高清和能譜掃描對(duì)冠狀動(dòng)脈支架成像準(zhǔn)確性的體模研究

張文佳，張璋，李東，于鐵鏈

診斷技術(shù)

高清和能譜掃描對(duì)冠狀動(dòng)脈支架成像準(zhǔn)確性的體模研究

張文佳，張璋△，李東，于鐵鏈

目的 通過(guò)動(dòng)態(tài)心臟和冠狀動(dòng)脈體模，評(píng)價(jià)高清掃描（HD）和能譜成像（GSI）對(duì)冠狀動(dòng)脈支架內(nèi)徑的顯示能力。方法 將5支不同規(guī)格的冠狀動(dòng)脈支架置于心臟動(dòng)態(tài)體模（心率設(shè)定為60次/min）制成冠狀動(dòng)脈支架模型。分別進(jìn)行HD、GSI和標(biāo)準(zhǔn)（S）掃描3種冠狀動(dòng)脈CT造影（CCTA）掃描方式。數(shù)據(jù)傳輸至AW工作站，分別對(duì)HD圖像、60～140 keV的9組單能量圖像和S圖像進(jìn)行后處理和指標(biāo)測(cè)量，包括信噪比（SNR）、對(duì)比噪聲比（CNR）、支架內(nèi)徑顯示值和顯示率。比較3種掃描模式的差別和一致性。結(jié)果 3種掃描模式的SNR值存在差別（P＜0.05），而CNR值的差別則無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。HD的支架內(nèi)徑顯示率（0.85±0.06）明顯高于其他2種掃描模式（GSI為0.40±0.16、0.48±0.13、0.50±0.14、0.51±0.13、0.45±0.05、0.52±0.13、0.53±0.13、0.53±0.13、0.53±0.13，S為0.53±0.14，均P＜0.05）。HD掃描模式的內(nèi)徑最接近支架實(shí)際的內(nèi)徑。結(jié)論 心率60次/min時(shí)，3種掃描模式客觀(guān)評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量無(wú)明顯差別；HD模式對(duì)于支架的內(nèi)徑顯示率明顯高于GSI和S模式，其結(jié)果與支架實(shí)際內(nèi)徑之間具有更好的一致性。

支架；CT冠狀動(dòng)脈造影；高清掃描；能譜成像；暈染效應(yīng)；線(xiàn)束硬化偽影

經(jīng)皮冠狀動(dòng)脈介入術(shù)（PCI）是治療冠狀動(dòng)脈狹窄的重要方法，可改善患者的臨床癥狀及冠狀動(dòng)脈的血液動(dòng)力學(xué)，但術(shù)后再狹窄率是影響PCI遠(yuǎn)期預(yù)后的嚴(yán)重問(wèn)題，及時(shí)、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)是否發(fā)生支架內(nèi)再狹窄具有重要意義［1］。CT冠狀動(dòng)脈造影（coronary CT angiography，CCTA）在冠狀動(dòng)脈狹窄評(píng)價(jià)中的價(jià)值已得到證實(shí)，但在支架隨訪(fǎng)中仍存在一定的限制，如支架本身產(chǎn)生的金屬偽影、CCTA顯示的支架外觀(guān)形態(tài)與其本身存在的差異等。隨著CT技術(shù)的進(jìn)步，高清成像（high definition，HD）的出現(xiàn)和應(yīng)用可提高CCTA對(duì)冠狀動(dòng)脈支架再狹窄的檢出能力，較標(biāo)準(zhǔn)CCTA（standard CCTA，S-CCTA）具有明顯優(yōu)勢(shì)［2］。能譜成像（gemstone spectral imaging，GSI）作為新一代成像技術(shù)，去除線(xiàn)束硬化偽影是其獨(dú)特之處。研究表明，于65～75 keV水平時(shí)，在減少輻射劑量的條件下進(jìn)行掃描，仍能明顯提高圖像質(zhì)量［3］。本研究擬通過(guò)心臟動(dòng)態(tài)體模，比較HDCCTA和GSI-CCTA對(duì)冠狀動(dòng)脈支架腔顯示能力的準(zhǔn)確性，為兩者的臨床應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料 心臟動(dòng)態(tài)體模（ALPHA 1-VT PC，F(xiàn)uyo公司，日本）由3部分組成，分為：動(dòng)力部分、解剖結(jié)構(gòu)模擬部分和控制部分。動(dòng)力部分模擬人體左心室的搏動(dòng)，包括3個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)相：快速泵血期、快速充盈期、慢速充盈期，此外還有不同的心率及心率變化情況的仿真模擬。解剖結(jié)構(gòu)由模擬的左心室和模擬的冠狀動(dòng)脈組成，完全浸沒(méi)于水箱中，模擬心臟搏動(dòng)時(shí)的生理環(huán)境，見(jiàn)圖1。選取5支不同內(nèi)徑的冠狀動(dòng)脈模型，管腔內(nèi)放置支架，見(jiàn)表1。將其與心臟模型長(zhǎng)軸平行的方向間隔均勻地掛置于心臟模型表面。所選冠狀動(dòng)脈材料CT值與生理情況下的CT值相近。心腔內(nèi)（約4 mg I/L）和支架腔內(nèi)（約10 mg I/L）分別充滿(mǎn)不同稀釋濃度的對(duì)比劑。控制部分通過(guò)編程設(shè)定心臟體模的運(yùn)動(dòng)方式，模擬不同心率及心率變化的狀態(tài)。本研究設(shè)置的心率為60次/min。

Tab.1 The basic parameters of coronary stent表1 支架的基本信息 （mm）

1.2 CT掃描 采用寶石能譜CT掃描儀（Discovery CT 750 HD CT，USA）在Cardiac模式下分別對(duì)心臟動(dòng)態(tài)體模及冠狀動(dòng)脈支架進(jìn)行HD-CCTA、GSI-CCTA和S-CCTA掃描。HD-CCTA和S-CCTA掃描參數(shù)為：管電壓120 kVp，600 mA，F(xiàn)OV 25.0 cm，層厚 0.625 mm，層間距 1.25 mm，螺距0.22∶1，球管轉(zhuǎn)速350 ms/rot，矩陣512×512；HD-CCTA采用細(xì)節(jié)重建算法；S-CCTA則采用標(biāo)準(zhǔn)重建算法。GSI-CCTA掃描參數(shù)：管電壓瞬間切換80/120 kVp，管電流600 mA，F(xiàn)OV 25.0 cm，層厚0.625 mm，層間距1.25 mm，球管轉(zhuǎn)速350 ms/rot，采用標(biāo)準(zhǔn)算法后重建。上述掃描的padding值100 ms，重建R-R間期均為75%，準(zhǔn)直器寬度0.625 mm，探測(cè)器總寬度40 mm。

1.3 圖像評(píng)價(jià)和指標(biāo)測(cè)量 將圖像傳至GE AW46工作站。使用能譜圖像分析軟件（GSI-Viewer）分析GSI圖像，獲得60～140 keV（間隔10 keV）的9組單能量圖像。然后對(duì)S圖像、HD圖像及9種單能量GSI圖像進(jìn)行多平面重組，窗寬1 000 HU，窗位150 HU，在距支架頂端3、7、11 mm處的支架軸位層面上分別進(jìn)行評(píng)價(jià)和測(cè)量，取三者平均值。

1.3.1 圖像質(zhì)量的評(píng)估 分別通過(guò)感興趣區(qū)（region of inter?est，ROI）法測(cè)量支架腔內(nèi)、心腔內(nèi)的CT值及背景噪聲（N，背景CT值的方差），并計(jì)算信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）和對(duì)比噪聲比（contrast-to-noise ratio，CNR）。支架腔內(nèi)ROI的勾畫(huà)在支架腔中心，約占其顯示面積的60%，避開(kāi)支架的影響。心腔內(nèi)和背景的ROI勾畫(huà)則為面積1 cm2的圓形。SNR=CT支架腔/N。CNR=（CT支架腔-CT心腔）/N。

1.3.2 支架顯示的評(píng)估 測(cè)量支架內(nèi)徑的顯示值，并計(jì)算內(nèi)徑顯示率。內(nèi)徑顯示率=內(nèi)徑測(cè)量值/內(nèi)徑實(shí)際值×100%

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。計(jì)量資料以均值±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示。采用單因素方差分析比較HD-CCTA、S-CCTA及9組能量GSI-CCTA的SNR、CNR、支架內(nèi)徑顯示值和顯示率，多重比較采用Tukey檢驗(yàn)。使用Bland-Altman比較不同掃描模式內(nèi)徑測(cè)量值與內(nèi)徑實(shí)際值間的一致性。P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

心率60次/min時(shí)，5只冠脈支架的HD-CCTA、S-CCTA和GSI-CCTA圖像均良好，無(wú)錯(cuò)層偽影，均可進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)量。

2.1 圖像質(zhì)量的評(píng)估 GSI模式顯示5支冠狀動(dòng)脈支架的SNR值在60～80 keV之間，70～110 keV之間，80～140 keV區(qū)間與S之間，90～140 keV之間、S與HD之間差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），其余組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。CNR值在60～140 keV區(qū)間、HD、S之間的差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），見(jiàn)表2、圖2。

2.2 支架內(nèi)徑顯示的評(píng)估 GSI 60～140 keV的9種單能量圖像對(duì)支架內(nèi)徑的顯示值和顯示率差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），HD掃描模式的支架內(nèi)徑顯示值及顯示率均明顯高于GSI和S掃描模式（均P＜0.05），而GSI與S掃描模式間差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），見(jiàn)表2、圖2。Bland-Altman分析顯示HD圖像的內(nèi)徑測(cè)量值與實(shí)際值間的平均差異為-0.69±0.48，S圖像的內(nèi)徑測(cè)量值與實(shí)際值間的平均差異為-1.42±0.54。因140 keV時(shí)支架內(nèi)徑顯示值最優(yōu)，且與其他keV水平的內(nèi)徑顯示率差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，因此選用140 keV的圖像與HD、S作比較。GSI圖像的內(nèi)徑測(cè)量值與實(shí)際值間的平均差異為-1.41±0.76。可見(jiàn)HD圖像的內(nèi)徑測(cè)量值與實(shí)際值間的一致性高于GSI掃描模式，見(jiàn)圖3。

Tab.2 Comparison of SNR，CNR，inner diameter，visible diameter ratio and CT value of in-stent among images acquired by different scan systems at 60 bpm of heart rate表2 60次/min HD、S、GSI（60～140 keV）的SNR值、CNR值、內(nèi)徑顯示值、內(nèi)徑顯示率、支架腔內(nèi)CT值的比較（±s，n=5）

Tab.2 Comparison of SNR，CNR，inner diameter，visible diameter ratio and CT value of in-stent among images acquired by different scan systems at 60 bpm of heart rate表2 60次/min HD、S、GSI（60～140 keV）的SNR值、CNR值、內(nèi)徑顯示值、內(nèi)徑顯示率、支架腔內(nèi)CT值的比較（±s，n=5）

＊P＜0.05，＊＊P＜0.01；a與HD模式比較，b與S模式比較，c與GSI-60 keV模式比較，d與GSI-70 keV模式比較，P＜0.05

3種掃描模式及重建HD S GSI-60 keV GSI-70 keV GSI-80 keV GSI-90 keV GSI-100 keV GSI-110 keV GSI-120 keV GSI-130 keV GSI-140 keV F SNR 4.15±0.90 11.98±3.32 33.89±14.34ab30.67±12.26ab24.56±9.40a18.72±7.08c16.76±6.25c14.93±5.51c13.28±4.83cd11.93±4.31cd10.72±3.83cd6.996＊＊CNR 3.95±1.48 5.20±3.84 19.95±13.26 14.75±11.17 12.82±10.41 10.58±8.23 10.11±6.87 9.58±5.65 9.01±4.61 8.53±4.55 8.05±3.91 1.702內(nèi)徑顯示值（mm）2.69±0.63 1.70±0.80a1.32±0.78a1.52±0.72a1.61±0.78a1.63±0.73a1.64±0.77a1.65±0.71a1.65±0.65a1.67±0.70a1.67±0.79a3.577＊內(nèi)徑顯示率0.85±0.06 0.53±0.14a0.40±0.16a0.48±0.13a0.50±0.14a0.51±0.13a0.45±0.05a0.52±0.13a0.53±0.13a0.53±0.13a0.53±0.13a10.868＊＊支架腔內(nèi)CT值（HU）386.96±84.09 462.52±128.24 915.12±387.29 506.10±202.27 388.00±148.47 310.80±117.51 254.70±95.04 215.04±79.32 187.24±68.11 165.80±59.84 149.00±53.22 —

Fig.2 The stent long and short axial images of GSI 60-140 keV，S and HD scan systems圖2 GSI 60～140 keV、S、HD支架的長(zhǎng)軸及軸位重建CT圖像

Fig.3 Comparision of the inner diameter of displayed stent using defferent scan systems圖3 不同掃描方式測(cè)量值與支架實(shí)際值之間的比較

3 討論

3.1 HD和GSI掃描支架模式的先進(jìn)性 CCTA評(píng)估冠狀動(dòng)脈支架的主要限制在于其空間分辨率不足和金屬支架的偽影，導(dǎo)致其內(nèi)徑顯示不佳，影響診斷準(zhǔn)確性。HD在高清晰成像方面取得了很大的進(jìn)展，空間分辨率達(dá)到0.23 mm，較傳統(tǒng)CT提高了30%［4］。GSI可瞬間完成80/140 kVp管電壓的轉(zhuǎn)換，同時(shí)、同源、同向是其獨(dú)到之處。通過(guò)一次掃描，利用這種瞬時(shí)切換高低能量的技術(shù)特點(diǎn)，可計(jì)算得到60～140 keV的不同管電壓的單能量GSI圖像。這些單能量圖像，尤其是高keV圖像間接提高了X線(xiàn)的穿透力，可減少線(xiàn)束硬化偽影的影響，從而提高診斷準(zhǔn)確性。

3.2 HD、GSI、S掃描模式評(píng)價(jià)支架圖像SNR、CNR及內(nèi)徑顯示率 HD的SNR值低于GSI和S。然而，CNR值在HD、GSI不同keV水平及S模式間并無(wú)明顯差異。雖然HD模式由于提高了空間分辨率，造成SNR值降低，但并沒(méi)有明顯降低圖像的CNR值，然而對(duì)內(nèi)徑顯示情況的比較則表明，在心率60次/min時(shí)，HD對(duì)于支架的內(nèi)徑顯示率（0.85）明顯高于S模式（0.53），說(shuō)明提高空間分辨率對(duì)于支架內(nèi)腔的顯示十分有利。Tanami等［2］通過(guò)冠狀動(dòng)脈支架體模對(duì)HDCT與標(biāo)準(zhǔn)CT進(jìn)行比較，結(jié)果顯示HD支架內(nèi)徑顯示率較S模式提高了13.3%～14.7%，而本研究中顯示率提高得更為明顯（約32%）。

3.3 HD掃描模式可減低暈染效應(yīng)提高診斷準(zhǔn)確性 支架為金屬物質(zhì)，其CT值明顯高于周?chē)Y(jié)構(gòu)（混有對(duì)比劑的血液、脂肪、心肌等），由高衰減結(jié)構(gòu)體素向低衰減結(jié)構(gòu)體素增加發(fā)散作用而產(chǎn)生的暈染效應(yīng)（blooming effect）是影響CCTA評(píng)價(jià)冠狀動(dòng)脈支架準(zhǔn)確性的重要因素，使得在實(shí)際診斷中低估了支架內(nèi)腔的直徑，從而高估了支架的厚度，這樣大大降低了支架內(nèi)徑的顯示率［5］。這一問(wèn)題已成為影響冠脈支架成像因素的重要討論點(diǎn)［6］。HD模式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有高采樣率，與高分辨球管通過(guò)偏斜聚焦點(diǎn)改變采樣的方式，并采用高分辨重建算法，明顯提高了CCTA的空間分辨率，降低暈染效應(yīng)的影響，從而提高了CCTA對(duì)支架內(nèi)徑的顯示能力。Pon?tone等［7］對(duì)冠心病高危人群的研究發(fā)現(xiàn)，HD掃描能夠較S掃描提高CCTA對(duì)冠狀動(dòng)脈斑塊檢查的陽(yáng)性預(yù)測(cè)值和診斷的準(zhǔn)確性，也證明了HD掃描的優(yōu)勢(shì)。

3.4 HD與GSI支架內(nèi)徑顯示準(zhǔn)確性的對(duì)比 HD與GSI的比較研究發(fā)現(xiàn)，HD模式對(duì)于冠狀動(dòng)脈支架細(xì)節(jié)的顯示仍然有其不可替代的優(yōu)勢(shì)。GSI模式的內(nèi)徑顯示率為0.40～0.53，明顯低于HD，且較S模式也沒(méi)有明顯改善。另外，Bland-Altman分析也表明HD的內(nèi)徑顯示值最接近于支架實(shí)際內(nèi)徑值。Halpern等［8］也認(rèn)為GSI模式對(duì)觀(guān)察冠狀動(dòng)脈支架內(nèi)腔情況無(wú)明顯優(yōu)勢(shì)，與本研究結(jié)果一致。先前關(guān)于GSI的研究主要集中于圖像質(zhì)量［3］，而忽略了其對(duì)冠狀動(dòng)脈及支架內(nèi)徑的顯示能力。冠狀動(dòng)脈支架產(chǎn)生的金屬偽影包括線(xiàn)束硬化偽影和暈染效應(yīng)，但前者對(duì)冠狀動(dòng)脈支架評(píng)估的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于后者。此前研究證實(shí)GSI掃描模式能夠有效去除金屬產(chǎn)生的線(xiàn)束硬化偽影［9］。本研究發(fā)現(xiàn)GSI對(duì)支架產(chǎn)生的暈染效應(yīng)，作用甚微。

雖然模擬冠狀動(dòng)脈與人體冠狀動(dòng)脈的密度、走行及運(yùn)動(dòng)方式存在一定差異，但支架的結(jié)構(gòu)是一致的，且本研究對(duì)體模設(shè)置了60次/min的心率搏動(dòng)條件，模擬臨床常規(guī)情況下CCTA檢查時(shí)患者的心率，與活體評(píng)價(jià)冠狀動(dòng)脈支架的狀態(tài)更為接近，結(jié)果更貼近臨床實(shí)際情況。

（圖1見(jiàn)插頁(yè)）

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（2014-11-27收稿 2015-01-15修回）

（本文編輯 李鵬）

Evaluation of coronary stent by gemstone spectral imaging or high-definition scan：a phantom study

ZHANG Wenjia，ZHANG Zhang△，LI Dong，YU Tielian
Department of Radiology，Tianjin Medical University General Hospital，Tianjin 300052，China
△Corresponding Author E-mail：filea1249@sina.com

Objective To compare the displayed inner diameter of coronary stent by high definition（HD）and gem?stone spectral imaging（GSI）using dynamic cardiac and coronary artery phantom.Methods Five different types of coro?nary stents（internal diameter，3.10 mm±0.55 mm；strut thickness，0.12 mm±0.04 mm）were placed into a pulsating cardiac phantom（ALPHA 1-VT PC，F(xiàn)uyo Corporation，Japan）.The stent phantom was scanned by 3 systems，gemstone spectral im?aging（GSI），spiral scan（S）and HD.All the spectral imaging data were analyzed using GSI viewer to reconstruct the VMS （monochromic spectral）images（60-140 keV）.Image noise（N），signal-to-noise ratio（SNR），contrast-to-noise ratio（CNR）and inner diameter were compared between images acquired through these 3 systems.Results SNRs in images of S and HD were higher than that of GSI（P＜0.05），while there were no significant differences in CNRs among images of GSI，S and HD（P＞0.05）.The visible diameter（%）measurements of HD（0.85±0.06）was significant higher than that of the other 2 scan systems and most close to the width of those stent's actual size.（GSI:0.40±0.16，0.48±0.13，0.50±0.14，0.51±0.13，0.45±0.05，0.52±0.13，0.53±0.13，0.53±0.13，0.53±0.13，S:0.53±0.14，P＜0.05）.Conclusion There was no significant dif?ferences in image quality among the images acquired by these 3 systems when the heart rate was set to 60 beats per min.Comparing to GSI and S，HD can produce best represent images to the known inner diameter of coronary stent.

stents；coronary computed tomography angiography；HDCT；gemstone spectral imaging；blooming effect；beam-hardening

R816.2

A

10.11958/j.issn.0253-9896.2015.04.017

國(guó)家臨床重點(diǎn)專(zhuān)科建設(shè)項(xiàng)目；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：81301217）

天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院放射科（郵編300052）

張文佳（1989），女，碩士在讀，主要從事心胸疾病CT診斷方面研究

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