基于复合权重因子对比剂注射法在冠状动脉CTA中的优化研究

徐天才, 万维佳, 夏黎明

过去几十年间,冠状动脉疾病(coronary artery disease,CAD)发病率呈不断上升趋势,在包括我国在内的中低收入国家中疾病负担显著增加[1-2]。随着冠状动脉CT血管成像(coronary computed tomography angiography,CCTA)技术的巨大进步,高精准度的CCTA技术可评估斑块的负荷和形态,分析斑块成分、炎症、壁运动和心肌瘢痕等,可为一二级心血管预防、风险管理、筛查、诊断和治疗决策提供重要信息,这种无创性血管成像技术已逐渐代替传统的侵入性冠状动脉造影(invasive coronary angiography,ICA)技术[3-5]。然而,CCTA技术仍存在图像质量不佳影响诊断准确性、碘对比剂的过量使用以及辐射剂量较高等问题[6]。如何在保证冠脉清晰成像的前提下减少对比剂用量是CCTA技术可改良的方向之一,本研究旨在探讨一种基于复合权重因子(compound body weight factor,CWF)算法的对比剂注射方案能否在有效降低对比剂用量的前提下保证甚至是提高CCTA图像质量和诊断准确性[7-8]。

材料与方法

1.研究对象

前瞻性收集2023年1月-2023年6月在本院因疑似冠状动脉疾病而拟行CCTA检查的患者,剔除了扫描前心电监护显示房颤、肾功能不全和对比剂过敏的患者后,最终纳入96例符合研究要求的患者,并随机分配至实验组和对照组。

所有患者签署了知情同意书。

2.检查方法

使用Toshiba Aquilion Vision 320排CT机进行CCTA扫描。患者在检查前4 h禁食,对每例患者进行呼吸训练,简述检查过程和可能的不良反应。检查时患者取仰卧位,扫描方向为头足向,扫描范围自气管分叉下2 cm至心尖水平。注射对比剂后使用智能触发技术,在降主动脉内设定ROI,触发阈值为260 HU,采用同层面动态扫描监测ROI的CT值,达阈值后延迟5.2 s启动扫描。CCTA扫描参数:100 kV,智能管电流调整技术,层厚0.50 mm,层间距0.25 mm,矩阵512×512,探测器准直宽度0.5 mm×160i(或320i),转速275 ms/r,满足扫描范围前提下选用较小视野,视野大小150 mm×150 mm～350 mm×350 m,扫描时间0.5～3.8 s。图像后处理采用血管重建FC43算法和标准3D自适应迭代降低剂量重建(adaptive ite-rative dose reduction,AIDR)算法。

3.对比剂的使用及分组

对所有患者使用18G套管针和高压注射器(Medrad Stellant),经肘正中静脉注射非离子型碘对比剂优维显(370 mg I/mL)和生理盐水。

实验组采用基于CWF的注射方案,即参考患者的身高(height,H;单位为cm)、体重(weight,W;单位为kg)及年龄(岁)来计算对比剂用量(volume,V;单位为mL)和注射流率(rate,R;单位为mL/s),具体计算方法:

CWF=(H-100+W)/2

(1)

V=CWF×k

(2)

R=V/T

(3)

其中,k值的取值范围为0.8～0.9,对于正常体重患者(BMI=18.5～23.9 kg/mm2)k值取0.85,偏瘦患者(BMI<18.5 kg/mm2)的k值取0.9,偏胖患者(BMI>23.9 kg/mm2)的k值取0.8;T为对比剂静脉团注时间,采用定时法确定对比剂流率,对于血管状况良好、循环正常的患者T值设定为10 s,血管脆性较大时(如化疗患者)注射流率应适当降低,T值取11～12 s。对比剂注射完毕后,以0.9R的注射流率团注生理盐水30 mL。基于上述方法,以一个体重70 kg、身高175 cm的非化疗成年男性患者为例,其CWF为72.5,对比剂注射总量为62 mL,注射流率为6.2 mL/s。

对照组采用净体重法注射方案:以5.0～6.5 mL/s的流率团注对比剂,然后再以相同的流率注射30 mL生理盐水。净体重法计算公式:男性去脂体重=[0.297×体重(kg)+19.5×身高(m)-14.013]/0.72;女性去脂体重=[0.184×体重(kg)+34.5×身高(m)-37.27]/0.72[5]。

4.数据收集

记录所有被试者的一般资料(身高、体重、年龄、性别、BMI和病史)以及辐射剂量。依据欧洲CT质量标准指南建议[6],CCTA的有效剂量(effective dose,ED)的计算方法为:先测量剂量长度乘积(dose length product,DLP),以DLP乘以胸部换算系数k即为ED[7],k=0.014 mSv·mGy-1·cm-1。

5.冠脉分段方法

根据美国心血管CT协会SCCT指南的推荐,将冠状动脉分为18段:右冠状动脉(right coronary artery,RCA)近段、RCA中段、RCA远段、RCA后降支、左主干(left main,LM)、左前降支(left anterior descending,LAD)近段、LAD中段、LAD远段、第一对角支(diagonal branches,D1)、第二对角支D2、回旋支(left circumflex,LCX)近段、LCX中段、第一钝缘支(obtuse marginal,OM1)、第二钝缘支OM2、回旋支-后降支(LCX-posterior descending artery, LCX-PDA)、右冠状动脉起源的左室后支(RCA-posterior branch of left ventricle,RCA-PLV)、中间支(ramus intermedius,RI)、回旋支-左室后支(LCX-posterior branch of left ventricle,LCX-PLV)[8]。

6.图像质量的评价

图像质量的客观评价:在各段冠脉管腔内的中心位置放置ROI,测量CT值及其SD值(代表图像噪声),以CT值>325 HU作为各段血管满足诊断需求的判断标准,记录各段血管的图像质量为合格或不合格(图1、2)[9],计算冠脉各段血管的信噪比(SNR)和对比噪声比(CNR):

图1 图像质量评分不合格示例图。LCX近段,CT值为210 HU,未达到325 HU。 图2 图像质量评分合格血管示例图。RCA近段,管腔内CT值为415 HU>325 HU。

SNR=10×log(CT值/SD)

(4)

CNR=CT值/SD

(5)

图像质量的主观评价:由两位具有5年以上工作经验的放射科医师采用双盲法对每例患者的CCTA图像质量进行主观评价,采用4级评估法,评价标准:1级,血管走行不连续,血管周围模糊较重,血管对比不好,运动伪影和噪声大,图像质量差,无法满足诊断要求;2级,血管周围有明显的模糊,血管对比一般,有中度的运动伪影和噪声,图像质量中等,基本达到诊断要求;3级,血管走行连续,周围有轻微模糊,对比好,有轻度的运动伪影和噪声,图像质量良好,评估病变有较大把握;4级,血管走行连续,边缘清晰,对比很好,无运动伪影,噪声小,图像质量优,能充分评估病变[10]。2～4级均为能满足诊断要求。记录两位医师的评估结果,用于评估观察者间的一致性;然后,对于两者意见不一致的评分结果,经协商后达成一致意见,用于后续分析。

7.统计学分析

使用SPSS 22.0软件对所有数据进行统计学分析。连续型变量(年龄、体重、身高、心率及DLP)以均数±标准差表示,组间比较采用独立样本t检验;离散型变量(性别、CT值是否满足诊断要求和图像质量评分)采用绝对数和百分比来表示,组间比较采用卡方检验。以P<0.05为差异有统计学意义。采用Kappa检验评估两位观察者对图像质量主观评分的一致性(0～0.2为一致性极低,0.2～0.4为一致性低,0.4～0.6为一致性中等,0.6～0.8为一致性较高,0.8～1.0为一致性极高)。

结 果

1.临床资料

96例患者被随机分为2组,实验组46例,对照组50例。两组患者之间年龄、性别、身高和体重的差异均无统计学意义(P>0.05),详见表1。

表1 两组受检者一般资料

2.辐射剂量和对比剂总量

实验组的对比剂注射量及各项辐射剂量指标均明显低于实验组,差异均具有统计学意义(P<0.05)。

3.冠脉血管CT值及噪声

实验组和对照组18个冠脉节段的CT值及组间比较结果详见表2。实验组冠脉各节段的CT值均高于对照组,差异均有统计学意义(P<0.05)。

表3 两组中18个冠脉节段的CT值及组间比较结果 /HU

实验组共820个冠脉节段,CT值合格的节段为687个;对照组共841个冠脉节段,合格节段为548个;实验组的合格率高于对照组(83.78% vs.65.16%),差异有统计学意义(χ2=30.62,P<0.05)。

两组中18个冠脉节段的SNR及CNR及组间比较结果详见表4。实验组中各冠脉节段的SNR和CNR均高于对照组,差异均有统计学意义(P<0.05)。

表4 两组间冠脉各节段SNR和CNR的比较

4.图像质量的主观评价

两位医师对所有患者的冠脉图像质量的主观评级结果的一致性较高(Kappa=0.68)。

实验组46例中图像质量达到4级的有31例(67.39%),3级11例,2级4例,没有1级的病例;对照组50例病例中图像质量达到4级的有30例(60.00%),3及13例,2级7例,没有1级的病例。两组中每例患者的CCTA图像均能满足诊断要求,但是实验组的评级结果明显优于对照组,差异有统计学意义(χ2=13.12,P=0.011)。

讨 论

本研究的主要结果为基于身高、体重、BMI和对比剂类型的复合权重因子法对比剂注射方案,能在一次完整的CCTA检查中对患者实现个性化的对比剂参数设定,在提供满足诊断要求的高质量图像的同时能有效减少对比剂用量和患者接受的辐射剂量。

碘对比剂因其对X线的吸收衰减能力强,能使血管与周围组织形成的良好对比而清晰显影,成为心血管成像的基本使用药物[11]。因此,随着CCTA检查的广泛临床应用,对比剂的使用日益增多。然而众所周知,碘对比剂可导致机体不同程度的不良反应,根据不良反应发生的机制可分为两类:一类是过敏性反应,为非剂量依赖型;另一类是类生理反应,为剂量依赖型,与对比剂的注射量、流率、注射方式及类型相关,最常累及肾脏、心血管系统和神经系统[12]。

CCTA检查时,对比剂注射时间应与扫描时间一致,因此注射时间须控制在一定范围内,对比剂用量如果过多,则必然要求注射流率较大,不仅会使得图像上腔静脉伪影的干扰大,而且对于血管弹性差或脆性大的患者,血管破裂和对比剂外渗的风险明显增大,会增加不良反应和检查失败的发生概率,因此尽量减少对比剂的用量是临床应用时的重要一环。本研究中采用的复合权重因子(CWF)法,是参考了患者的身高及体重,个性化调整对比剂注射总量和注射流率,保证碘流率,从而使血管强化值能满足诊断要求,相比净体重法,CWF法明显降低了患者的对比剂注射量,同时能稳定的提供高质量的血管图像(冠脉各节段CT值合格率达83.78%,4级图像质量占比达67.39%)。

既往文献报道的CTA检查中降低对比剂用量的方法一般是基于体重的计算法(注射量=体重×1.4 mL/kg,上限120 mL),或者对体重小于80 kg的患者采用降低管电压的方法(由常规的120 kV降低至80 kV)[13],上述2种方法较净体重法分别减少12%和25%的对比剂用量。在本研究中,采用CWF法时使用的平均对比剂注射量较净体重法减少了17%,处于上述两种方法之间,原因可能如下:本研究出于对患者不同体型的考虑,为保证图像的信噪比,将管电压统一设置为100 kV;在较低光子能量的情况下,碘的质量衰减系数增加,而软组织较少依赖于能量,因此低kV成像时的平均光子能量较低,碘与软组织之间的吸收差异增加,图像的对比度也随之增加[14],因此对于体型较瘦的患者,如果降低kV值至70 kV同时增加管电流则可以实现对比剂用量的进一步减少。

CCTA检查过程中的辐射剂量也是需要考虑的因素。在实际应用时践行剂量最低原则,最核心的要求是要实现对受检者接受剂量的个性化扫描参数设置[15],本研究中采用前瞻性心电门控触发扫描模式、低千伏、智能毫安和迭代重建算法,结果显示实验组的辐射剂量显著低于对照组(P<0.05),说明CWF法在减少对比剂用量的同时可降低辐射剂量,原因可能在于对比剂用量和注射流率的降低在一定程度上可提高受检者的舒适度,有利于平稳其心率和呼吸,从而可减少因屏气不佳、心率不稳使得采集时相增宽或需重复采集等情况导致的受检者接受剂量的增加。

在解释本研究结果时应注意以下局限性:首先,本研究为单中心研究,招募的受检者样本量较少,可能导致统计效能和结果外推受限;其次,没有将CCTA结果与金标准ICA的结果进行对比来评估CCTA结果的准确性,虽然评估准确性并不是本研究的主要目的。

综上所述,改良的基于复合权重因子的对比剂注射方案在CCTA检查中可减少对比剂用量,能稳定提供满足诊断要求的较高质量的图像,提高检查的安全性和舒适性,具有良好的临床可行性。