冠状动脉CTA对比剂注射方案优化的前瞻性研究

顾圣佳 秦 乐 马泽鹏 朱 兰 严福华 杨文洁

近年来冠脉CTA的对比剂注射方案不断优化，趋向个体化发展，即以患者的具体情况和检查项目的具体要求来制订注射方案。

影响对比剂注射效果的因素众多，主要包括CT扫描的相关参数、患者本身的个体差异以及对比剂注射的相关参数。首先，已有研究证明改进CT的扫描技术、缩短扫描时间[1-2]、降低管电压[3-4]可以减少对比剂的使用量；其次，前期的研究认为制订对比剂注射方案时必须结合患者的体重、BMI以及心功能等因素才能获得更好的强化效果[5]；第三，调整对比剂注射的参数也会影响血管显影的效果，包括注射速率、团注时间、碘浓度以及CT延迟扫描时间等。

血管强化的程度显著影响图像质量，对于冠脉这样的小血管尤为重要。不合适的对比剂注射方案会降低血管强化程度，甚至造成伪影[6]。

以往研究试图通过建立生理学及药物动力学模型，个体化地管理对比剂的使用及优化扫描时间的估算。有研究显示，心超等其他影像学方法测得的心输出量是其重要的影响因素。只要有患者相关生理学数据以及对比剂注射参数（包括对比剂浓度，注射速率及剂量），就可计算出较为准确的时间-密度预测曲线。但在实际临床工作中，并不能确保在冠脉CTA检查前得到患者心输出量值，而另一方面Wada和Ward等[7]发现小剂量团注测试的信息与心输出量的相关性较好，因此他们最先提出用小剂量团注测试的信息来建立血流动力学的模型。

因此，我们试图通过小剂量团注测试，结合患者体重、身高、性别和年龄等因素，自动预估全剂量的强化效果，并对其进行优化。本研究中采用了基于生理学及药物动力学的原型软件（SmartContrast，GE），旨在通过小剂量团注测试的数据得到冠脉CTA主团注对比剂的预测强化曲线。

本研究试图研究：与现有的常规对比剂注射方案相比，使用原型软件可否减少对比剂使用量；冠脉的强化效果能否得到提高；能否减少个体差异对冠脉强化程度的影响。以上述几个方面验证此原型软件的效能。

方 法

1.临床资料

本研究通过我院伦理委员会的审批，并得到所有患者的知情同意。连续收集自2016年6月至9月于我院行冠脉CTA检查的患者，并随机分入A组（团注对比剂跟踪组）、B组（小剂量团注测试组）和C组（原型软件计算组）。排除标准为：冠脉旁路移植术后的患者；对含碘对比剂过敏的患者；）血肌酐＞120μmol/L的肾病患者；未经治疗的甲亢患者；孕妇；心率90次/分以上的患者（不满足64排CT时间分辨率）。

2.扫描方案

采用64排GE Discovery CT750HD宝石能谱CT进行冠脉CTA扫描。球管的转速为350ms。患者BMI＜28，球管管电压为和管电流分别为100kVp和500mAs，BMI＞28时，管电压为和管电流分别为120kVp和650mAs，并根据心律选择适用的前或者后门控扫描方式。心率大于90次/分的患者被排除。

图像重建层厚为0.625mm。自适应统计迭代重建设定为40%。根据心率选择45%或75%心动周期期相重建。如果这两期运动伪影过大而影响诊断，则由放射科医师另外寻找运动伪影较小的期相。

3.对比剂管理

采用非离子型对比剂（350mgI/ml碘浓度，碘海醇注射液，GE），由双头高压注射器经肘静脉注入。根据不同BMI值选择对应的对比剂注射速率（BMI＜20，注射速率 3.5ml/s；20.1 ～ 23，速率4ml/s；23.1～28，速率5ml/s；＞28.1，速率6ml/s ）。小剂量团注测试在16ml对比剂团注开始后10s起扫描，后以相同速率追加16ml生理盐水。

三种扫描模式的对比剂主团注剂量及扫描延迟时间见表1。实际扫描时，对比剂团注后，也以相同速率追加16ml生理盐水。

主团注剂量下主动脉强化峰值时间由小剂量团注测试的主动脉强化程度峰值决定。本研究中，B组的延迟扫描时间根据以下公式计算：延迟扫描时间=小剂量团注测试峰值时间+(主团注剂量-16)/注射速率，其中“主团注剂量-16”代表增加的对比剂注射持续时间。C组的对比剂剂量由原型软件计算得到。需要输入的数据包括：注射速率、管电压、患者体重、身高、性别、年龄和目标强化CT值（350HU）。经过计算输出预测的强化曲线和延迟扫描时间。操作者界面见图1，分别将两个感兴趣区（ROI）自动描画在升主动脉和肺动脉干以得到时间-密度曲线。

表1 基于患者体重的个体化对比剂注射方案

4.原型软件

原型软件（SmartContrast软件，美国GE公司）为内部开发。在此正式研究前，共有675例采用相同扫描参数和对比剂注射参数的小剂量团注测试和对应的冠脉CTA数据信息导入软件中，并以小剂量对比剂团注测试曲线和主团注扫描的曲线建立数据模型。此模型已经得到了Kalafut等[8]人的研究应用和验证，在对比剂首过时扫描，左右循环（肺动脉升主动脉）都参与模型的建立计算。由于此模型中需要的生理循环因素不易得到，因此我们通过先前提到的方法，即从导入的冠脉CTA的检查中提取所需要的生理循环数据，即当小剂量团注测试的时间-密度曲线和主团注速率输入模型，就能得出主团注的预测强化曲线。输入的对比剂注射方案不同，得到强化曲线也不同，从而满足不同临床需求。在本研究的软件中输入团注速率、管电压、患者体重、身高、性别、年龄和目标强化CT值（350HU），即可得到预测强化曲线和延迟扫描时间。

5.图像评估

冠脉强化值由手工测定，ROI划在如下区域：左主干管腔中央（S5）；左前降支近段管腔中央（S6）；右冠状动脉近、中、远段管腔中央（S1、S2、S3）；主动脉根部及升主动脉肺动脉干水平。主动脉根部的ROI划在轴位左主干开口水平，ROI尽量大以包含整个管腔。冠状动脉的ROI尽量大但避开管壁、斑块及钙化，如果冠脉管腔显示欠佳，则标记为不可评估。图像的噪声值通过测量主动脉根部CT值的标准差而得到。

图1 A.两个ROI都由软件自动描画，以消除患者的个体差异。红色ROI位于升主动脉，蓝色ROI位于肺动脉干。 B.蓝色和红色曲线分别是肺动脉干和升主动脉的小剂量测试的时间-密度曲线，绿色曲线则是对主团注实际对比剂注入后强化程度的预测，同时也给出了达峰时间，将其设定为扫描的延迟时间。

6.辐射剂量

CT扫描后由系统自动生成剂量长度乘积（DLP），根据有效剂量（effective dose， ED）根据公式ED(mSv)=DLP×k计算，其中k为换算常数，与扫描的解剖结构相关，对于胸部检查为0.014mSv/(mGy×cm)[9]。

7.统计分析

所有数据的统计采用SPSS 18.0分析。所有连续性变量以平均值±标准差表示。三组的均数用单因素方差分析（one-way Anova），多重比较采用SNK法（Student-Neuman-Keuls），方差不齐时采用基于方差不齐的Dunnett T3法作样本间的两两比较。采用Levene检验方差齐性。三组的患者性别及扫描模式的样本率比较采用卡方检验。P＜0.05时认为差异有统计学意义。

结 果

本研究共入组199例患者。患者一般资料及CT扫描参数见表2。经统计学方差检验分析，3组病例中年龄、性别、心率、体重及BMI无显著差异。A、B、C三组中分别有6、5、6例因心率＞90次/分而被排除。

表2 患者一般资料及CT扫描参数

表4 A、B、C三组冠脉各节段强化程度组间比较

A、B、C三组的冠脉各节段强化程度见表3，组间比较结果见表4。三组中，A组（自动触发扫描组）的冠脉强化程度最高，但其强化值远高于目标强化值（350HU）。与B组相比，C组中右冠中远段的强化程度更高，而其他节段强化程度与B组相仿。C组所用的对比剂最少。我们也比较了不同管电压下（100 kVp和120 kVp）各组冠脉的强化程度，得到的结果仍然是A组的冠脉强化程度最高，但远高于目标强化值，而C组除了右冠远段外的其他节段强化程度与B组相仿。

用Levene检验比较组内个体间差异，除了S2、S3段外，C组的冠脉强化程度的标准差最小，表明C组（除了S2、S3段外）在三组中冠脉强化程度的个体差异最小。

讨 论

以往研究报道的冠脉强化值范围较广。在管电压为120kVp下，16排或64排螺旋CT扫描冠脉CTA，其冠脉近段及主动脉根部的CT值范围在259～409HU[5，10]。近年来，对比剂注射方案越来越注重根据患者个体情况及曝光时间进行个体化调整。更多选用低管电压（如100kVp和80kVp）扫描，也导致了对比剂造影效果的变化，已报道的冠脉强化范围在418～645HU[3-4]。目前还没有较为统一的冠脉CTA强化标准。

冠脉强化程度过高会影响低密度斑块的显示，从而导致管腔狭窄的假阴性诊断[10-11]。另一方面，冠脉强化程度过低会降低冠脉狭窄诊断的准确性，尤其是在远段分支，导致假阴性率和假阳性率升高[10]。对于64排螺旋CT来说，300～350HU是推荐的诊断冠脉狭窄的最佳强化值范围[10-11]。Fei等[11]的模体研究认为强的上限为500HU。

使用对比剂自动测算软件的目的是：希望在CCTA检查中得到理想的冠脉最佳强化程度（350HU），并提高血管间的强化均一性，克服各种影响对比剂注射效果的复杂因素。在本研究中，原型软件组的主动脉及冠脉强化程度接近于目标强化值（350HU），并且组内变异（标准差）更小；相反，对照组（对比剂跟踪组，A组）的主动脉及冠脉强化程度远远高于350HU。而小剂量团注测试加手动计算组的冠脉强化值虽然达到了目标值，但是组内均一性较差，同时右冠状动脉中远段的强化值较低。

在我们的研究中也考虑到了不同管电压对冠脉强化程度的影响。我们的模型可以改变管电压值，分析小剂量团注测试和主要团注扫描的信息，从而使剂量最小化并且根据患者个体差异来调节管电压值。因此在我们的研究中，C组（原型软件计算组）和B组（小剂量团注测试组）相对于A组（团注对比剂跟踪组）的冠脉强化程度更接近于目标值（350HU），但C组的对比剂用量小于B组。

目前临床上，团注对比剂跟踪和小剂量团注测试两种扫描技术都在冠脉CTA扫描中广泛应用，而哪一种方法更适合至今尚无定论。通常团注对比剂跟踪技术更便于操作，并且不需要额外16～20ml对比剂用以团注测试，但其只监测一个血管，无法考虑患者个体的循环因素。以往的研究也报道过，心输出量低的患者，较难获得好的冠脉强化效果[5]。因此学界倾向于小剂量团注测试技术。在本研究中，团注对比剂跟踪组较其他两组的冠脉强化程度远高于目标值，且强化程度在个体间的变异也最大。原型软件组的主动脉及冠脉强化程度接近于目标强化值（350HU），并且个体间变异（标准差）更小；相反，对照组（对比剂跟踪组，A组）的主动脉及冠脉强化程度远远高于350HU。而小剂量团注测试加手动计算组的冠脉强化值虽然达到了目标值，但是个体间均一性较差，同时右冠状动脉中远段的强化值较低。

本研究有几项不足。首先，我们图像质量仅评估了冠脉的CT值，没有与冠脉造影进行对比，以致诊断的准确性无法评估，因此本研究没有进行图像质量的主观评价。第二，考虑到左前降支及左回旋支的中远段管径较小，因此并未对其进行评估。第三，B组和C组为了得到时间-密度曲线额外多使用了16ml对比剂。

与传统的对比剂注射方案相比，原型软件可以使用较少的对比剂得到更好的强化效果（更接近目标强化CT值），与此同时，除右冠中远段以外，冠脉各节段强化程度的组内差异也是最小的。

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