冠狀動脈追蹤凍結技術對高心率兒童冠狀動脈成像質量的改善

李昊巖，孫記航，彭蕓，李海云

1.首都醫科大學生物醫學工程學院，北京100069；2.國家兒童醫學中心首都醫科大學附屬北京兒童醫院影像中心，北京100045

前言

冠狀動脈 CT血管成像（Coronary CT Angiography, CCTA）已成為篩查兒童冠狀動脈疾病如冠狀動脈起源異常、冠狀動脈瘤等疾病的常用影像學檢查手段［1-2］。兒童心率快，心臟搏動導致運動偽影增加，使圖像質量下降，部分圖像會產生冠狀動脈走行的模糊甚至血管的截斷，無法滿足臨床診斷［3］。在高心率的條件下，12%冠狀動脈節段達不到可診斷水平［4］，如何減少高心率患兒CCTA 的運動偽影一直是研究熱點，最常用的方法包括增加探測器寬度、提高管球轉速以縮短掃描時間、應用先進的運動校正后處理算法等。第一代冠狀動脈追蹤凍結（Snapshot Freeze I, SSF1）技術作為一種圖像后處理算法，可去除成人高心率及心率不齊CCTA 的運動偽影，這種技術通過對3 個時相的圖像數據進行計算，得到搏動偽影校正后的中央時相圖像，圖像質量評分及可診斷率均有提升［5-6］，文獻證實該算法對高心率患兒CCTA 也有效果，不過對部分細小分支或高心率病例效果有限［7］。第二代冠狀動脈追蹤凍結（Snapshot Freeze II, SSF2）技術被證實在成人CCTA中有效，并可改進SSF1算法的不足，進一步提升可診斷率［8］。成人SSF2 相關研究較多，但是國內沒有兒童SSF2 對圖像質量的改進研究，故本研究主要探討SSF2 技術對高心率患兒CCTA 圖像質量的改善能力。

1 材料與方法

應用圖像處理和統計學分析建立一種SSF 技術的影像質量評估方法。對同一受試者的常規圖像、SSF1 重建圖像和SSF2 重建圖像的影像質量及可診斷率進行評估。

1.1 一般資料

本研究經醫院倫理委員會審查通過，監護人均簽署知情同意書。連續收集2018年6月～12月于國家兒童醫學中心首都醫科大學附屬北京兒童醫院影像中心接受CCTA 的患兒資料，納入心率≥75 次/min患兒，排除有嚴重心、腎功能損害者。共53例符合入組要求，男28 例，女25 例，月齡1～72 個月，平均（17.5±18.7）個月；體質量2.7～22.0 kg，平均體質量（10.68±5.13）kg，平均體質量指數（16.03±2.23）kg/m2；心率75～163次/min，平均心率（116.30±21.78）次/min，心率 波 動0～39 次/min，平均心率波動（10.53±8.85）次/min，Smart Phase 自動最佳重建時相為6%～82%。入組患兒因心肌炎、心律不齊等原因就診，需行CT進一步篩查是否存在冠狀動脈發育畸形或有無冠狀動脈擴張。

1.2 儀器與方法

采用GE Revolution 256 排寬體CT 掃描機（GE Healthcare,美國）。患兒仰臥，雙臂上舉過頭，自由呼吸；對不能配合檢查的患兒給予口服鎮靜藥，待其安靜入睡后掃描。采用前瞻性心電門控軸位掃描，曝光時不移動掃描床，在1個心動周期內完成采集。根據患兒體型，探測器寬度可選擇100、120、140 或160 mm，掃描范圍從氣管杈至心尖，包括冠狀動脈起源及走行。管電壓、管電流均采用自動調制技術，管電壓的調節范圍包括80、100 kV，管電流的調節范圍為200～500 mA。預計噪聲指數為22，機架掃描轉速為0.28 s/rot。根據患兒體質量來確定對比劑種類及用量［9］，體質量2～20 kg 使用非離子型對比劑碘克沙醇（320 mgI/mL），體質量>20 kg使用非離子對比劑碘海醇（350 mgI/mL）；體質量≤5.0 kg 時對比劑用量=體質量×1.3，5.1～10.0 kg 時對比劑用量=體質量×1.2，10.1～20.0 kg時對比劑用量=體質量×1.1，20.1～30.0 kg時對比劑用量=體質量×1.0。采用雙筒高壓注射器經靜脈團注對比劑，流率0.5～2.8 mL/s，于8 s 內注射完畢，隨后注射8～20 mL生理鹽水，4 s內注射完畢［10-11］。采用智能觸發技術，感興趣區域位于氣管杈下一個椎體層面的降主動脈，CT 值達220 HU 后，延時3.5 s啟動掃描。

采用智能心電門控技術（Auto-ECG-gating）判斷患兒心率及心率變動，自動選擇曝光期相。對于心率<79 次/min 患兒，曝光時間窗為40%～80%的R-R間期；心率為79～120 次/min 患兒，曝光時間窗為35%～55%的R-R 間期；心率為121～200 次/min 患兒，曝光時間窗為65%～80%的R-R 間期；對于心律不齊的患兒，為保證檢查成功率適當加寬曝光時間窗。以標準算法重建圖像，重建層厚、層間距均為0.625 mm，迭代重建組織權重ASiR-V為50%。

1.3 輻射劑量

記錄患兒容積CT 劑量指數（Volume Computed Tomography Dose Index, CTDIvol）、劑量長度乘積（Dose Length Product, DLP），并計算有效劑量（Effective Dose, ED）。ED=k×DLP，其中<1 歲患兒，k=0.049 mSv/（mGy?cm）；1～2歲，k=0.030 mSv/（mGy?cm）；3～6歲，k=0.020 mSv/（mGy?cm）。

1.4 圖像后處理

采用GE AW 4.7 工作站的自動冠狀動脈分析軟件，所有重建期相采用Smart Phase 技術自動選擇最佳期相，重建3 組圖像［12］：A 組為不采用SSF 技術的常規圖像；B 組為SSF1 重建圖像；C 組為SSF2 重建圖像。

1.5 圖像評價

由2 位分別具有12年和14年工作經驗的CT 心血管專業影像學醫師，應用盲法對冠狀動脈的圖像質量進行主觀評價。根據美國心臟協會的冠狀動脈分段方法，將冠狀動脈分為18 個節段［13］，以Likert 分級4 分法［14］對CCTA 可顯示節段進行評價，直徑大于1 mm且連續走行超過1 mm的作為可評價節段，否則為不可評價節段［13］。4 分，圖像質量良好，血管壁邊緣清晰，沒有運動偽影；3 分，圖像質量較好，冠狀動脈血管壁邊緣欠光整，或有輕度運動偽影，但不影響血管評價與管徑測量；2 分，圖像質量較差，冠狀動脈血管壁邊緣模糊，或有中度運動偽影，但能滿足診斷；1 分，冠狀動脈管腔無法辨認，運動偽影重，不能用于診斷。冠狀動脈評分為所有可顯示節段評分的平均值，右冠狀動脈（Right Coronary Artery,RCA）評分為其近、中、遠3 個節段評分的平均值，左前降支（Left Anterior Descending, LAD）為左主干、近段、中段、遠段4 個節段評分的平均值，左回旋支（Left Circumflex Artery, LCX）為近段、中遠段2 個節段評分的平均值。冠狀動脈起源評價左冠及右冠起源是否有模糊、截斷。主觀評分≥2 分為可診斷圖像，計算可診斷率，可診斷率=可診斷的節段數/總節段數×100%。

1.6 統計學分析

采用SPSS 19.0 軟件對數據進行統計學分析。3組圖像質量評分以中位數（上下四分位數）表示，采用多獨立樣本Kruskal-Wallis H 檢驗，兩兩比較采用Bonferroni 方法校正的Mann-Wallis U 檢驗。以χ2檢驗比較3 組圖像間可診斷率的差異，采用行×列表資料的多重比較并進行多次經Bonferroni 校正2×C 表的χ2檢驗。采用Kappa 檢驗評價2 名醫師主觀評分的一致性，Kappa 值≤0.4 為一致性差；0.4～0.6 為一致性中等；0.6～0.8為一致性較好；≥0.8為一致性好。P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 圖像質量評分

2名醫師對圖像質量評分的一致性好（Kappa=0.80），取2 名醫師協商后的評分。3 組圖像比較顯示RCA、LAD、LCX、冠狀動脈起源、冠狀動脈評分總體差異均有統計學意義（P均<0.05），詳見表1。圖1為病例1的圖像質量改進效果。

圖1 病例1改進效果Fig.1 Improvements in case 1

表1 冠狀動脈圖像質量主觀評分比較Tab.1 Comparison of subjective scores of coronary artery image quality

A組與B組圖像間RCA（χ2=45.07,P<0.01）、冠狀動脈（χ2=126.42,P<0.01）差異均有統計學意義，B組優于A 組；而LAD（χ2=34.51,P=0.07）、LCX（χ2=20.91,P=0.14）和冠狀動脈起源（χ2=17.75,P=0.43）評分差異均無統計學意義。A組與C組圖像間RCA（χ2=146.35,P<0.01）、LAD（χ2=134.30,P<0.01）、LCX（χ2=77.56,P<0.01）、冠狀動脈起源（χ2=95.66,P<0.01）和冠狀動脈（χ2=453.09,P<0.01）差異均有統計學意義，C組優于A組。B組與C組圖像間RCA（χ2=101.27,P<0.01）、LAD（χ2=99.79,P<0.01）、LCX（χ2=56.65,P<0.01）、冠狀動脈起源（χ2=77.92,P<0.01）和冠狀動脈（χ2=326.68,P<0.01）差異均有統計學意義，C組優于B組。

2.2 可診斷率

3組圖像比較顯示RCA、LAD、LCX、冠狀動脈起源及冠狀動脈可診斷率總體差異均有統計學意義（P均<0.01），詳見表2。圖2為病例2 的圖像質量改進效果。

圖2 病例2改進效果Fig.2 Improvements in case 2

表2 可診斷率比較［%（個）］Tab.2 Comparison of diagnosable rates[%(number of branches)]

A 組與B 組圖像間RCA（χ2=7.80,P<0.01）、LCX（χ2=5.26,P=0.02）、冠狀動脈（χ2=17.39,P<0.01）可診斷率差異均有統計學意義，B 組優于A 組；而LAD（χ2=3.38,P=0.05）、冠狀動脈起源（χ2=3.53,P=0.06）可診斷率差異均無統計學意義。A 組與C 組圖像間RCA（χ2=38.41,P<0.01）、LAD（χ2=13.92,P<0.01）、LCX（χ2=14.79,P<0.01）、冠狀動脈起源（χ2=27.82,P<0.01）和冠狀動脈（χ2=76.48,P<0.01）可診斷率差異均有統計學意義，C 組優于A 組。B 組與C 組圖像間RCA（χ2=16.91,P<0.01）、LAD（χ2=4.61,P=0.03）、冠狀動脈起源（χ2=14.39,P<0.01）和冠狀動脈（χ2=27.21,P<0.01）可診斷率差異均有統計學意義，C 組優于B組；而LCX（χ2=3.73,P=0.05）可診斷率差異無統計學意義。

3 討論

對于兒童先天冠狀動脈起源異常、川崎病導致的冠狀動脈瘤等冠狀動脈疾病，256 排寬體CT 的16 cm 探測器結合SSF1 技術對大多數的高心率患兒的圖像質量有顯著的提升。有研究報道結合SSF 技術，Revolution CT 的有效時間分辨率達29 ms，可消除高心率患者的運動偽影［5］。經臨床實踐，依然有部分患兒的圖像由于心率過快、Smart Phase 采集時相不佳導致最終重建圖像運動偽影重，尤其是冠狀動脈起源經常出現，影響對患兒冠狀動脈起源的觀察，不能滿足臨床診斷。冠狀動脈掃描常存在心臟搏動偽影、呼吸運動偽影、時相選擇偽影、板狀偽影、量子噪聲偽影等［15］。兒童冠狀動脈輻射劑量為CTDI（3.54±1.76）mGy，DLP（45.03±27.36）mGy?cm，有 效劑量（1.66±0.96）mSv，較之前研究輻射劑量有所降低［9,16］。目前對比劑注射方案及指南所用放射劑量及對比劑均較高（SCCT指南），根據ALARA 原則，目前國家兒童醫學中心首都醫科大學附屬北京兒童醫院使用的均為低對比劑、低輻射劑量CCTA 檢查，相關方案已經得到認可［17］。

SSF2技術在SSF1技術的基礎上，不僅對冠狀動脈進行識別，同時也對全心的運動偽影進行識別、處理。冠狀動脈運動偽影不僅因為冠狀動脈運動產生，也會受到全心的運動偽影影響，所以，SSF2技術在校正全心的運動偽影后會進一步改善冠狀動脈的運動偽影。美國心臟協會推薦的成人冠狀動脈評價的標準為直徑大于1.5 mm且連續走行超過1.5 mm，兒童冠狀動脈血管纖細，經過長期臨床實踐，兒童冠狀動脈評價節段標準降低為直徑大于1 mm 且連續走行超過1 mm 比較適宜［13］。共534個冠狀動脈節段納入統計，有420節段由于過于纖細未被納入。

使用SSF2技術后，C組圖像較B組圖像RCA、LAD、冠狀動脈起源和冠狀動脈評分及可診斷率差異均有統計學意義，LCX評分差異也有統計學意義，C組優于B組。與B組相比，C組的RCA、LAD、LCX的主觀評分分別從2.66±0.90、2.90±0.87、2.49±0.76 提升至3.44±0.63、3.51±0.64、3.21±0.67，總冠狀動脈評分從2.65±0.88提升至3.32±0.72；RCA、LAD、LCX的可診斷率從89.19%、95.93%、92.59%提升至100.00%、99.42%、98.77%，總可診斷率從91.20%提升至98.31%。提示SSF2技術可進一步提高冠狀動脈圖像質量和可診斷率。使用SSF2技術后，一些纖細的血管顯示得到了改善。相比SSF1的RCA、LAD、LCX分別有16、7、6冠狀動脈遠段的節段不能滿足診斷要求，SSF2僅分別有0、1、1支血管不能滿足診斷要求（評分≤2分），總冠狀動脈血管共有38個遠段節段滿足診斷要求。冠狀動脈起源也得到了較大的改善，冠狀動脈起源評分從2.60±1.00提升至3.51±0.69，有15個冠狀動脈起源處從不能滿足診斷要求到滿足診斷要求。

本研究中，A組與B組LAD、LCX和冠狀動脈起源評分差異均無統計學意義（P=0.07、0.14、0.43），這是因為設備的硬件的更新及Smart Phase選取到了較合適的期相，圖像質量尚可，這也表明了SSF1技術對于超高心率患兒效果的局限性［18］，對于冠狀動脈起源的效果也比較有限，常有和模糊。本研究與之前SSF1結果稍有不同，是因為本研究的患兒心率更高，年齡更低，血管更細小，對診斷要求更高。B組與C組LCX可診斷率無統計學意義（P=0.05），表明其對LCX圖像質量提示效果很弱，可能由于LCX細小，且本研究LCX節段納入較少（n=81），可能影響統計學結果。

本研究的不足：（1）病例數較少，由于SSF2數據處理量存在限制，尚不能開展大規模研究；（2）采用的是單中心的數據，病種范圍不夠全面；（3）沒有冠狀動脈造影作為金標準進行診斷評價。

總之，應用SSF2技術可以進一步改善兒童CCTA圖像質量，尤其對冠狀動脈起源圖像質量提高明顯，提高了冠狀動脈起源異常等先天畸形的診斷率。