低管电压和低对比剂联合IMR技术在椎动脉V3段3DCTA中的可行性研究*

杨君琳,翟笃昌,周秀智,刘 蓉,范国华,蔡 武

(苏州大学附属第二医院影像科,江苏苏州 215004)

椎动脉V3段位于颅颈交界区,起自寰椎横突孔,止于跨枕骨大孔处,与寰枢椎解剖关系密切。有关椎动脉与寰椎的解剖及临床研究已引起学者们的日益关注,但既往大部分定量研究都基于尸体和干骨标本[1-3]。三维CT血管成像(three-dimensional computed tomography angiography,3DCTA)不仅具有快速、经济、无创的优势,而且可从多角度、多平面和全方位同时显示椎动脉和寰椎之间的三维空间关系,反映充满血流和压力的椎动脉真实形态学特征,与尸体和干骨标本相比能提供更多有价值的信息[4-5]。然而,随着3DCTA的广泛使用,其图像质量不断提高的同时,辐射剂量及对比剂剂量也在明显加大[6]。因此,本研究旨在探讨低管电压自动管电流调节(automatic tube current modulation,ATCM)和低对比剂浓度、剂量及注射速率联合全模型迭代重建(iterative model reconstruction,IMR)在椎动脉V3段3DCTA中的可行性。现报道如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

选取从2019年11月至2020年5月临床怀疑上颈椎、颅颈交界区病变而在本院行颈部椎动脉V3段3DCTA的60例患者纳入研究。按照随机数字表法将患者随机分成A组、B组,每组各30例。排除标准:(1)妊娠期或者哺乳期妇女;(2)严重心、肝、肾功能不全患者;(3)碘对比剂过敏患者;(4)3DCTA图像存在运动伪影。本研究为前瞻性研究,经医院伦理委员会批准,所有患者均被告知并签署知情同意书。

1.2 方法

1.2.1CT检查方法

患者检查当天空腹4 h,询问有无3DCTA扫描检查的禁忌证。测量身高及体重,计算BMI。扫描范围:以寰椎后弓为中心上下75 mm。采用Philips Brilliance iCT扫描仪(荷兰飞利浦公司)行颈部椎动脉V3段3DCTA。采用Bolus-tracking扫描技术,在颅底颈内动脉放置1个感兴趣区(region of interest,ROI),触发阈值120 HU后延迟4.5 s再进行扫描。A组采用80 kV、平均管电流为50 mAs的ATCM,25 mL注射速率为3 mL/s的对比剂碘海醇(碘含量300 mg/mL)联合IMR技术进行检查;B组采用120 kV、150 mAs固定管电流,50 mL注射速率为5 mL/s的对比剂碘帕醇(碘含量370 mg/mL)联合滤波反投影(filtered back projection,FBP)重建技术进行检查。两组其他扫描参数相同:螺距为0.992,球管转动速度为0.5 s/r,矩阵512×512。A组对比剂注射结束后采用3 mL/s注射速率,注射40 mL生理盐水冲洗;B组对比剂注射结束后采用5 mL/s注射速率,注射40 mL的生理盐水冲洗。

1.2.2图像后处理

扫描完成后,对CTA原始数据进行重建,重建间隔为0.45 mm、层厚为0.9 mm。A组采用IMR技术,重建参数为IMR且水平为1级;B组采用FBP技术,重建参数为Standard。数据传送至Intelli Space Portal工作站(荷兰飞利浦公司)进行三维重组,方法主要包括容积再现(volume rendering,VR)、最大密度投影(maximum intensity projection,MIP)、多平面重组(multiple planar reconstruction,MPR)。

1.2.3图像评价

图像质量客观评价:关闭及掩盖扫描参数和患者相关信息,在1名高年资放射医师的指导下,由1名放射医师测量并记录寰椎后弓水平连续3个层椎动脉CT值(CT椎动脉)及密度均匀的椎旁肌肉CT值(CT肌肉),在椎动脉上勾画平均面积为7 mm2的圆形ROI,在椎旁肌肉上勾画平均面积为30 mm2的圆形ROI(图1),ROI应避免触及血管壁及斑块,计算3次测量数据的平均值。采用公式[6]计算信噪比(signal noise ratio,SNR)、对比噪声比(contrast noise ratio,CNR)、图像敏感度(figure of merit,FOM)[7]。主观评价:关闭及掩盖患者信息,由两名放射医师对两组2D图像及3DCTA图像进行主观评价,图像质量评分为1～5分。5分:图像质量优秀,对比度好,颗粒均匀,椎动脉V3段血管边界清晰,无伪影,容易诊断;4分:图像质量好,对比度较好,颗粒比较均匀,椎动脉V3段显示好,存在少许伪影,可以诊断;3分:图像质量可,对比度一般,颗粒欠均匀,椎动脉V3段显示尚可,边缘稍毛糙,存在伪影,诊断不受影响;2分:图像质量不佳,对比度较差,图像颗粒粗,椎动脉V3段血管边缘毛糙,存在明显伪影,明显影响诊断;1分:图像质量差,对比度差,颗粒粗,椎动脉V3段血管显示不清,图像存在严重伪影,不能诊断。达到临床诊断要求的图像质量评分需≥3分。

图1 血管及椎旁肌肉ROI示意图

1.2.4辐射剂量及对比剂剂量

记录并比较两组CT扫描自动生成的患者所接受辐射剂量参数,包括:容积剂量指数(volume CT dose index,CTDIvol)、剂量长度乘积(dose length product,DLP),并计算有效剂量(effective dosage,ED)[1]。计算并比较两组对比剂碘摄入量。对比剂摄入量=对比剂浓度×对比剂剂量,对比剂碘流率=对比剂浓度×对比剂注射速率。

1.3 统计学处理

2 结 果

2.1 两组患者一般资料比较

两组患者的性别构成、年龄、BMI比较,差异均无统计学意义(P>0.05),具有可比性,见表1。

表1 两组患者一般资料比较

2.2 图像质量评价

2.2.1客观评价

两组图像寰椎后弓层面椎动脉CT值比较,差异无统计学意义(P>0.05);A组椎动脉的噪声小于B组,SNR、CNR、FOM均大于B组,差异有统计学意义(P<0.05),见表2。

表2 两组患者椎动脉的主、客观评价指标比较

2.2.2主观评价

A组图像质量评分为(4.78±0.41)分,B组为(4.85±0.35),两组比较差异无统计学意义(P>0.05),均达到临床诊断要求。2位诊断医师在评价图像质量方面一致性好(Kappa=0.899,P<0.05)。

2.3 两组辐射剂量及对比剂剂量比较

A组CTDIvol、DLP、ED均大幅低于B组,差异有统计学意义(P<0.05),见表3。A、B组每例患者对比剂碘摄入量分别为7.5、18.5 g,对比剂碘流率分别为0.9、1.85 mg/s,A组相比于B组,碘摄入量及碘流率分别下降了59.5%、51.4%。

表3 两组患者辐射剂量比较[M(Q1,Q3)]

3 讨 论

椎动脉V3段存在较多转折,在颈椎C1～C2融合时更容易受到损伤[8]。近年来,随着多层螺旋CT技术的快速发展,3DCTA因其后处理功能强大、无创、敏感度高、适用性广等优点逐渐成为头颈部血管成像的首选。刘凯等[9]发现CTA图像能够显示椎动脉V3各亚段动脉分支的显示率和排列方式。陈耀康等[10]采用双源CTA研究椎动脉V3段的变异,发现其能够较好地显示椎动脉V3段的正常解剖和椎动脉沟桥形成等常见变异。然而,在3DCTA图像质量得到提高的同时,患者接受的辐射剂量也在加大,与对比剂相关的肾脏损伤问题逐渐得到重视。在图像质量符合临床诊断的要求下,降低患者的辐射剂量及对比剂碘摄入量对患者具有重要意义[11-13]。随着CT技术的快速发展,多种辐射剂量、碘负荷、对比剂碘流率降低策略被单独或联合应用于3DCTA检查[14-15]。

本研究中,A组相比于B组辐射剂量大幅降低,对比剂碘摄入量仅为B组的40.%(7.5/18.5),与前期研究[6]相比有所减低,这主要是因为本研究进一步降低了ATCM技术的平均管电流(50 mAs)及对比剂剂量(25 mL)。YOU等[16]报道,当管电压由120 kV降低至100 kV时,ED下降了25.47%,低于YU等[17]报道的降低程度(71%)。但在YU等[17]的研究中,当管电压由120 kV下降到80 kV时,ED下降了76%。上述两者研究存在差异可能是采用了不同的扫描方案:YOU等[16]的研究中,两组均采用ATCM技术;YU等[17]的研究中,管电压为120 kV的扫描方案中采用固定管电流。相比于固定管电流结合低管电压,ATCM技术结合低管电压可以进一步降低ED。本研究发现,从管电压由120 kV降至80 kV,ED大幅下降,可能是因为本研究在采用ATCM技术的同时,平均管电流仅为50 mAs,均低于上述文献所报道的管电流。

降低对比剂浓度、注射速率及剂量能够减低对比剂使用带来的损伤,但同时也会降低血管CT强化程度。降低管电压可通过减少康普顿效应,增加光电效应,提高碘对比剂的衰减值及图像对比度[18],从而弥补因注射速率降低、对比剂浓度降低及注射剂量下降所引起的血管强化程度降低。该方案更有利于患有肾病的患者,因为较高的对比剂渗透压、黏度、注射率、剂量与肾脏损伤均有密切联系[19-20]。然而,仅仅对扫描参数进行优化可能会导致图像的噪声和伪影大量增加,尤其是在管电压较低的情况下,这会导致CT图像诊断质量变差,影响诊断。所以,本研究为克服管电压降低所带来的图像质量降低的问题,引入了IMR技术。IMR技术是将X线束建立的多个模型、焦点、X线束、体素和探测器的几何形状均纳入计算,通过前向、后向重建,在投影数据域及图像数据域分别进行迭代运算,不断更新原始数据,最终得到低噪声、高分辨率的CT图像,有助于降低与FBP重建算法相关的量子噪声,解决CT扫描辐射剂量降低所致图像噪声及伪影的增加[21-23]。此外,IMR可以通过不断缩小理想模型与采集数据之间的差异,生成最真实、最优的图像[24-26]。NIESTEN等[27]通过比较FBP、混合迭代重建(hybrid iterative reconstruction,HIR)及IMR算法下头颈部CTA的图像质量,发现IMR明显改善了整体图像质量,降低了图像噪声,而FBP重建后的图像质量最差。CHENG等[23]采用IMR技术结合低管电压扫描,评估低辐射剂量下儿童头颈部CTA的图像质量,发现与FBP比较,IMR技术在保持诊断图像质量的同时还能降低辐射剂量,这与本研究结论一致。HAMAGUCHI等[28]通过对比IMR与自适应统计迭代重建(adaptive statistical iterative reconstruction,ASIR)技术对颅内小动脉的显影能力,发现IMR技术可以在不增加辐射剂量和对比剂用量的情况下,更好地显示颅内小动脉。

本研究使用80 kV的扫描方案来评估椎动脉V3段血管,与常规的120 kV扫描方案比较,血管SNR和CNR值有所提高,这与MIHL等[26]报道的结果一致。A组的FOM高于B组,表明IMR不仅能补偿管电压降低联合ATCM所造成的图像噪声增加,同时能够提高单位辐射剂量对椎动脉CNR、SNR及FOM的贡献效率,椎动脉的噪声也有相应的改善。因此,尽管采用了低管电压、低管电流、低对比剂浓度及低注射速率,但扫描图像客观图像质量指标得到提高,主观评分无差异,故椎动脉V3段双低剂量3DCTA扫描联合IMR技术是可行的。

综上所述,低管电压ATCM和低对比剂浓度、剂量及注射速率联合IMR技术不仅可保证椎动脉V3段3DCTA图像质量,还减少了患者所接受的辐射剂量,降低了对比剂碘摄入量及碘流率。