前瞻心电门控大螺距低千伏扫描联合原始数据迭代重建冠状动脉CTA成像质量分析

周文珍，殷信道，吴前芝，许权，徐辉，王同兴，张娅梅，谢光辉，张娣

南京医科大学附属南京医院（南京市第一医院）医学影像科，江苏 南京210006

0 前言

冠状动脉CTA（coronary CT angiography，CTA）检查可以无创性观察冠状动脉并发现冠状动脉狭窄，具有较高的诊断准确性。然而CTA检查的辐射剂量可能较高，并受到争议。因此，目前低剂量CTA成像的研究受到较多关注。宽探测器及快速旋转速度实现了数据采集新发展，尤其是前瞻性心电门控大螺距扫描（Flash spiral）模式的应用，可大幅度降低辐射剂量。该扫描技术的缺点在于没有心动周期中其余部分的可重建数据。同时，降低管电压及管电流同样可以降低辐射剂量[1,2]。然而，两种技术均会导致图像噪声增加，进而可能影响图像质量[3-6]。目前图像噪声增加可以通过迭代重建（iterative reconstruction，IR)弥补。IR重建是基于原始数据的一种重建技术，在保证相同图像质量的前提下，IR技术可降低辐射剂量，研究已经证实迭代重建在胸部[7]，腹部[8]及冠状动脉CTA[9-14]成像中均具有降低辐射剂量的优势。

本研究采用以上几种技术联合进行CTA成像，并评价该低辐射剂量获得具有诊断价值图像质量的可行性。

1 材料与方法

50例患者，体质量指数（body mass index BMI）指数＜30 kg/m2，体重（66.5±12.2）kg，心率（50±6）次 /min，药物控制后达到该标准也包括在内，所有患者均行CTA检查排除冠状动脉狭窄。

1.1 CT扫描技术

采用第二代双源CT（Definition Flash, Siemens Healthcare,Forchheim, Germany）进行数据采集。扫描范围：气管分叉下方10 mm至心脏膈面。球管旋转时间：280 ms；准直：2 mm×64 mm×0.6 mm；管电压100 kV ，采用实时动态曝光剂量调节（CARE Dose4D），在管电压调节基础上根据BMI进一步调节管电流，电流范围为350~410 mA；螺距为3.4。在主动脉根部层面选择兴趣区（ROI）检测CT值，＞100 HU时，延迟5 s自动触发扫描，采用前瞻性心电门控大螺距（Flash spiral）扫描模式，R-R间期55% 扫描成像（默认模式），肘前静脉注入60 mL非离子对比剂优维显( Ultravist，Iopromide，370 mg /mL)及50 mL生理盐水，应用对比剂示踪法（bolus-tracking），速率均为6 mL/s。

1.2 图像重建

CCTA图像重建采用两种方法，分别为传统的反投影滤过重建（filtered back projection ，FBP)和IR重建，两种重建均采用层厚0.6 mm，重建间隔0.3 mm，卷积核分别为B26f、I26f，应用Circulation 和3D软件进行图像后处理，主要采用MPR，CPR及VR进行图像重建。

1.3 图像质量分析

由两位有经验的阅片医师独立评价图像质量。

1.3.1 主观图像质量评价

采用4分法评价[15]。1分：优秀，血管显示清晰，边界清晰，无伪影；2分：良好，对应血管有轻度管腔模糊，轻度伪影；3分：中等，血管中度管腔模糊，中度伪影，但仍可评价；4分：差，对应血管显示不全，无法评价。采用美国心脏学会（AHA）15段冠状动脉分段法，共有728段可以分析。

1.3.2 客观图像质量评价

测量噪声（image noise IN）、信噪比（signal-to-noise ratio ，SNR)及对比噪声比（contrast-to-noise ratio ，CNR)。

冠状动脉左主干水平升主动脉CT值的标准差定义为图像噪声，感兴趣区（ROI）平均面积为（ 4.5±1.3）cm2（图1）。于冠状动脉近端获得SNR和CNR3,16，冠状动脉CT值（CT1）通过将ROI置于冠状动脉近端管腔内测量获得，ROI足够大，但不包括管壁。周围组织的CT值（CT2）即血管周围组织约3~4 mm2处ROI（置于左主干开口水平的冠状动脉周围脂肪组织内）的平均CT值，SNR=CT1/ IN。CNR=（CT1-CT2）/ IN。

图1 图像噪声测量位于左主干水平的主动脉。A：IR重建；B：FBP重建。

记录机器自动测量剂量长度乘积（dose length product，DLP），根据DLP 计算有效剂量（Effective Dose，ED），ED= k×DLP，k 值采用欧盟委员会推荐的胸部值0. 014 mSv/(mGy·cm)。

1.4 统计学处理

所有统计学分析使用SPSS 16.0软件，计量资料以均值±标准差（x-±s）描述，分类变量采用百分比描述，采用配对t检验对两种不同重建算法所得图像质量定量测量结果进行比较。对计数资料的比较采用χ2检验，P＜0.05为差异有统计学意义。计算Cohen’s kappa值( k)评价两位阅片者评价图像质量间的差异：k = 0代表一致性差；k =0.01~0.20代表少量一致性；k = 0.21~0.40代表轻度一致性；k =0.41~0.60代表中度一致性；k =0.61~0.80代表一致性好；k = 081~1.00代表一致性极佳。

2 结果

患者一般资料见表1。

表1 患者一般资料

2.1 图像质量

冠状动脉段平均质量评分FBP重建为2.2±1.0，IR重建为1.9±1.1，IR重建的图像质量较FBP重建好，见图2。

图2 72岁女性患者冠状动脉CTA。右冠状动脉起始部局限性非钙化斑块（箭头）。A，B，C分别为右冠状动脉，前降支及回旋支；1：为FBP重建，2：为IR重建；D为VR图像。

728段血管，FBP重建组有61（8.4%）段无法评价，IR重建为38（5.1%）段，两者无统计学差异（P=0.07）。

FBP重建，BMI<24 kg/m2（ 28例）的患者及BMI为24~30 kg/m2（ n=22）的患者其可评价的血管段数分别为403/409（ 98.5%）及253/319（79.3%），两者差异有统计学意义（P=0.03）（见表 2）。

IR重建，BMI<24 kg/m2(n=28)的患者及BMI为24~30 kg/m2(n=22)的患者，可评价的血管段分别为404/409(98.8 %)及291/319 (91.2%)；两组间差异无统计学意义（P=0.07）（见表2）。

表2 主观图像质量参数（可以评价的冠状动脉段数）

2.2 CT值，噪声，SNR，CNR

两种重建所有的CT值均没有统计学差异（表3）。

FBP重建及IR重建的平均噪声分别为（26.4±5.2）HU和（20.6±4.1）HU，两组间差异具有统计学意义（P=0.02）。IR重建的SNR及CNR与FBP重建之间的差异均有统计学意义（表3）。

表3 两种重建客观图像质量评价数值

BMI<24 kg/m2的患者图像噪声IR组较FBP组低，有统计学差异，CT值两组之间无差异。然而IR组的图像噪声低，SNR和CNR高，且具有统计学意义。BMI为24~30 kg/m2的患者两组之间除各血管CT值外，各血管的SNR及CNR两种重建之间均有统计学差异（表4）。

两位阅片者对FBP重建（k =0.723）及IR重建（k = 0.719）冠状动脉图像质量评分的结果一致性良好（表5）。

表5 两种重建方式的评分表

3 讨论

随着对CTA检查所致辐射的不断关注，已经有措施被采用来降低CTA成像的辐射剂量，其中降低管电压及管电流是之前研究较多的技术，辐射剂量与管电压的平方呈正比，降低管电压可显著降低辐射剂量。降低管电压后，X线与被检体作用的光电效应增加，能够提高冠状动脉血管腔内的CT值，增加血管与周围组织结构的对比。第二代双源CT大螺距扫描的优势在于配备了2套球管及相应的128层探测器。双球管设置，使得它具备了使用更大螺距扫描的可能，可以明显降低辐射剂量及造影剂用量[17-18]，除了计算机硬件的发展和采集技术的改进，目前计算机强大的后处理也可以降低图像噪声，提高图像质量，关于采用IR重建降低辐射剂量的研究比较多，其在胸部[7]、腹部[8]及心脏[9,11-12]等部位的运用均有报道。

表4 不同BMI值患者客观图像质量评价结果

本研究IR重建能够显著降低图像噪声，提高主观图像质量（FBP重建：2.2±1.0，IR重建：1.9±1.1，P<0.0001）。这与之前的研究结果相符[9-12,14]。然而，本研究的优势在于采用了低千伏，低电流大螺距扫描模式联合IR重建的进行研究。Utsunomiya 等报道了关于256层CT前瞻性心电门控采用IR重建提高图像质量的研究[12]。Bittencourt 等采用前瞻性心电门控大螺距扫描模式联合迭代重建降低图像噪声[9]，其结果与本研究结果相似。本研究结果提示两种重建方式，主动脉及冠状动脉近端的血管强化没有差异，这与其他研究结果一致[9-12]。BMI<24 kg/m2的患者SNR及CNR两种重建方式之间没有差异，BMI为24~30kg/m2的患者SNR及CNR值IR重建高，噪声则是IR重建低。

尽管本研究证实了低剂量CCTA在特定人群（心率≤60 次/min，BMI<30）中的可行性，但本研究仍存在以下局限性。首先，样本量较小，BMI≥30 kg/m2的患者没有包括在研究范围内。第二，关于低剂量扫描诊断准确性还需要进一步研究，比如与冠状动脉造影进行比较。第三，本研究没有将Flash扫描模式与其他扫描模式提示进行比较。为了达到低剂量扫描，本研究采用了前瞻性心电门控大螺距扫描模式，该序列对运动比较敏感，容易产生伪影，尤其是心率不低或者不稳定的状态下[19]。另外，IR重建方式需要的时间较长。

总而言之，本研究提示心率≤60 次/min的患者，不仅BMI<24 kg/m2的人群可以选择低千伏扫描，对于BMI为24~30 kg/m2之间轻度肥胖的患者也可以采用前瞻性心电门控大螺距模式，100 kV低千伏，CARE Dose4D联合IR重建技术进行CTA成像，可以使患者受到低剂量辐射的条件下完成冠状动脉CTA成像。

[1] Hausleiter J,Meyer T,Hermann F,et al Estimated radiation dose associated with cardiac CT angiography[J].JAMA,2009,30:500-507.

[2] Vorobiof G,Achenbach S,Narula J.Minimizing radiation dose for coronary CT angiography[J].Cardiol Clin,2012,30:9-17.

[3] Pflederer T,Rudofsky L,Ropers D,et al.Image quality in a low radiation exposure protocol for retrospectively ECG-gated coronary CT angiography[J].AJR Am J Roentgenol,2009,192:1045-1050.

[4] Bischoff B,Hein F,Meyer T,et al.Impact of a reduced tube voltage on CT angiography and radiation dose: results of the PROTECTION I study[J].JACC Cardiovasc Imaging,2009,2:940-946.

[5] Leschka S,Stolzmann P,Schmid FT,et al Low kilovoltage cardiac dual-source CT: attenuation,noise,and radiation dose[J].Eur Radiol,2008,18:1809-1817.

[6] Blankstein R,Bolen MA,Pale R ,et al Use of 100 kV versus 120 kV in cardiac dual source computed tomography: effect on radiation dose and image quality[J].Int J Cardiovasc Imaging, 2011,27:579-586.

[7] Leipsic J,Nguyen G,Brown J ,et al A prospective evaluation of dose reduction and image quality in chest CT using adaptive statistical iterative reconstruction[J].AJR Am J Roentgenol, 2010,195:1095-1099.

[8] Marin D,Nelson RC,Schindera ST ,et al Low-tubevoltage,high-tube-current multidetector abdominal CT: improved image quality and decreased radiation dose with adaptive statistical iterative reconstruction algorithm-initial clinical experience[J].Radiology,2010,254:145-153.

[9] Bittencourt MS,Schmidt B,Seltmann M,et al Iterative reconstruction in image space (IRIS) in cardiac computed tomography: initial experience[J].Int J Cardiovasc Imaging, 2011,27:1081-1087.

[10] Leipsic J,LaBounty TM,Heilbron G et al Adaptive statistical iterative reconstruction: assessment of image noise and image quality in coronary CT angiography[J].AJR Am J Roentgenol, 2010,195:649-654.

[11] Moscariello A,Takx RA,Schoepf UJ,et al Coronary CT angiography: image quality,diagnostic accuracy,and potential for radiation dose reduction using a novel iterative image reconstruction technique-comparison with traditional filtered back projection[J].Eur Radiol,2011,21:2130-2138.

[12] Utsunomiya D,Weigold WG,Weissman G,et al Effect of hybrid iterative reconstruction technique on quantitative and qualitative image analysis at 256-slice prospective gating cardiac CT[J].Eur Radiol,2012,22:1287-1294.

[13] Leipsic J,Labounty TM,Heilbron B,et al Estimated radiation dose reduction using adaptive statistical iterative reconstruction in coronary CT angiography: the ERASIR study[J].AJR Am J Roentgenol,2010,195:655-660.

[14] Renker M,Ramachandra A,Schoepf UJ ,et al Iterative image reconstruction techniques: applications for cardiac CT[J].J Cardiovasc Comput Tomogr,2011,5:225-230.

[15] Leschka S,Scheffel H,Desbiolles L,et al Image quality and reconstruction intervals of dual-source CT coronary angiography: recommendations for ECG-pulsing windowing[J].Invest Radiol,2007,42: 54.

[16] Achenbach S,Giesler T,Ropers D ,et al Comparison of image quality in contrast-enhanced coronary artery visualization by electronbeam tomography and retrospectively electrocardiogram-gated multislice spiral computed tomography[J].Eur J Radiol,2006,57:373-379.

[17] Achenbach S,Marwan M,Schepis T,et al.High-pitch spiral acquisition: a new scan mode for coronary CT angiography[J].J Cardiovasc Comput Tomogr,2009,3 : 117-121.

[18] Alkadhi H,Stolzmann P,Desbiolles L,et al Low-dose,128-slice,dual- source CT coronary angiography: accuracy and radiation dose of the high-pitch and the step-and-shoot mode[J].Heart,2010,96: 933-938.

[19] Neefjes LA,Dharampal AS,Rossi A,et al Image quality and radiation exposure using different low-dose scan protocols in dual-source CT coronary angiography: randomized study[J].Radiology,2011,261:779-786.