自由呼吸对提高冠状动脉CT图像强化效果及均一性的研究

曹 乐，刘 翔，李雅楠，张向辉，樊钢练，谢 芳，郭建新

(1. 西安交通大学第一附属医院医学影像科，陕西西安 710061；2. 中国飞机强度研究所职工医院，陕西西安 710065)

冠状动脉CT血管成像(coronary CT angiography, CCTA)因其无创、操作简便被广泛应用于临床检查，常规在64排CT上进行心脏CT造影检查一般需要5 s以上的扫描时间。为了避免其受呼吸运动伪影的影响，检查往往需要患者配合呼吸[1]，但对于年纪偏大、耳背、胸闷气短、不能屏气的患者，大大限制了检查的可行性，降低了扫描的成功率。对于探测器宽度达16 cm的256排Revolution CT，可在1次机架旋转中覆盖整个心脏，在1个心动周期即可完成心脏检查，扫描时间短，进而可忽略呼吸对冠状动脉的影响，避免了因各种原因不能屏气而导致图像质量差，甚至扫描失败的情况。

以往文献中也有报道自由呼吸在婴幼儿中的应用[2]，以及自由呼吸在低心率患者中的应用[3]，也有学者认为，屏气可使部分患者在深吸气时胸腔压力增大，导致患者心功能及循环血量发生变化，影响图像的强化效果。本研究旨在不控制心率的情况下，比较自由呼吸与屏气在图像强化效果、图像均一性及图像质量的差异。

1 资料与方法

1.1研究对象前瞻性收集2017年3月-7月期间临床申请冠脉CTA检查患者60例，随机分为两组，A组，男17例，女13例，平均年龄(59.30±9.80)岁；B组，男15例，女15例，平均年龄(56.80±12.80)岁。两组患者年龄、性别、BMI、心率范围及高心率人数均无统计学差异(P>0.05，表1)。两组患者均不控制心率、节律，检查前无任何人为干预；排除标准：①已知碘过敏史；②心、肝、肾等脏器功能不全；③孕妇及辐射损伤高危人群；④冠脉搭桥患者及胸痛三联患者。A组患者检查前训练呼吸，嘱检查时吸气后屏气；B组嘱患者检查时平静呼吸。

表1患者人口统计学资料

Tab.1 Basic demographic information of the patients

项目A组屏气组(n=30)B组自由呼吸组(n=30) P年龄(岁)59.30±9.8056.80±12.800.809体重(kg)60.75±10.5058.75±12.710.607BMI(kg/m2)23.36±3.0821.87±4.590.513 男(n) 女(n)171315150.716心率范围(次/min)57～11348～1240.632高心率人数(>75次/min)780.741

1.2扫描参数扫描设备选择256-MDCT(revolution CT, GE Healthcare)。扫描范围包括气管隆突下1 cm至心底，探测器宽度依患者心脏大小选择12、14、16 cm，管电压120 kVp，智能管电流以获得30 Hu的预设噪声指数(noise index, NI)和0.28 s/rot的机架转速，开启冠状动脉追踪冻结技术( snapshot freeze, SSF)，触发期相和相应曝光时间窗由系统自动门控技术(auto gating)选择，相应的曝光时间窗如表2。记录A、B两组患者扫描前后心率变化情况。

表2Auto-gating根据心率自动选择扫描期相

Tab.2 Automatic scanning phase selection based on heart rates

心率(次/min)<5555～6565～8080～9090～110110～120扫描时间期相(R-R%)75～7570～8040～8040～5035～5535～55

1.3注射方案对比剂注射方案使用以患者体质量为参考的对比剂剂量率：以碘剂量25 mg/(kg·s)，根据受检者的体质量，个性化的计算出注射速率及药量，经肘前静脉注射非离子型碘对比剂碘比乐(370 mg/mL)；采用对比剂智能触发技术，感兴趣区(region of interest, ROI)位于气管分叉层面的降主动脉。扫描包括正、侧定位像，钙化积分，CT血管检查。A组患者吸气后屏气扫描，阈值(enhancement threshold)为80 Hu，延迟时间(diagnostic delay)8.4 s(8.4 s包含屏气口令持续时间)；B组患者检查时平静呼吸，阈值与延迟时间与A组一致。

1.4图像重建重建层厚、间隔均选择0.625 mm，迭代重建权重Asir-V前置和后置均选择50%，重建矩阵为512×512。重建类型选择标准(standard)。扫描后进行SSF重建后，在AW4.6工作站后处理，综合评价血管短轴位图像、容积绘制( volume rendering, VR)及曲面重组(curved planar reformation, CPR)图像。

1.5图像评价

1.5.1 客观评价 分别测量两组数据左冠状动脉发

出层面主动脉(ROI大小约0.5 cm2)及相同层面心包脂肪间隙脂肪的CT值及SD值(作为背景值)，评价图像强化效果、强化均一性(CV=SD/M)、信噪比(SNR)、对比噪声比(CNR)。

1.5.2 主观评价 由2名有3年以上工作经验的诊断医师使用双盲法根据美国心脏病学会15段分段法[4-5]对冠脉分段，采用LIKERT 5分法[6]进行评分(5分：无运动伪影，轮廓勾画清楚；4分：轻微运动伪影，轻度模糊；3分：中度运动伪影，中度模糊，但血管连续；2分：严重运动伪影，节段错层，不延续；1分：图像不能评估，血管不能分辨)评价RCA(1～3段)、LAD(5～8段)、LCX(11、13段)共9段血管。排除标准：①对于管径小于1.5 mm或血管闭塞的不予评价；②对于冠脉支架的患者，只评价原始血管，若全段都为支架，则予以排除。

2 结 果

2.1客观评分A、B两组主动脉根部CT 值分别是(337.60±72.70)Hu和(405.10±58.20)Hu；SNR分别是11.20±2.96和13.80±3.14，CNR分别为11.70±3.64和15.50±4.07，两组之间有统计学差异(P<0.05)。屏气组的CT值低于自由呼吸组，A、B两组主动脉根部的强化变化率分别为21.53%、14.37%，自由呼吸组的强化均一性明显优于屏气组(表3)。

2.2主观评分A组主观平均得分4.49±0.41，B组平均得分4.33±0.36；两组间图像质量无统计学差异(图1、图2)。两组扫描前后心率差异分别为：(1.74±1.86)次/min、(1.30±1.25)次/min，两组之间无统计学差异(表3)。

表3两组间客观、主观评价的比较

Tab.3 Comparison of the objective and subjective evaluations in the two groups

参数屏气组(n=30)自由呼吸组(n=30)P值CT值(Hu)337.60±72.70405.10±58.200.001∗SD(Hu)11.20±2.9613.80±3.140.749SNR(CT值/SD)23.36±3.0821.87±4.590.005∗CNR[(主动脉CT值-心包间隙脂肪CT值)/脂肪SD]11.70±3.6415.50±4.070.021∗心率变化差异(次/min)1.74±1.861.30±1.250.360主观得分4.49±0.414.33±0.360.457

与屏气组比较，*P<0.05。

图1自由呼吸条件下CCTA图像(扫描时心率：83次/min，主观评分：5分)

Fig.1 CCTA under free breathing (heart rate during scanning: 83 counts per minute; the subjective image quality score for coronary artery images was 5)

A：右冠状动脉；B：左冠状动脉；C：回旋支；D：左冠短轴位；E：四腔心；F：该患者扫描时心率及期相选择。

图2屏气条件下CCTA图像(扫描时心率：55次/min，主观评分：5分)

Fig.2 CCTA under breath holding (heart rate during scanning: 55 counts per minute; the subjective image quality score for coronary artery images was 5)

A：右冠状动脉；B：左冠状动脉；C：回旋支；D：左冠短轴位；E：四腔心；F：该患者扫描时心率及期相选择。

3 讨 论

因呼吸运动伪影的存在，屏气后扫描作为以往冠状动脉CT造影检查常用方法，从扫描定位像到血管造影加上钙化积分，至少需要4次屏气，对于因各种原因不能屏气的患者大大降低了扫描的成功率。若成人的呼吸频率为12～20次/min，横隔移动的速度为6.4～29.3 mm/s，则吸气与平静呼吸横隔移动的幅度是1.6～4.4 cm[7]。文献报道，心脏搏动时冠状动脉位移速度是22.4～108.6 mm/s[8]。因此，呼吸产生的移动速度小于心脏搏动的动脉移位速度。而16 cm宽体探测器的出现，则可忽略呼吸对冠脉的影响，使在自由呼吸下进行冠状动脉造影检查成为可能。

在以往的研究中，不能配合呼吸致扫描存在呼吸运动伪影是CCTA无法避免的问题，CCTA采集期间可能存在约8%的病例有呼吸运动伪影[9]。自由呼吸CCTA最早的应用是在儿科病例[10-11]，因幼儿心脏纵轴较短，且不能配合呼吸，8 cm探测器宽度可覆盖整个心脏，进而可忽略呼吸对图像质量的影响。2013年开始，自由呼吸开始应用于成人病例中，KANG等[3]利用320多排螺旋CT比较自由呼吸与屏气对CCTA图像质量的影响，结果表明自由呼吸与标准屏气下CCTA图像质量没有明显差异，但研究对象不包括心率高于75次/min及心律不齐的病例。而本文研究对象既有低心率，也有高心率，同时包含心律不齐的病例，与之有所不同。

刘卓等[12]探讨自由呼吸、不屏气状态下，利用256-MDCT行冠状动脉造影的可行性，认为自由呼吸状态心率变化较小，且较屏气图像质量好，与本研究结果有所差别。本研究结果表明，在自由呼吸和屏气的患者之间心率变化基本相同，图像质量的主观评分也没有统计学差别；但是本研究结果显示自由呼吸组在血管中的CT值是高于屏气组的，且增强的均一性更好。

本研究测得自由呼吸组的CT值高于屏气组，其原因可能是由于部分患者吸气时胸腔压力过大导致短暂性造影剂中断(transient interruption of contrast, TIC)，使得屏气组部分患者主动脉造影剂浓度降低，CT值低于自由呼吸组。TIC最早发现于肺动脉CT造影检查(CT pulmonary angiography, CTPA)，深吸气时，横隔下降，胸腔内压力下降，而腹腔压力升高，增加的腹腔压力使血液回流入下腔，约50%的静脉血回流入右心房，下腔静脉(inferior vena cava, IVC)与上腔静脉(superior vena cava, SVC)的流率比值约为2.4∶1，使得本无造影剂的IVC较SVC的造影剂多，右心造影剂聚集，而左心回心血量减少，造影剂浓度减低[13-14]。所以，自由呼吸可以避免因部分患者深吸气导致的短暂性造影剂中断，从而增加了图像的强化效果及强化均一性。

本研究的不足之处在于样本量较少，病例基础条件相对简单，且未对不同心率、不同年龄段的病例进行详细分组，可能不能完全反映临床应用条件，有待大样本临床试验验证。

总之，在不控制心率的情况下，利用16 cm宽体探测器，使用自由呼吸进行CCTA检查，可提高图像的强化效果及强化的均一性，且可得到高质量的图像。