張文佳,張璋,李東,于鐵鏈
診斷技術
高清和能譜掃描對冠狀動脈支架成像準確性的體模研究
張文佳,張璋△,李東,于鐵鏈
目的 通過動態(tài)心臟和冠狀動脈體模,評價高清掃描(HD)和能譜成像(GSI)對冠狀動脈支架內徑的顯示能力。方法 將5支不同規(guī)格的冠狀動脈支架置于心臟動態(tài)體模(心率設定為60次/min)制成冠狀動脈支架模型。分別進行HD、GSI和標準(S)掃描3種冠狀動脈CT造影(CCTA)掃描方式。數(shù)據(jù)傳輸至AW工作站,分別對HD圖像、60~140 keV的9組單能量圖像和S圖像進行后處理和指標測量,包括信噪比(SNR)、對比噪聲比(CNR)、支架內徑顯示值和顯示率。比較3種掃描模式的差別和一致性。結果 3種掃描模式的SNR值存在差別(P<0.05),而CNR值的差別則無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。HD的支架內徑顯示率(0.85±0.06)明顯高于其他2種掃描模式(GSI為0.40±0.16、0.48±0.13、0.50±0.14、0.51±0.13、0.45±0.05、0.52±0.13、0.53±0.13、0.53±0.13、0.53±0.13,S為0.53±0.14,均P<0.05)。HD掃描模式的內徑最接近支架實際的內徑。結論 心率60次/min時,3種掃描模式客觀評價圖像質量無明顯差別;HD模式對于支架的內徑顯示率明顯高于GSI和S模式,其結果與支架實際內徑之間具有更好的一致性。
支架;CT冠狀動脈造影;高清掃描;能譜成像;暈染效應;線束硬化偽影
經(jīng)皮冠狀動脈介入術(PCI)是治療冠狀動脈狹窄的重要方法,可改善患者的臨床癥狀及冠狀動脈的血液動力學,但術后再狹窄率是影響PCI遠期預后的嚴重問題,及時、準確地評價是否發(fā)生支架內再狹窄具有重要意義[1]。CT冠狀動脈造影(coronary CT angiography,CCTA)在冠狀動脈狹窄評價中的價值已得到證實,但在支架隨訪中仍存在一定的限制,如支架本身產(chǎn)生的金屬偽影、CCTA顯示的支架外觀形態(tài)與其本身存在的差異等。隨著CT技術的進步,高清成像(high definition,HD)的出現(xiàn)和應用可提高CCTA對冠狀動脈支架再狹窄的檢出能力,較標準CCTA(standard CCTA,S-CCTA)具有明顯優(yōu)勢[2]。能譜成像(gemstone spectral imaging,GSI)作為新一代成像技術,去除線束硬化偽影是其獨特之處。研究表明,于65~75 keV水平時,在減少輻射劑量的條件下進行掃描,仍能明顯提高圖像質量[3]。本研究擬通過心臟動態(tài)體模,比較HDCCTA和GSI-CCTA對冠狀動脈支架腔顯示能力的準確性,為兩者的臨床應用提供理論基礎。
1.1 材料 心臟動態(tài)體模(ALPHA 1-VT PC,F(xiàn)uyo公司,日本)由3部分組成,分為:動力部分、解剖結構模擬部分和控制部分。動力部分模擬人體左心室的搏動,包括3個運動時相:快速泵血期、快速充盈期、慢速充盈期,此外還有不同的心率及心率變化情況的仿真模擬。解剖結構由模擬的左心室和模擬的冠狀動脈組成,完全浸沒于水箱中,模擬心臟搏動時的生理環(huán)境,見圖1。選取5支不同內徑的冠狀動脈模型,管腔內放置支架,見表1。將其與心臟模型長軸平行的方向間隔均勻地掛置于心臟模型表面。所選冠狀動脈材料CT值與生理情況下的CT值相近。心腔內(約4 mg I/L)和支架腔內(約10 mg I/L)分別充滿不同稀釋濃度的對比劑??刂撇糠滞ㄟ^編程設定心臟體模的運動方式,模擬不同心率及心率變化的狀態(tài)。本研究設置的心率為60次/min。
Tab.1 The basic parameters of coronary stent表1 支架的基本信息 (mm)
1.2 CT掃描 采用寶石能譜CT掃描儀(Discovery CT 750 HD CT,USA)在Cardiac模式下分別對心臟動態(tài)體模及冠狀動脈支架進行HD-CCTA、GSI-CCTA和S-CCTA掃描。HD-CCTA和S-CCTA掃描參數(shù)為:管電壓120 kVp,600 mA,F(xiàn)OV 25.0 cm,層厚 0.625 mm,層間距 1.25 mm,螺距0.22∶1,球管轉速350 ms/rot,矩陣512×512;HD-CCTA采用細節(jié)重建算法;S-CCTA則采用標準重建算法。GSI-CCTA掃描參數(shù):管電壓瞬間切換80/120 kVp,管電流600 mA,F(xiàn)OV 25.0 cm,層厚0.625 mm,層間距1.25 mm,球管轉速350 ms/rot,采用標準算法后重建。上述掃描的padding值100 ms,重建R-R間期均為75%,準直器寬度0.625 mm,探測器總寬度40 mm。
1.3 圖像評價和指標測量 將圖像傳至GE AW46工作站。使用能譜圖像分析軟件(GSI-Viewer)分析GSI圖像,獲得60~140 keV(間隔10 keV)的9組單能量圖像。然后對S圖像、HD圖像及9種單能量GSI圖像進行多平面重組,窗寬1 000 HU,窗位150 HU,在距支架頂端3、7、11 mm處的支架軸位層面上分別進行評價和測量,取三者平均值。
1.3.1 圖像質量的評估 分別通過感興趣區(qū)(region of inter?est,ROI)法測量支架腔內、心腔內的CT值及背景噪聲(N,背景CT值的方差),并計算信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)和對比噪聲比(contrast-to-noise ratio,CNR)。支架腔內ROI的勾畫在支架腔中心,約占其顯示面積的60%,避開支架的影響。心腔內和背景的ROI勾畫則為面積1 cm2的圓形。SNR=CT支架腔/N。CNR=(CT支架腔-CT心腔)/N。
1.3.2 支架顯示的評估 測量支架內徑的顯示值,并計算內徑顯示率。內徑顯示率=內徑測量值/內徑實際值×100%
1.4 統(tǒng)計學方法 采用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)分析。計量資料以均值±標準差(±s)表示。采用單因素方差分析比較HD-CCTA、S-CCTA及9組能量GSI-CCTA的SNR、CNR、支架內徑顯示值和顯示率,多重比較采用Tukey檢驗。使用Bland-Altman比較不同掃描模式內徑測量值與內徑實際值間的一致性。P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。
心率60次/min時,5只冠脈支架的HD-CCTA、S-CCTA和GSI-CCTA圖像均良好,無錯層偽影,均可進行相關數(shù)據(jù)測量。
2.1 圖像質量的評估 GSI模式顯示5支冠狀動脈支架的SNR值在60~80 keV之間,70~110 keV之間,80~140 keV區(qū)間與S之間,90~140 keV之間、S與HD之間差異均無統(tǒng)計學意義(P>0.05),其余組間差異有統(tǒng)計學意義(P<0.05)。CNR值在60~140 keV區(qū)間、HD、S之間的差異均無統(tǒng)計學意義(P>0.05),見表2、圖2。
2.2 支架內徑顯示的評估 GSI 60~140 keV的9種單能量圖像對支架內徑的顯示值和顯示率差異均無統(tǒng)計學意義(P>0.05),HD掃描模式的支架內徑顯示值及顯示率均明顯高于GSI和S掃描模式(均P<0.05),而GSI與S掃描模式間差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05),見表2、圖2。Bland-Altman分析顯示HD圖像的內徑測量值與實際值間的平均差異為-0.69±0.48,S圖像的內徑測量值與實際值間的平均差異為-1.42±0.54。因140 keV時支架內徑顯示值最優(yōu),且與其他keV水平的內徑顯示率差異無統(tǒng)計學意義,因此選用140 keV的圖像與HD、S作比較。GSI圖像的內徑測量值與實際值間的平均差異為-1.41±0.76??梢奌D圖像的內徑測量值與實際值間的一致性高于GSI掃描模式,見圖3。
Tab.2 Comparison of SNR,CNR,inner diameter,visible diameter ratio and CT value of in-stent among images acquired by different scan systems at 60 bpm of heart rate表2 60次/min HD、S、GSI(60~140 keV)的SNR值、CNR值、內徑顯示值、內徑顯示率、支架腔內CT值的比較(±s,n=5)
Tab.2 Comparison of SNR,CNR,inner diameter,visible diameter ratio and CT value of in-stent among images acquired by different scan systems at 60 bpm of heart rate表2 60次/min HD、S、GSI(60~140 keV)的SNR值、CNR值、內徑顯示值、內徑顯示率、支架腔內CT值的比較(±s,n=5)
*P<0.05,**P<0.01;a與HD模式比較,b與S模式比較,c與GSI-60 keV模式比較,d與GSI-70 keV模式比較,P<0.05
3種掃描模式及重建HD S GSI-60 keV GSI-70 keV GSI-80 keV GSI-90 keV GSI-100 keV GSI-110 keV GSI-120 keV GSI-130 keV GSI-140 keV F SNR 4.15±0.90 11.98±3.32 33.89±14.34ab30.67±12.26ab24.56±9.40a18.72±7.08c16.76±6.25c14.93±5.51c13.28±4.83cd11.93±4.31cd10.72±3.83cd6.996**CNR 3.95±1.48 5.20±3.84 19.95±13.26 14.75±11.17 12.82±10.41 10.58±8.23 10.11±6.87 9.58±5.65 9.01±4.61 8.53±4.55 8.05±3.91 1.702內徑顯示值(mm)2.69±0.63 1.70±0.80a1.32±0.78a1.52±0.72a1.61±0.78a1.63±0.73a1.64±0.77a1.65±0.71a1.65±0.65a1.67±0.70a1.67±0.79a3.577*內徑顯示率0.85±0.06 0.53±0.14a0.40±0.16a0.48±0.13a0.50±0.14a0.51±0.13a0.45±0.05a0.52±0.13a0.53±0.13a0.53±0.13a0.53±0.13a10.868**支架腔內CT值(HU)386.96±84.09 462.52±128.24 915.12±387.29 506.10±202.27 388.00±148.47 310.80±117.51 254.70±95.04 215.04±79.32 187.24±68.11 165.80±59.84 149.00±53.22 —
Fig.2 The stent long and short axial images of GSI 60-140 keV,S and HD scan systems圖2 GSI 60~140 keV、S、HD支架的長軸及軸位重建CT圖像
Fig.3 Comparision of the inner diameter of displayed stent using defferent scan systems圖3 不同掃描方式測量值與支架實際值之間的比較
3.1 HD和GSI掃描支架模式的先進性 CCTA評估冠狀動脈支架的主要限制在于其空間分辨率不足和金屬支架的偽影,導致其內徑顯示不佳,影響診斷準確性。HD在高清晰成像方面取得了很大的進展,空間分辨率達到0.23 mm,較傳統(tǒng)CT提高了30%[4]。GSI可瞬間完成80/140 kVp管電壓的轉換,同時、同源、同向是其獨到之處。通過一次掃描,利用這種瞬時切換高低能量的技術特點,可計算得到60~140 keV的不同管電壓的單能量GSI圖像。這些單能量圖像,尤其是高keV圖像間接提高了X線的穿透力,可減少線束硬化偽影的影響,從而提高診斷準確性。
3.2 HD、GSI、S掃描模式評價支架圖像SNR、CNR及內徑顯示率 HD的SNR值低于GSI和S。然而,CNR值在HD、GSI不同keV水平及S模式間并無明顯差異。雖然HD模式由于提高了空間分辨率,造成SNR值降低,但并沒有明顯降低圖像的CNR值,然而對內徑顯示情況的比較則表明,在心率60次/min時,HD對于支架的內徑顯示率(0.85)明顯高于S模式(0.53),說明提高空間分辨率對于支架內腔的顯示十分有利。Tanami等[2]通過冠狀動脈支架體模對HDCT與標準CT進行比較,結果顯示HD支架內徑顯示率較S模式提高了13.3%~14.7%,而本研究中顯示率提高得更為明顯(約32%)。
3.3 HD掃描模式可減低暈染效應提高診斷準確性 支架為金屬物質,其CT值明顯高于周圍結構(混有對比劑的血液、脂肪、心肌等),由高衰減結構體素向低衰減結構體素增加發(fā)散作用而產(chǎn)生的暈染效應(blooming effect)是影響CCTA評價冠狀動脈支架準確性的重要因素,使得在實際診斷中低估了支架內腔的直徑,從而高估了支架的厚度,這樣大大降低了支架內徑的顯示率[5]。這一問題已成為影響冠脈支架成像因素的重要討論點[6]。HD模式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有高采樣率,與高分辨球管通過偏斜聚焦點改變采樣的方式,并采用高分辨重建算法,明顯提高了CCTA的空間分辨率,降低暈染效應的影響,從而提高了CCTA對支架內徑的顯示能力。Pon?tone等[7]對冠心病高危人群的研究發(fā)現(xiàn),HD掃描能夠較S掃描提高CCTA對冠狀動脈斑塊檢查的陽性預測值和診斷的準確性,也證明了HD掃描的優(yōu)勢。
3.4 HD與GSI支架內徑顯示準確性的對比 HD與GSI的比較研究發(fā)現(xiàn),HD模式對于冠狀動脈支架細節(jié)的顯示仍然有其不可替代的優(yōu)勢。GSI模式的內徑顯示率為0.40~0.53,明顯低于HD,且較S模式也沒有明顯改善。另外,Bland-Altman分析也表明HD的內徑顯示值最接近于支架實際內徑值。Halpern等[8]也認為GSI模式對觀察冠狀動脈支架內腔情況無明顯優(yōu)勢,與本研究結果一致。先前關于GSI的研究主要集中于圖像質量[3],而忽略了其對冠狀動脈及支架內徑的顯示能力。冠狀動脈支架產(chǎn)生的金屬偽影包括線束硬化偽影和暈染效應,但前者對冠狀動脈支架評估的影響遠遠低于后者。此前研究證實GSI掃描模式能夠有效去除金屬產(chǎn)生的線束硬化偽影[9]。本研究發(fā)現(xiàn)GSI對支架產(chǎn)生的暈染效應,作用甚微。
雖然模擬冠狀動脈與人體冠狀動脈的密度、走行及運動方式存在一定差異,但支架的結構是一致的,且本研究對體模設置了60次/min的心率搏動條件,模擬臨床常規(guī)情況下CCTA檢查時患者的心率,與活體評價冠狀動脈支架的狀態(tài)更為接近,結果更貼近臨床實際情況。
(圖1見插頁)
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(2014-11-27收稿 2015-01-15修回)
(本文編輯 李鵬)
Evaluation of coronary stent by gemstone spectral imaging or high-definition scan:a phantom study
ZHANG Wenjia,ZHANG Zhang△,LI Dong,YU Tielian
Department of Radiology,Tianjin Medical University General Hospital,Tianjin 300052,China
△Corresponding Author E-mail:filea1249@sina.com
Objective To compare the displayed inner diameter of coronary stent by high definition(HD)and gem?stone spectral imaging(GSI)using dynamic cardiac and coronary artery phantom.Methods Five different types of coro?nary stents(internal diameter,3.10 mm±0.55 mm;strut thickness,0.12 mm±0.04 mm)were placed into a pulsating cardiac phantom(ALPHA 1-VT PC,F(xiàn)uyo Corporation,Japan).The stent phantom was scanned by 3 systems,gemstone spectral im?aging(GSI),spiral scan(S)and HD.All the spectral imaging data were analyzed using GSI viewer to reconstruct the VMS (monochromic spectral)images(60-140 keV).Image noise(N),signal-to-noise ratio(SNR),contrast-to-noise ratio(CNR)and inner diameter were compared between images acquired through these 3 systems.Results SNRs in images of S and HD were higher than that of GSI(P<0.05),while there were no significant differences in CNRs among images of GSI,S and HD(P>0.05).The visible diameter(%)measurements of HD(0.85±0.06)was significant higher than that of the other 2 scan systems and most close to the width of those stent's actual size.(GSI:0.40±0.16,0.48±0.13,0.50±0.14,0.51±0.13,0.45±0.05,0.52±0.13,0.53±0.13,0.53±0.13,0.53±0.13,S:0.53±0.14,P<0.05).Conclusion There was no significant dif?ferences in image quality among the images acquired by these 3 systems when the heart rate was set to 60 beats per min.Comparing to GSI and S,HD can produce best represent images to the known inner diameter of coronary stent.
stents;coronary computed tomography angiography;HDCT;gemstone spectral imaging;blooming effect;beam-hardening
R816.2
A
10.11958/j.issn.0253-9896.2015.04.017
國家臨床重點??平ㄔO項目;國家自然科學基金資助項目(項目編號:81301217)
天津醫(yī)科大學總醫(yī)院放射科(郵編300052)
張文佳(1989),女,碩士在讀,主要從事心胸疾病CT診斷方面研究
△E-mail:filea1249@sina.com