末梢动脉，表现为膝下动脉闭塞性疾病症状[20-22]。糖尿病足部并发症包括溃疡、坏疽和截肢，甚至死亡的风险，考虑到这些，更需要重点关注。
下肢动脉影像学检查包括：数字减影血管造影术（digital subtraction angiography，DSA）、磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）和CTA。DSA已被用作诊断下肢动脉的“金标准”[23]。然而，由于血管直径小，DSA在显示足部末梢血管分支方面存在局限性[24]。MRI有许多禁忌症，检查时间长导致患者无法忍受并且容易出现运动伪影。
因此在本研究中，使用两组患者评估下肢动脉，一组使用CTA，另一组使用双能CT，证明了双能CT观察远端足动脉细小分支的可行性。VMI的足部血管造影CNR、SNR和主观质量评分均高于传统CTA。此外，双能CT对跖底动脉显示效果极佳。
目前的结果表明，双能CT是观察远端小血管最佳的解决方案。由于足部动脉的个体差异可能很大，因此在解释当前结果时必须考虑不确定性。在这项研究中，CTA和双能CT扫描是在同一患者进行数据采集，且两种扫描方式的采集间隔时间切换极快并最大程度保持扫描的一致性。
临床上通过触诊检查足脉搏仍然是一种有用的临床方法[24]。本研究检索了患者的临床信息，包括临床检查者对足背动脉脉搏的触诊结果（n=11），其中左足背动脉脉搏消失8例，右足背动脉脉搏消失7例。CTA未显示左足背动脉3例，右足背动脉3例；DECT均能显示并测得左足背动脉和右足背动脉。因此，双能CT可作为临床足背动脉搏动的辅助检查。
本研究的局限性。①未评估腹髂段和股腘段的CTA，腹髂段和股腘段病变可能影响足动脉造影；②鉴于糖尿病患者对比剂诱发肾病风险增加，减少对比剂剂量的双能CT性能仍然是值得进一步探索的课题；③此研究未与其它成像手段进行对比，未对足动脉进行阻塞程度的诊断。
总之，本研究结果证实能谱CT相比于普通CTA提供了优级图像质量并提高了下肢远端及足动脉造像的诊断性能。对于下肢以外的小血管和造影剂减少的区域，能谱CT通常是一种有利的成像解决方案。
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图 1 同一患者的传统CTA（a）和（c）与能谱CTA（b）和（d）的足部血管图像质量对比
注：如红色箭头所示，（b）能谱CTA（60 keV VMI）在VR和MIP中对足部小血管的显示更加清晰，（d）MIP视图下，足背和足底血管尤为明显。
Figure 1. Comparison of foot vascular image quality between conventional CTA (a) and (c) and dual-energy CTA (b) and (d) of the same patient
表 1 两组CTA图像质量客观评估
Table 1 Comparison of objective image quality scores between the two CTA groups
组别 项目 传统CTA 双能CTA 统计检验 Z P SNR 胫后动脉 6.66±3.00 10.05±6.40 −3.279 0.001 足背动脉 4.57±2.99 7.37±3.12 −3.748 < 0.001 足底动脉 6.20±3.25 8.60±4.51 −3.416 0.001 CNR 胫后动脉 16.63±4.72 23.72±9.53 −4.008 < 0.001 足背动脉 12.67±6.45 20.50±7.89 −4.012 < 0.001 足底动脉 13.73±4.78 22.75±9.13 −4.349 < 0.001 
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表 2 主观图像评分
Table 2 Comparison of subjective image quality scores between the two groups
血管走形与对比剂显示 传统CTA 能谱CTA P Score（mean±SD） Kappa value Score（mean±SD） Kappa value 胫后动脉 3.45±0.72 0.80 4.00±0.84 0.88 0.001 足背动脉 2.14±0.89 0.88 3.23±1.05 0.86 0.001 足底动脉 2.33±0.85 0.88 3.23±1.20 0.87 0.001
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