雙ROI透視觸發(fā)掃描在提高CCTA圖像質(zhì)量中的可行性研究

何拓，姚悅，王少彤，向穎，丁墩，李曉會(huì)

西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院 醫(yī)學(xué)影像科，陜西 西安 710004

[關(guān)鍵字] 計(jì)算機(jī)斷層掃描；冠狀動(dòng)脈CT血管成像；智能追蹤觸發(fā)法；透視觸發(fā)；圖像質(zhì)量

引言

冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性心臟病的發(fā)病率和致死率逐年增高[1]，且呈現(xiàn)低齡化趨勢(shì)[2]，早期診斷對(duì)改善冠心病預(yù)后有著非常重要的意義[3-4]。冠狀動(dòng)脈CT血管成像（Coronary Computed Tomography Angiography，CCTA）因其無創(chuàng)、簡便易行、能夠良好顯示冠狀動(dòng)脈等特點(diǎn)已經(jīng)成為診斷冠心病的主要檢查手段。在CCTA檢查中，由于患者的心率和心輸出量存在個(gè)體差異，對(duì)比劑的注入時(shí)間對(duì)圖像質(zhì)量有很大影響，因此研究者們通過調(diào)整對(duì)比劑注射開始和數(shù)據(jù)采集之間的時(shí)間間隔，實(shí)現(xiàn)最佳的對(duì)比劑峰值捕捉效果和最佳的圖像質(zhì)量，常用的如通過經(jīng)驗(yàn)值法、小劑量測(cè)試法以及智能追蹤觸發(fā)等方法進(jìn)行對(duì)比劑的峰值捕捉[5]。在CCTA檢查中，經(jīng)驗(yàn)值法因其主觀性較強(qiáng)且具有較大誤差目前很少采用，小劑量測(cè)試法雖然對(duì)比劑峰值捕捉效果最準(zhǔn)確，但其增加了對(duì)比劑用量及輻射劑量、延長了檢查時(shí)間，因此臨床工作中也較少采用。目前臨床中最為常用的是智能追蹤觸發(fā)法，但也存在一定的局限性。智能追蹤觸發(fā)法依賴固定的觸發(fā)閾值及固定的觸發(fā)后延遲時(shí)間，因此不能避免因患者血液循環(huán)差異帶來的峰值捕捉不確定性問題，尤其是智能追蹤觸發(fā)法并不能消除根據(jù)年齡、心率、體重等制定的個(gè)體化對(duì)比劑注射方案對(duì)峰值捕捉效果的影響，從而出現(xiàn)掃描失敗或者圖像質(zhì)量不能滿足診斷要求等情況[6]。因此，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)比劑峰值的精準(zhǔn)捕捉、最大化提高CCTA圖像質(zhì)量是臨床工作中面臨的重要問題。本研究旨在探索應(yīng)用雙感興趣區(qū)（Region of Interest，ROI）透視觸發(fā)掃描實(shí)現(xiàn)對(duì)比劑峰值的精準(zhǔn)捕捉進(jìn)而提高CCTA圖像質(zhì)量的可行性。

1 材料與方法

1.1 研究對(duì)象

前瞻性連續(xù)納入2020年12月至2021年3月在西安交通大學(xué)第二附屬醫(yī)院影像科行CCTA成像患者共100例。使用隨機(jī)數(shù)字表法分成實(shí)驗(yàn)組（雙ROI透視觸發(fā)組）和對(duì)照組（智能追蹤觸發(fā)組），每組50例。本研究經(jīng)我院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)且所有患者均獲得知情同意告知。

納入標(biāo)準(zhǔn)：臨床擬診冠心病；體檢患者；年齡≥18周歲。排除標(biāo)準(zhǔn)：對(duì)比劑過敏者；心臟解剖結(jié)構(gòu)異常者（房間隔缺損、室間隔缺損等）；有起搏器、封堵器、人工瓣膜植入物者；掃描過程中發(fā)生對(duì)比劑外滲者；掃描過程中對(duì)比劑及生理鹽水注射速率未達(dá)到設(shè)定值者。

1.2 檢查方法

1.2.1 檢查設(shè)備

采用256排CT（Revolution CT，GE Healthcare）前門控掃描進(jìn)行CCTA掃描。掃描條件：100 kVp，Smart mA（450～720 mA），探測(cè)器寬度16 cm，轉(zhuǎn)速0.35 s/r（心率≤80 次/min）或0.28 s/r（心率＞80 次/min），軸掃模式，掃描范圍為氣管分叉下1 cm至膈頂。

1.2.2 對(duì)比劑注射方案

采用碘海醇350 mgI/mL× 100 mL注射液（通用電氣藥業(yè)〔上海〕有限公司），根據(jù)患者的BMI不同采用個(gè)性化對(duì)比劑注射方案[7]，見表1。

表1 對(duì)比劑注射方案

1.2.3 掃描方法

所有患者檢查前均進(jìn)行呼吸訓(xùn)練。對(duì)照組采用智能追蹤觸發(fā)掃描，觸發(fā)閾值設(shè)為75 HU，ROI置于胸主動(dòng)脈，達(dá)到閾值后延遲5.5 s同時(shí)囑患者屏氣后掃描（圖1a）。實(shí)驗(yàn)組患者采用雙ROI透視觸發(fā)掃描的方法手動(dòng)啟動(dòng)掃描，將動(dòng)態(tài)透視層面置于右肺動(dòng)脈干水平，ROI-1置于右肺動(dòng)脈干，ROI-2置于降主動(dòng)脈，ROI的面積均≥10 mm2，關(guān)閉自動(dòng)觸發(fā)。對(duì)比劑注射后延遲5 s開始動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并在同一層面繪制ROI-1和ROI-2的時(shí)間-密度曲線。ROI-1時(shí)間-密度曲線呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，ROI-2的時(shí)間密度曲線呈現(xiàn)平臺(tái)-升高的趨勢(shì)，待兩支曲線相交時(shí)手動(dòng)啟動(dòng)掃描，延遲3.1 s同時(shí)囑患者屏氣后曝光（圖1b）。

圖1 2組患者的掃描方法示意圖

1.3 圖像重建

所有圖像數(shù)據(jù)均使用Detail算法重建時(shí)間增強(qiáng)序列，ASiR-V混合權(quán)重選擇30%，重建矩陣為512×512、層厚0.625 mm；將重建后圖像傳輸至后處理工作站（AW4.7 Advantage Workstation，GE Healthcare）， 進(jìn) 行 容 積 再現(xiàn)（Volume Rendering，VR）、 曲 面 重 建（Curved Planar Reformation，CPR）、最大密度投影（Maximal Intensity Projection，MIP）等處理。

1.4 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)

1.4.1 主觀評(píng)價(jià)

所有圖像由兩位高年資影像科醫(yī)師按照國際心血管CT協(xié)會(huì)2014年發(fā)布的冠狀動(dòng)脈分段體系進(jìn)行分段[8]，將存在線束硬化偽影無法評(píng)估圖像質(zhì)量的冠狀動(dòng)脈節(jié)段剔除，將剩余的冠狀動(dòng)脈節(jié)段采用雙盲法進(jìn)行Likert 5分制評(píng)價(jià)，對(duì)兩位醫(yī)師的評(píng)分結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，若評(píng)分一致性良好則將兩位醫(yī)師的評(píng)分結(jié)果取平均值作為最終評(píng)分，若主觀評(píng)分一致性不佳則由第三名高年資醫(yī)師對(duì)圖像進(jìn)行評(píng)分。Likert 5分，冠狀動(dòng)脈各節(jié)段顯示清晰，管腔充盈良好，無運(yùn)動(dòng)偽影；Likert 4分，冠狀動(dòng)脈各段基本顯示清晰，管腔充盈較好，僅主要冠狀動(dòng)脈部分節(jié)段有輕微運(yùn)動(dòng)偽影；Likert 3分，冠狀動(dòng)脈各節(jié)段顯示尚可，管腔充盈情況一般，主要冠狀動(dòng)脈有一半以上的節(jié)段有偽影；Likert 2分，冠狀動(dòng)脈節(jié)段勉強(qiáng)可以顯示，管腔充盈不良，主要冠狀動(dòng)脈全段都具有不同程度的運(yùn)動(dòng)偽影；Likert 1分，冠狀動(dòng)脈未充盈或不能顯示，主要冠狀動(dòng)脈模糊且無法辨認(rèn)。圖像質(zhì)量小于3分者判定為掃描失敗，不能滿足診斷標(biāo)準(zhǔn)。

1.4.2 客觀評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)組及對(duì)照組均在左冠狀動(dòng)脈開口層面的主動(dòng)脈根部、右冠狀動(dòng)脈主干、左冠狀動(dòng)脈主干管腔內(nèi)放置ROI，避開鈣化、斑塊、冠狀動(dòng)脈支架及血管邊緣，ROI面積均不小于10 mm2，測(cè)量其CT值、噪聲值（Standard Deviation，SD）；并測(cè)量同層面脂肪及肌肉的CT值、SD值，ROI面積約100 mm2，所有ROI均測(cè)量3次，取3次測(cè)量的平均值作為最終結(jié)果；分別計(jì)算血管信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）和對(duì)比噪聲比（Contrast to Noise Ratio，CNR）。SNR=管 腔 內(nèi) CT值 /脂 肪 噪 聲 值 ；CNR=（管腔內(nèi)CT值-肌肉CT值）/脂肪噪聲值。同時(shí)記錄每例掃描的劑量長度乘積（Dose Length Product，DLP）及CT劑量指數(shù)（CT Dose Index Volume，CTDIvol），并計(jì)算有效輻射劑量（Effective Does，ED）：ED (mSv)=DLP (mGy·cm)×0.014 mSv/(mSv·cm)[9]。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

本研究所有數(shù)據(jù)均采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。所有計(jì)量資料數(shù)據(jù)均使用Shapiro-Wilk檢驗(yàn)方法進(jìn)行正態(tài)性驗(yàn)證，對(duì)于符合正態(tài)性分布的計(jì)量資料數(shù)據(jù)使用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行比較，對(duì)于不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)使用非參數(shù)秩和檢驗(yàn)進(jìn)行比較，檢驗(yàn)水準(zhǔn)α取0.05，雙側(cè)檢驗(yàn)。兩名高年資醫(yī)師對(duì)圖像的主觀評(píng)分首先使用Kappa系數(shù)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，然后采用非參數(shù)秩和檢驗(yàn)對(duì)其主觀評(píng)分的平均值進(jìn)行比較。Kappa值為0～0.20表示一致性極低，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表示幾乎完全一致。

2 結(jié)果

2.1 一般資料

本研究最終共納入88例患者，其中實(shí)驗(yàn)組43例，對(duì)照組45例。有4例患者出現(xiàn)對(duì)比劑外滲被排除，3例患者因心臟內(nèi)有金屬植入物被排除，2例患者因存在房間隔缺損被排除，1例患者因存在對(duì)比劑過敏被排除，2例患者因?qū)Ρ葎┳⑸鋾r(shí)未達(dá)到設(shè)定的流速被排除。兩組患者的臨床資料及ED的比較如表2所示，ED因不服從正態(tài)分布使用Mann-Whitney U檢驗(yàn)分析。除實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組的生理鹽水注射量差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義外（P=0.018，t=2.416），其余基本資料均無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的ED無顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05）。

表2 兩組患者的基本資料及ED對(duì)比（±s）

表2 兩組患者的基本資料及ED對(duì)比（±s）

注：a使用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，b使用非參數(shù)秩和檢驗(yàn)。

參數(shù) 對(duì)照組 (n=45)實(shí)驗(yàn)組 (n=43)P值 t/Z值年齡/歲 54.60±11.70 58.63±12.78 0.127 -1.54a性別/ (男/女) 28/17 23/20 - -體質(zhì)指數(shù)/ (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對(duì)比劑用量/mL 42.20±5.53 41.49±4.68 0.518 0.650a生理鹽水量/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 主觀評(píng)價(jià)

兩名影像診斷醫(yī)師對(duì)所有圖像的評(píng)分高度一致（Kappa=0.761）。Mann-Whitney U檢驗(yàn)結(jié)果顯示兩組圖像主觀評(píng)分[對(duì)照組（3.89±0.86）分，實(shí)驗(yàn)組（4.26±0.78）分]存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（Z=2.092，P=0.036），見表3。

表3 兩位影像診斷醫(yī)師的主觀評(píng)分

2.3 客觀評(píng)價(jià)

對(duì)所有計(jì)量資料使用Shapiro-Wilk檢驗(yàn)方法進(jìn)行正態(tài)性驗(yàn)證，除主動(dòng)脈根部CT值、左冠狀動(dòng)脈CT值因不服從正態(tài)分布使用Mann-Whitney U檢驗(yàn)外，其余數(shù)據(jù)均服從正態(tài)分布，使用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)組主動(dòng)脈根部、左冠狀動(dòng)脈主干的CT值、SNR及CNR均高于對(duì)照組，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05），實(shí)驗(yàn)組圖像的客觀評(píng)分更高。但二者右冠狀動(dòng)脈主干的CT值、SNR及CNR無明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05），見表4。

表4 兩組圖像質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)比較

3 討論

CCTA對(duì)于冠心病的早期發(fā)現(xiàn)和診斷有重要意義[10]。研究表明，冠狀動(dòng)脈血管內(nèi)具有足夠高且均一穩(wěn)定的CT值對(duì)于病變具有更好的診斷敏感度及特異度[8,11-15]。傳統(tǒng)CCTA采用智能追蹤的方法僅在主動(dòng)脈內(nèi)放置單個(gè)ROI且采用恒定閾值自動(dòng)觸發(fā)，難以適應(yīng)不同循環(huán)狀態(tài)的患者，通常需要采取增加對(duì)比劑劑量的辦法來延長峰值時(shí)間以保證圖像質(zhì)量。本研究結(jié)果顯示采用雙ROI透視觸發(fā)進(jìn)行CCTA掃描獲得的圖像客觀評(píng)分均高于對(duì)照組，該方法提高了冠狀動(dòng)脈的成像質(zhì)量。

雙ROI透視觸發(fā)不設(shè)置固定的觸發(fā)閾值，對(duì)比劑進(jìn)入和退出時(shí)間與患者的個(gè)體循環(huán)狀態(tài)是相關(guān)聯(lián)的，因而不同患者從開始注射對(duì)比劑到啟動(dòng)掃描的延遲時(shí)間也是一個(gè)隨著患者個(gè)體循環(huán)狀態(tài)改變而變化的值[16]。Tatsugami等[17]的研究也證實(shí)了這一點(diǎn)，在肺動(dòng)脈和升主動(dòng)脈中各放置一個(gè)ROI可以減少不同個(gè)體間強(qiáng)化程度的變異性。與本文采取的實(shí)驗(yàn)方法不同，Kai等[18]的雙ROI觸發(fā)方案是在肺動(dòng)脈干和升主動(dòng)脈內(nèi)分別放置ROI，當(dāng)肺動(dòng)脈內(nèi)ROI的CT值達(dá)到閾值時(shí)囑患者屏氣，當(dāng)主動(dòng)脈內(nèi)CT值達(dá)到所設(shè)定的閾值時(shí)啟動(dòng)掃描。與本研究相同的是都通過減少達(dá)到閾值后的延遲時(shí)間起到對(duì)血管強(qiáng)化程度的“錨定”作用，從而提高圖像質(zhì)量、縮小不同患者之間的強(qiáng)化差異度。但Kai等[18]的方法延長了患者的屏氣時(shí)間，對(duì)于肺功能較差的患者成像存在一定的局限性。

本研究中雙ROI觸發(fā)法經(jīng)比較可以顯著提高主動(dòng)脈根部、左冠狀動(dòng)脈主干的CT值、SNR、CNR及右冠狀動(dòng)脈的CT值，但對(duì)右冠狀動(dòng)脈的圖像質(zhì)量提高效果并不顯著，這可能與以下兩個(gè)因素有關(guān)：首先實(shí)驗(yàn)組的SNR、CNR雖略高于對(duì)照組，但差異不顯著，這可能與樣本量較小有關(guān)；其次，由于超過70%的人冠狀動(dòng)脈為右優(yōu)勢(shì)型[19]，導(dǎo)致右冠狀動(dòng)脈的灌注要好于左冠狀動(dòng)脈，這一點(diǎn)也會(huì)縮小實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組右冠狀動(dòng)脈之間的差異。實(shí)驗(yàn)組的生理鹽水注射量要略微小于對(duì)照組，這可能是由于實(shí)驗(yàn)組的患者BMI稍小于對(duì)照組的患者，在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)組及對(duì)照組均是按照統(tǒng)一的注射方案進(jìn)行注射，不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。本研究中實(shí)驗(yàn)組及對(duì)照組均存在因掃描技術(shù)原因?qū)е聶z查失敗的案例。經(jīng)過回顧分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)照組掃描失敗的案例大多發(fā)生在心功能不全的患者中，掃描失敗的原因主要與觸發(fā)時(shí)相有關(guān)。對(duì)于心功能較差的患者，其動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)ROI內(nèi)的時(shí)間-密度曲線呈現(xiàn)緩慢爬升的狀態(tài)且對(duì)比劑峰值常低于一般患者，導(dǎo)致在時(shí)間-密度曲線達(dá)到所設(shè)定的掃描啟動(dòng)閾值并經(jīng)過已設(shè)定的延遲時(shí)間后，目標(biāo)血管內(nèi)的CT值還處于上升階段或是已經(jīng)開始回落，最終導(dǎo)致檢查失敗[20]。其次，本研究所使用的16 cm寬體探測(cè)器對(duì)冠狀動(dòng)脈的掃描速度非常快，絕大多數(shù)患者在0.5～0.7 s內(nèi)即可完成全心范圍掃描，相較于其他需要數(shù)秒時(shí)間來采集多個(gè)心動(dòng)周期進(jìn)行冠狀動(dòng)脈成像的機(jī)型而言，極短的掃描時(shí)間也限制了對(duì)比劑在掃描過程中繼續(xù)充盈血管從而共同導(dǎo)致血管內(nèi)CT衰減值達(dá)不到臨床診斷要求。實(shí)驗(yàn)組因其同時(shí)監(jiān)測(cè)冠狀動(dòng)脈的流入及流出端，很好地避開了心功能異常患者的循環(huán)問題。但是由于血管搏動(dòng)的影響，肺動(dòng)脈內(nèi)的ROI并非隨時(shí)都能處于血管腔內(nèi)，因此在實(shí)際的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)過程中觀察到的時(shí)間-密度曲線常呈現(xiàn)小范圍的波動(dòng)，而不是一條走向平滑的曲線。實(shí)驗(yàn)組中不能滿足臨床診斷的病例則是操作者在實(shí)驗(yàn)初期對(duì)時(shí)間-密度曲線判讀不準(zhǔn)確導(dǎo)致提前或延后觸發(fā)掃描導(dǎo)致的。

本研究中存在的主要不足在于雙ROI觸發(fā)的掃描方法中肺動(dòng)脈干層面的選擇、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)過程中時(shí)間-密度曲線的判讀以及啟動(dòng)掃描時(shí)機(jī)的選擇均需由人工完成，具有一定的主觀性，但本研究中并未將該因素納入考慮。本研究采用的雙ROI觸發(fā)方法也存在一定的局限性：① 樣本量較小，后期需要擴(kuò)大樣本量繼續(xù)研究；② 入組病例中，高齡、大體重、心律失常的特殊類型的個(gè)案較少，雙ROI觸發(fā)掃描法是否能在特殊患者CCTA中推廣有待進(jìn)一步驗(yàn)證；③ 雙ROI透視的方法對(duì)掃描設(shè)備有一定的要求，部分設(shè)備的操作軟件可能不支持在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)層面內(nèi)繪制1個(gè)以上的ROI，這或許對(duì)本研究的推廣有一定的限制。由于對(duì)噪聲指數(shù)有所要求，本研究所采用的Smart mA范圍較高，導(dǎo)致未能有效降低ED，后續(xù)研究可以進(jìn)一步探討雙ROI透視觸發(fā)的方法在降低ED方面的應(yīng)用。另外還可以在后續(xù)研究中繼續(xù)對(duì)流入端和流出端ROI的放置位置進(jìn)行探索和比較，以期發(fā)現(xiàn)更加便于尋找、增強(qiáng)效果更穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)區(qū)域。

4 結(jié)論

雙ROI透視觸發(fā)掃描在CCTA檢查中能夠?qū)崿F(xiàn)可視化觸發(fā)掃描，并可有效提高冠狀動(dòng)脈成像質(zhì)量，在臨床中具有潛在應(yīng)用價(jià)值。