第3代双源CT低剂量Turbo Flash成像图像质量与诊断效能的临床研究

徐佳欢 张文雯 吕宇航 籍庆余 陈国强 韩瑞娟 苏宇航 孙凯

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第3代双源CT低剂量Turbo Flash成像图像质量与诊断效能的临床研究

    通讯作者: 孙凯, Henrysk@163.com
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 81560286

    内蒙古自治区卫生和计划生育委员会项目 201302124

Study of image quality and diagnostic accuracy of low-dose coronary angiography using third-generation dual-source CT with free breathing and heart rate

    Corresponding author: Kai Sun, Henrysk@163.com
  • Fund Project: National Natural Science Foundation of China 81560286Inner Mongolia Autonomous Region Health and Family Planning Commission 201302124

  • 摘要: 目的探讨第3代双源CT大螺距前瞻性心电门控扫描模式(Turbo Flash)冠状动脉CT成像(CCTA)评价冠状动脉狭窄的准确性、图像质量及有效辐射剂量。方法前瞻性收集2016年4月至2017年4月接受第3代双源CCTA检查的患者1003例,其中有70例患者在CCTA检查后30 d内行冠状动脉造影(CAG)。对冠状动脉各节段图像质量进行评分,计算有效辐射剂量。以CAG结果为“金标准”,计算CCTA显示冠状动脉病变的灵敏度、特异度、阳性预测值和阴性预测值;CCTA与CAG评价冠状动脉狭窄分级的一致性采用Kappa值并进行U检验。结果(1) 图像质量:右冠状动脉不可诊断血管节段为0,左冠状动脉主干及前降支不可诊断血管节段为0,左冠状动脉回旋支不可诊断血管节段为0.04% (3/835)。(2)准确性评价:基于节段水平分析,Force CT诊断冠状动脉狭窄的灵敏度为97.0% (289/298)、特异度为98.3% (706/718)、阳性预测值为96.0% (289/301)、阴性预测值为98.7% (706/715);基于血管分析,灵敏度为97.5% (159/163)、特异度为85.1% (40/47)、阳性预测值为95.8% (159/166)、阴性预测值为90.9% (40/44);基于患者分析,灵敏度、特异度、阳性预测值、阴性预测值均为100%。CCTA与CAG显示的冠状动脉狭窄部位高度一致(U=2.4,P=0.008)。(3)辐射剂量:有效辐射剂量为(1.17±0.29)mSv。结论第3代双源CT Turbo Flash模式可以在自然呼吸、无心率干预下进行冠状动脉成像,扫描成功率高,图像质量佳,评价冠状动脉狭窄的准确性高,有效辐射剂量低。
  • 图 1  疑似冠心病患者的CCTA图像

    Figure 1.  CCTA images of patients with suspected coronary heart disease

    图 2  疑似冠心病患者的曲面重组图像与心电门控图像

    Figure 2.  Curved planar reformation images and electrocardiogramgating images of patients with suspected coronary heart disease

    图 3  冠状动脉狭窄患者的CCTA图像与CAG图像对比及心电门控图像

    Figure 3.  CCTA images and CAG images of patients with coronary artery stenosis were compared and the electrocardiogram-gating images were obtained

    表 1  1003例疑诊为冠心病患者CCTA冠状动脉图像质量评分表

    Table 1.  CCTA coronary image quality score scale for 1003 suspected patients with coronary heart disease

    节段号 评分/分 合计
    1 2 3 4
    右冠状动脉 1 992 7 4 0 1003
    2 987 10 6 0 1003
    3 997 5 0 0 1002
    4 992 0 0 0 992
    左冠状动脉主干 5 1003 0 0 0 1003
    6 1000 2 1 0 1003
    7 995 6 2 0 1003
    左冠状动脉前降支 8 1002 1 0 0 1003
    9 979 0 0 0 979
    10 633 0 0 0 633
    左冠状动脉回旋支 11 990 11 1 0 1002
    12 799 28 5 3 835
    13 997 4 1 0 1002
    14 391 0 0 0 391
    15 975 0 0 0 975
    16 531 0 0 0 531
    17 415 0 0 0 415
    18 20 0 0 0 20
    注:表中,CCTA:冠状动脉CT成像。
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    表 2  第3代双源CT诊断冠状动脉狭窄准确性的结果

    Table 2.  Accuracy of Force CT in the diagnosis of coronary artery stenosis

    分析部位 结果 统计分析(%)
    真阳性 假阳性 真阴性 假阴性 灵敏度 特异度 阳性预测值 阴性预测值
    基于节段分析(n=1014) 289 12 706 9 97 98.3 96 98.7
    基于血管分析(n=210) 159 7 40 4 97.5 85.1 95.8 90.9
    基于患者分析(n=70) 70 0 0 0 100 100 100 100
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-02-24
  • 刊出日期:  2018-11-25

第3代双源CT低剂量Turbo Flash成像图像质量与诊断效能的临床研究

    通讯作者: 孙凯, Henrysk@163.com
  • 1. 014040, 包头医学院中心临床医学院, 包头市中心医院影像科
  • 2. 014040, 包头医学院中心临床医学院, 包头市中心医院心内科
  • 3. 014030, 包头市肿瘤医院影像科
基金项目:  国家自然科学基金 81560286内蒙古自治区卫生和计划生育委员会项目 201302124

摘要: 目的探讨第3代双源CT大螺距前瞻性心电门控扫描模式(Turbo Flash)冠状动脉CT成像(CCTA)评价冠状动脉狭窄的准确性、图像质量及有效辐射剂量。方法前瞻性收集2016年4月至2017年4月接受第3代双源CCTA检查的患者1003例,其中有70例患者在CCTA检查后30 d内行冠状动脉造影(CAG)。对冠状动脉各节段图像质量进行评分,计算有效辐射剂量。以CAG结果为“金标准”,计算CCTA显示冠状动脉病变的灵敏度、特异度、阳性预测值和阴性预测值;CCTA与CAG评价冠状动脉狭窄分级的一致性采用Kappa值并进行U检验。结果(1) 图像质量:右冠状动脉不可诊断血管节段为0,左冠状动脉主干及前降支不可诊断血管节段为0,左冠状动脉回旋支不可诊断血管节段为0.04% (3/835)。(2)准确性评价:基于节段水平分析,Force CT诊断冠状动脉狭窄的灵敏度为97.0% (289/298)、特异度为98.3% (706/718)、阳性预测值为96.0% (289/301)、阴性预测值为98.7% (706/715);基于血管分析,灵敏度为97.5% (159/163)、特异度为85.1% (40/47)、阳性预测值为95.8% (159/166)、阴性预测值为90.9% (40/44);基于患者分析,灵敏度、特异度、阳性预测值、阴性预测值均为100%。CCTA与CAG显示的冠状动脉狭窄部位高度一致(U=2.4,P=0.008)。(3)辐射剂量:有效辐射剂量为(1.17±0.29)mSv。结论第3代双源CT Turbo Flash模式可以在自然呼吸、无心率干预下进行冠状动脉成像,扫描成功率高,图像质量佳,评价冠状动脉狭窄的准确性高,有效辐射剂量低。

English Abstract

  • 冠心病是我国第一位致死性疾病,其发病率呈逐年上升趋势,目前,心血管病死占城乡居民总病死原因的首位,心血管病的疾病负担日渐加重,已成为重大的公共卫生问题[1]。冠状动脉CT成像(coronary computed tomography angiography,CCTA)以其检查的无创性、较高的准确率和快捷性等优点而成为检测冠状动脉狭窄的重要手段[2-3],但伴随而来的较高的辐射剂量问题也引起了人们的关注。传统的多排螺旋CCTA对人体的电离辐射较高,且由于时间分辨率所限,CCTA易受心率和呼吸运动的影响产生伪影[4],进而会降低诊断冠心病的准确率。第3代双源CT可使患者在自然呼吸并且无心率干预下完成高质量扫描,并且有效辐射剂量极低。本研究应用第3代双源CT Turbo Flash模式进行冠状动脉成像,并与传统冠状动脉造影(coronary angiography,CAG)进行比较,评价该方法诊断冠状动脉狭窄的准确性、图像质量及有效辐射剂量。

    • 前瞻性收集本院2016年4月至2017年4月临床疑诊为冠心病且需行CCTA的患者1003例,其中男性486例、女性517例,年龄27~88 (59±10)岁,体重40~109 (68.6±10.9)kg,身高130~190 (165.6±7.7)cm,身体质量指数(14.7~36.3) (24.9±3.1)kg/m2。心率45~113 (76±14)次/min,心率>70次/min者618例。其中有70例患者行CCTA后30 d内行CAG检查。

      排除标准:有对比剂过敏史、严重肝和(或)肾功能不全病史(肾小球滤过率 < 60 mL/min)、心功能不全、安装起搏器、患瓣膜病或其他心脏疾病(如心肌病或先天性心脏病、各种心律失常)、怀孕或哺乳期妇女。所有患者均于检查前签署了知情同意书。

    • 采用第3代双源CT (德国西门子公司SOMATOM Force),检查前均不作呼吸训练,高心率患者不给予药物控制心率。扫描前常规舌下喷硝酸甘油2次。扫描模式为Turbo Flash模式,在一个心动周期采集数据。当患者心率>70次/min时,采集窗选择在最佳收缩期范围(50%~60%);当患者心率≤70次/min时,采集窗选择在最佳舒张期范围(20%~30%)。先行冠状动脉钙化积分扫描,扫描范围从气管分叉下2 cm到膈部,扫描方向从头向足,采用bolus-tracking技术[5],非离子对比剂碘海醇(欧乃派克,美国通用公司)的参考总量为50 mL,对比剂总量和流速可根据不同的身体质量指数进行调节,用双筒高压注射器(德国Ulrich,Missouri-XD2001)以5 mL/s的参考流速肘静脉注射,升主动脉根部为ROI (阈值100 HU),峰值时间后延迟4 s开始扫描,之后以5 mL/s注入生理盐水40 mL。扫描参数:准直2×96×0.6 mm,z-飞焦点方法采集2×192×0.6 mm,螺距3.2,采用自动管电流、管电压。图像重建层厚0.75 mm,重建间隔0.4 mm,采用软组织卷积核(B36f)。血管壁钙化的患者采用锐利组织卷积核(B49)重建图像来补偿伪像。图像经容积再现技术、最大密度投影、曲面重建、多平面重组和心血管优化分析软件等处理,筛选最佳CT图像用于血管评价。

    • 采用双盲法由两位从业5年以上的放射科主治医师对患者图像进行评价,意见不一致时请主任医师会诊,得出最终结果。对直径≥1.5 mm的冠状动脉,根据美国心血管CT协会最新推荐的标准改良分段法[7-8],将冠状动脉树分为一级18个节段,闭塞血管以远段不记入分析。冠状动脉图像分为4级,相应评为1~4分:1分为血管显示良好,边界清晰,无伪影或血管中断;2分为血管边界模糊,有轻度伪影;3分为血管有中度伪影,尚能满足诊断要求;4分为血管显示不清,有严重伪影,不能作出诊断。统计冠状动脉图像质量并进行评分。

    • 通过CT自动计算得到剂量长度乘积(dose length product,DLP),单位有效剂量(effective dose,ED)=k×DLP (k值参照2017年Trattner等[9]的研究,心脏k=0.026 mSv·mGy-1·cm-1)。

    • 选用PHILIPS FD10数字血管造影机,常规左CAG取4~6个体位、右CAG取2~3个体位投照,以CAG导管直径为基准。对左右冠状动脉及其主要血管内径进行定量分析。图像分析由两名从事CAG工作5年以上的介入科主治医师在未知CCTA结果的情况下独立完成,意见不一致时请主任医师会诊,得出最终结果。

    • 采用SPSS 21.0软件对数据进行统计学分析。计量资料以x±s表示,以CAG结果为金标准,计算CCTA显示冠状动脉病变的灵敏度、特异度、阳性预测值和阴性预测值。CCTA与CAG评价冠状动脉狭窄分级采用一致性检验,得出Kappa值后进行U检验。P<0.05表示差异有统计学意义。

    • 所有患者均顺利完成CCTA和CAG检查,无任何严重不良反应。

    • 表 1可见,1003例患者所有可诊断血管节段:右冠状动脉图像质量为1分的节段占右冠状动脉节段的99.20% (3968/4000) (图 1)、2分的节段占0.55% (22/4000)、3分的节段占0.25% (10/4000)、不可诊断的血管节段为0;左冠状动脉主干及前降支图像质量为1分的节段占左冠状动脉节段的99.78% (5612/5624)、2分的节段占0.16% (9/5624)、3分的节段占0.05% (3/5624)、不可诊断的血管节段为0;回旋支图像质量为1分的节段占回旋支节段的98.73% (4152/4205)、2分的节段占1.02% (43/4205)、3分的节段占0.17% (7/4205)、不可诊断的血管节段为3段,中间支图像均显示良好。1003例患者中17例患者由于心率变异性较大,导致血管有运动伪影,但结果基本可供诊断,由此可知,影响图像质量的因素主要是心率变异性。

      图  1  疑似冠心病患者的CCTA图像

      Figure 1.  CCTA images of patients with suspected coronary heart disease

      节段号 评分/分 合计
      1 2 3 4
      右冠状动脉 1 992 7 4 0 1003
      2 987 10 6 0 1003
      3 997 5 0 0 1002
      4 992 0 0 0 992
      左冠状动脉主干 5 1003 0 0 0 1003
      6 1000 2 1 0 1003
      7 995 6 2 0 1003
      左冠状动脉前降支 8 1002 1 0 0 1003
      9 979 0 0 0 979
      10 633 0 0 0 633
      左冠状动脉回旋支 11 990 11 1 0 1002
      12 799 28 5 3 835
      13 997 4 1 0 1002
      14 391 0 0 0 391
      15 975 0 0 0 975
      16 531 0 0 0 531
      17 415 0 0 0 415
      18 20 0 0 0 20
      注:表中,CCTA:冠状动脉CT成像。

      表 1  1003例疑诊为冠心病患者CCTA冠状动脉图像质量评分表

      Table 1.  CCTA coronary image quality score scale for 1003 suspected patients with coronary heart disease

    • 70例行CAG检查的患者共显示出冠状动脉节段1014段,典型病例的CAG图像见图 2。基于节段水平分析,CCTA检查显示冠状动脉狭窄病变301段;CAG显示冠状动脉狭窄病变298段。基于节段分析、基于血管分析和基于患者分析,CCTA诊断冠状动脉狭窄的灵敏度、特异度、阳性预测值和阴性预测值的结果见表 2。CCTA与CAG在显示冠状动脉狭窄分级一致性检验上Kappa值为0.932,对Kappa值进行U检验,差异有统计学意义(U=2.4,P=0.008),这说明CCTA与CAG在显示冠状动脉狭窄分级上高度一致(图 3)。

      图  2  疑似冠心病患者的曲面重组图像与心电门控图像

      Figure 2.  Curved planar reformation images and electrocardiogramgating images of patients with suspected coronary heart disease

      图  3  冠状动脉狭窄患者的CCTA图像与CAG图像对比及心电门控图像

      Figure 3.  CCTA images and CAG images of patients with coronary artery stenosis were compared and the electrocardiogram-gating images were obtained

      分析部位 结果 统计分析(%)
      真阳性 假阳性 真阴性 假阴性 灵敏度 特异度 阳性预测值 阴性预测值
      基于节段分析(n=1014) 289 12 706 9 97 98.3 96 98.7
      基于血管分析(n=210) 159 7 40 4 97.5 85.1 95.8 90.9
      基于患者分析(n=70) 70 0 0 0 100 100 100 100

      表 2  第3代双源CT诊断冠状动脉狭窄准确性的结果

      Table 2.  Accuracy of Force CT in the diagnosis of coronary artery stenosis

    • 1003例患者CCTA的DLP为16.5~78.7 mGy×cm[ (45.0±11.5)mGy×cm],ED为0.43×2.04 mSv[ (1.17±0.29)mSv]。

    • 我们曾利用第2代双源CT大螺距模式做了不同心率的CCTA研究,结果显示心率≤65次/min且心率稳定的患者扫描成功率高,图像质量好[3-4, 10]。高心率患者采用RR间期的20%~30%采集图像,图像质量好。但前期研究具有一定局限性:①仅用第二代双源CT成像;②所有患者的心率均≤100次/min。本研究在前期研究基础上将样本量扩大为1003例,入选患者扫描时的最高心率达113次/min。

    • 本研究结果显示,影响图像质量的因素有很多,最重要的是心率变异性,其直接影响扫描采集时间窗的选择。当患者心率>70次/min时,采集窗选择在最佳收缩期范围(50%~60%);当心率≤70次/min时,采集窗选择在最佳舒张期范围(20%~30%),有些患者扫描前心率在正常范围,扫描中由于紧张心率突然升高,导致扫描采集时间窗选择有误,采集时间窗落在QRS波峰上,图像质量欠佳。另外,回旋支图像质量相比其他血管显影稍差,不可诊断血管率高,右冠状动脉图像质量较左冠状动脉主干及前降支图像质量稍差,究其原因为右冠状动脉和回旋支行走于房室沟内,由于心房与心室的不同步收缩,导致右冠状动脉运动幅度较大而产生伪影。

    • 本研究结果显示,采用第3代双源CT Turbo Flash模式进行CCTA诊断冠状动脉狭窄的灵敏度为97.0%、特异度为98.3%、阳性预测值为96.0%、阴性预测值为98.7%。Zheng等[11]报道,第2代双源CT前瞻性心电门控大螺距模式诊断冠状动脉病变的灵敏度、特异度、阳性预测值和阴性预测值分别为72%、91%、88%和78%;Sato等[12]同样利用第2代双源CT大螺距模式行CCTA,灵敏度、特异度、阳性预测值和阴性预测值分别为92.2%、87.5%、69.6%和97.3%;Mangold等[13]利用第3代双源CT Turbo Flash模式行CCTA,灵敏度、特异度、阳性预测值和阴性预测值分别为96.0%、95.5%、93.9%和97.7%。与以上研究结果比较,本研究利用第3代双源CT Turbo Flash模式行CCTA的准确性较高。影响CCTA诊断准确率的因素有多种,在本研究的病例中,分析CCTA造成的假阴性、假阳性的21个血管节段中,11个节段由冠状动脉钙化引起,冠状动脉钙化严重时,病变处真实管腔被钙化遮盖,致使对狭窄程度的评估有误;6个节段由冠状动脉闭塞引起;4个节段由心肌桥造成。

    • 本研究结果显示,有效辐射剂量的ED为(1.17±0.29)mSv,低于64排CT的12.29 mSv[14]及第2代双源CT的1.2 mSv[15]。Gordic等[16]报道,第3代双源CT行CCTA的有效辐射剂量为(0.4±0.1)mSv。Meyer等[17]用第3代双源CT行CCTA的有效辐射剂量为(0.44±0.1)mSv。Hell等[18]用第3代双源CT行CCTA的有效辐射剂量为(0.3±0.03)mSv。本研究结果与之相比,辐射剂量稍高,分析原因可能为本地区患者的身体质量指数相对较高,对部分患者我们采用了提高管电压的方法行CCTA,因此辐射剂量相对较高。另外,本研究k值参照的是Trattner等[9]的研究,心脏k=0.026 mSv·mGy-1·cm-1,而以往研究心脏k值均参照欧盟委员会关于CT的质量标准指南[19],利用胸部k=0.014 mSv·mGy-1·cm-1来计算有效辐射剂量。

    • 心率:本研究低心率患者(心率≤70次/min)扫描时间窗采用舒张期成像(50%~60%);高心率患者(心率>70次/min)采用收缩期成像(20%~30%)。除了严重心律不齐的患者,本研究用第3代双源CT行CCTA检查,基本做到了检查前无需对患者心率进行人工干预便可直接进行检查。1003例患者的心率为45~113 (76±14)次/min,心率>70次/min者618例,这些患者扫描前均未服用β受体阻滞剂等药物降低心率,采集的图像未因心率过快而影响图像质量,有17例因为心率变异性较大而导致右冠状动脉出现伪影,但结果基本可供诊断。Zheng等[11]采用第3代双源CT回顾性评估胸腹主动脉CCTA图像质量,入选病例仅50例,扫描前未服用β受体阻滞剂等控制心率,结果有14%的患者冠状动脉成像图像质量不佳,不能供临床诊断,冠状动脉成像的最高心率为70次/min。本研究的所有患者均采用Turbo Flash模式进行冠状动脉成像,不可诊断的血管节段仅3个节段,最高心率达113次/min。本研究结果显示,利用第3代双源CT行CCTA检查虽然对心率的快慢无明显要求,但心率变异性大的患者冠状动脉成像图像质量稍差,心律不齐的患者冠状动脉成像检查受限。

      呼吸:本研究的另外一个优势是患者可以在自然呼吸下进行冠状动脉成像。传统的螺旋CT,为了得到没有呼吸伪影的图像,需要屏气才能完成CCTA检查。在实际工作中,我们经常遇到不能配合呼吸命令的患者,如小儿、听力受损、危重或需急救、肺功能不好的老年人、严重的心肺或神经系统疾病引起的并发症或痴呆等患者,从而导致CCTA检查的失败。第3代双源CT的螺距达到3.2,使用Turbo Flash模式扫描可以在0.13 s内完成CCTA的检查,从而克服屏气对冠状动脉的影响。本研究的1003例患者CCTA检查均在没有呼吸的指令下完成的,结果显示,冠状动脉没有出现呼吸及心脏运动产生的伪影。

      综上所述,第3代双源CT Turbo Flash模式CCTA评价冠状动脉狭窄的图像质量好,准确性高,有效辐射剂量低;可在自然呼吸下和无心率干预下对患者进行检查,检查结果基本可供临床诊断。不足之处:本研究没有对存在病变的患者冠状动脉斑块性质及危险因素进行分析,未能对患者进行长期跟踪随访,这些将在日后的研究工作中进一步改善。

参考文献 (18)

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