优化采集时间窗对冠状动脉CT血管成像图像质量及辐射剂量的影响

刘卓, 王征, 洪楠, 张卓璐

随着CT技术的发展，冠状动脉CT血管成像(coronary computed tomography angiography， CCTA)已成为诊断冠状动脉疾病(coronary artery disease，CAD)的重要影像学检查方法[1]；然而，CCTA图像中的伪影特别是冠脉运动伪影成为影响图像质量的重要原因。提高成像时间分辨率是抑制运动伪影的首要途径，但由于硬件条件的制约，时间分辨率的提高受到限制。在时间分辨率一定的条件下，选择最佳采集时间窗即在冠脉运动最缓慢的时刻采集数据成为抑制运动伪影的有效方法。另一方面，在最佳采集时间窗以外的时间减少曝光剂量甚至不曝光可以大幅降低受检者所接受的辐射剂量[2-4]。因此，确定冠脉最佳成像期相随心率分布的规律成为优化采集时间窗、抑制冠脉运动伪影、降低辐射剂量的关键[5-7]。本研究旨在探讨CCTA的最佳重建期相，优化采集时间窗，比较优化采集时间窗扫描模式与全心动周期全剂量扫描模式的图像质量及辐射剂量。

材料与方法

1.病例资料

搜集以心功能分析为检查目的而行全心动周期曝光模式的CCTA检查者400例(A组)，确定最佳重建期相。以最佳重建期相的95%置信区间作为优化的采集时间窗，即最佳重建期相平均值±标准差×2。400例受检者(B组)应用优化的采集时间窗完成CCTA检查。

2.检查方法

CT检查采用256排探测器CT (Revolution CT，GE Healthcare)，扫描范围包括气管分叉至心底。探测器Z轴扫描范围可选择12、14或16 cm，全部数据可在一个心动周期内采集完成。扫描参数：球管旋转速度为0.28 s/r，重建层厚、层间隔均为0.625 mm，管电压、管电流由自动曝光控制系统决定，管电压选择100 kV或120 kV，管电流范围为200～740 mA。噪声指数(noise index，NI)选择25 HU。

A、B两组均采用以下对比剂注射方案：以5 mL/s的流率经肘正中静脉注射非离子型碘对比剂碘普罗胺( 370 mg I/mL) 50 mL。对比剂注射完成后以相同流率追加注射30 mL生理盐水。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，ROI内CT值增加超过80HU后6s启动扫描。A组采集时间窗为0～100%RR间期，即全心动周期全剂量曝光模式；根据A组最佳重建期相的统计结果优化曝光时间窗，应用于B组。

3.最佳重建期相的确定方法

最佳(冠脉运动伪影最小)重建期相的确定包括两个步骤：第一步，以5%的间隔重建0%～95%心动周期的20套图像，并以主观评价的方法从中挑选出最佳的一套；第二步，以第一步选出的最佳期相为中心，以1%的间隔重建其前后的各4个期相图像(共8套图像)。从这8套图像及第一步选出的一套图像共计9套图像中挑选出一套最佳图像，以此套图像对应的期相作为该病例冠脉成像的最佳重建期相。

4.图像质量评价

图像质量主观评价：按照美国心脏协会15段分段标准，评价直径超过2 mm的冠脉节段。图像由两位具备5年以上诊断经验的放射医师采用盲法进行评价。阅片者对图像质量进行独立评分，采用4分制进行评价: 1分，图像质量优，冠脉无伪影；2分，图像质量良，冠脉轻度伪影，不影响诊断；3分，图像质量中，冠脉伪影明显，但不影响诊断；4分，图像质量差，伪影严重，无法诊断。1～3分的图像可用于诊断。各节段评分取最低值，记为该病例的最终得分。

图像质量客观评价：于升主动脉根部设置ROI,记录ROI内CT值平均值及标准差(standard deviation，SD)。以标准差作为评价图像噪声水平的指标，以信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)作为评价图像质量的客观指标，SNR=CT值平均值/SD。

5.辐射剂量

本研究讨论的辐射剂量仅针对CCTA，不包括定位像、钙化积分扫描等造成的辐射剂量。由于采集时间窗的宽窄仅影响容积CT剂量指数(volume CT dose index，CTDIvol)，不影响扫描范围，因此讨论辐射剂量时仅涉及CTDIvol，无需考虑剂量长度乘积(dose length product，DLP)和有效剂量(effective dose，ED)。

图1 A组400例受检者冠脉CT最佳重建期相按心率分布散点图。

表2 图像质量主观评分及CTDIvol (mGy)

6.统计学分析

结 果

A、B两组的受检者年龄、性别、体质指数(body mass index，BMI)差异均无统计学意义(P值均>0.05)。两位观察者间的一致性较好，K值=0.87。

A组400例受检者的平均心率为(70.54±13.06) bpm(43～137 bpm)。最佳重建期相按心率的分布情况见图1～4。心率<61 bpm的受检者，最佳重建期相位于60%～90% RR间期；心率>75 bpm的受检者，最佳重建期相位于30%～70% RR间期(图1)。因此，选择61 bpm、75 bpm作为分界点，将心率<61 bpm的受检者纳入低心率组(A1组)，心率介于61～75 bpm的受检者纳入中心率组(A2组)，心率>75 bpm的受检者纳入高心率组(A3组)。

低心率组最佳重建期相为(76±3)% RR间期(95%置信区间：70%～82% RR间期)；中心率组以60% RR间期为界，最佳重建期相位于(44±3)%及(76±3)% RR间期(95%置信区间38%～50%、70%～82% RR间期)；高心率组最佳重建期相为(48±5)% RR间期(95%置信区间38%～58%RR间期)。根据上述结果，取最佳重建期相的95%置信区间作为优化的采集时间窗(图2，表1)，应用于B组检查。

B组400例受检者的平均心率为(70.38±13.05) bpm(42～149 bpm)，心率<61 bpm的受检者纳入B1组，心率介于61～75 bpm的受检者纳入B2组，心率>75 bpm的受检者纳入B3组。

A组的图像质量主观评分为(1.52±0.65)分，B组为(1.51±0.63)分，两组差异无统计学意义(Z=-0.025，P=0.980)；A1组的图像质量主观评分为(1.11±0.32)分，B1组的主观评分为(1.08±0.27)分，两组差异无统计学意义(Z=-0.811，P=0.418)；A2组的图像质量主观评分为(1.50±0.54)分，B2组为(1.57±0.55)分，两组差异无统计学意义(Z=-1.191，P=0.234)；A3组的图像质量主观评分为(1.84±0.80)分，B3组为(1.74±0.76)分，两组差异无统计学意义(Z=-0.917，P=0.359，表2)。A组SNR值为15.76±3.70，B组为15.66±4.59，两组差异无统计学意义(t=0.333，P=0.739)。CTDIvol方面，B1组较A1组降低81%；B2组较A2组降低56%；B3组较A3组降低70%(表2)。

表1 最佳重建期相及最佳采集时间窗(% RR间期)

讨 论

CCTA已经成为诊断冠状动脉疾病重要的影像学手段。随着CT技术的提升，图像质量得到明显改善，辐射剂量大幅降低[8,9]。然而电离辐射危害、高心率等因素的制约仍然是CCTA技术面临的挑战。抑制冠脉运动伪影、降低辐射剂量始终是研究的重要方向。管电流心电门控技术是降低CCTA辐射剂量的有效手段[10-13]。在心动周期的某段时间内，受检者接受较高的管电流；在其它时间，受检者接受较低的管电流(通常设置为最高剂量的20%)甚至完全不接受曝光。应用管电流心电门控技术的前提是根据心率等情况设置合理的采集时间窗：在冠状动脉运动相对较慢的时间全剂量曝光，在冠状动脉运动相对较快的时间低剂量曝光或者不曝光。

图2 低、中、高心率组最佳重建期相分布。a) 低心率组最佳重建期相； b) 中心率组最佳重建期相； c) 高心率组最佳重建期相。

图3 高心率受检者(77bpm)45%RR间期图像优于75%RR间期图像。a)45%RR间期图像；b)75%RR间期图像。 图4 低心率受检者(59bpm)75%RR间期图像优于45%RR间期图像。a)45%RR间期图像；b)75%RR间期图像。

掌握冠状动脉的运动规律是优化采集时间窗、抑制冠脉运动伪影、降低辐射剂量的关键。一个心动周期(RR间期)内，有两段冠脉运动较慢的时间即相对静止期，分别出现在舒张中末期及收缩末期。通常，慢心率者的冠脉运动速度在舒张中末期低于收缩末期，因此舒张中末期冠脉运动伪影相对较小；而高心率者冠脉运动速度在收缩末期低于舒张中末期，因此收缩末期冠脉运动伪影相对较小。简单来说，对于慢心率受检者最佳成像时间通常位于舒张中末期，对于快心率受检者最佳成像时间通常位于收缩末期[14-19]。

受成像时间分辨率的制约，既往研究中受检者心率受到一定限制，多不超过100 bpm。本研究纳入的受检者，扫描时心率最高达到149 bpm，心率超过100 bpm者达23例。因此，通过分析上述病例计算出的最佳成像时间窗适用范围更广、说服力更强。本研究中最佳重建时相的选择方法简单有效，具有较大的适用范围和较高的推广价值。本研究结果显示，低心率(<61 bpm)受检者最佳成像时间位于舒张中末期(70%～82%)；中心率(61～75 bpm)受检者最佳成像时间位于舒张中末期(70%～82%)或收缩末期(38%～50%)；高心率(>75 bpm)受检者最佳成像时间位于收缩末期(38%～58%)。本研究的局限性：本研究为单中心研究，结论是否适用于其它类型的CT设备尚未可知，有待进一步研究观察；另外，本研究未涉及心率变化的情况，心率波动对最佳成像时间窗的影响有待进一步研究。

综上所述，合理优化采集时间窗，缩短曝光时间可大幅降低CCTA检查的辐射剂量且不影响图像质量。