双层探测器光谱CT冠状动脉成像虚拟单能级图像与常规图像质量比较

陆璐，盛茂，李若梅，赵子健，袁虎，张继，钱银锋，李小虎*

1.安徽医科大学附属合肥医院 合肥市第二人民医院影像中心，安徽 合肥 230001；2.安徽医科大学第一附属医院放射科，安徽 合肥 230022；*通信作者 李小虎 lixiaohu@ahmu.edu.cn

冠状动脉CT血管成像（coronary computed tomography angiography，CCTA）作为一种无创性检查技术，已广泛用于评价冠状动脉病变。对于低-中度冠状动脉疾病风险患者，CCTA具有较高的敏感性和阴性预测值[1]。常规CCTA为混合能量成像，由于部分容积效应和线束硬化伪影的影响，会高估钙化斑块的体积，低估非钙化斑块的体积，导致狭窄程度评价不准确[2]。双层探测器光谱CT具有一个X射线球管，但有两层探测器，上层吸收低能光子，下层吸收高能光子，从而将穿透人体的X线生成高低两种能量数据[3]。这些数据经过图像后处理可获得不同的光谱图像，包括虚拟单能图像、碘密度图、虚拟平扫以及有效原子序数图[4]。其中，虚拟单能级图像代表单能量X线光子透照人体后产生的图像[5]。低能级图像具有较好的软组织分辨力及较低的噪声，可以提高CCTA图像的信噪比（SNR）和对比噪声比（CNR），高能级图像可以减轻硬化束伪影[6]。本研究拟比较双层探测器光谱CT获得的40～150 keV范围内虚拟单能级图像与常规CCTA图像的质量，旨在提高CCTA对冠状动脉病变的诊断准确性。

1 资料与方法

1.1 研究对象 回顾性分析合肥市第二人民医院2021年2—6月行双层探测器光谱CCTA患者的影像资料。排除标准：①肾功能不全、对比剂过敏、心律不齐；②40 d内发生过心肌梗死；③复杂的先天性心脏病；④具有心脏手术病史（支架置入、冠状动脉旁路移植术及瓣膜移植）及心力衰竭病史。共收集100例患者，其中男55例，女45例，平均年龄（57.9±13.1）岁。本研究经过医院伦理委员会批准（2021034），所有患者均签署知情同意书。

1.2 检查方法 采用双层探测器光谱CT（Philips）心电门控回顾性轴位扫描。患者心率均控制在70次/min以下。扫描范围从气管分叉下方1 cm至心脏膈面水平。扫描参数：准直器宽度64×0.625 mm，转速0.27 s/圈，管电压120 kV，管电流采用自动调制技术。使用双筒高压注射器于右侧肘正中静脉注入70 ml碘克沙醇（含碘量320 mg/ml）对比剂，流速5.0 ml/s，注射完毕后立即以相同流速注射40 ml生理盐水。应用对比剂示踪技术，在降主动脉设定感兴趣区（ROI），当CT值达到90 Hu时，延迟6 s自动触发扫描。采用能级迭代重建方式对图像进行重建，获得40～150 keV光谱图像，层厚0.9 mm，间隔0.5 mm，强度3。

1.3 图像后处理 使用Philips SpDS后处理工作站，从40～150 keV，每隔10 keV重建出1组虚拟单能量图像，并重建出容积再现（VR）和曲面重组（CPR）图像。

1.4 图像评价 图像质量客观评价：在轴位像上选取ROI，测量主动脉根部（AO）、左前降支（LAD）中段、左回旋支（LCX）中段及右冠状动脉（RCA）中段的CT值，ROI范围接近动脉管径，避开钙化斑块区域，测量3次，取平均值，每次ROI大小尽量一致，以AO CT值的标准差作为图像噪声，比较各能级单能量图像以及常规图像冠状动脉的CT值、SNR、CNR及图像噪声。

图像质量主观评价：将冠状动脉分为18个节段，由2名高年资主任及副主任医师按4分法分别单独评估冠状动脉每一节段的图像质量。评分标准：1分，噪声大，伪影重，解剖结构显示不清，图像质量差；2分，噪声较大，伪影较重，解剖结构显示欠清，图像质量较差；3分，噪声较小，伪影较少，解剖结构显示清楚，图像质量良好；4分，噪声小，无伪影，解剖结构显示清楚，图像质量佳。如评价结果不一致时，由第3名高年资主任医师决定最终结果。

1.5 统计学方法 使用SPSS 25.0软件，符合正态分布的计量资料以±s表示，组间比较采用配对t检验；非正态分布的计量资料采用M（Q1，Q3）表示，组间比较采用Kruskal-Wallis检验。采用Spearman相关分析虚拟单能级水平与图像SNR、CNR的相关性。主观评分一致性采用Kruskal-Wallis检验。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 虚拟单能级图像与常规图像CT值、SNR、CNR及图像噪声比较 40～150 keV虚拟单能级图像与常规图像AO、LAD、LCX和RCA的CT值、SNR、CNR及图像噪声比较，差异有统计学意义（P均＜0.05），见表1～3。

表1 不同虚拟单能级图像CT值与常规图像CT值比较[M（Q1，Q3）]

表2 不同虚拟单能级图像与常规图像SNR比较[M（Q1，Q3）]

2.2 虚拟单能级图像SNR、CNR与keV的相关性LAD、LCX、RCA虚拟单能级图像的SNR与keV能级呈负相关（r=-0.864、-0.843、-0.856，P＜0.01），LAD、LCX、RCA虚拟单能级图像的CNR与keV呈负相关（r=-0.816、-0.782、-0.826，P＜0.01），见图4。

图4 左前降支（A）、左回旋支（B）和右冠状动脉（C）虚拟单能级图像的SNR、CNR与keV能级的相关性

表3 不同虚拟单能级图像与常规图像CNR比较[M（Q1，Q3）]

40 keV虚拟单能级图像AO、LAD、LCX和RCA的CT值最高，随着能级升高，各组CT值逐渐减低。40 keV、50 keV虚拟单能级图像AO、LAD、LCX和RCA的CT值明显高于常规图像（P均＜0.01）。

图像噪声在40 keV时最大，40～70 keV图像噪声逐渐下降，70 keV之后图像噪声保持稳定。40 keV、50 keV虚拟单能级图像AO、LAD、LCX和RCA的SNR及CNR明显高于常规图像（P均＜0.01），见图1～3。

图1 男，42岁，左前降支混合斑块，管腔轻度狭窄。A.左前降支VR图；B. 40 keV单能级CPR图，CNR为26；C.常规CPR图，CNR为7

2.3 主观评价指标 40 keV、50 keV虚拟单能级图像与常规图像主观评分比较显示，虚拟单能级图像15例有13个血管节段可评估，55例有14个血管节段可评估，25例有15个血管节段可评估，5例有16个血管节段可评估，共1 420个血管节段可评估。常规图像13例有13个血管节段可评估，43例有14个血管节段可评估，10例有15个血管节段可评估，1例有16个血管节段可评估，共937个血管节段可评估。40 keV、50 keV虚拟单能级图像LAD、LCX、RCA远端血管显示明显优于常规图像，优秀及良好的图像明显多于常规图像（H=194，P＜0.01），见表4。

表4 40 keV、50 keV虚拟单能级图像与常规图像主观评分比较

图2 男，44岁，左回旋支未见明显钙化及非钙化斑块。A.左回旋支VR图；B. 40 keV单能级CPR图，CNR为32；C.常规CPR图，CNR为10

图3 男，67岁，右冠状动脉未见明显钙化及非钙化斑块。A.右冠状动脉VR图；B. 40 keV单能级CPR图，CNR为24；C.常规CPR图，CNR为8

3 讨论

CCTA可以直观显示冠状动脉的病变部位和管腔狭窄程度，操作简便、无创，目前已广泛应用于临床。

3.1 双层探测器光谱CT虚拟单能量图像原理 能谱CT以其多参数成像的特点，已广泛应用于临床[7-8]。与常规CT扫描相比，双层探测器光谱CT的探测器可以分别吸收不同能级X线。混合能级的X线经过高低层探测器吸收后再分别以光电效应和康普顿效应线性结合形式输出，从而得到不同能级的单能量图像。一次扫描可在相同时间及位置获得40～200 keV范围内161个虚拟单能级图像[4,9]，通过选择不同的单能级可优化图像的对比度，从而提供更加丰富的图像信息[7,10]。

3.2 双层探测器光谱CT虚拟单能量图像质量 本研究将双层探测器光谱CT 40～150 keV虚拟单能级图像与常规CCTA图像AO、LAD、LCX和RCA的CT值进行比较，发现40 keV、50 keV虚拟单能级图像AO、LAD、LCX和RCA的CT值明显高于常规图像（P＜0.01），与Chalian等[11]的研究结果基本一致，即50 keV虚拟单能级图像升主动脉、主动脉弓及降主动脉各段CT值均明显高于常规图像，可以提高图像质量。也有研究指出40 keV虚拟单能级图像冠状动脉CT值相当于常规图像的3～4倍[12]，这主要是由于低能级图像主要受光电效应的影响，血管的CT值接近碘的k边缘值，血管的强化程度较高，组织间的对比增加，可以改善血管强化不佳的图像质量，并有助于显示远端细小血管，高能级水平图像主要受康普顿散射的影响，虽然减少图像的硬化束伪影，但同时会降低图像对比度[4,12]。

Kalisz等[13]报道40 keV图像噪声最大，40～70 keV图像噪声逐渐下降，70～200 keV图像噪声稳定在较低水平，本研究结果与该研究基本相符，虽然本研究中40 keV、50 keV图像噪声较常规图像大，但无显著差异，而70～150 keV图像噪声明显低于常规图像。这主要是由于双层探测器光谱CT的单能级图像采用噪声反相关技术，将图像分解为光电图像和康普顿散射图像，当光电图像噪声增加时，康普顿散射图像噪声减低，70 keV时两者权重相等，噪声最小，低能级或高能级噪声较大[13-15]。

虽然40 keV图像噪声最大，但对40～150 keV虚拟单能级图像LAD、LCX、RCA的SNR和CNR比较显示，40 keV虚拟单能级图像LAD、LCX、RCA的SNR和CNR最高，随着能级升高，LAD、LCX、RCA图像的SNR和CNR显著降低，LAD、LCX、RCA虚拟单能级图像的SNR、CNR与keV呈负相关，与既往研究[16]相符。付蓝琦等[17]对胃结肠静脉干CTA虚拟单能级图像评价发现，40 keV虚拟单能级图像胃结肠静脉干SNR及CNR明显高于其他能级图像，且随着能级降低，SNR及CNR呈递增趋势。

40 keV、50 keV虚拟单能级图像AO、LAD、LCX和RCA的SNR及CNR明显高于常规图像，其原因为低能级图像受光电效应影响最大，碘衰减对血管强化的影响超过了噪声对血管强化的影响，因此SNR和CNR最高[18]。

将40 keV、50 keV虚拟单能级图像与常规图像的主观评分进行比较，结果显示40 keV、50 keV虚拟单能级图像中LAD、LCX、RCA远端血管显示明显优于常规图像，优秀及良好的图像也明显多于常规图像。Du等[19]在对宫颈癌CTA分析中发现，50 keV虚拟单能级图像在显示血管清晰度、血管边缘锐利度和血管分支数上均优于常规图像和70 keV虚拟单能级图像，杨海涛等[20]利用双能量CT对炎性肠病图像质量分析发现，50 keV虚拟单能量图像质量和图像锐利度得分最高。本研究结果与上述结果基本一致。

3.3 本研究的局限性 ①本研究为单中心回顾性研究，样本量相对较少，结果还需更大样本研究进一步验证。②本研究采用常规的对比剂浓度及剂量，未考虑对比剂对图像质量的影响。③本研究所选择血管不包括明显钙化或弥漫性钙化区域，未能比较虚拟单能级图像在减轻钙化伪影方面的优势，后续将对其进一步研究，同时也会将心肌功能成像与虚拟单能级图像相结合，实现功能和结构相对应，提高诊断准确性。

综上所述，双层探测器光谱CT 40 keV、50 keV虚拟单能级图像较常规CCTA图像具有更高的SNR和CNR，远端血管显示也优于常规图像，明显提高了冠状动脉图像质量，对冠状动脉病变的显示具有较高的临床应用价值。