苗振偉，張璋，李東，于鐵鏈

臨床研究

寶石能譜CT冠狀動(dòng)脈造影評估不同程度冠狀動(dòng)脈狹窄的動(dòng)態(tài)體模研究

苗振偉1，張璋2△，李東2，于鐵鏈2

摘要：目的使用動(dòng)態(tài)心臟體模中不同狹窄程度冠狀動(dòng)脈模型評價(jià)能譜CT測量冠狀動(dòng)脈狹窄的準(zhǔn)確性。方法將3根冠狀動(dòng)脈體模（內(nèi)徑3 mm）沿長軸方向固定于動(dòng)態(tài)心臟體模上，每根冠狀動(dòng)脈體模殘余管腔直徑剩余率依次為75%、50%、25%。使用寶石能譜CT掃描機(jī)分別對動(dòng)態(tài)心臟體模行能譜模式（GSI）和普通軸位掃描（AXIAL）2種方式的CT冠狀動(dòng)脈血管造影檢查（CTCA）。利用GSI處理/重建平臺獲得40～140 keV、間距為10 keV的11組單能量圖像及AXIAL圖像。分別在血管軸位（橫斷面）上測量不同狹窄程度冠狀動(dòng)脈模型直徑及殘余管腔的直徑，并計(jì)算殘余管腔直徑剩余率（%）。比較GSI與AXIAL 2組圖像在不同狹窄程度冠狀動(dòng)脈模型殘余管腔測量上的差別。使用Bland-Altman檢驗(yàn)評價(jià)不同狹窄程度冠狀動(dòng)脈殘余管腔直徑剩余率測量值與真實(shí)值之間的差別。結(jié)果40～140 keV單能量圖像之間在測量不同狹窄程度的殘余管腔上差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05）。選取GSI（70 keV）圖像與AXIAL圖像比較，兩者在測量殘余管腔為50%的冠狀動(dòng)脈模型的殘余管腔直徑剩余率上差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t= 4.617，P＜0.05）。以真實(shí)狹窄率作為標(biāo)準(zhǔn)，GSI（70 keV）圖像測量殘余管腔直徑剩余率的平均差異與AXIAL圖像的平均差異之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=14.560，P＜0.01）。結(jié)論GSI單能量圖像（70 keV）測量冠狀動(dòng)脈體模殘余管腔直徑剩余率的一致性稍高于AXIAL圖像。

關(guān)鍵詞：螺旋錐束計(jì)算機(jī)體層攝影術(shù)；冠心??；冠狀動(dòng)脈狹窄；CT冠狀動(dòng)脈血管造影；能譜成像

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目（81301217）；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（14JCZDJC57000）

作者單位：1天津市寶坻區(qū)人民醫(yī)院（郵編301800）；2天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院

作者簡介：苗振偉（1979），男，碩士研究生，主要從事心胸疾病CT診斷方面研究

△

通訊作者E-mail：filea1249@sina.com

隨著CT機(jī)的時(shí)間分辨率及空間分辨率的不斷提高，CT冠狀動(dòng)脈血管造影（CT coronary angiogra?phy，CTCA）的圖像質(zhì)量明顯提高。CTCA作為一種無創(chuàng)性血管成像技術(shù)，不僅可以三維方式顯示冠狀動(dòng)脈的解剖結(jié)構(gòu)，而且在評估冠狀動(dòng)脈狹窄程度、血管重塑及斑塊的特征等方面也具有較好的臨床應(yīng)用前景，并有望成為對冠狀動(dòng)脈病變和管腔狹窄程度評估的“金標(biāo)準(zhǔn)”［1］。對冠狀動(dòng)脈狹窄程度評估的準(zhǔn)確性是指導(dǎo)臨床治療冠心病方案的關(guān)鍵［2］。然而，血管內(nèi)對比劑濃度、圖像重建方式、觀察窗寬窗位、患者呼吸及心臟運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的偽影、觀察者之間的差異等，都會(huì)影響CTCA評估血管狹窄的準(zhǔn)確性［3-4］。因此本研究擬對不同狹窄程度冠狀動(dòng)脈模型行能譜CT成像，通過直徑測量、殘余管腔直徑剩余率等指標(biāo)評價(jià)能譜CT評估冠狀動(dòng)脈的準(zhǔn)確性。

1　材料與方法

1.1材料使用動(dòng)態(tài)心臟體模（ALPHA 1-VT PC，F(xiàn)uyo公司，日本），該體模主要由3部分構(gòu)成：第一部分為控制部分，通過計(jì)算機(jī)編程預(yù)先設(shè)定了多種模擬心臟運(yùn)動(dòng)（跳動(dòng)）的頻率，通過選擇心臟體模的運(yùn)動(dòng)頻率，模擬人體在不同心率下的心臟運(yùn)動(dòng)。第二部分為動(dòng)力部分，該部分在控制部分預(yù)先設(shè)定的特定頻率控制下，可以較準(zhǔn)確地模擬人體左心室的三個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)相（快速泵血期、快速充盈期、慢速充盈期）的搏動(dòng)。第三部分為解剖結(jié)構(gòu)模擬部分，該部分由左心室體模和冠狀動(dòng)脈體模兩部分組成。選取與人體組織衰減值相似的聚丙烯塑料材質(zhì)制成的冠狀動(dòng)脈體模3根，每根冠狀動(dòng)脈體模沿長軸方向狹窄程度（管腔直徑剩余率）依次為75%、50%、25%，無狹窄處管腔內(nèi)徑為3.0 mm。將冠狀動(dòng)脈模型固定于左心室模型上，其長軸與左心室模型長軸平行。左心室模型心腔內(nèi)及冠狀動(dòng)脈模型管腔內(nèi)分別注入不同濃度的對比劑，心腔內(nèi)對比劑濃度約4 mgI/L，冠狀動(dòng)脈管腔內(nèi)濃度約10 mgI/L，模擬左心室腔和冠狀動(dòng)脈內(nèi)的充盈狀態(tài)。將充滿對比劑的整體模型放入水箱中并加以固定。本研究設(shè)置的心率為60次/min，律齊。

1.2能譜CT掃描將動(dòng)態(tài)心臟體模置于CT檢查床上，使用寶石能譜CT掃描儀（Discovery CT 750 HD CT FREEdom Edition scanner，GE Healthcare，Milwaukee，WI，USA），在Cardiac模式下分別對動(dòng)態(tài)心臟體模行能譜模式（GSI）掃描和普通軸位（AXIAL）掃描。GSI-CTCA掃描參數(shù)：管電壓瞬間切換 80/140 kVp，管電流 600 mA，F(xiàn)OV 25.0 cm，層厚0.625 mm，層間距0.625 mm，球管轉(zhuǎn)速350 ms/rot，采用標(biāo)準(zhǔn)算法重建。AXIAL掃描參數(shù)為：管電壓120 kVp，管電流600 mA，F(xiàn)OV 25.0 cm，層厚0.625 mm，層間距0.625 mm，球管轉(zhuǎn)速350 ms/rot，矩陣512×512；采用標(biāo)準(zhǔn)算法重建。上述掃描的padding值均設(shè)為100 ms，重建R-R間期均為75%，準(zhǔn)直器寬度0.625 mm，探測器總寬度40 mm。

1.3指標(biāo)測量圖像采集結(jié)束后，將圖像傳輸至工作站（GE Advantage Workstation 4.6），使用能譜圖像分析軟件（GSI-Viewer）解析出40～140 keV的101組單能量圖像，見圖1。使用Reformat分析軟件獲得冠狀動(dòng)脈模型血管軸位圖像。在冠狀動(dòng)脈模型的血管軸位圖像上，測量正常管腔直徑（此處指內(nèi)徑）、殘余管腔直徑等，設(shè)定窗寬=1 000 HU，窗位=150 HU，并計(jì)算殘余管腔直徑剩余率（%）。殘余管腔直徑剩余率=（殘余管腔直徑/正常管腔直徑）×100%。本研究以10 keV為間隔，選取40～140 keV的11個(gè)單能量圖像及AXIAL圖像進(jìn)行容積再現(xiàn)（volume rendering，VR）重建，血管長軸位、短軸位重建測量并分析，見圖2。由2名放射科醫(yī)生雙盲測量并取平均值。

1.4統(tǒng)計(jì)學(xué)方法采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件分析數(shù)據(jù)。所有計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）來表示。（1）40～140 keV單能量圖像之間不同狹窄程度冠狀動(dòng)脈殘余管腔測量結(jié)果的比較使用單因素方差分析（ANOVA）。（2）能譜CT（GSI 70 keV）與AXIAL 2種方法在不同狹窄程度（25%、50%、75%殘余管腔）冠狀動(dòng)脈殘余管腔直徑剩余率的比較使用Student t檢驗(yàn)。（3）使用Bland-Altman檢驗(yàn)評價(jià)不同狹窄程度冠狀動(dòng)脈殘余管腔直徑剩余率測量值與真實(shí)值之間的差別，結(jié)果用兩者差值的平均值±1.96標(biāo)準(zhǔn)差表示。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2　結(jié)果

2.1冠狀動(dòng)脈管腔直徑測量的比較通過對能譜CTCA圖像（GSI 40～140 keV，間隔10 keV）上不同狹窄程度冠狀動(dòng)脈殘余管腔直徑的測量，結(jié)果顯示40～140 keV單能量圖像之間在測量不同狹窄程度（25%、50%、75%殘余管腔）的殘余管腔上無差異。選取70 keV單能量能譜CT測量結(jié)果與AXIAL圖像結(jié)果相比較，在殘余管腔直徑剩余率為50%時(shí)，GSI（70 keV）與AXIAL圖像測量結(jié)果差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，見表1。

Tab.1　Comparison of residual lumen measurement between GSI（70 keV）and AXIAL on different degrees of stenosis表1 能譜CT（GSI 70 keV）與AXIAL在不同狹窄程度（25%、50%、75%殘余管腔）殘余管腔直徑剩余率的比較（n=3，%，±s）

Tab.1　Comparison of residual lumen measurement between GSI（70 keV）and AXIAL on different degrees of stenosis表1 能譜CT（GSI 70 keV）與AXIAL在不同狹窄程度（25%、50%、75%殘余管腔）殘余管腔直徑剩余率的比較（n=3，%，±s）

＊P＜0.05

掃描模式GSI（70 keV）AXIAL t 75% 78.00±4.69 66.85±7.58 0.484 25% 31.01±3.79 34.11±3.65 0.036 50% 47.66±6.00 44.32±8.86 4.617＊

2.2冠狀動(dòng)脈管腔測量值與真實(shí)值之間的比較3種狹窄程度的測量值與真實(shí)狹窄率相比較，GSI（70 keV）測量殘余管腔直徑剩余率的平均差異為（2.22± 11.63）%，而 AXIAL圖像平均差異為（-1.57± 20.24）%，兩種測量方法在不同狹窄程度管腔測量的總差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=14.560，P＜0.001），見圖3。Bland-Altman分析顯示，在重度狹窄管腔（25%殘余管腔），GSI和AXIAL均低估管腔狹窄程度（正值）；而在中度狹窄管腔（50%殘余管腔），兩種掃描模式均高估了狹窄程度（負(fù)值）；在輕度狹窄管腔（75%殘余管腔），GSI稍低估狹窄程度（正值），而AXIAL稍高估狹窄程度（負(fù)值）。特別是在50%殘余管腔，GSI測量的一致性較AXIAL明顯增加（P＜0.05），見表2。

Fig.3　Comparison of Bland-Altman analysis between GSI and AXIAL measurements to the reference diameters of stenosis圖3　Bland-Altman分析不同掃描方式測量值與支架實(shí)際值之間的比較

Tab.2　Comparison of Bland-Altman analysis between GSI(70 keV)and AXIAL表2 能譜CT（GSI 70 keV）與AXIAL在不同狹窄程度（25%、50%、75%殘余管腔）殘余管腔直徑剩余率與實(shí)際比率的比較　（n=3，%，±s）

Tab.2　Comparison of Bland-Altman analysis between GSI(70 keV)and AXIAL表2 能譜CT（GSI 70 keV）與AXIAL在不同狹窄程度（25%、50%、75%殘余管腔）殘余管腔直徑剩余率與實(shí)際比率的比較?。╪=3，%，±s）

＊P＜0.05

掃描模式GSI（70 keV）AXIAL t 75% 3.00±9.19 -8.16±14.86 0.484 25% 6.01±7.42 9.11±7.14 0.036 50% -2.34±11.77 -5.68±17.37 4.617＊

3　討論

3.1CTCA無創(chuàng)評估冠狀動(dòng)脈狹窄近年來，隨著人們生活水平的提高及飲食結(jié)構(gòu)的變化，冠狀動(dòng)脈粥樣硬化性心臟病發(fā)病率明顯上升，而且呈年輕化趨勢，已經(jīng)成為威脅國人健康的主要疾病之一。冠狀動(dòng)脈狹窄是冠狀動(dòng)脈粥樣硬化病理改變中最常見、最具有臨床意義的表現(xiàn)，其狹窄程度直接關(guān)系到臨床治療方案的選擇及對患者預(yù)后的判斷。目前，CTCA已經(jīng)成為經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入治療前的常規(guī)檢查項(xiàng)目［5］。長久以來臨床對冠狀動(dòng)脈狹窄程度的判斷以國際通用的直徑測量法為標(biāo)準(zhǔn)。在CTCA圖像上對冠脈血管直徑進(jìn)行測量時(shí)，其準(zhǔn)確度依賴于管腔與鄰近血管壁及粥樣斑塊之間界面是否清晰，即界面銳利度決定著測量的準(zhǔn)確度。界面處銳利度與該界面處的CT值梯度呈正相關(guān)。Suzuki等［6］在使用CTCA評估血管模型直徑測量準(zhǔn)確度時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著血管內(nèi)對比劑濃度的增加，血管直徑測量準(zhǔn)確度得到明顯改善。在人體頸動(dòng)脈CTCA成像中，血管內(nèi)低對比劑濃度會(huì)明顯影響頸動(dòng)脈狹窄測量的準(zhǔn)確度［7-8］。然而Claves等［9］在對血管腔直徑進(jìn)行測量時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)血管內(nèi)對比劑CT值超過250 HU時(shí)，測量誤差會(huì)明顯增加。分析原因可能為血管腔內(nèi)高濃度對比劑引起的“暈染”效應(yīng)（blooming effect），從而導(dǎo)致血管管徑測量準(zhǔn)確性下降。

3.2能譜CT在評估冠狀動(dòng)脈狹窄中的應(yīng)用能譜CT的出現(xiàn)與完善有效地解決了常規(guī)CT成像中的一些不足。近年來，能譜CT技術(shù)得到了改進(jìn)，憑借其優(yōu)質(zhì)的圖像質(zhì)量及較高的空間分辨率、時(shí)間分辨率，能譜CT在臨床上的應(yīng)用價(jià)值已經(jīng)得到業(yè)界認(rèn)可，特別是在血管成像上更顯示出其獨(dú)有的優(yōu)勢［10］。GE公司采用單X線球管，在瞬間實(shí)現(xiàn)高、低能量切換為代表的高分辨CT。瞬時(shí)變能高壓發(fā)生器在0.25 ms周期內(nèi)對X線進(jìn)行80 kVp和140 kVp電壓切換，幾乎在同時(shí)、同角度得到了2種不同能量的采樣，通過能譜分析在投影數(shù)據(jù)空間解析出40～140 keV的單能量圖像。CT能譜成像根據(jù)X線在物質(zhì)中的衰減系數(shù)生成相應(yīng)的圖像。該技術(shù)能夠進(jìn)行高能量與低能量的數(shù)據(jù)采集，即采用原始數(shù)據(jù)投影的模式對2組數(shù)據(jù)進(jìn)行重建，解析出高keV圖像，間接提高了X線的穿透力，從而達(dá)到減少線束硬化偽影的目的［11］。有學(xué)者指出可通過GSI模式減少線束硬化偽影的方法來評價(jià)組織器官缺血性改變，其去除偽影的功能可用于去除管腔內(nèi)對比劑的偽影及鄰近骨質(zhì)偽影［12］。有研究將GSI掃描與兩種高分辨掃描及其他混合能量掃描模式進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn)，GSI掃描模式在去除線束硬化偽影方面獨(dú)具優(yōu)勢［13］。隨著單能量CT臨床應(yīng)用的不斷擴(kuò)展，已有學(xué)者逐步將此優(yōu)勢運(yùn)用于去除冠狀動(dòng)脈鈣化性斑塊、支架偽影等方面［14］。

本研究結(jié)果顯示，在狹窄率的測量中，GSI（70 keV）單能量圖像對比AXIAL顯示出一些優(yōu)勢。因受殘余管腔內(nèi)高密度對比劑的影響，常規(guī)的CTCA掃描對于輕、中度狹窄的病變易于高估狹窄程度，對于重度狹窄的病變又易于低估狹窄程度，從而造成診斷不準(zhǔn)確。本研究的Bland-Altman分析顯示：GSI也表現(xiàn)出低估重度狹窄和高估中度狹窄的趨勢，但對輕度狹窄病變GSI表現(xiàn)出低估趨勢。GSI對于狹窄程度的測量準(zhǔn)確性均稍高于AXIAL，其根本原因可能是單能量圖像降低了圖像噪聲，提高了信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）和對比噪聲比（contrast-to-noise ratio，CNR），從而有利于更清楚地顯示狹窄時(shí)殘余管腔和斑塊之間的分界，并在一定程度上減輕了線束硬化偽影。有研究在對不同濃度碘對比劑體模的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，使用能譜CT單能量成像時(shí)，可以顯著減輕線性硬化偽影，特別是在85 keV及90 keV能量下，在不考慮SNR及CNR情況下，線束硬化偽影較常規(guī)混合能量X線束（120 kVp）圖像分別下降96.1%及95.7%（1.60±1.48、1.77±1.69 vs.41.03±0.32），且圖像質(zhì)量主觀評分提高1分（標(biāo)準(zhǔn)4分制分類法）［6］。

3.3本研究的局限本研究中所使用的模擬血管中的模擬斑塊CT值比較均勻，而在人體內(nèi)血管粥樣斑塊往往經(jīng)歷復(fù)雜的病理生理過程，當(dāng)病變處于不同的發(fā)展階段，其斑塊內(nèi)CT值差異較大，與鄰近組織界面銳利度差異也較大。已有研究指出，能譜CT的單能量成像和去鈣化技術(shù)可以糾正血管壁鈣化造成的模糊效應(yīng)，為鈣化周邊組織提供準(zhǔn)確的投影數(shù)據(jù)，從而改善界面的銳利度［14-15］。但能譜CT評價(jià)狹窄程度是否適用于人體其他不同成份的斑塊還有待于進(jìn)一步印證。

能譜CT單能量成像（70 keV）測量冠狀動(dòng)脈殘余管腔直徑剩余率的一致性稍高于普通AXIAL圖像。較高的圖像質(zhì)量、較低的線束硬化偽影影響，使得能譜CT在診斷冠狀動(dòng)脈狹窄上具有較好的臨床應(yīng)用前景。

（圖1、2見插頁）

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（2015-12-22收稿2016-01-14修回）

（本文編輯李鵬）

中圖分類號：R816.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.11958/20150415

Evaluation of coronary stenosis by using the gemstone spectral CTCA:a phantom study

MIAO Zhenwei1，ZHANG Zhang2△，LI Dong2，YU Tielian2
1 Tianjin Baodi Hospital,Tianjin 301800,China;2 Tianjin Medical University General Hospital△Corresponding AuthorE-mail：filea1249@sina.com

Abstract：ObjectiveTo evaluate the diagnosis accuracy for coronary stenosis from diameter measurements of differ?ent severities of stenosis by using gemstone spectral imaging(GSI).MethodsTotally 3 different coronary artery models（in?ternal diameter:3.00 mm)that with different severities of stenosis(residual lumen diameter ratio:75%,50%and 25%)were placed in a pulsating cardiac phantom(ALPHA 1-VT PC,Fuyo Corporation,Japan).The coronary phantom was scanned in two models:gemstone spectral imaging(GSI)and axial scan model(AXIAL).All the spectral imaging data were analyzed by using GSI viewer to reconstruct the VMS images(40-140 keV by 10 keV interval)and AXIAL.CT values(HU)of the re?mained lumen from all different stenosis lumens were measured.The residual rate(%)was calculated by dividing the diame?ters of the remained lumen to normal lumen on the reformatted short axial images.One-way ANOVA was used to compare the measurement difference of residual rates between VMS images.Student t-test was used to compare the measurement dif?ference of residual rate between VMS and AXIAL.Bland-Altman test was used to compare the measured residual rates and the gold standard.ResultsThere were no significant differences in measured residual rate betweeb VMS images(P>0.05). From student t-test,only significant difference was found on 50%stenosis between 70 keV VMS and AXIAL（t=4.617，P＜0.042).From the Bland-Altman test,measurement of residual rate was more accurate from 70 keV VMS than that of AXIAL by taking the stenosis rate of real model as gold standard（t=14.560，P＜0.001).ConclusionVMS image(70 keV)shows more accurate rate than AXIAL images on both diameter measurement and evaluation of the coronary stenosis.

Key words：spiral cone-beam computed tomography；coronary disease；coronary stenosis；CT angiography；dual ener?gy imaging