宽体探测器低管电压（70 kVp）结合迭代重组（ASIR-V）算法在双低剂量CT冠状动脉成像中的应用

陈玉环 胡智军 刘振堂 魏冬红 李豆 于勇 贾永军 贺太平

冠状动脉计算机断层扫描血管成像（coronary computed tomography angiogaphy,CCTA）已被确立为评估疑似冠状动脉疾病患者有效的诊断方法［1,2］。然而，CCTA中的辐射剂量暴露一直特别令人担忧，因为它可能产生有害影响，特别是对于年轻患者［3］。有几种降低辐射剂量的方法，例如使用自动管电流调制［4］、前瞻性心电门控技术［5］、大螺距自适应探测器准直［6］和迭代重组算法［7］等等。同时，使用对比剂引起的对比剂肾病（contrast induced nephropathy,CIN）的风险也引起了人们的关注［8,9］。使用较低的管电压（如80 kVp或100 kVp）是解决这两个问题的有效策略：不仅可以降低辐射剂量，还可以降低对比剂量［10,11］。一些较新的CT系统能提供更低的70 kVp管电压，可使平均光子能量更接近碘的k边缘。最近引进的256排16 cm宽探测器CT系统配备了70 kVp管电压和新一代容积自适应统计迭代重组（ASIR-V）算法来控制图像噪声。本研究旨在探讨16 cm宽体探测器CT低管电压（70 kVp）技术结合高权重容积自适应统计迭代重组（ASIR-V）算法对体重指数≤23 kg/m2的患者在冠状动脉成像中降低辐射剂量和对比剂量的价值。

资料与方法

1.一般资料

前瞻性收集2017年10月～2018年3月期间我院接受CCTA扫描的已知或疑似冠状动脉疾病的连续患者。纳入标准：体重指数（body mass index，BMI）≤23.0 kg/m2；排除标准：妊娠、低血压（收缩压≤90 mm Hg）、已知对碘化对比剂过敏、肾功能不全（肌酐≤120μmol/L）以及无法配合CCTA扫描者。根据纳入和排除标准，共有30例患者被纳入研究组（A组），在70 kVp管电压下进行扫描。为了进行比较，从我院PACS数据库中回顾性地选择了2017年5月～2017年10月30例具有相 似BMI值接受了CCTA的连续患者作为对照组。

2.方法

所有扫描均在16 cm宽体探测器Revolution CT扫描仪（GE公司）上进行自由呼吸［12］且使用前瞻性ECG触发的单次心跳轴向扫描模式扫描。两组均使用0.28 s转速，自动管电流调制以获得预设噪声指数的0.625 mm层厚原始图像，注射对比剂为碘帕醇（370 mg I/ml，Bracco公司）。探测器的最大z轴覆盖范围宽达16 cm，根据心脏大小，选用12、14或16 cm探测器准直扫描冠状动脉，范围从气管隆突下方1 cm到心脏底部。心脏扫描的采集窗口由扫描仪自动选择，并且取决于患者进行CCTA前的心率（heart rates，HR）：HR＜65 bpm时，采集时间窗为70%～80%R-R间期；HR＞80 bpm时，采集时间窗为30%～50% R-R间期；HR在66 bpm和80 bpm之间时，采集时间窗为30%～50%和70%～80%间期。所有扫描均采用对比剂追踪技术（bolus tracking），阈值触发，气管分叉下1 cm监测降主动脉，阈值达220HU触发，触发后扫描延迟时间为1.6～2.2 s。使用用于降低图像噪声的新一代容积自适应统计迭代重组（ASIR-V）算法和用于冠状动脉运动校正的快照冻结（Snapshot Freeze，SSF）重组技术来重组CCTA图像，并用冠状动脉特异性自动心脏最佳相选择（Smartphase）技术［13］自动选取最佳重组时相的图像。

两组的扫描模式和对比剂注射方案不同之处如下：A组使用70 kVp管电压，NI为36HU，对比剂注射方案为16 mg I/kg/s，注射9 s，重组参数ASIR-V权重为80%（80%ASIR-V）。B组使用常规扫描方案，100 kVp，NI为25HU，对比剂注射方案为25 mg I/kg/s，注射10 s，60%ASIR-V重组图像。

3.图像处理与分析

所有数据传入后处理工作站（GE ADW4.6）上由两名医师用盲法评估所有患者的客观和主观图像质量。分别用多平面重组（multi-planarreformation,MPR）、最大密度投影（maximum intensity projection,MIP）、曲面重组（curved planar reformat,CPR）、血管树的提取及容积再现（volume rendering,VR）等多种后处理技术重组0.625 mm的冠状动脉图像用于图像质量评估和比较。评估所有直径≥1.5 mm的血管节段。分别测量主动脉根部、右冠状动脉（RCA）近端、左前降支（LAD）近端、左旋支（LCX）近端及相邻心外膜脂肪的CT值和标准偏差（SD），用脂肪作为背景计算血管的信噪比（SNR）和对比噪声比（CNR），以脂肪的SD值作为背景噪声。

主观评价两名放射科医师（具有7年和1年CCTA诊断经验）对于扫描模式不知情的情况下，用5分法分别对基于每个患者的整体图像质量（包括血管增强效果和图像噪声）及诊断信心进行评估。评分系统（1分：不能诊断，图像质量差，增强效果差，图像噪声高;2分：难以诊断，图像质量较差，增强效果较差，噪声较高;3分：可诊断，图像质量适中，中等增强效果，平均图像噪声;4分：良好的图像质量，良好的增强效果，低于平均噪声;5分：优异的图像质量，优异的增强效果，较小的图像噪声）。此外，根据美国心脏协会（American Heart Association，AHA）制定的16节段的冠状动脉分段标准改良法［14］，针对冠状动脉血管血管边界清晰度和运动伪影的存在情况用5分法［15］评估每支血管和每个分节段的图像质量。5分：优异的图像质量，血管显示清楚，边缘清晰、光滑，与周围软组织对比良好，无运动伪影;4分：良好的图像质量，大多血管边界清晰，只有少量的运动伪影，不影响诊断;3分：图像质量欠佳但可用于诊断，可能影响诊断的准确性，有较多的运动伪影;2分：图像质量差，难以进行血管分析，有较严重的运动伪影;1分：不能满足诊断，图像质量差，严重的运动伪影。以得分大于等于3分为满足诊断要求，当评分存在分歧时，两医师经过协商后达成共识以获得最终图像质量评分，并测试两位评价者的原始评分的一致性，以各节段水平血管最低评分为该分支血管水平最终评分。

4.辐射剂量计算

记录CT容积剂量指数（CT volume dose index，CTDIvol），辐射剂量长度乘积（dose length product，DLP），并计算有效辐射剂量（effective dose，ED）=DLP×k，转换系数k为0.014［16］。

5.统计分析

连续变量用平均值±标准偏差（SD）表示，并使用SPSS软件（24.0版）进行统计分析。用Mann-Whitney U检验比较每支血管和每个患者的主观图像质量，用非配对t检验比较连续变量，包括CT值、CNR、辐射剂量和对比剂剂量。用加权Kappa检验评价观察者间一致性，Kappa值定义如下：0～0.20，一致性差;0.21～0.40，一致性略差；0.41～0.60，一致性中等;0.61～0.80，基本一致；0.81～1.00，几乎完全一致。P＜0.05被认为具有统计学意义。

结 果

患者特点：本研究中的60例患者都成功完成了CCTA检查且没有并发症。两组间患者平均年龄（52.8±9.8比57.4±10.7）岁、平均心率（bpm）［69.1.2±14.4（范围：48-128）比66.3±14.7（范围：45～113）］、体重（kg）（57.7±7.6比58.1±7.4）及体重指数（kg/m2）（22.0±2.3比21.2±2.1）均无统计学差异（表1）。两组患者中超过一半有高血压病史或吸烟史。两组的主要诊断分布相似。其中A、B两组分别有21例和22例发现冠状动脉狭窄：A、B两组分别有5例、6例有3支血管病变;A、B两组分别有10例、7例有2支血管病变，A、B两组分别有5例、10例有1支血管病变。患者一般资料和剂量等信息总结在表1。

图像质量评估：本研究中,60例患者有869个冠状动脉节段直径大于1.5 mm，其中，98.1%（852/869）是可评估的：在A组中为97.0%（415/428），在B组中为98.4%（434/441）。两组所有血管中的平均CT值均大于280HU，两组间主要血管的平均CT值无统计学差异（A组为415～527HU，B组为404～517HU）。A组的背景图像噪声（23.7±3.6HU）略 高 于B组（21.6±3.5HU）（P＜0.05），但这并未显著影响两组间SNR、CNR值以及主观图像质量的评价，两组间主要血管的SNR和CNR值均无统计学差异（均P＞0.05）（表2）。

表1 两组患者的一般信息、主要临床病史和诊断

此外，在评估每例患者水平的整体图像质量和诊断信心方面的得分无显著差异，在每支血管分支水平及节段水平主观评分也无统计学差异。（表4，图1，2）。两名观察者之间的一致性非常好（所有k＞0.80）（表3）。

辐射剂量和对比剂量：A组（2.20±1.28 mGy）和B组（8.79±4.94 mGy）之间CTDIvol有明显差异（P＜0.05），导致70 kVp组（A组）有效剂量（0.43±0.20 mSv）较100 kVp组（1.74±1.01 mSv）减少75.3%（P＜0.001）。此外，A组的对比剂量显著低于B组（22.46±2.94 ml比38.99±5.10 ml）（P＜0.001），减少了42.4%（表1）。

表2 两组之间血管的CT值、信噪比（SNR）和对比噪声比（CNR）

表3 70 kVp组、100 kVp组两名观察者主观评分分布

表4 两组最终图像主观评分分布

讨 论

本研究证明在16 cm宽体探测器CCTA中，对BMI≤23 kg/m2的患者，与传统的100 kVp方案相比，使用70 kVp结合ASIR-V算法方案在不影响图像质量和诊断可靠性的同时，可显著降低75.3%有效辐射剂量（从1.74降至0.43 mSv）、降低42.4%对比剂用量（从38.99 ml减少至22.46 ml）。

图1 男，63岁，近期发作的房颤，疑似有冠心病行70 kvp冠状动脉CT血管成像，各冠状动脉血管边界清晰，无运动伪影。a）轴位图；b）冠状动脉树；c）曲面重组（CPR）图

图2 女，66岁，突发性心悸、胸闷1年，疑似冠心病行100kVp冠状动脉CT血管成像，各冠状动脉血管边界清晰，无运动伪影。a）轴位图；b）冠状动脉树；c）曲面重组（CPR）图

有研究［17,18］已证明了高辐射暴露或高浓度碘负荷会引起的潜在健康风险，也提出了一些在确保图像质量的同时尽可能降低辐射剂量和对比剂量的方法，包括使用自动管电流调制和迭代重组算法等，优化管电压的选择也是一个降低辐射剂量和对比剂量的有效方法。大多数以往64排/128排双源CT或320排CT的CCTA研究中，使用100或120 kVp的固定管电压，虽然通常可获得诊断性的图像，但平均辐射剂量被报道为1.7～10.4 mSv，平均约4.9 mSv［19,20］，对比剂剂量为60～90 ml［21］。另一方面，因较低的管电压产生具有较低平均能量光子的X射线，其更接近碘的k边缘，且对碘提供更强的增强效果，而碘是对比剂的主要相关成分。临床工作中CCTA图像能否达到客观诊断主要取决于有足够的增强效果（大于等于250～280 HU）和可接受的CNR，这通常由扫描参数、重组算法或对比剂因素等共同决定，使用较低管电压时放宽了对达到类似对比噪声比图像噪声的要求。过去，CCTA最低管电压限制在80 kVp，近年来，随着至少有两家CT制造商推出了70 kVp的管电压的设备，一些研究探索了70 kVp管电压在几种临床中的应用，包括主动脉CTA［22］，颅脑CTA［23］，下肢CTA［24］和大 螺距CCTA［25-28］。Zhang等［25,26］已 经 证明，在第二代双源CT设备上，使用70 kVp管电压和30 ml对比剂（370 mg I/ml）方案与80 kVp和100 kVpCCTA相比，辐射剂量减少，分别为56%和75%。Wang等［28］另一项类似研究报道，用70 kVp前瞻性心电图门控的大螺距CCTA可减少辐射剂量，同时保持可诊断的图像质量和高的诊断符合率。这些70 kVp的大螺距CCTA研究均在双源CT系统上进行，研究中要么排除心率高于65 bpm的患者，要么排除心律失常或心率波动超过30 bpm的患者。据悉，本研究是16 cm宽体探测器CT系统上已证明使用70 kVp显著降低CCTA中的辐射剂量和对比剂量的首个研究。此外，通过充分利用16 cm宽探测器的一次心跳CCTA能力和0.28 s转速，本研究包括了高心率、高心率波动或心律失常（包括心房颤动）的患者。所有病例都成功完成了CCTA，所获得的图像均可临床诊断。本研究和之前在双源CT系统上使用70 kVp大螺距CCTA的研究结果一致，在保持诊断图像质量的同时，有效辐射剂量减少了75.3%，对比剂量减少了42.4%，但是没有限制患者心率和心率波动。本研究通过在扫描中（A组）设置了更高的噪声指数来降低辐射剂量。另一方面，通过使用新一代基于容积自适应统计迭代重组（ASIR-V）算法来减少图像 中 的 噪 声。Benz等［29］报 道，增 加ASiR-V水 平（从0%到100%的百分比）可显著降低噪声、提高图像的SNR和得到更好的低剂量CCTA图像质量，并得出100%ASIR-V的重组图像质量最好。在本研究中发现100%ASIR-V的图像质量有部分蜡状伪影出现，因此选择了80%ASIR-V的图像。

对比剂（contrast medium,CM）注射方案在减少CM剂量方面也具有重要作用。Kok等［30］系统地研究了如何在较低的kVp设置下优化CM注射参数，并得出结合总碘量（total iodine load,TIL）和碘流率（iodine delivery rate，IDR）是 降低 对比 剂的一种优化选择。即使使用不同的对比剂类型，也可以确保对比剂均匀性。因此，与大多数先前使用30或40 ml固定对比剂剂量的研究不同，本研究中使用基于患者体重的对比剂注射方案，以低剂量的16 mg I/kg/s对比剂量率持续9 s注射时间，而不同于常规00 kVp方案CM注射方案：对比剂量率为25 mg I/kg/s，持续10 s。与100 kVp组相比，70 kVp组仅需要平均22.46 ml的CM，平均CM量减少42.4%。

尽管通过使用诸如70 kVp的低管电压来大大提高增强效果有明显优点，但依然存在限制。第一个限制是需要能在较低的kV下具有足够的管电流以保持足够低的图像噪声［31］，尤其是对于较肥胖的患者。第二个限制是因70 kVp X射线光谱中存在许多低能光子，较肥胖者的剂量效率较低，与较高管电压（例如在相似的辐射剂量下为120 kVp）相比，这种降低的剂量效率可能导致较肥胖者图像噪声的显著增加。在本研究中，纳入BMI≤23 kg/m2的患者作为研究人群，该BMI纳入标准与Zhang等［26］研究中使用的标准一致。

本研究的局限性：（1）研究的重点是图像质量比较，没有进行金标准验证。（2）样本量相对较小，在扫描期间，60例患者中只有2例发生房颤，使研究结论在心房颤动患者亚组中缺乏充分验证。（3）没有对BMI值较大者进行评估。

总之，在16 cm宽探测器CT上使用70 kVp和高权重容积自适应统计迭代重组（ASIR-V）算法的前瞻性ECG触发CCTA与常规100 kVp管电压CCTA相比，提供了诊断图像的同时，显著降低了辐射剂量和对比剂剂量。