低剂量冠状动脉CTA支架成像研究

王晓瑜， 祁荣兴 综述 黄胜 审校

经皮冠状动脉介入治疗(percutaneous coronary intervention，PCI)已经成为冠状动脉粥样硬化性心脏病(coronary artery disease，CAD)最有效的治疗手段之一，但研究显示使用金属裸支架出现再狭窄(in-stent restenosis，ISR)的发生率约11%～40%，即使是使用药物涂层支架，其ISR的发生率仍然不可忽视[1]，因此PCI术后支架的随访具有重要意义。目前，侵入性冠状动脉造影(invasive coronary angiography，ICA)仍是检测ISR的金标准，但该方法有创，费用高且易出现并发症[2]。而冠状动脉CT血管成像(coronary computed tomographic angiography，CCTA)作为一种检测支架内再狭窄、支架断裂或支架内血栓形成等并发症的方法[3]，其相对可靠和无创，在PCI术后随访中起到重要作用。根据国际放射防护委员会(International Commission of Radiological Protection，ICRP)提出的辐射防护最优化原则(as low as reasonably achievable，ALARA)，如何使PCI术后患者在CCTA检查时既能保证图像质量、达到诊断要求，又能降低辐射剂量，仍是现在关注的热点之一。

CCTA支架成像技术现状

目前，随着PCI技术的发展和广泛应用，支架术后的随访成为CCTA的主要适应证之一[4]。CCTA通过肉眼观察支架内管腔(是否存在内膜增生等)情况和测量PCI术后管腔内密度衰减梯度值及定量分析，或观察支架远端血管充盈情况[5]，直接或间接地对支架内再狭窄的程度作出评估。研究显示[6-7]CCTA评估支架的主要限制因素有时间及空间分辨率不足，部分容积效应及支架线束硬化伪影等，这些因素造成支架管腔内的情况显示欠清，从而影响支架评估的准确性。Kitagawa等[6]研究表明使用16排螺旋CT进行CCTA支架成像，对内径≥3.5 mm的不锈钢或钴制支架的腔内情况可评估率高达88.6%，而内径为2.5 mm的支架由于金属伪影和部分容积效应的影响大多无法评估。

随着CT技术的不断革新，PCI术后支架的非侵入性CTA评估已成为可能。目前，320排螺旋CT具有覆盖范围高达16 cm的探测器，可实现在单次机架旋转或心脏跳动中完成心脏的全扫描[8]；第二代双源CT(dual-source computed tomography,DSCT)以其两套球管/探测器系统的优势获得了75 ms单扇区时间分辨率[9]，特别是第三代双源CT(SOMATOM Force,Siemens Healthcare,Forchheim,Germany)时间分辨率提高到66 ms，且配备了一个集成电路检测器，能够获得更高的Z轴方向的空间分辨率，其特有的单能谱技术和高级迭代重建(advanced modeled iterative reconstruction，ADMIRE)技术[10]能提高支架的诊断准确性。Mangold等[11]的体外模型研究显示双能量CT单能谱重建提高了小内径支架的管腔内可视化率，能量130 keV时直径2.25 mm的支架平均可视率高达86%。近年来，冠脉功能学评估方法不断发展，基于CCTA的数据应用流体力学方法得到血流储备分数(fractional flow reserve,FFR)的技术称FFR-CT，研究表明[12]FFR-CT对PCI术后患者的血运重建和疗效的评估有重要意义。

CCTA支架成像的剂量现状

随着冠脉CTA的应用越来越普遍，冠脉疾病人群的检查辐射剂量随之增加。研究表明[13]CT扫描的辐射剂量可提高恶性肿瘤2%的发病风险。因此，CCTA辐射剂量问题也越来越引起人们的关注和重视。

1.剂量参数

CT扫描时通常有许多剂量参数来描述辐射剂量，最常见的是CT剂量指数(CT dose index，CTDI)、有效辐射剂量(effective dose，ED)。目前，新的研究显示患者所接受的剂量需取决于体型，美国放射协会认为[14]特异性体型估算值(size specific dose estimates，SSDE)估算患者的辐射剂量更为精确，该值是利用CT机上提供的容积CT剂量指数(volume CT dose index，CTDIvol)和体型转换系数所得。

2.传统CCTA支架成像模式的剂量现状

传统的CCTA支架成像模式包括前瞻性心电门控扫描、回顾性心电门控扫描、大螺距扫描、双能量心肌灌注成像等，其中回顾性心电门控扫描需采集整个心动周期，所以辐射剂量最大，高达13～24 mSv(平均18.5 mSv)[15]。双能量心肌灌注可以利用碘图来反映支架植入术后心肌血流灌注情况，其平均有效辐射剂量达12 mSv[16]。而根据国际放射防护委员会对人体不同组织、器官所能够接受的CT有效辐射剂量提出的要求[17]：胸部5～7 mSv，冠脉钙化积分1～3 mSv，冠脉CTA 5～12 mSv。

因此，如何使PCI术后患者在CCTA检查时既能保证图像质量、达到诊断要求，又能降低辐射剂量是目前亟待解决的问题。

3.低剂量支架成像策略

1.管电压调制

X线的辐射剂量与管电压的平方呈正比，因此当管电压降低时，患者的有效辐射剂量将大幅减低。文献报道[18-21]CCTA支架成像的管电压可从120 kV降低至100 kV，甚至80 kV进行对比研究，Lee等[18]采用高分辨率CT对正常身体质量指数(body mass index，BMI)患者进行低管电压(100 kVp)与标准管电压(120 kVp)进行冠状动脉支架成像，研究发现低管电压组与标准管电压组图像质量相当，可以达到支架的诊断要求，但患者的有效辐射剂量降低了近50%。Eisentopf等[19]研究显示在管电压、管电流分别降低至80 kV、165 mA时进行前瞻性心电门控采集，结合迭代重建技术优化图像，既能降低辐射剂量(0.32 mSv)又具有合理的诊断准确性。

降低管电压会降低X线的能量，提高腔内碘对比剂的CT值，间接增加了血管与邻近组织的对比分辨率，使CCTA支架成像的双低扫描成为可能。杨帆等[20]研究显示与常规扫描组(120 kV、370 mg I/mL)相比，双低扫描组(80 kV、270 mg I/mL)在满足诊断要求的前提下，有效辐射剂量降低了近32%，且对支架管壁及腔内情况的显示更佳，更有助于检测支架内膜增生、支架内再狭窄等并发症。值得注意的是，降低管电压虽能降低有效辐射剂量，但会降低支架图像信噪比(signal noise ratio，SNR)，因此，不能一味地降低管电压。Mangold等[21]研究发现第三代DSCT根据BMI应用自动管电压选择(automated tube voltage selection，ATVS)进行扫描，相关分析显示管电压和BMI之间存在中度关联(r=0.639)，所以管电压的选择也要根据患者的BMI适当做出个体化调整，才能满足临床诊断的需要。

2.管电流调制

X线的辐射剂量与管电流呈正比，因此当管电流降低时，患者的有效辐射剂量将相应降低。管电流调制通常包括心电门控(ECG)相关性管电流调制与依赖BMI的自动管电流调制(automatic tube current modulation，ATCM)[22]。

ECG相关性管电流调制:当患者心率低时，心脏在等容舒张期呈相对静止状态；当患者心率高时，舒张期缩短尤其显著，心脏在等容收缩期呈相对静止状态，此时更宜采集成像。因此，能够在预定的时间间隔内获得最大的管电流而在其他时间间隔使用较低的管电流，可以更好的降低患者的有效辐射剂量。Fleur等[8]在320排CT中对冠状动脉支架进行扫描成像，采用管电压自动调控和前瞻性心电门控相关性管电流调制，研究显示320排CT在评估支架内再狭窄上有一定的诊断效能，且内径较大和管壁较薄的支架的可视化显示比内径小的支架更好，在75% R-R间隔内平均有效辐射剂量为(3.2±1.1) mSv，在65%～85% R-R间隔内平均有效辐射剂量为(7.1±1.7) mSv，对于需要测量左室功能的患者平均有效辐射剂量为(10.7±3.6) mSv。

依赖BMI的自动管电流调制:管电流降低会增加图像噪声，降低密度分辨率。而自动管电流调制技术是根据患者的体型、厚度、BMI大小等引起的衰减差异进行适时调整，在保证参考图像质量的前提下，有效降低患者辐射剂量。Siemens公司推出的CARE Dose 4D技术是其中的一种。王苑丁等[23]在第三代双源CT中，采用全自动CARE Dose4D(参考管电流180 mAs/rot)、CARE kV(参考管电压100 kV)技术，有效辐射剂量仅(1.7±0.5) mSv。

3.前瞻性心电门控扫描

心电门控采集数据分为前瞻性心电门控(prospective ECG-gating)和回顾性心电门控(retrospective ECG-gating)。前瞻性心电门控扫描是对提前设置的采集时相或心动周期的R-R间隙进行曝光采集，可以大大降低CCTA成像辐射剂量[15,24-27]。Cui等[24]在高分辨率CT中对PCI术后复查的患者进行前瞻性与回顾性心电门控扫描联合迭代重建算法来评估支架的图像质量及腔内情况，两组图像质量无明显差异，前者辐射剂量降低79%(2.28 mSv vs 11.34 mSv)。杨耀华等[25]应用“双低”扫描技术(80 kVp，270 mg I/mL)在iCT 256层螺旋CT机中对PCI术后患者进行前瞻性与回顾性心电门控扫描，前瞻性组辐射剂量低至(1.90±0.26) mSv。Horiguchi等[26]心脏模型研究表明当管电压为140 kV时，前瞻性心电门控扫描辐射剂量较回顾性扫描降低了近75%，但仍然可以改善支架内再狭窄的可见度。相对于回顾性心电门控的支架成像，前瞻性心电门控扫描在降低有效辐射剂量的情况下，对支架评估的准确性却没有降低。以ICA为金标准，Andreini等[15]研究表明基于各组可评估的支架中，前瞻性心电门控组诊断支架内再狭窄的准确度、特异度、阳性预测值(99%、100%、100%)高于回顾性心电门控组(95%、97%、91%)，而有效辐射剂量明显减低。

然而，前瞻性心电门控扫描也会有一定的局限，比如不能对全心进行功能分析、对受检患者的心率有一定限制等。随着多排螺旋CT图像的时间分辨率不断地提高，使得CCTA前瞻性心电门控扫描受心率的影响很微小。Lei等[27]研究显示双源CT自适应性前瞻性心电门控扫描对高心率(70～110次/分)患者是可行的，且主观图像质量评分与回顾性心电门控扫描相似，同时有效辐射剂量降低了近57%。在256层螺旋CT中，罗开选等[28]研究显示对于高心率患者(≥80次/分)，采用自适应性前瞻性心电门控CCTA成像，其评估冠脉狭窄的程度与侵入性冠状动脉造影结果相一致，且敏感性、阴性预测值高达96.8%、97.7%。

4.卷积核和迭代重建(iterative reconstruction，IR)技术

冠脉CTA支架成像通常使用的卷积核包括平滑核与锐利核[24,29-31]。平滑核值常用于冠状动脉血管成像的显示；锐利核值尽管会增加图像噪声，降低图像质量，但其能锐化支架管壁，更好地显示支架的细微结构[30]。因此，使用锐利核不仅可以减少支架壁的金属伪影，改善支架内径的显示，还能提高诊断支架内再狭窄的准确性[32,33]。Zhou等[30]研究结果显示观察CCTA支架成像的最佳图像是由锐利核联合图像域迭代重建所得。

近年来IR广泛应用在CCTA支架成像的研究中，相比于滤波反投影算法(filtered back-projection，FBP)，IR有减弱金属伪影、减小噪声、改善图像质量的重要作用[34-38]，但增加迭代权重会造成图像失真、蜡像感显著。Yang等[35]将前瞻性大螺距结合IR技术应用于CCTA支架成像中，有效辐射剂量仅(1.4±0.5) mSv，图像质量提高，不能诊断的支架的概率较FBP减少(2.5% vs 5.7%，P<0.05)。赵春荣等[36]心脏体模研究对冠状动脉支架进行成像，分别用80 kV结合IR和120 kV结合FBP成像，结果表明两组图像主观评分无统计学意义，但FBP成像组的平均内径显示率为37.73%，IR成像组的平均内径显示率达43.31%，较FBP成像组提高了近5.4%，而且有效辐射剂量明显降低。Ebersberger等[38]研究显示即使在辐射剂量降低50%的情况下，IR仍能改善冠状动脉支架的图像评估，有着提高支架内再狭窄的检测准确性并减少假阳性率的潜力。

ADMIRE是西门子公司推出的三代迭代重建技术，该迭代基于原始数据域、图像域和模型域，通过不断地将由正向投影产生的“虚拟原始数据”与探测器实际采集的数据进行比较，进而减少伪影、减少辐射、减低噪声[10]。Nils等[39]在心脏体模研究中，ADMIRE联合锐利核重建的图像提高了支架内径的可视化率。

东芝320排CT的基于正投影模型的迭代重建(forward projected modelbased iterative reconstruction solution，FIRST)和自适应迭代剂量降低技术(adaptive iterative dose reduction 3D，AIDR 3D)也属于IR技术。Tatsugami等[40,41]研究表明与AIDR 3D相比，FIRST的冠状动脉支架图像质量更佳，支架内CT值净增比更低，且检测支架内再狭窄的灵敏度及阴性预测值高达100%。

因此，采用IR技术可在使用锐利核、降低kV、mAs引起的图像噪声増加时，对图像质量进行优化，实现CCTA支架成像的低剂量检查。

5.大螺距扫描

螺距定义为扫描床的速度与层厚之比，螺距越大，则扫描时间越短，因此，增大螺距不仅可以缩短扫描的时间，减少扫描过程中的心脏搏动伪影，还可以大大降低患者的辐射剂量。螺距从传统的0.2到现在3.4，辐射剂量可减少到1 mSv左右[34,35,42]。Xia等[34]通过大螺距、标准螺距及低螺距3种扫描方式，患者心率≤65次/分，研究表明三者之间支架的图像质量相当，但是采用大螺距扫描的有效辐射剂量最低，仅为(1.0±0.5) mSv。Wichmann等[42]在第二代双源CT采用大螺距扫描和前瞻性心电门控扫描进行分组对比研究，管电压设为100 kV，前者的有效辐射剂量[(1.27±0.62) mSv]低于后者[(2.04±0.94) mSv]。Yang等[35]采用前瞻性大螺距扫描(螺距为3.4)联合IR技术，诊断支架内再狭窄的阴性预测值在内径>3 mm的支架中高达100%，在内径≤3 mm的支架中为90%，有效辐射剂量仅(1.4±0.5) mSv。

大螺距扫描可以显著的降低辐射剂量，但是其对受检者的心率要求非常严格，心率需稳定且低于65次/分，因此在临床应用中，对于满足要求的患者可采用大螺距扫描，既能保证图像质量、达到诊断要求，又能降低辐射剂量。

小结与展望

随着多排螺旋CT图像的空间分辨率与时间分辨率不断地提高，冠脉CTA成像对检测支架内再狭窄的准确性显著上升，非侵入性CTA在PCI术后的随访中扮演着越来越重要的角色。CCTA支架成像可以通过管电压调制、管电流调制、前瞻性心电门控扫描、大螺距扫描等方式来降低辐射剂量，结合迭代重建技术来优化图像质量、达到诊断要求。能否在降低辐射剂量的条件下，保证支架的图像质量和小内径支架的管腔内显示是现在CCTA支架成像的研究热点之一。第三代DSCT时间分辨率达66 ms，联合ADMIRE技术，未来低剂量CCTA在PCI术后随访复查中对支架成像的应用将更加广泛。