双ROI透视触发扫描在提高CCTA图像质量中的可行性研究

何拓，姚悦，王少彤，向颖，丁墩，李晓会

西安交通大学第二附属医院 医学影像科，陕西 西安 710004

[关键字] 计算机断层扫描；冠状动脉CT血管成像；智能追踪触发法；透视触发；图像质量

引言

冠状动脉粥样硬化性心脏病的发病率和致死率逐年增高[1]，且呈现低龄化趋势[2]，早期诊断对改善冠心病预后有着非常重要的意义[3-4]。冠状动脉CT血管成像（Coronary Computed Tomography Angiography，CCTA）因其无创、简便易行、能够良好显示冠状动脉等特点已经成为诊断冠心病的主要检查手段。在CCTA检查中，由于患者的心率和心输出量存在个体差异，对比剂的注入时间对图像质量有很大影响，因此研究者们通过调整对比剂注射开始和数据采集之间的时间间隔，实现最佳的对比剂峰值捕捉效果和最佳的图像质量，常用的如通过经验值法、小剂量测试法以及智能追踪触发等方法进行对比剂的峰值捕捉[5]。在CCTA检查中，经验值法因其主观性较强且具有较大误差目前很少采用，小剂量测试法虽然对比剂峰值捕捉效果最准确，但其增加了对比剂用量及辐射剂量、延长了检查时间，因此临床工作中也较少采用。目前临床中最为常用的是智能追踪触发法，但也存在一定的局限性。智能追踪触发法依赖固定的触发阈值及固定的触发后延迟时间，因此不能避免因患者血液循环差异带来的峰值捕捉不确定性问题，尤其是智能追踪触发法并不能消除根据年龄、心率、体重等制定的个体化对比剂注射方案对峰值捕捉效果的影响，从而出现扫描失败或者图像质量不能满足诊断要求等情况[6]。因此，如何实现对比剂峰值的精准捕捉、最大化提高CCTA图像质量是临床工作中面临的重要问题。本研究旨在探索应用双感兴趣区（Region of Interest，ROI）透视触发扫描实现对比剂峰值的精准捕捉进而提高CCTA图像质量的可行性。

1 材料与方法

1.1 研究对象

前瞻性连续纳入2020年12月至2021年3月在西安交通大学第二附属医院影像科行CCTA成像患者共100例。使用随机数字表法分成实验组（双ROI透视触发组）和对照组（智能追踪触发组），每组50例。本研究经我院伦理委员会批准且所有患者均获得知情同意告知。

纳入标准：临床拟诊冠心病；体检患者；年龄≥18周岁。排除标准：对比剂过敏者；心脏解剖结构异常者（房间隔缺损、室间隔缺损等）；有起搏器、封堵器、人工瓣膜植入物者；扫描过程中发生对比剂外渗者；扫描过程中对比剂及生理盐水注射速率未达到设定值者。

1.2 检查方法

1.2.1 检查设备

采用256排CT（Revolution CT，GE Healthcare）前门控扫描进行CCTA扫描。扫描条件：100 kVp，Smart mA（450～720 mA），探测器宽度16 cm，转速0.35 s/r（心率≤80 次/min）或0.28 s/r（心率＞80 次/min），轴扫模式，扫描范围为气管分叉下1 cm至膈顶。

1.2.2 对比剂注射方案

采用碘海醇350 mgI/mL× 100 mL注射液（通用电气药业〔上海〕有限公司），根据患者的BMI不同采用个性化对比剂注射方案[7]，见表1。

表1 对比剂注射方案

1.2.3 扫描方法

所有患者检查前均进行呼吸训练。对照组采用智能追踪触发扫描，触发阈值设为75 HU，ROI置于胸主动脉，达到阈值后延迟5.5 s同时嘱患者屏气后扫描（图1a）。实验组患者采用双ROI透视触发扫描的方法手动启动扫描，将动态透视层面置于右肺动脉干水平，ROI-1置于右肺动脉干，ROI-2置于降主动脉，ROI的面积均≥10 mm2，关闭自动触发。对比剂注射后延迟5 s开始动态监测，并在同一层面绘制ROI-1和ROI-2的时间-密度曲线。ROI-1时间-密度曲线呈现先升后降的趋势，ROI-2的时间密度曲线呈现平台-升高的趋势，待两支曲线相交时手动启动扫描，延迟3.1 s同时嘱患者屏气后曝光（图1b）。

图1 2组患者的扫描方法示意图

1.3 图像重建

所有图像数据均使用Detail算法重建时间增强序列，ASiR-V混合权重选择30%，重建矩阵为512×512、层厚0.625 mm；将重建后图像传输至后处理工作站（AW4.7 Advantage Workstation，GE Healthcare）， 进 行 容 积 再现（Volume Rendering，VR）、 曲 面 重 建（Curved Planar Reformation，CPR）、最大密度投影（Maximal Intensity Projection，MIP）等处理。

1.4 图像质量评价

1.4.1 主观评价

所有图像由两位高年资影像科医师按照国际心血管CT协会2014年发布的冠状动脉分段体系进行分段[8]，将存在线束硬化伪影无法评估图像质量的冠状动脉节段剔除，将剩余的冠状动脉节段采用双盲法进行Likert 5分制评价，对两位医师的评分结果进行一致性检验，若评分一致性良好则将两位医师的评分结果取平均值作为最终评分，若主观评分一致性不佳则由第三名高年资医师对图像进行评分。Likert 5分，冠状动脉各节段显示清晰，管腔充盈良好，无运动伪影；Likert 4分，冠状动脉各段基本显示清晰，管腔充盈较好，仅主要冠状动脉部分节段有轻微运动伪影；Likert 3分，冠状动脉各节段显示尚可，管腔充盈情况一般，主要冠状动脉有一半以上的节段有伪影；Likert 2分，冠状动脉节段勉强可以显示，管腔充盈不良，主要冠状动脉全段都具有不同程度的运动伪影；Likert 1分，冠状动脉未充盈或不能显示，主要冠状动脉模糊且无法辨认。图像质量小于3分者判定为扫描失败，不能满足诊断标准。

1.4.2 客观评价

实验组及对照组均在左冠状动脉开口层面的主动脉根部、右冠状动脉主干、左冠状动脉主干管腔内放置ROI，避开钙化、斑块、冠状动脉支架及血管边缘，ROI面积均不小于10 mm2，测量其CT值、噪声值（Standard Deviation，SD）；并测量同层面脂肪及肌肉的CT值、SD值，ROI面积约100 mm2，所有ROI均测量3次，取3次测量的平均值作为最终结果；分别计算血管信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）和对比噪声比（Contrast to Noise Ratio，CNR）。SNR=管 腔 内 CT值 /脂 肪 噪 声 值 ；CNR=（管腔内CT值-肌肉CT值）/脂肪噪声值。同时记录每例扫描的剂量长度乘积（Dose Length Product，DLP）及CT剂量指数（CT Dose Index Volume，CTDIvol），并计算有效辐射剂量（Effective Does，ED）：ED (mSv)=DLP (mGy·cm)×0.014 mSv/(mSv·cm)[9]。

1.5 统计学分析

本研究所有数据均采用SPSS 20.0软件进行统计。所有计量资料数据均使用Shapiro-Wilk检验方法进行正态性验证，对于符合正态性分布的计量资料数据使用两独立样本t检验进行比较，对于不符合正态分布的数据使用非参数秩和检验进行比较，检验水准α取0.05，双侧检验。两名高年资医师对图像的主观评分首先使用Kappa系数进行一致性检验，然后采用非参数秩和检验对其主观评分的平均值进行比较。Kappa值为0～0.20表示一致性极低，0.21～0.40表示一致性一般，0.41～0.60表示中等一致性，0.61～0.80表示高度的一致性，0.81～1.0表示几乎完全一致。

2 结果

2.1 一般资料

本研究最终共纳入88例患者，其中实验组43例，对照组45例。有4例患者出现对比剂外渗被排除，3例患者因心脏内有金属植入物被排除，2例患者因存在房间隔缺损被排除，1例患者因存在对比剂过敏被排除，2例患者因对比剂注射时未达到设定的流速被排除。两组患者的临床资料及ED的比较如表2所示，ED因不服从正态分布使用Mann-Whitney U检验分析。除实验组与对照组的生理盐水注射量差异有统计学意义外（P=0.018，t=2.416），其余基本资料均无统计学差异。实验组和对照组的ED无显著统计学差异（P＞0.05）。

表2 两组患者的基本资料及ED对比（±s）

表2 两组患者的基本资料及ED对比（±s）

注：a使用独立样本t检验，b使用非参数秩和检验。

参数 对照组 (n=45)实验组 (n=43)P值 t/Z值年龄/岁 54.60±11.70 58.63±12.78 0.127 -1.54a性别/ (男/女) 28/17 23/20 - -体质指数/ (kg/m2) 25.57±3.83 25.40±3.08 0.821 0.227a心率/ (次/min) 74.62±13.19 72.00±14.29 0.374 0.893a对比剂用量/mL 42.20±5.53 41.49±4.68 0.518 0.650a生理盐水量/mL 41.16±6.06 38.40±4.60 0.018 2.416a注射速率/(mL/s) 4.21±0.55 4.12±0.44 0.408 0.831a DLP/ (mGy·cm) 302.30±116.77 282.94±66.33 0.121 0.414a CTDIvol 32.53±8.24 34.04±4.53 0.882 0.366a ED/mSv 4.23±1.63 3.96±0.93 0.754 0.314b

2.2 主观评价

两名影像诊断医师对所有图像的评分高度一致（Kappa=0.761）。Mann-Whitney U检验结果显示两组图像主观评分[对照组（3.89±0.86）分，实验组（4.26±0.78）分]存在统计学差异（Z=2.092，P=0.036），见表3。

表3 两位影像诊断医师的主观评分

2.3 客观评价

对所有计量资料使用Shapiro-Wilk检验方法进行正态性验证，除主动脉根部CT值、左冠状动脉CT值因不服从正态分布使用Mann-Whitney U检验外，其余数据均服从正态分布，使用独立样本t检验进行比较。实验组主动脉根部、左冠状动脉主干的CT值、SNR及CNR均高于对照组，差异具有统计学意义（P＜0.05），实验组图像的客观评分更高。但二者右冠状动脉主干的CT值、SNR及CNR无明显统计学差异（P＞0.05），见表4。

表4 两组图像质量客观评价比较

3 讨论

CCTA对于冠心病的早期发现和诊断有重要意义[10]。研究表明，冠状动脉血管内具有足够高且均一稳定的CT值对于病变具有更好的诊断敏感度及特异度[8,11-15]。传统CCTA采用智能追踪的方法仅在主动脉内放置单个ROI且采用恒定阈值自动触发，难以适应不同循环状态的患者，通常需要采取增加对比剂剂量的办法来延长峰值时间以保证图像质量。本研究结果显示采用双ROI透视触发进行CCTA扫描获得的图像客观评分均高于对照组，该方法提高了冠状动脉的成像质量。

双ROI透视触发不设置固定的触发阈值，对比剂进入和退出时间与患者的个体循环状态是相关联的，因而不同患者从开始注射对比剂到启动扫描的延迟时间也是一个随着患者个体循环状态改变而变化的值[16]。Tatsugami等[17]的研究也证实了这一点，在肺动脉和升主动脉中各放置一个ROI可以减少不同个体间强化程度的变异性。与本文采取的实验方法不同，Kai等[18]的双ROI触发方案是在肺动脉干和升主动脉内分别放置ROI，当肺动脉内ROI的CT值达到阈值时嘱患者屏气，当主动脉内CT值达到所设定的阈值时启动扫描。与本研究相同的是都通过减少达到阈值后的延迟时间起到对血管强化程度的“锚定”作用，从而提高图像质量、缩小不同患者之间的强化差异度。但Kai等[18]的方法延长了患者的屏气时间，对于肺功能较差的患者成像存在一定的局限性。

本研究中双ROI触发法经比较可以显著提高主动脉根部、左冠状动脉主干的CT值、SNR、CNR及右冠状动脉的CT值，但对右冠状动脉的图像质量提高效果并不显著，这可能与以下两个因素有关：首先实验组的SNR、CNR虽略高于对照组，但差异不显著，这可能与样本量较小有关；其次，由于超过70%的人冠状动脉为右优势型[19]，导致右冠状动脉的灌注要好于左冠状动脉，这一点也会缩小实验组与对照组右冠状动脉之间的差异。实验组的生理盐水注射量要略微小于对照组，这可能是由于实验组的患者BMI稍小于对照组的患者，在实际的实验过程中实验组及对照组均是按照统一的注射方案进行注射，不会对实验结果产生影响。本研究中实验组及对照组均存在因扫描技术原因导致检查失败的案例。经过回顾分析发现，对照组扫描失败的案例大多发生在心功能不全的患者中，扫描失败的原因主要与触发时相有关。对于心功能较差的患者，其动态监测ROI内的时间-密度曲线呈现缓慢爬升的状态且对比剂峰值常低于一般患者，导致在时间-密度曲线达到所设定的扫描启动阈值并经过已设定的延迟时间后，目标血管内的CT值还处于上升阶段或是已经开始回落，最终导致检查失败[20]。其次，本研究所使用的16 cm宽体探测器对冠状动脉的扫描速度非常快，绝大多数患者在0.5～0.7 s内即可完成全心范围扫描，相较于其他需要数秒时间来采集多个心动周期进行冠状动脉成像的机型而言，极短的扫描时间也限制了对比剂在扫描过程中继续充盈血管从而共同导致血管内CT衰减值达不到临床诊断要求。实验组因其同时监测冠状动脉的流入及流出端，很好地避开了心功能异常患者的循环问题。但是由于血管搏动的影响，肺动脉内的ROI并非随时都能处于血管腔内，因此在实际的动态监测过程中观察到的时间-密度曲线常呈现小范围的波动，而不是一条走向平滑的曲线。实验组中不能满足临床诊断的病例则是操作者在实验初期对时间-密度曲线判读不准确导致提前或延后触发扫描导致的。

本研究中存在的主要不足在于双ROI触发的扫描方法中肺动脉干层面的选择、动态监测过程中时间-密度曲线的判读以及启动扫描时机的选择均需由人工完成，具有一定的主观性，但本研究中并未将该因素纳入考虑。本研究采用的双ROI触发方法也存在一定的局限性：① 样本量较小，后期需要扩大样本量继续研究；② 入组病例中，高龄、大体重、心律失常的特殊类型的个案较少，双ROI触发扫描法是否能在特殊患者CCTA中推广有待进一步验证；③ 双ROI透视的方法对扫描设备有一定的要求，部分设备的操作软件可能不支持在动态监测层面内绘制1个以上的ROI，这或许对本研究的推广有一定的限制。由于对噪声指数有所要求，本研究所采用的Smart mA范围较高，导致未能有效降低ED，后续研究可以进一步探讨双ROI透视触发的方法在降低ED方面的应用。另外还可以在后续研究中继续对流入端和流出端ROI的放置位置进行探索和比较，以期发现更加便于寻找、增强效果更稳定的动态监测区域。

4 结论

双ROI透视触发扫描在CCTA检查中能够实现可视化触发扫描，并可有效提高冠状动脉成像质量，在临床中具有潜在应用价值。