雙能量CT冠脈、心肌成像輻射劑量的優(yōu)化研究

潘存雪 肖虎 黨軍 張源 王曉睿 劉文亞

近年來冠狀動脈CT造影檢查（coronary computed tomography angiography，CCTA）量急劇上升，顯著增加了醫(yī)療檢查相關(guān)的人口輻射暴露及后續(xù)潛在的人群罹患癌癥風險，使得社會負擔大大增加。因此，在醫(yī)生及患者受益于疾病診斷的同時，X線輻射問題也成為了社會關(guān)注的熱點。2011年國際心血管協(xié)會關(guān)于“心血管CT檢查中的輻射劑量控制及優(yōu)化策略”的指導意見中指出，對于每一例心血管CT檢查都應該實施合理的輻射劑量控制及監(jiān)測[1]，因此合理降低輻射劑量是心臟CT檢查的重要前提。

雙能量CT掃描（dual energy coronary computed tomography angiography，DE-CCTA）是近年來興起的一種新型CT掃描技術(shù)，該技術(shù)除了能夠得到常規(guī)的冠脈CT解剖信息外，還能夠同時得到虛擬單能量圖像、能譜曲線、多種基物質(zhì)圖像及相應基物質(zhì)的定量濃度值和有效原子序數(shù)的信息，具有冠脈解剖結(jié)構(gòu)及心肌血供“一站式”評價的巨大潛力[2-6]，然而該掃描模式同時也存在高輻射劑量的缺點。本研究即希望通過降低球管曝光毫安，縮短曝光時間窗并結(jié)合迭代重建算法（iterative reconstruction，IR），探討DE-CCTA輻射劑量優(yōu)化的可行性。

資料與方法

一、一般資料

連續(xù)收集2016年2月至2016年8月于新疆醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院影像中心因為體檢或疑似冠心病行DE-CCTA檢查的68例患者資料，按照標準納入其中的40名患者，其中男性25人，女性15人，年齡38～80歲，平均年齡（56.9±10.61）歲。納入標準：因體檢或疑似冠心病行雙源CCTA檢查的患者，18≤體質(zhì)指數(shù)（body mass index，BMI）≤28，心率齊，且＜70次/min，檢查前均被詳細告知檢查的風險及收益情況，并簽署知情同意書自愿加入本研究的患者。排除標準為：（1）既往有冠脈腔內(nèi)成形術(shù)、冠脈支架置入術(shù)、冠脈搭橋術(shù)、心臟瓣膜置換術(shù)及起搏器、除顫器植入術(shù)等手術(shù)史；（2）有明確的心肌梗死、心肌炎、各種心肌病、瓣膜病、先心病、感染性心內(nèi)膜炎、各種肺動脈高壓等病史；（3）患有心律失?；蛐膭舆^速；（4）檢查前心臟多普勒超聲提示心功能異常者；（5）血清肌酐水平大于1.5 mg/dL；（6）已知的碘過敏；（7）懷孕的婦女；（8）明確確診惡性腫瘤病史。將納入的40例患者按照隨機數(shù)字表法隨機均等分為兩組。

二、圖像采集

采用西門子雙源CT（somatom definition Flash，Siemens）檢查設備。

（一）掃描前準備

掃描前檢查患者心率，必要時口服美托洛爾25～50 mg，使掃描時心率≤70次/min。掃描前用18 G套管針穿刺肘靜脈，連接心電門控，并對患者進行呼吸訓練等準備工作，呼吸訓練時，觀察患者心率和心律的變化情況，并囑咐患者練習在多次吸氣-憋氣過程中保持相同的吸氣幅度。

（二）對比劑注射

采用高壓注射器（德國Ulrich雙筒）自肘靜脈團注非離子碘對比劑（370 mgI/mL），對比劑用量（mL）=體重（kg）× 0.76 mL/kg，采用相同的對比劑注射時間（12 s），對比劑流率（mL/s）=對比劑用量（mL）/12 s，后同步跟進40 mL生理鹽水[7]。

（三）掃描模式

掃描范圍自氣管隆突下方2 cm至心膈面下方1 cm。運用造影劑團注跟蹤觸發(fā)技術(shù)啟動掃描，感興趣區(qū)（region of interest，ROI）放置在主動脈根部左冠脈開口水平層面，設置掃描觸發(fā)閾值130 HU。具體掃描參數(shù)如下：常規(guī)劑量組（A組）：雙球管曝光；設定X線管中A球管的管電壓為100 kV，管電流最大為165 mAs，X線管中B球管的管電壓為140 kV，管電流高限設為140 mAs；同時采用Caredose 4D管電流自動調(diào)節(jié)技術(shù)，結(jié)合回顧性心電門控、手動mini-dose技術(shù)，調(diào)節(jié)機器全劑量曝光時間窗為心動周期的30%～70%期相，其余期相采用20%劑量曝光；掃描層厚為0.6 mm，層間距0.5 mm。降劑量組（B組）：雙球管曝光；設定X線管中A球管的管電壓為100 kV，管電流最大為115 mAs，X線管中B球管的管電壓為140 kV，管電流高限設為98 mAs；同時采用Care-dose 4D管電流自動調(diào)節(jié)技術(shù)，結(jié)合回顧性心電門控、手動mini-dose技術(shù)，調(diào)節(jié)機器全劑量曝光時間窗為心動周期的35%～70%期相，其余期相采用4%劑量曝光；掃描層厚為0.6 mm，層間距0.5 mm。

三、圖像重建

檢查結(jié)束后，對圖像進行重建，具體重建方法如下：常規(guī)劑量組（A組）：采用標準重建技術(shù)——濾波反投影法（filtered back projection，F(xiàn)BP），重建卷積核定為B26f，重建層厚0.75 mm，間隔0.5 mm；降劑量組（B組）：采用正弦圖確認的迭代重建算法（sinogram affirmed iterative reconstruction，SAFIRE），迭代系數(shù)選擇3，重建卷積核定為I26f，重建層厚0.75 mm，間隔0.5 mm。

四、圖像分析

掃描結(jié)束將數(shù)據(jù)傳入Siemens SyngommmwpVE31后處理工作站（Siemens，德國）。由1名不知患者臨床資料及掃描條件的有經(jīng)驗的放射科醫(yī)師（從事冠脈CT診斷5年以上），對機器自動生成的融合混合能量圖像（50% 100 kV，50% 140 kV）的客觀評價指標進行測量，所有數(shù)據(jù)均測量3遍，取其平均值為最終數(shù)值；由2名不知患者臨床資料及掃描條件的有經(jīng)驗的放射科醫(yī)師（從事冠脈CT診斷5年以上）采用隨機雙盲法，獨立對圖像的質(zhì)量進行主觀評分，并取其平均值作為最終結(jié)果。

（一）血管客觀評價的參數(shù)定義及測量方法

選取在主動脈根部進行CT值的測量，ROI放在主動脈腔內(nèi)，ROI面積盡量大，并盡量避開血管邊緣；同時測量胸骨前方胸壁皮下脂肪組織的CT值，作為計算對比噪聲比(contrast to noise ratio，CNR)時的背景，ROI面積20 mm2。CT值的標準差定義為圖像噪聲。血管信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）=血管CT值/血管噪聲；血管對比噪聲比CNR= （血管CT值－脂肪CT值） /脂肪噪聲。

（二）冠脈主觀評分標準

將融合混合能量圖像（50% 100 kV，50%140 kV）導入Circulation軟件，并重建前降支的曲面重建（curved planar reconstruction，CPR）圖像。對CPR圖像進行多角度旋轉(zhuǎn)后，進行主觀評價，主觀評價采用5分法，具體標準如下：1分為無法診斷，圖像質(zhì)量差，嚴重的影像噪聲或?qū)Ρ炔怀浞侄鵁o法對冠脈進行相應的評估；2分為圖像質(zhì)量欠佳，但能夠診斷，影像噪聲或強化衰減較低而導致圖像質(zhì)量降低，但是足以排除顯著的狹窄；3分為圖像質(zhì)量一般，可見影像噪聲或低對比等，但是保留了對有無管腔狹窄以及鈣化和非鈣化冠脈粥樣硬化斑進行評估的能力；4分為圖像質(zhì)量良好，影像噪聲很小，對比良好，血管邊緣顯示清晰；5分為圖像質(zhì)量完美，影像噪聲非常小，對比非常清晰，血管邊關(guān)顯示清晰銳利。

（三）心肌客觀評價參數(shù)定義及測量方法

選取在四腔心層面進行心肌CT值的測量，ROI放在左心室壁外側(cè)壁心肌內(nèi)，ROI面積20 mm2，可根據(jù)室壁厚度選擇橢圓形或不規(guī)則形，并盡量遠離室壁肌肉的邊緣；同時測量胸骨前方胸壁皮下脂肪組織的CT值，作為計算對比噪聲比時的背景，ROI面積20 mm2。CT值的標準差定義為圖像噪聲，心肌SNR=心肌CT值/心肌噪聲，心肌CNR=（心肌CT值-心包脂肪CT值）/心包脂肪噪聲。

（四）心肌主觀評分標準

在機器自動生成的融合混合能量圖像（50%100 kV，50% 140 kV）直接進行主觀評分，采用5分法，具體標準如下：1分為不可評價，圖像因存在嚴重的噪聲、射線硬化偽影等而不能對心肌進行評價；2分為勉強評價，圖像存在較大噪聲及明顯的射線硬化偽影，但尚能夠診斷；3分為圖像質(zhì)量一般，心肌可見顆粒狀噪聲，并可見輕度射線硬化偽影；4分為圖像質(zhì)量良好，心肌噪聲及射線硬化偽影均不明顯；5分為圖像質(zhì)量完美，心肌顯示平滑，無顆粒，無偽影。

（五）輻射劑量指標

本研究統(tǒng)計的有關(guān)輻射劑量的各指標僅為CCTA成像時血管增強期的輻射劑量，不包括定位像和鈣化積分等的輻射劑量的各指標。記錄每位受檢者檢查時系統(tǒng)提供容積CT劑量指數(shù)（computed tomography dose index volume，CTDIvol，單位為mGy）值和劑量長度乘積值（dose length product，DLP，單位為mGy×cm），計算有效輻射劑量（effective radiation dose，ED），ED=DLP× 轉(zhuǎn)換系數(shù)k，k取值為0.014 m Sv.m Gy-1.cm-1。

五、統(tǒng)計方法

所有數(shù)據(jù)均用統(tǒng)計軟件包SPSS 22.0處理。計量資料如果符合正態(tài)分布則用（均數(shù)±標準差）表示，如果不符合正態(tài)分布，則用（中位數(shù)，范圍）表示。具體統(tǒng)計學方法如下：常規(guī)劑量組與降劑量組DE-CCTA患者的BMI、掃描時心率、掃描范圍、冠脈、心肌成像質(zhì)量各客觀測量值的比較，如果各組數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布，則采用兩個獨立樣本比較的t檢驗，若有比較組不符合正態(tài)分布，則采用兩個獨立樣本比較的Mann-WhitneyU秩和檢驗；常規(guī)劑量組與降劑量組DE-CCTA成像冠脈、心肌主觀評分的比較采用兩個獨立樣本比較的Mann-WhitneyU秩和檢驗。以上α均取0.05。冠脈及心肌主觀評分在不同醫(yī)師間的差異的分析采用采用一致性檢驗，Kappa值 ＞ 0.8，為相關(guān)性良好。

結(jié) 果

一、 一般結(jié)果

兩組間患者一般資料差異無統(tǒng)計學意義（P值均 ＜ 0.05）。具體見表 1。

表1 降劑量組/常規(guī)劑量組患者一般情況比較（± s ）

表1 降劑量組/常規(guī)劑量組患者一般情況比較（± s ）

心率（次/m i n）組別 例數(shù)B M I（k g/c m）掃描范圍（c m）常規(guī)劑量組A組 2 0 2 4.1 2 ± 1.6 4 5 9.1 5 ± 5.2 8 1 3 0.4 8 ± 7.5 1降劑量組 B 組 2 0 2 4.8 6 ± 1.8 0 5 7.0 0 ± 7.0 3 1 2 9.2 3 ± 1 5.8統(tǒng)計量 -1.3 6 8 1.0 9 3 -0.0 5 4 P值 0.1 7 9 0.2 8 1 0.9 6 8

二、降劑量組/常規(guī)劑量組輻射劑量比較

降劑量B組的容積CT劑量指數(shù)CTDIvol、劑量長度乘積DLP及有效輻射劑量ED均較常規(guī)劑量組A組降低，差異均有統(tǒng)計學意義（P＜ 0.01）。具體見表2。

表2 降劑量組/常規(guī)劑量組輻射劑量比較（± s ）

表2 降劑量組/常規(guī)劑量組輻射劑量比較（± s ）

組別 CTDIvol（mGy）DLP（mGy×cm）ED（mSv）常規(guī)劑量組A組 31.54 ± 4.43 477.50 ± 60.80 6.69 ± 0.85降劑量組 B 組 21.50 ± 4.76 333.95 ± 61.61 4.68 ± 0.86 t值 6.910 7.417 7.417 P值 0.000 0.000 0.000

三、降劑量組/常規(guī)劑量組冠脈成像質(zhì)量的比較

降劑量B組較常規(guī)劑量A組主動脈CNR升高，差異有統(tǒng)計學意義（P＜ 0.05），主動脈噪聲、SNR兩組差異無統(tǒng)計學意義（P值均 ＞ 0.05）。冠脈主觀評分不同醫(yī)師間評分具有較好一致性（Kappa值均 ＞ 0.8），降劑量B組及常規(guī)劑量A組前降支主觀評分差異無統(tǒng)計學意義（Z= -1.295，P= 0.195）。具體見表 3、表 4、圖 1。

表3 降劑量組/常規(guī)劑量組主動脈客觀測量指標比較（± s ）

表3 降劑量組/常規(guī)劑量組主動脈客觀測量指標比較（± s ）

主動脈SNR組別 主動脈噪聲（HU）主動脈CNR常規(guī)劑量組A組 18.59 ± 2.82 23.31 ± 4.75 43.66 ± 10.79降劑量組 B 組 16.93 ± 2.90 24.75 ± 4.24 54.79 ± 10.35 t值 1.833 -1.010 -3.328 P值 0.075 0.319 0.002

表4 降劑量組/常規(guī)劑量組前降支的主觀評分

圖1 常規(guī)劑量組與降劑量組DECCTA冠脈及心肌圖像比較

四、降劑量組/常規(guī)劑量組心肌成像質(zhì)量的比較

降劑量B組較常規(guī)劑量A組心肌CNR升高，差異有統(tǒng)計學意義（P＜ 0.05），心肌噪聲及SNR兩組差異無統(tǒng)計學意義（P值均 ＞ 0.05）。心肌主觀評分不同醫(yī)師間評分具有較好一致性（Kappa值均 ＞ 0.8）。降劑量B組及常規(guī)劑量A組左心室外側(cè)壁主觀評分差異無統(tǒng)計學意義（Z= -1.132，P=0.258）。具體見表 5、表 6、圖 1。

表5 降劑量組/常規(guī)劑量組心肌客觀測量指標比較（± s ）

表5 降劑量組/常規(guī)劑量組心肌客觀測量指標比較（± s ）

組別 噪聲（HU） SNR CNR常規(guī)劑量組A組 14.33 ± 4.14 8.05 ± 2.23 16.93 ± 3.60降劑量組 B 組 13.91 ± 3.98 7.50 ± 2.34 20.58 ± 4.04 t值 0.330 0.767 -3.011 P值 0.743 0.448 0.005

表6 降劑量組/常規(guī)劑量組心肌主觀評分比較

討 論

本研究旨在降低雙源CT機DECCTA對冠脈和心肌進行同時評價的過程中的輻射劑量，我們采用了以下幾種方法：（1）呼吸訓練：在檢查前我們對患者進行多次呼吸訓練，并囑咐患者練習在多次吸氣-憋氣過程中保持相同的吸氣幅度，以避免呼吸深度不同而造成的膈肌及心臟位置在多個序列掃描間的差異。（2）掃描范圍的確定：冠脈鈣化積分的掃描范圍通過定位相來設定，起于氣管隆突層面，終止于心臟的膈面；增強掃描的范圍根據(jù)鈣化積分平掃的范圍來設定，設定的原則是保證完整的心臟掃描范圍、避免患者吸氣幅度不同所造成的漏掃、在前兩個前提條件下盡量縮小掃描范圍，具體的設定范圍是并自氣管隆突下方2 cm至心膈面下方1 cm。（3）Care-dose 4D管電流自動調(diào)節(jié)技術(shù)：雙源CT DE-CCTA掃描模式自帶Caredose 4D管電流自動調(diào)節(jié)技術(shù)，該技術(shù)是事先設定一個最高的球管電流，然后計算機會根據(jù)定位相及鈣化積分平掃的數(shù)據(jù)自動計算人體前后徑、左右徑和組織密度，根據(jù)這些信息 CT設備會在事前設置的電流高限下自動調(diào)節(jié)X線球管所需的毫安，并按照給定的噪聲系數(shù)，使圖像的信噪比趨于一致。該研究常規(guī)劑量組及降劑量組設置了不同的電流上限，分別為常規(guī)劑量組A球管165 mAs，B球管140 mAs；降 劑 量 組A球 管115 mAs，B球 管98 mAs。（4）Minidose技 術(shù)：雙 源CT DE-CCTA掃描模式自帶的Minidose技術(shù)是一種ECG管電流調(diào)制技術(shù)，它是在掃描前事先設定不同的曝光時間窗，使得球管在R-R間期的一定范圍內(nèi)進行全劑量（電流強度）曝光，而其余時相則進行低劑量曝光（電流強度），從而達到降低輻射劑量的目的。該研究常規(guī)劑量組及降劑量組也對Minidose技術(shù)做了不同的設置，常規(guī)劑量組設置為手動mini-dose技術(shù)，調(diào)節(jié)機器全劑量曝光時間窗為心動周期的30%～70%期相，其余期相采用20%劑量曝光；降劑量組設置為手動mini-dose技術(shù)，調(diào)節(jié)機器全劑量曝光時間窗為心動周期的35%～70%期相，其余期相采用4%劑量曝光[8]。通過上述降低輻射劑量的手段，降劑量組有效輻射劑量較常規(guī)劑量組平均降低了2.01 mSv（30.04%）；課題組前期相關(guān)研究[9]收集40例雙源CT前瞻性門控觸發(fā)單能量CCTA檢查（掃描時心率54～62次/min，平均（58 ±3.2）次 /min；BMI位于 24～28 kg／m2之間，平均為（26.3 ± 1.5）kg／m2，其有效輻射劑量平均為（6.6 ± 0.7）mSv，本研究降劑量組有效輻射劑量較其降低了1.92 mSv（29.09%）。

掃描數(shù)據(jù)的常重建算法包括FBP及迭代重建法（iterative reconstruction，IR）。FBP是目前最常用的一種CT圖像重建方法，其計算機運算時間短，而且可以獲得較好的圖像質(zhì)量，但是也存在很多的局限性，尤其是這種重建方法會增加圖像的噪聲（在低管電流成像中尤為顯著），降低圖像的對比分辨率并產(chǎn)生條狀偽影。IR可以通過多次的迭代運算來發(fā)現(xiàn)和選擇性的刪除圖像噪聲，獲得更優(yōu)的圖像質(zhì)量，相對于常規(guī)的FBP能夠明顯降低圖像的噪聲，因此，IR能夠在CCTA降低輻射劑量的同時保證圖像質(zhì)量不受損。

既往關(guān)于迭代重建提高低劑量CCTA檢查圖像質(zhì)量的研究多基于常規(guī)單能量CCTA掃描，Abdullah KA等[10]的系統(tǒng)評價結(jié)果顯示，與使用FBP相比，使用IR可使CCTA輻射劑量減少30%～41%，且診斷圖像質(zhì)量可與標準劑量的CCTA+FBP相當。關(guān)于IR迭代系數(shù)的選擇，既往大部分基于單能量CCTA掃描的研究推薦系數(shù)3[11-13]。目前，鮮見迭代重建算法在DE-CCTA低劑量掃描中的應用。該研究在降低DE-CCTA掃描劑量的基礎(chǔ)上，選擇SAFIRE技術(shù)進行圖像重建，強度參照以往研究選擇強度3[11-13]，結(jié)果顯示降劑量組與常規(guī)劑量組冠脈及心肌的噪聲、SNR、主觀評分均無差異，且降劑量組較對照冠脈、心肌的CNR均明顯增加。

綜上所述，我們認為低劑量DE-CCTA掃描模式結(jié)合迭代重建能夠在保證冠脈及心肌圖像質(zhì)量的前提下有效降低掃描輻射劑量，因此在臨床實際操作過程中可根據(jù)臨床需求適當開展DE-CCTA檢查。