自由心率、個(gè)性化掃描和碘對(duì)比劑注射的前瞻性冠狀動(dòng)脈計(jì)算機(jī)體層攝影血管造影中迭代算法對(duì)于圖像質(zhì)量的影響

金 倞 高軼奕 孫英麗 高 盼 趙 偉 張淥愷 姜安琪 李 銘

因冠狀動(dòng)脈CTA(coronary computed tomography angiography，CCTA)具有高分辨率和低假陰性率[1-2]的特點(diǎn)而被作為冠狀動(dòng)脈疾病篩查的主要檢查方式，已被廣泛應(yīng)用于臨床[3-4]。CCTA檢查包括掃描、對(duì)比劑注射、圖像后處理重建等步驟。減少CT掃描的輻射劑量是臨床醫(yī)師關(guān)注的重點(diǎn)[5]，如大螺距掃描技術(shù)的運(yùn)用[5]。目前，多數(shù)研究關(guān)注輻射劑量，僅少數(shù)研究探討在減少輻射劑量的同時(shí)優(yōu)化對(duì)比劑的使用方案[6-8]。關(guān)于CCTA檢查中對(duì)比劑的低注射速率鮮見(jiàn)報(bào)道，而國(guó)際上對(duì)對(duì)比劑使用的關(guān)注與日俱增[9]。關(guān)于迭代算法，很多研究[5,10]僅報(bào)道了單一的正弦圖確定迭代重建(sinogram affirmed iterative reconstruction，SAFIRE)或高級(jí)建模迭代重建(advanced modeled iterative reconstruction，ADMIRE)在臨床的運(yùn)用。關(guān)于SAFIRE與ADMIRE之間的直接比較少見(jiàn)，原因可能為來(lái)源于一臺(tái)CT掃描儀掃描產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)只能使用其配備的SAFIRE或ADMIRE迭代算法進(jìn)行后重建，不同CT掃描儀間的原始數(shù)據(jù)并不兼容。本研究通過(guò)評(píng)估并比較SAFIRE和ADMIRE兩代迭代算法的功效，探索結(jié)合自由心率、個(gè)性化的掃描參數(shù)和碘對(duì)比劑注射方案，以期為臨床醫(yī)師提供迭代算法全面性的效能分析和應(yīng)用建議，提高對(duì)比劑的使用效率和降低對(duì)比劑的注射速率。

1 對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象 選擇2017年8月—2018年1月在復(fù)旦大學(xué)附屬華東醫(yī)院連續(xù)入組因疑診為冠心病行CCTA檢查的患者50例，男28例、女22例；年齡范圍35～90歲，年齡為(63.98±10.99)歲；BMI范圍18～32 kg/m2，BMI為(24.37±2.69) kg/m2。按患者入組時(shí)的順序，序號(hào)為1至30號(hào)的患者應(yīng)用第2代雙源CT掃描前瞻性心電觸發(fā)序列掃描模式進(jìn)行檢查(Flash組)，序號(hào)為31至50號(hào)的患者應(yīng)用第3代雙源CT掃描前瞻性心電觸發(fā)序列掃描模式進(jìn)行檢查(Force組)。排除標(biāo)準(zhǔn)：①對(duì)碘對(duì)比劑過(guò)敏；②嚴(yán)重肝、腎功能不全；③失代償性心功能不全；④檢查前曾使用藥物控制心率；⑤心律失常、心律不齊、支架植入術(shù)后或冠狀動(dòng)脈旁路移植術(shù)后，以及不能配合屏氣。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會(huì)審核和批準(zhǔn)(批準(zhǔn)號(hào)為2019K005)，所有患者均簽署知情同意書(shū)。

1.2 方法 掃描前對(duì)所有患者進(jìn)行嚴(yán)格的屏氣訓(xùn)練。Flash組應(yīng)用第2代雙源CT掃描儀(型號(hào)為Somatom Definition Flash，德國(guó)西門(mén)子醫(yī)療系統(tǒng)有限公司)檢查，準(zhǔn)直器2.0 mm×64.0 mm×0.6 mm，機(jī)架轉(zhuǎn)速0.28 s/rot。Force組應(yīng)用第3代雙源CT掃描儀(型號(hào)為Somatom Force，德國(guó)西門(mén)子醫(yī)療系統(tǒng)有限公司)檢查，準(zhǔn)直器2.0 mm×96.0 mm×0.6 mm，機(jī)架轉(zhuǎn)速0.25 s/rot。掃描范圍均為由頭部至足部方向覆蓋整個(gè)心臟。采用前瞻性心電觸發(fā)序列掃描模式，設(shè)置管電流和管電壓，運(yùn)用全自動(dòng)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)射線(xiàn)劑量調(diào)控技術(shù)[CARE Dose(4D)技術(shù)，參考管電流為320 mA(CARE Dose 4D自動(dòng)調(diào)節(jié)管電流的參考基準(zhǔn)值)]、實(shí)時(shí)心電脈沖(ECG-pulsing)技術(shù)，全劑量曝光的范圍為35%～80% R-R間期；運(yùn)用對(duì)比劑示蹤技術(shù)，觸發(fā)閾值為80 Hu，延遲7 s。應(yīng)用Ulrich插瓶式高壓注射器注射碘對(duì)比劑370 mgI/mL(即對(duì)比劑含碘量為370 mg/mL)。

1.2.1 管電流和管電壓參數(shù)設(shè)置 當(dāng)BMI≤20.0 kg/m2時(shí)，管電壓為70 kV，運(yùn)用CARE Dose(4D)技術(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)管電流；當(dāng)BMI為>20.0～25.0 kg/m2時(shí)，管電壓為80 kV，運(yùn)用CARE Dose(4D)技術(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)管電流；當(dāng)BMI為>25.0～27.5 kg/m2時(shí)，管電壓為100 kV，管電流為250 mA；當(dāng)BMI為>27.5～30.0 kg/m2時(shí)，管電壓為100 kV，管電流為280 mA；當(dāng)BMI>30.0 kg/m2時(shí)，管電壓為120 kV，管電流為300 mA。

1.2.2 對(duì)比劑注射方案 體表面積(BSA)<1.70 m2，注射碘對(duì)比劑40 mL，0.9%氯化鈉溶液50 mL，注射速率3.5 mL/s；BSA為1.70～<1.80 m2，碘對(duì)比劑45 mL，0.9%氯化鈉溶液50 mL，注射速率3.5 mL/s；BSA為1.80～<1.95 m2，碘對(duì)比劑55 mL，0.9%氯化鈉溶液40 mL，注射速率4.0 mL/s；BSA為1.95～<2.15 m2，碘對(duì)比劑60 mL，0.9%氯化鈉溶液35 mL，注射速率4.5 mL/s；BSA為2.15～<2.50 m2，碘對(duì)比劑70 mL，0.9%氯化鈉溶液20 mL，注射速率5.0 mL/s；BSA≥2.50 m2，碘對(duì)比劑90 mL，0.9%氯化鈉溶液20 mL，注射速率5.0 mL/s。

1.3 圖像重建 所有圖像重建層厚度均為0.75 mm，選擇冠狀動(dòng)脈顯示最佳期相(收縮末期或舒張末期)進(jìn)行重建。Flash組圖像的重建方式為濾波反投影算法[filtered back projection，F(xiàn)BP(Flash-FBP)]、SAFIRE的迭代強(qiáng)度3算法(SAFIRE-3)和SAFIRE的迭代強(qiáng)度5算法(SAFIRE-5)，F(xiàn)orce組圖像的重建方式為濾波反投影算法(Force-FBP)、ADMIRE的迭代強(qiáng)度3算法(ADMIRE-3)和ADMIRE的迭代強(qiáng)度5算法(ADMIRE-5)，將所有重建后的圖像傳輸至后處理工作站進(jìn)行分析。

1.4 圖像客觀評(píng)價(jià) 分別測(cè)量主動(dòng)脈根部(aortic root，AO)、左前降支近端(proximal left anterior descending，LAD-P)、左前降支遠(yuǎn)端(distal left anterior descending，LAD-D)、左回旋支近端(proximal left circumflex，LCX-P)、左回旋支遠(yuǎn)端(distal left circumflex，LCX-D)、右冠狀動(dòng)脈近端(proximal right coronary artery，RCA-P)、右冠狀動(dòng)脈遠(yuǎn)端(distal right coronary artery，RCA-D)的管腔，以及鄰近血管周?chē)M織的CT值和標(biāo)準(zhǔn)差，以AO CT值的標(biāo)準(zhǔn)差作為圖像噪聲值。設(shè)置AO的感興趣區(qū)域(region of interest，ROI)大小為90 mm2，設(shè)置其余部位的ROI為1 mm2；信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)為ROI CT值與圖像噪聲值的比值，對(duì)比度噪聲比(contrast noise ratio，CNR)為ROI CT值與鄰近血管周?chē)M織CT值的差值/鄰近血管周?chē)M織的標(biāo)準(zhǔn)差。記錄兩種CT掃描各圖像重建方式的AO CT值、圖像噪聲、SNR-AO、CNR-AO，以及冠狀動(dòng)脈各節(jié)段的CNR(CNR-LAD-P、CNR-LAD-D、CNR-LCX-P、CNR-LCX-D、CNR-RCA-P、CNR-RCA-D)。

1.5 圖像主觀評(píng)價(jià) 由1名具有8年和1名具有15年以上臨床診斷經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)師進(jìn)行雙盲評(píng)分，采用美國(guó)心臟學(xué)會(huì)15段分段標(biāo)準(zhǔn)(不包括中間支)隨機(jī)評(píng)分(50例患者，每1例冠狀動(dòng)脈有15個(gè)分段，共750個(gè)節(jié)段)，按照Likert 5分制的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)每1個(gè)冠狀動(dòng)脈節(jié)段進(jìn)行評(píng)分：1分為極差，血管輪廓分辨不清，無(wú)法進(jìn)行診斷；2分為差，血管輪廓大部分顯示不清，無(wú)法用于診斷；3分為良，血管輪廓可以分辨，能夠用于診斷，但準(zhǔn)確性可能受影響；4分為好，大部分血管輪廓邊界清楚，僅有少量偽影，基本不影響診斷；5分為極好，血管邊界清楚，無(wú)偽影，對(duì)診斷無(wú)影響。評(píng)分≥3分的圖像的質(zhì)量可滿(mǎn)足診斷所需。

1.6 輻射劑量 應(yīng)用CT掃描儀統(tǒng)計(jì)CCTA掃描的輻射劑量，以CT容積劑量指數(shù)(CTDIvol)表示。

2 結(jié) 果

2.1 Flash組和Force組患者基本資料、對(duì)比劑使用情況和輻射劑量比較 所有患者均順利完成CCTA檢查，圖像質(zhì)量均滿(mǎn)足診斷要求。Flash組的BSA顯著大于Force組(P<0.01)，心率顯著低于Flash組(P<0.01)，比劑注射速率顯著高于Force組(P<0.01)，對(duì)比劑劑量顯著多于Force組(P<0.01)；兩組間患者BMI和CTDIvol的差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P值均>0.05)。見(jiàn)表1。

表1 Flash組和Force組患者基本資料、對(duì)比劑使用情況和輻射劑量比較

2.2 兩組各重建處理方式的圖像客觀和主觀評(píng)價(jià)結(jié)果比較 kappa檢驗(yàn)結(jié)果顯示，兩位醫(yī)師評(píng)定結(jié)果的一致性良好(kappa值為0.86)，本研究選用具有15年以上臨床診斷經(jīng)驗(yàn)的放射科醫(yī)師的評(píng)分結(jié)果。

Flash-FBP和SAFIRE-3的圖像噪聲均顯著高于SAFIRE-5(P值均<0.05)，SNR-AO、CNR-AO、CNR-LAD-P、CNR-LAD-D、CNR-LCX-P、CNR-LCX-D、CNR-RCA-P、CNR-RCA-D和主觀評(píng)分均顯著低于SAFIRE-5(P值分別<0.05、0.01)；Flash-FBP主觀評(píng)分顯著低于SAFIRE-3(P<0.05)，F(xiàn)lash-FBP與SAFIRE-3間圖像噪聲、SNR-AO、CNR-AO、CNR-LAD-P、CNR-LAD-D、CNR-LCX-P、CNR-LCX-D、CNR-RCA-P、CNR-RCA-D的差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P值均>0.05)。Flash組3種重建方式的圖像中AO CT值的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P值均>0.05)。見(jiàn)表2。

Force-FBP和ADMIRE-3的圖像噪聲均顯著高于ADMIRE-5(P值均<0.01)，SNR-AO、CNR-AO、CNR-LAD-P、CNR-LAD-D、CNR-LCX-P、CNR-LCX-D、CNR-RCA-P、CNR-RCA-D均顯著低于ADMIRE-5(P值均<0.01)；Force-FBP的圖像噪聲顯著高于ADMIRE-3(P<0.01)，SNR-AO顯著低于ADMIRE-3(P<0.01)；Force-FBP與ADMIRE-3間CNR-AO、CNR-LAD-P、CNR-LAD-D、CNR-LCX-P、CNR-LCX-D、CNR-RCA-P、CNR-RCA-D的差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P值均>0.05)。Force-FBP和ADMIRE-5主觀評(píng)分均顯著低于ADMIRE-3(P值分別<0.01、0.05)，F(xiàn)orce-FBP主觀評(píng)分顯著低于ADMIRE-5(P<0.01)。Force組3種重建方式的圖像中AO CT值的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P值均>0.05)。見(jiàn)表2。

表2 兩種CT掃描儀不同重建方式的圖像客觀和主觀評(píng)價(jià)結(jié)果

3 討 論

已有學(xué)者對(duì)SAFIRE和ADMIRE迭代重建進(jìn)行了詳細(xì)的研究[5,10]。Gordic等[5]的研究評(píng)價(jià)了ADMIRE迭代重建(強(qiáng)度1至5)的功效。最新的研究[10]闡明了ADMIRE-3對(duì)射線(xiàn)束硬化偽影的影響。

在前期研究的基礎(chǔ)上，本研究使用兩種CT掃描儀對(duì)各自的迭代算法進(jìn)行組間圖像質(zhì)量的評(píng)估；結(jié)果顯示，F(xiàn)lash組中，F(xiàn)lash-FBP和SAFIRE-3的圖像噪聲均顯著高于SAFIRE-5，SNR-AO、CNR-AO、CNR-LAD-P、CNR-LAD-D、CNR-LCX-P、CNR-LCX-D、CNR-RCA-P、CNR-RCA-D和主觀評(píng)分均顯著低于SAFIRE-5，表明各冠狀動(dòng)脈分段的客觀圖像質(zhì)量均有顯著改善。放射科醫(yī)師對(duì)Flash組中SAFIRE-5的主觀評(píng)分[(4.20±0.07)分]最高，也印證了其具有顯著的圖像質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)。

本研究結(jié)果顯示，F(xiàn)orce-FBP的圖像噪聲均顯著高于ADMIRE-3和ADMIRE-5，SNR-AO、CNR-AO、CNR-LAD-P、CNR-LAD-D、CNR-LCX-P、CNR-LCX-D、CNR-RCA-P、CNR-RCA-D均顯著低于ADMIRE-3和ADMIRE-5，表明各冠狀動(dòng)脈分段的客觀圖像質(zhì)量均有顯著改善。然而，F(xiàn)orce組中ADMIRE-3主觀評(píng)分[(4.50±0.12)分]最高，很好地印證了前期研究[10]在第3代雙源CT上推薦選用ADMIRE-3進(jìn)行評(píng)價(jià)的事實(shí)。由于ADMIRE-5的圖像蠟樣感明顯，噪聲濾過(guò)多，與放射科醫(yī)師日常閱片時(shí)所見(jiàn)的圖像存在較大差異。Gordic等[5]的研究結(jié)果表明，不推薦使用ADMIRE-5算法。通常也不推薦SAFIRE-5算法，但是對(duì)比圖像質(zhì)量無(wú)顯著改善的SAFIRE-3算法，只能推薦SAFIRE-5算法。

前瞻性心電門(mén)控的輻射劑量通常為2～4 mSv[11-12]，回顧性心電門(mén)控的輻射劑量通常為6.0～11.8 mSv[13]。第3代雙源CT掃描儀的時(shí)間分辨率由第2代的75 ms提升至66 ms，大螺距前瞻性心電掃描的廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了輻射劑量<1 mSv的CCTA檢查[8,14]，將CCTA檢查的輻射劑量降低約90%。雖然大螺距掃描在輻射劑量方面的貢獻(xiàn)優(yōu)于本研究使用的前瞻性心電門(mén)控，但是大螺距掃描對(duì)患者的心率要求較高，應(yīng)用第2代雙源CT掃描儀檢查時(shí)要求患者心率≤63次/min，第3代雙源CT掃描儀放寬至70次/min，心率>75次/min的可診斷率僅為14%[14]。因此，本研究采用成功率更高、適用人群更廣泛的前瞻性心電門(mén)控掃描技術(shù)，兩組患者心率分別為(83.74±13.31)和(95.22±11.42)次/min。

為了有效地提高對(duì)比劑的使用效率，減少其使用量，更好地保護(hù)患者的腎臟功能，本研究在前期研究的基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)了對(duì)比劑注射方案。Gordic等[5]研究中的碘對(duì)比劑劑量為60 mL(42～90 mL)，注射速率為5～6 mL/s。本研究結(jié)果顯示，F(xiàn)lash組和Force組對(duì)比劑注射速率分別為(3.90±0.44)、(3.63±0.22) mL/s，對(duì)比劑劑量分別為(50.50±8.65)、(45.00±6.28) mL，在保證了圖像診斷質(zhì)量的情況下較前期研究[5]結(jié)果有了很大的提升。

本研究尚存在以下不足：①樣本量不夠充足，導(dǎo)致入組時(shí)間段內(nèi)樣本總量間的BMI差異性較小，使得本研究結(jié)果的覆蓋范圍不夠全面；但從結(jié)果來(lái)看，即使未增加樣本量，SAFIRE-5和ADMIRE-3作為本研究推薦的迭代強(qiáng)度，改善圖像質(zhì)量的能力已得到論證。②未能探討不同強(qiáng)度迭代重建診斷冠狀動(dòng)脈狹窄的準(zhǔn)確性，有待后續(xù)的進(jìn)一步研究。③本研究仍存在進(jìn)一步優(yōu)化輻射劑量、減少碘對(duì)比劑注射總量和降低其注射速率的空間。

綜上所述，SAFIRE-5和ADMIRE-3的迭代性能優(yōu)越，不僅減少了圖像噪聲對(duì)圖像質(zhì)量的影響，且有較好的主觀評(píng)價(jià)性。本研究采用的注射方案，在實(shí)現(xiàn)保證圖像質(zhì)量的前提下，成功地提高了對(duì)比劑使用效率，降低了對(duì)比劑注射速率，可在臨床推廣應(yīng)用。