高清和能谱扫描对冠状动脉支架成像准确性的体模研究

张文佳，张璋，李东，于铁链

诊断技术

高清和能谱扫描对冠状动脉支架成像准确性的体模研究

张文佳，张璋△，李东，于铁链

目的 通过动态心脏和冠状动脉体模，评价高清扫描（HD）和能谱成像（GSI）对冠状动脉支架内径的显示能力。方法 将5支不同规格的冠状动脉支架置于心脏动态体模（心率设定为60次/min）制成冠状动脉支架模型。分别进行HD、GSI和标准（S）扫描3种冠状动脉CT造影（CCTA）扫描方式。数据传输至AW工作站，分别对HD图像、60～140 keV的9组单能量图像和S图像进行后处理和指标测量，包括信噪比（SNR）、对比噪声比（CNR）、支架内径显示值和显示率。比较3种扫描模式的差别和一致性。结果 3种扫描模式的SNR值存在差别（P＜0.05），而CNR值的差别则无统计学意义（P＞0.05）。HD的支架内径显示率（0.85±0.06）明显高于其他2种扫描模式（GSI为0.40±0.16、0.48±0.13、0.50±0.14、0.51±0.13、0.45±0.05、0.52±0.13、0.53±0.13、0.53±0.13、0.53±0.13，S为0.53±0.14，均P＜0.05）。HD扫描模式的内径最接近支架实际的内径。结论 心率60次/min时，3种扫描模式客观评价图像质量无明显差别；HD模式对于支架的内径显示率明显高于GSI和S模式，其结果与支架实际内径之间具有更好的一致性。

支架；CT冠状动脉造影；高清扫描；能谱成像；晕染效应；线束硬化伪影

经皮冠状动脉介入术（PCI）是治疗冠状动脉狭窄的重要方法，可改善患者的临床症状及冠状动脉的血液动力学，但术后再狭窄率是影响PCI远期预后的严重问题，及时、准确地评价是否发生支架内再狭窄具有重要意义［1］。CT冠状动脉造影（coronary CT angiography，CCTA）在冠状动脉狭窄评价中的价值已得到证实，但在支架随访中仍存在一定的限制，如支架本身产生的金属伪影、CCTA显示的支架外观形态与其本身存在的差异等。随着CT技术的进步，高清成像（high definition，HD）的出现和应用可提高CCTA对冠状动脉支架再狭窄的检出能力，较标准CCTA（standard CCTA，S-CCTA）具有明显优势［2］。能谱成像（gemstone spectral imaging，GSI）作为新一代成像技术，去除线束硬化伪影是其独特之处。研究表明，于65～75 keV水平时，在减少辐射剂量的条件下进行扫描，仍能明显提高图像质量［3］。本研究拟通过心脏动态体模，比较HDCCTA和GSI-CCTA对冠状动脉支架腔显示能力的准确性，为两者的临床应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料 心脏动态体模（ALPHA 1-VT PC，Fuyo公司，日本）由3部分组成，分为：动力部分、解剖结构模拟部分和控制部分。动力部分模拟人体左心室的搏动，包括3个运动时相：快速泵血期、快速充盈期、慢速充盈期，此外还有不同的心率及心率变化情况的仿真模拟。解剖结构由模拟的左心室和模拟的冠状动脉组成，完全浸没于水箱中，模拟心脏搏动时的生理环境，见图1。选取5支不同内径的冠状动脉模型，管腔内放置支架，见表1。将其与心脏模型长轴平行的方向间隔均匀地挂置于心脏模型表面。所选冠状动脉材料CT值与生理情况下的CT值相近。心腔内（约4 mg I/L）和支架腔内（约10 mg I/L）分别充满不同稀释浓度的对比剂。控制部分通过编程设定心脏体模的运动方式，模拟不同心率及心率变化的状态。本研究设置的心率为60次/min。

Tab.1 The basic parameters of coronary stent表1 支架的基本信息 （mm）

1.2 CT扫描 采用宝石能谱CT扫描仪（Discovery CT 750 HD CT，USA）在Cardiac模式下分别对心脏动态体模及冠状动脉支架进行HD-CCTA、GSI-CCTA和S-CCTA扫描。HD-CCTA和S-CCTA扫描参数为：管电压120 kVp，600 mA，FOV 25.0 cm，层厚 0.625 mm，层间距 1.25 mm，螺距0.22∶1，球管转速350 ms/rot，矩阵512×512；HD-CCTA采用细节重建算法；S-CCTA则采用标准重建算法。GSI-CCTA扫描参数：管电压瞬间切换80/120 kVp，管电流600 mA，FOV 25.0 cm，层厚0.625 mm，层间距1.25 mm，球管转速350 ms/rot，采用标准算法后重建。上述扫描的padding值100 ms，重建R-R间期均为75%，准直器宽度0.625 mm，探测器总宽度40 mm。

1.3 图像评价和指标测量 将图像传至GE AW46工作站。使用能谱图像分析软件（GSI-Viewer）分析GSI图像，获得60～140 keV（间隔10 keV）的9组单能量图像。然后对S图像、HD图像及9种单能量GSI图像进行多平面重组，窗宽1 000 HU，窗位150 HU，在距支架顶端3、7、11 mm处的支架轴位层面上分别进行评价和测量，取三者平均值。

1.3.1 图像质量的评估 分别通过感兴趣区（region of inter⁃est，ROI）法测量支架腔内、心腔内的CT值及背景噪声（N，背景CT值的方差），并计算信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）和对比噪声比（contrast-to-noise ratio，CNR）。支架腔内ROI的勾画在支架腔中心，约占其显示面积的60%，避开支架的影响。心腔内和背景的ROI勾画则为面积1 cm2的圆形。SNR=CT支架腔/N。CNR=（CT支架腔-CT心腔）/N。

1.3.2 支架显示的评估 测量支架内径的显示值，并计算内径显示率。内径显示率=内径测量值/内径实际值×100%

1.4 统计学方法 采用SPSS 17.0统计软件进行数据分析。计量资料以均值±标准差（±s）表示。采用单因素方差分析比较HD-CCTA、S-CCTA及9组能量GSI-CCTA的SNR、CNR、支架内径显示值和显示率，多重比较采用Tukey检验。使用Bland-Altman比较不同扫描模式内径测量值与内径实际值间的一致性。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

心率60次/min时，5只冠脉支架的HD-CCTA、S-CCTA和GSI-CCTA图像均良好，无错层伪影，均可进行相关数据测量。

2.1 图像质量的评估 GSI模式显示5支冠状动脉支架的SNR值在60～80 keV之间，70～110 keV之间，80～140 keV区间与S之间，90～140 keV之间、S与HD之间差异均无统计学意义（P＞0.05），其余组间差异有统计学意义（P＜0.05）。CNR值在60～140 keV区间、HD、S之间的差异均无统计学意义（P＞0.05），见表2、图2。

2.2 支架内径显示的评估 GSI 60～140 keV的9种单能量图像对支架内径的显示值和显示率差异均无统计学意义（P＞0.05），HD扫描模式的支架内径显示值及显示率均明显高于GSI和S扫描模式（均P＜0.05），而GSI与S扫描模式间差异无统计学意义（P＞0.05），见表2、图2。Bland-Altman分析显示HD图像的内径测量值与实际值间的平均差异为-0.69±0.48，S图像的内径测量值与实际值间的平均差异为-1.42±0.54。因140 keV时支架内径显示值最优，且与其他keV水平的内径显示率差异无统计学意义，因此选用140 keV的图像与HD、S作比较。GSI图像的内径测量值与实际值间的平均差异为-1.41±0.76。可见HD图像的内径测量值与实际值间的一致性高于GSI扫描模式，见图3。

Tab.2 Comparison of SNR，CNR，inner diameter，visible diameter ratio and CT value of in-stent among images acquired by different scan systems at 60 bpm of heart rate表2 60次/min HD、S、GSI（60～140 keV）的SNR值、CNR值、内径显示值、内径显示率、支架腔内CT值的比较（±s，n=5）

Tab.2 Comparison of SNR，CNR，inner diameter，visible diameter ratio and CT value of in-stent among images acquired by different scan systems at 60 bpm of heart rate表2 60次/min HD、S、GSI（60～140 keV）的SNR值、CNR值、内径显示值、内径显示率、支架腔内CT值的比较（±s，n=5）

＊P＜0.05，＊＊P＜0.01；a与HD模式比较，b与S模式比较，c与GSI-60 keV模式比较，d与GSI-70 keV模式比较，P＜0.05

3种扫描模式及重建HD S GSI-60 keV GSI-70 keV GSI-80 keV GSI-90 keV GSI-100 keV GSI-110 keV GSI-120 keV GSI-130 keV GSI-140 keV F SNR 4.15±0.90 11.98±3.32 33.89±14.34ab30.67±12.26ab24.56±9.40a18.72±7.08c16.76±6.25c14.93±5.51c13.28±4.83cd11.93±4.31cd10.72±3.83cd6.996＊＊CNR 3.95±1.48 5.20±3.84 19.95±13.26 14.75±11.17 12.82±10.41 10.58±8.23 10.11±6.87 9.58±5.65 9.01±4.61 8.53±4.55 8.05±3.91 1.702内径显示值（mm）2.69±0.63 1.70±0.80a1.32±0.78a1.52±0.72a1.61±0.78a1.63±0.73a1.64±0.77a1.65±0.71a1.65±0.65a1.67±0.70a1.67±0.79a3.577＊内径显示率0.85±0.06 0.53±0.14a0.40±0.16a0.48±0.13a0.50±0.14a0.51±0.13a0.45±0.05a0.52±0.13a0.53±0.13a0.53±0.13a0.53±0.13a10.868＊＊支架腔内CT值（HU）386.96±84.09 462.52±128.24 915.12±387.29 506.10±202.27 388.00±148.47 310.80±117.51 254.70±95.04 215.04±79.32 187.24±68.11 165.80±59.84 149.00±53.22 —

Fig.2 The stent long and short axial images of GSI 60-140 keV，S and HD scan systems图2 GSI 60～140 keV、S、HD支架的长轴及轴位重建CT图像

Fig.3 Comparision of the inner diameter of displayed stent using defferent scan systems图3 不同扫描方式测量值与支架实际值之间的比较

3 讨论

3.1 HD和GSI扫描支架模式的先进性 CCTA评估冠状动脉支架的主要限制在于其空间分辨率不足和金属支架的伪影，导致其内径显示不佳，影响诊断准确性。HD在高清晰成像方面取得了很大的进展，空间分辨率达到0.23 mm，较传统CT提高了30%［4］。GSI可瞬间完成80/140 kVp管电压的转换，同时、同源、同向是其独到之处。通过一次扫描，利用这种瞬时切换高低能量的技术特点，可计算得到60～140 keV的不同管电压的单能量GSI图像。这些单能量图像，尤其是高keV图像间接提高了X线的穿透力，可减少线束硬化伪影的影响，从而提高诊断准确性。

3.2 HD、GSI、S扫描模式评价支架图像SNR、CNR及内径显示率 HD的SNR值低于GSI和S。然而，CNR值在HD、GSI不同keV水平及S模式间并无明显差异。虽然HD模式由于提高了空间分辨率，造成SNR值降低，但并没有明显降低图像的CNR值，然而对内径显示情况的比较则表明，在心率60次/min时，HD对于支架的内径显示率（0.85）明显高于S模式（0.53），说明提高空间分辨率对于支架内腔的显示十分有利。Tanami等［2］通过冠状动脉支架体模对HDCT与标准CT进行比较，结果显示HD支架内径显示率较S模式提高了13.3%～14.7%，而本研究中显示率提高得更为明显（约32%）。

3.3 HD扫描模式可减低晕染效应提高诊断准确性 支架为金属物质，其CT值明显高于周围结构（混有对比剂的血液、脂肪、心肌等），由高衰减结构体素向低衰减结构体素增加发散作用而产生的晕染效应（blooming effect）是影响CCTA评价冠状动脉支架准确性的重要因素，使得在实际诊断中低估了支架内腔的直径，从而高估了支架的厚度，这样大大降低了支架内径的显示率［5］。这一问题已成为影响冠脉支架成像因素的重要讨论点［6］。HD模式的数据采集系统具有高采样率，与高分辨球管通过偏斜聚焦点改变采样的方式，并采用高分辨重建算法，明显提高了CCTA的空间分辨率，降低晕染效应的影响，从而提高了CCTA对支架内径的显示能力。Pon⁃tone等［7］对冠心病高危人群的研究发现，HD扫描能够较S扫描提高CCTA对冠状动脉斑块检查的阳性预测值和诊断的准确性，也证明了HD扫描的优势。

3.4 HD与GSI支架内径显示准确性的对比 HD与GSI的比较研究发现，HD模式对于冠状动脉支架细节的显示仍然有其不可替代的优势。GSI模式的内径显示率为0.40～0.53，明显低于HD，且较S模式也没有明显改善。另外，Bland-Altman分析也表明HD的内径显示值最接近于支架实际内径值。Halpern等［8］也认为GSI模式对观察冠状动脉支架内腔情况无明显优势，与本研究结果一致。先前关于GSI的研究主要集中于图像质量［3］，而忽略了其对冠状动脉及支架内径的显示能力。冠状动脉支架产生的金属伪影包括线束硬化伪影和晕染效应，但前者对冠状动脉支架评估的影响远远低于后者。此前研究证实GSI扫描模式能够有效去除金属产生的线束硬化伪影［9］。本研究发现GSI对支架产生的晕染效应，作用甚微。

虽然模拟冠状动脉与人体冠状动脉的密度、走行及运动方式存在一定差异，但支架的结构是一致的，且本研究对体模设置了60次/min的心率搏动条件，模拟临床常规情况下CCTA检查时患者的心率，与活体评价冠状动脉支架的状态更为接近，结果更贴近临床实际情况。

（图1见插页）

［1］Boll DT，Merkle EM，Paulson EK，et al.Coronary stent patency:dualenergy multidetector CT assessment in a pilot study with anthropo⁃morphic phantom［J］.Radiology，2008，247（3）:687-695.doi:10.1148/ radiol.2473070849

［2］Tanami Y，Jinzaki M，Yamada M，et al.Improvement of in-stent lu⁃men measurement accuracy with new high-definition CT in a phan⁃tom model:comparison with conventional 64-detector row CT［J］.Int J Cardiovasc Imaging，2012，28（2）:337-342.doi:10.1007/ s10554-010-9786-x.

［3］Fuchs TA，Stehli J，Fiechter M，et al.First experience with mono⁃chromatic coronary computed tomography angiography from a 64-slice CT scanner with Gemstone Spectral Imaging（GSI）［J］.J Cardiovasc Comput Tomogr，2013，7（1）:25-31.doi:10.1016/j.jcct.2013.01.004.

［4］Yang WJ，Chen KM，Pang LF，et al.High-definition computed to⁃mography for coronary artery stent imaging:a phantom study［J］.Ko⁃rean J Radiol，2012，13（1）:20-26.doi:10.3348/kjr.2012.13.1.20.

［5］Qi L，Mao DB，Bi ZH，et al.Evaluation of Coronary stents by HDCT:an in-vitro experimental study［J］.Chinese Computed Medi⁃cal Imaging，2013，19（1）:70-74.［齐琳，毛定飚，毕正宏，等.宝石能谱CT显示支架内腔及再狭窄—体模初步实验研究［J］.中国医学计算机成像杂志，2013，19（1）:70-74］.doi：10.3969/j.issn.1006-5741.2013.01.017.

［6］Mahnken AH.CT imaging of coronary stents:past，present，and future ［J］.ISRN Cardiology，2012，2012:139823.doi:10.5402/2012/139823.

［7］Pontone G，Bertella E，Mushtaq S，et al.Coronary artery disease:di⁃agnostic accuracy of CT coronary angiography--a comparison of high and standard spatial resolution scanning［J］.Radiology，2014，271（3）:688-694.doi:10.1148/radiol.13130909.

［8］Halpern EJ，Halpern DJ，Yanof JH，et al.Is coronary stent assess⁃ment improved with spectral analysis of dual energy CT［J］？Acad Radiol，2009，16（10）:1241-1250.doi:10.1016/j.acra.2009.04.011.

［9］Pessis E，Campagna R，Sverzut JM，et al.Virtual monochromatic spectral imaging with fast kilovoltage switching:reduction of metal artifacts at CT［J］.Radiographics，2013，33（2）:573-583.doi:10.1148/ rg.332125124.

（2014-11-27收稿 2015-01-15修回）

（本文编辑 李鹏）

Evaluation of coronary stent by gemstone spectral imaging or high-definition scan：a phantom study

ZHANG Wenjia，ZHANG Zhang△，LI Dong，YU Tielian
Department of Radiology，Tianjin Medical University General Hospital，Tianjin 300052，China
△Corresponding Author E-mail：filea1249@sina.com

Objective To compare the displayed inner diameter of coronary stent by high definition（HD）and gem⁃stone spectral imaging（GSI）using dynamic cardiac and coronary artery phantom.Methods Five different types of coro⁃nary stents（internal diameter，3.10 mm±0.55 mm；strut thickness，0.12 mm±0.04 mm）were placed into a pulsating cardiac phantom（ALPHA 1-VT PC，Fuyo Corporation，Japan）.The stent phantom was scanned by 3 systems，gemstone spectral im⁃aging（GSI），spiral scan（S）and HD.All the spectral imaging data were analyzed using GSI viewer to reconstruct the VMS （monochromic spectral）images（60-140 keV）.Image noise（N），signal-to-noise ratio（SNR），contrast-to-noise ratio（CNR）and inner diameter were compared between images acquired through these 3 systems.Results SNRs in images of S and HD were higher than that of GSI（P＜0.05），while there were no significant differences in CNRs among images of GSI，S and HD（P＞0.05）.The visible diameter（%）measurements of HD（0.85±0.06）was significant higher than that of the other 2 scan systems and most close to the width of those stent's actual size.（GSI:0.40±0.16，0.48±0.13，0.50±0.14，0.51±0.13，0.45±0.05，0.52±0.13，0.53±0.13，0.53±0.13，0.53±0.13，S:0.53±0.14，P＜0.05）.Conclusion There was no significant dif⁃ferences in image quality among the images acquired by these 3 systems when the heart rate was set to 60 beats per min.Comparing to GSI and S，HD can produce best represent images to the known inner diameter of coronary stent.

stents；coronary computed tomography angiography；HDCT；gemstone spectral imaging；blooming effect；beam-hardening

R816.2

A

10.11958/j.issn.0253-9896.2015.04.017

国家临床重点专科建设项目；国家自然科学基金资助项目（项目编号：81301217）

天津医科大学总医院放射科（邮编300052）

张文佳（1989），女，硕士在读，主要从事心胸疾病CT诊断方面研究

△E-mail：filea1249@sina.com