2. 上海联影医疗科技股份有限公司,上海 201800;
3. 北京大学第三医院放射科,血管稳态与重构全国重点实验室(北京大学),北京 100191
2. Shanghai United Imaging Healthcare Co., Ltd., Shanghai 201800, China;
3. State Key Laboratory of Vascular Homeostasis and Remodeling (Peking University), Department of Radiology, Peking University Third Hospital, Beijing 100191, China
肥胖和冠心病之间存在着密切关系,肥胖受检者多发动脉粥样硬化是发展为冠心病的重要危险因素[1-3]。冠状动脉CT血管造影(coronary CT angiography,CCTA)已成为评估冠状动脉疾病最重要的诊断方式之一[4-5]。由于碘对比剂用量与体重成正比[6-7],碘对比剂使用可能导致急性肾损伤或急性过敏等不良反应[8-9],肥胖受检者碘对比剂的优化应用更应该被重视。屏气模式CCTA采集时,团注追踪法(bolus tracking)阈值触发后,给受检者发布屏气口令需占用7 s左右延迟,而自由呼吸模式无口令要求,这为缩短碘对比剂注射时长提供可能。此外,在CCTA扫描中,为了保证肥胖患者的图像质量及诊断准确率,大多需要提升管电压、管电流等参数,从而导致辐射剂量的增加。本研究尝试在肥胖受检者CCTA检查低电压(100 kVp)、低碘流率(1.5 gI/s)应用基础上[10],结合自由呼吸及bolus tracking高阈值、短延时技术,探讨进一步降低肥胖受检者CCTA辐射剂量和碘对比剂用量的可行性及其诊断价值。
资料与方法1. 病例资料:前瞻纳入2023年2月至2024年5月于北京大学第三医院放射科行CCTA检查的肥胖受检者73例。纳入标准:①体重>85 kg,且按照世界卫生组织(WHO)肥胖标准体质量指数(body mass index, BMI)>30 kg/m2。②受检者存在胸痛、胸闷等冠心病症状。③临床疑诊冠状动脉狭窄及血流动力学异常。④受检者同意行CCTA检查,并签署知情同意书。排除标准:①年龄 < 18岁。②体重 < 85 kg或BMI < 30 kg/m2。③碘对比剂过敏。④妊娠。⑤严重肾功能不全(肌酐清除率≤120 μmol/L)。⑥冠状动脉旁路移植术后。⑦支架置入手术后。⑧冠状动脉严重钙化阿加斯顿评分≥400 Agatston units。本研究已通过本院医学科学伦理委员会审核[(2022) 医伦审第(420-01) 号,项目编号M2022484],所有受检者均签署知情同意书,由于是非干预性研究,所以未申请临床试验注册号。依据上述纳入排除标准,根据检查日期奇偶数随机纳入对照组31例和观察组42例。
2. CCTA扫描及图像重建:扫描时对照组为屏气状态,观察组为自由呼吸状态,分别采集两组的团注追踪(bolus tracking)阈值、延迟时间及对比剂注射时长等参数,对照组和观察组上述参数分别为100 HU、7 s、12 s与250 HU、2 s,8 s,其余扫描和重建参数均一致。所有检查均在320排CT扫描机(uCT 960+,上海联影医疗科技股份有限公司) 上进行,采用前瞻性心电门控扫描,扫描范围为气管分叉下1~2 cm至膈肌水平,单心动周期(one-beat)采集,范围为两个R波间期的30%~80%,开启异常心率自适应功能,所有入组受检者对心率和心律无特殊要求。记录受检者CCTA采集时心率、采集过程中最小心率和最大心率并计算心率变异。根据前期研究,两组肥胖受检者CCTA检查均采用低管电压(100 kVp)、低碘流率(1.5 gI/s)以降低受检者的辐射剂量及碘对比剂用量[10]。CCTA检查其他参数包括Z轴覆盖范围为12、14或16 cm,取决于受检者的心脏大小;机架转速0.25 s,管电流固定为200 mAs;均采用高压注射器经肘正中静脉注射非离子对比剂碘美普尔(400 mg I/ml,上海博莱科信谊药业产品),使用对比剂团注跟踪法启动图像采集,感兴趣区(region of interest,ROI) 设置于气管分叉下1 cm水平层面的降主动脉内。记录CCTA检查曝光时长及扫描延时(对比剂注射开始到曝光启动之间的间隔)。
对照组和观察组采集的原始数据均使用混合迭代算法KARL 3D进行图像重建,重建矩阵512×512,层厚0.5 mm、层间距0.5 mm。所有图像均采用最佳采集时相技术ePhase自动选择最佳重建时相,并使用基于深度学习的心脏运动伪影校正算法Cardio Capture抑制冠状动脉运动伪影。
3. 图像后处理和分析:将所有数据传至联影后处理工作站进行图像后处理,后处理技术包括容积再现(volume rendering,VR)、曲面重建(curved planner reformation,CPR) 及多平面重建(multi-planer reformation,MPR)。
主观评价:由2名具有5~10年CCTA影像诊断经验的医师分别采用双盲法评价图像质量,比较两名医师主观评分的一致性。按照冠状动脉18节段模型,对每一节段冠状动脉依据李克特量(Likert)标准进行4分制评分。评分标准:4分(优秀)为血管边界清晰,无伪影;3分(良好)为血管边界清晰,有微小伪影;2分(中等)为血管边界局部模糊,有部分伪影;1分(差)为血管显示不清,有明显伪影。图像主观评分≥3分认为满足诊断要求。评价直径1.5 mm以上的冠状动脉段。
客观评估:由1名高年资医师分别测量主动脉(aorta, AO) 根部、左前降支(left anterior descending, LAD)近段、左回旋支(left circumflex artery, LCX)中段与右冠状动脉(right coronary artery, RCA)远段血管管腔的CT值及标准差(standard deviation, SD),以及同层面目标血管邻近心包内脂肪组织的CT值,并计算冠状动脉CT图像信噪比(signal-to-noise ratio, SNR) 及对比噪声比(contrast-to-noise ratio, CNR)。计算公式:SNR= CT管腔/SD管腔,CNR= (CT管腔-CT脂肪)/SD脂肪。其中AO根部管腔的ROI取100 mm2,心包内脂肪组织的ROI取12 mm2,冠状动脉管腔的ROI尽可能大地勾画,范围在1.2~1.7 mm2,应避开血管壁钙化。
4. 辐射剂量:记录扫描系统自动生成的容积CT剂量指数(volume CT dose index, CTDIvol)、剂量长度乘积(dose length product, DLP),并计算受检者接受的有效剂量(effective dose, E)。E = k×DLP,转换系数k=0.014 mSv · mGy-1 · cm-1。
5. 诊断效能评估:观察组CCTA检查后2周内接受经导管冠状动脉造影(invasive coronary angiography, ICA) 检查的受检者纳入诊断效能评估。以ICA结果作为金标准,基于冠状动脉节段分析观察组检查方案在诊断冠状动脉狭窄(狭窄程度>50%) 的准确率、敏感性、特异度、阳性预测率及阴性预测率。
6. 统计学处理:应用SPSS 21.0软件进行分析。计数资料以n (%)表示,样本间比较采用χ2检验。采用Kolmogorov-Smirnov检验验证数据的正态性,符合正态分布计量资料以 x±s表示,符合正态分布且方差齐性变量样本间比较采用方差分析。非正态分布的计量资料以中位数及四分位数M (Q1, Q3)表示,样本间比较采用Mann-Whitney U检验。2名医师主观评分的一致性评估使用Kappa分析,Kappa值=0.81~1.00提示两者一致性非常好;Kappa值=0.61~0.80提示两者一致性好;Kappa值=0.41~0.60提示两者一致性一般;Kappa值< 0.40提示两者一致性差。绘制受试者工作特征曲线(recelver operator characteristic curve, ROC),进行诊断效能的评估。P < 0.05为差异具有统计学意义。
结果1. 研究对象基本资料:本研究共纳入受检者73例,年龄55.0 (46, 62.5)岁,体重92(89, 95.5)kg,BMI 31.25(30.47, 34.15)kg/m2。两组受检者的性别、年龄、体重、肥胖分级、BMI差异均无统计学意义(P>0.05),详见表 1。对照组受检者CCTA采集过程中心率变异大于观察组(Z=-3.032, P < 0.05),但图像采集时心率的差异无统计学意义(P>0.05)。两组受检者CCTA检查扫描延时与曝光时长差异均无统计学意义(P>0.05)。
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表 1 两组受检者基本资料[x±s,M(Q1, Q3)] Table 1 Basic information of patients in the control and experimental groups[x±s, M(Q1, Q3)] |
2. 主观图像质量评分:对照组31名受检者共评价617个冠状动脉节段,根据Likert标准,图像质量评分为1~4分的占比分别是:0、0、9.9%及90.1%;观察组42名受检者共评价766个冠状动脉节段,1~4分的占比分别是:0、0、12%及88%,两组受检者CCTA主观图像质量整体评分差异无统计学意义(P>0.05),4分案例见图 1。此外,2名医生的评分一致性非常好,Kappa值为0.813。
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注:CCTA. 冠状动脉CT血管造影;LAD.左前降支;RCA.右冠状动脉;CPR.曲面重建;MPR.多平面重建;BMI. body mass index。对照组中男70岁,BMI=31.02 kg/m2,MPR图像示RCA近段软斑块(红色箭头),CPR图像示RCA全程管壁多发钙化(黄色箭头)及软斑块(红色箭头),管腔狭窄30%~50%,该患者RCA近段图像质量主观评分4分;观察组中男68岁,BMI=30.1 kg/m2。MPR、CPR图像示RCA近中段钙化斑块,该患者LAD近段图像质量主观评分为4分 图 1 对照组和观察组CCTA图像A. 对照组RCA近段MRP; B. 对照组RCA全程CPR; C. 观察组LAD近中段MPR;D. 观察组LAD全程CPR Figure 1 CCTA images of the control and experimental groups A. MPR of the proximal segment of RCA in control Group; B. CPR of the overall length of RCA in control Group; C. MPR of the proximal and middle segments of the LAD in experimental group; D. CPR of the overall length of LAD in experimental group |
3. 客观定量评估:对照组与观察组的CCTA图像主动脉根部、左前降支、左回旋支及右冠状动脉血管管腔的CT值、噪声值、SNR和CNR值比较,差异均无统计学意义(P>0.05,表 2)。
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表 2 两组受检者CCTA图像质量客观评估[x±s,M(Q1, Q3)] Table 2 Objective assessment of CCTA image quality of the control and experimental groups[x±s, M(Q1, Q3)] |
4. 辐射剂量及对比剂用量:对照组和观察组受检者CCTA检查的E分别为(4.66±0.74)与(4.83±0.72)mSv,差异无统计学意义(P>0.05);对比剂用量分别为45与30 ml,观察组受检者碘对比剂用量较对照组降低33.3%。
5. 诊断效能评估:观察组共23例受检者CCTA检查后2周内接受ICA检查,心率为61(55.00, 71.5) bpm。以ICA结果为金标准,观察组CCTA诊断>50%狭窄的143段血管分支的准确率、敏感度、特异度、阳性预测值、阴性预测值分别为89%、86%、97%、99%和71%,见图 2,对冠状动脉>50%狭窄的诊断效能优秀。
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图 2 观察组CCTA诊断>50%狭窄的受试者工作特征曲线曲线 Figure 2 The receiver operating characteristic curve for the diagnostic performance of CCTA in detecting >50% coronary artery stenosis in the experimental group |
讨论
目前CCTA检查已成为冠心病筛查的首选技术,但由于CCTA检查过程中存在的碘对比剂不良反应和辐射生物效应风险,如何在保证图像质量和诊断效能的前提下有效降低对比剂用量和辐射剂量,实现“双低”,成为业界研究的热点[10-15]。特别是碘对比剂的使用随体重增加[6-7, 15],降低肥胖受检者CCTA检查的碘对比剂用量更应被重视。本研究基于前期低电压、低碘流率有效降低肥胖受检者辐射剂量和碘对比剂用量的研究基础[10],结合自由呼吸和bolus tracking高阈值、短延时技术启动曝光实现碘对比剂用量进一步降低33.3%,诊断效能优秀。
降低管电压可以提升碘对比,国内外CCTA应用指南均推荐基于迭代重建技术和低电压技术降低受检者辐射剂量和对比剂用量[11-15, 20]。Pan等[21]将100 kVp管电压应用于肥胖受检者(BMI>30 kg/m2)CCTA检查中,使用270 mgI/ml碘对比剂77 ml,碘总量为20.79 g I;Caruso等[22]验证了基于深度学习重建算法DLIR-H在非肥胖受检者(BMI <30 kg/m2)CCTA检查中使用80 kVp管电压和1.2 g I/s碘流率,400 mg I/ml对比剂用量45 ml,碘总量为18 g I。本研究的前期研究表明,基于KARL 3D迭代重建技术应用100 kVp管电压和1.5 gI/s碘流率,验证400 mg I/ml对比剂45 ml在肥胖受检者(体重>85 kg,BMI>30 kg/m2)中亦具有可行性,碘总量为18 g I[10]。在此基础上,本研究结合自由呼吸与bolus tracking高阈值、短延时参数,将肥胖受检者CCTA碘总量进一步降低至12 g I,这对降低碘对比剂使用带来的急性肾损伤等不良事件具有重要现实意义。
自由呼吸状态下采集CCTA具有可行性[16-18],自由呼吸结合bolus tracking高阈值、短延时技术可以提升CCTA图像质量均质化[19],本研究将以上技术结合低电压、低碘流率实现了肥胖受检者CCTA碘对比剂的超低用量。由于CCTA达峰时间与对比剂注射时长成正比,因此为保证图像采集时对比剂在体循环呈峰值状态,阈值后延迟时长成为考量CCTA对比剂注射时长的重要因素。对照组阈值触发后延迟7 s用于发布“吸气后屏气”指令,而观察组无口令要求,因此降低自由呼吸模式CCTA对比剂用量具有可行性。本研究中对照组与观察组对比剂注射时长分别为12与8 s,但两组CCTA图像质量一致且扫描延迟无差异,这一结果亦提示对照组对比剂用量有降低空间。此外,由于无法预估受检者血液循环趋势,因此阈值后延迟越久,未知性越大。相较于对照组100 HU、7 s延迟,观察组250 HU阈值、2 s延时更直观、更利于保证CCTA检查成功率(CT值>300 HU)。
本研究中对照组受检者达阈值后7 s延时内接受并执行“吸气后屏气”指令造成心率起伏,但依托设备配置的异常心率自适应功能实现了异常心率自动跳过,两组受检者CCTA采集时心率无差异,进而辐射剂量无差异。此外,本研究针对肥胖人群自由呼吸状态下CCTA诊断冠状动脉>50%狭窄的准确率、敏感度、特异度、阳性预测值、阴性预测值与Shuai等[23]针对常规体重人群的研究结果基本一致,说明自由呼吸状态下结合高阈值、短延时技术对肥胖人群行CCTA采集可以维持诊断准确性。
然而,本研究在现阶段仍有一定的局限性。首先,研究样本中所选的肥胖受检者多数为WHO Ⅰ级肥胖(BMI 30.0~34.9 kg/m2),仅有10例受检者为WHO Ⅱ级肥胖(BMI 35.0~39.9 kg/m2),其研究结果对于WHO Ⅱ级及以上肥胖受检者是否适用还需要进一步论证。其次,本研究仅评估观察组受检者冠状动脉狭窄的诊断准确率,未对对照组进行探究。最后,自由呼吸结合高阈值、短延时技术降低对比剂用量的研究,仅应用于85 kg以上肥胖人群,未来可拓展小体重人群及中等体重人群。
综上所述,在肥胖受检者中应用自由呼吸结合高阈值、短延迟技术行CCTA检查是可行的,能够在不影响图像质量及狭窄诊断的情况下,可以进一步降低受检者对比剂用量。在异常心率自适应功能加持下,自由呼吸相较于屏气状态并不能进一步降低受检者CCTA检查的辐射剂量。
利益冲突 无
作者贡献声明 张艳负责实验设计和论文撰写;王莹负责图像主客观评价;狄爱辉负责数据采集及处理;李静负责设备扫描参数配置;朗宁负责论文修改;袁慧书指导实验设计及论文修改
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