Application of Coronary Computed Tomography Angiography in Overweight Patients: Comparison of Automated Tube Voltage Selection Versus 100 kVp Tube Voltage
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摘要:
目的 在自动管电压选择（automated tube voltage selection，APSCM）与定向100 KVp管电压两种情况下，比较超重患者冠状动脉计算机体层血管造影（coronary computed tomography angiography，CCTA）的图像质量和辐射剂量。 方法 选取115位体重指数（BMI）在25～30 kg / m2 之间，并且体重低于90 kg的患者在第二代双源CT扫描仪上进行CCTA检查，所有检查均采用前瞻性心电门控及大螺距（3.4）模式。所有患者被随机分为A、B两组：A组75例，采用APSCM技术进行检查；B组40例，接受固定100 kVp管电压检查。测量CT衰减和图像噪声，并计算信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）和对比噪声比（contrast-to-noise ratio，CNR）。对两组图像质量及辐射剂量进行比较。 结果 A组中，1例（1.3%）、51例（68%）和23例（30.7%）患者的管电压自动选择为80 kVp、100 kVp、120 kVp，平均CT衰减和图像噪声显著低于B组（P < 0.001）。A组的平均CNR高于B组，平均SNR较低（ P < 0.05）。两组的主观图像质量得分无显著差异（ P > 0.05），B组的辐射剂量比A组低22.2%（ P = 0.004）。 结论 对于BMI高于25 kg / m2、低于30 kg / m2，且体重低于90 kg的患者，与使用APSCM的CCTA相比，100 kVp CCTA可以降低辐射剂量而不影响图像质量。 Abstract:Objective To compare the image quality and radiation dose of automated tube voltage selection （APSCM） and 100 kVp coronary computed tomography angiography （CCTA） in overweight patients. Methods A total of 115 patients with a body mass index （BMI） higher than 25 kg/m2 and less than 30 kg/m2 and body weight lower than 90 kg underwent high-pitch prospectively ECG-triggered CCTA on a second-generation dual-source CT scanner. All patients were classified into two groups: Group A, 75 patients were examined with APSCM; Group B, 40 patients with a fixed tube voltage of 100 kVp. The attenuation and image noise were measured and signal-to-noise ratio （SNR） and contrast-to-noise ratio （CNR） were calculated. Image quality was evaluated and radiation dose was recorded. Results In Group A, 80 kVp, 100 kVp and 120 kVp were automatically selected in 1 （1.3%）, 51 （68.0%） and 23 （30.7%） patients, respectively. The mean CT attenuations and image noise in APSCM group were significantly lower than those in Group B （all P < 0.001）. Group A showed a higher mean CNR but a lower mean SNR （all P < 0.05） than Group B. The subjective image quality scores have no significant difference between the two groups （all P < 0.05）. The radiation dose in Group B was 22.2% lower than in Group A （ P = 0.004）. Conclusion In patients with BMI higher than 25 kg/m2 and less than 30 kg/m2, 100 kVp CCTA allows lower radiation dose without compromising image quality when compared with CCTA using APSCM. -
Key words:
- Computed tomography /
- Angiography /
- Coronary artery /
- Tube potential /
- Radiation dose
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冠状动脉血管造影（coronary computed tomography angiography，CCTA）被广泛应用于临床实践[1]，是一种快速的、可靠的、无创的评估冠状动脉病变的影像学检查方法。随着CCTA的应用不断增加，人们对辐射剂量安全性的担忧也不断增加[2]。近年来，CT技术在实现低管电压、自动管电压调制、前瞻性心电触发等降低辐射剂量和提高图像质量方面取得了一定的进展[3]。在这些技术中，由于管电压与辐射剂量[4]呈指数关系，故降低管电压是降低辐射剂量最有效的方法之一。
目前，CCTA管电压通常是根据患者的身体质量指数（body mass index，BMI）手动选择的。近年提出的一种新的管电压调制软件—自动管电压选择系统（automated tube voltage selection，APSCM）。APSCM是可以根据所进行研究的类型、所成像的身体区域和病人的生理特征[5-6]，为每个患者选择最佳的管电压。多项研究表明，与传统基于BMI的方案选择管电压相比，APSCM是CCTA的一种节省剂量的技术[7-9]。与基于患者BMI方案选择管电压相比，APSCM组的辐射剂量减少可达39%。对于BMI为25 kg/m2的患者，基于BMI的方案推荐使用100 kVp。而在APSCM组中，对于体重指数较小或正常的患者，APSCM更常选择80 kVp。这种选择管电压的差异导致APSCM组的辐射剂量显著降低，并可能导致39%的辐射剂量降低。但是对于BMI大于25 kg/m2且小于30 kg/m2的患者（定义为超重患者），基于BM方案，推荐使用100 kVp，而APSCM是否也有同样的效果？本研究假设在超重患者中，与APSCM组相比，在100 kVp时CCTA（根据SCCT推荐）可以在不增加辐射剂量的情况下获得相似的图像质量。因此，本研究的研究目的是对行冠脉CTA的患者，比较APSCM和固定的100 kVp CCTA两种方法的辐射剂量和图像质量。
1. 资料与方法
1.1 临床资料
选取2013年8月至2014年7月期间在南京大学医学院附属金陵医院行CTA检查、体型超重（BMI 25～30 kg/m2，体重小于90 kg）的患者115例，其中男性67例，女性48例，年龄31～82岁，平均（57.6±8.9）岁；心率低于70次/min。在无禁忌症的情况下，心率 > 70次/min的患者检查前1 h内口服 25～50 mg 倍他乐克，当心率降至 70次/min以下后进行 CCTA 检查。对碘对比剂过敏、肾功能不全（血清肌酐：1.4 mg/dL）、心律不齐、妊娠、涉及超过2个连续冠状动脉节段的弥漫性钙化、冠状动脉搭桥术和冠状动脉支架植入术的患者均排除在研究范围以外。记录所有患者的临床特征（性别，年龄，身高，体重）。前75名患者[43名男性和32名女性，年龄范围31～82岁，平均年龄（58.7±9.0）岁]接受了APSCM的CCTA检查，另外40名患者[24名男性和16名女性，年龄范围33～71岁，平均年龄（55.6±8.5）岁]接受了固定的100 kVp管电压CCTA检查。所有患者均知情并签署同意书。
1.2 扫描方法
CT扫描和对比剂注入方案所有患者均通过第二代双源CT （Definition Flash，Siemens Healthcare，Forchheim，Germany）进行扫描。患者采用仰卧位，并按照标准位置放置心电导联线，以前瞻性心电门控大螺距模式由气管分叉处至膈肌水平进行采集，并从R-R间期的60%开始。开启实时动态曝光剂量调节（CARE Dose 4D）管电压，对进入APSCM组的患者进行检查。100 kVp组的患者均接受100 kVp固定管电压的检查。除管电压外，其他采集参数保持恒定如下：球管旋转时间为0.28 s，螺距为3.4，准直器宽度为0.6 mm×64×2 mm。将密闭式静脉留置针（20-gauge i.v）埋于患者肘前静脉。采用5 mL/s的流速注射60 mL优维显（370 mg I/mL），然后，同样以5 mL/s的流率注射40 mL生理盐水。兴趣区（ROI）设在主动脉根部，当 CT值达100 HU后延迟4 s后触发扫描。
1.3 图像重建
两组图像均以层厚0.75 mm、间隔0.6 mm的模式重建，采用基于原始数据域迭代重建算法（sinogram affirmed iterative recon- struction，SAFIRE）[10]，卷积核为与 B26 相对应的 I26。本研究采用了西门子公司推荐的SAFIRE 5种不同级别中的第3级重建算法。
1.4 图像质量的客观评价
上传所有图像数据到MMWP工作站进行评估[11-12]。由1名拥有丰富工作经验的放射科医师对每种方案的图像质量进行客观评估，依次测量出每个患者升主动脉（ascending aorta，AA）根部、左冠状动脉主干（left main coronary artery，LMA）、左冠状动脉前降支（left anterior descending artery，LAD）起始处、左冠状动脉回旋支（left circumflex artery，LCX）起始处、右冠状动脉（right coronary artery，RCA）起始处及纵膈脂肪组织的CT值，并计算标准差，以主动脉根部的标准差作为图像噪声。测量兴趣区时应避免软斑、钙化及狭窄，并将ROI画得尽可能大。最后，对每支血管的SNR 和CNR进行计算。计算方法如下[13-14]:
SNR = 管腔内平均CT值/图像噪声
CNR = （管腔内的平均CT值 − 纵隔脂肪CT值）/噪声。
1.5 图像质量的主观评价
上传所有图像数据至工作站Syngovia （Siemens）进行曲面重建（CPR）。美国心脏病学会制定的冠状动脉分段标准[15]将冠状动脉分为 15段，当有左冠状动脉中间支存在时，则被记为第16段。由两名经验丰富的放射科医生独立观察横断面图像和CPR，并对每段血管进行评分，图像评分采用 4 分法[16]。1 分：血管不连续，管壁不清晰，运动伪影大，血管对比差，噪声大，不能用于诊断；2 分：中度运动伪影及噪声，血管对比一般；3 分：轻度运动伪影及噪声，血管对比好；4 分：无运动伪影，噪声很小，血管对比很好。2～4分被认为是诊断图像质量。当出现两名医师评价结果不一致的情况时，由两名医师共同商议并确定最后评分。最后，每支冠状动脉（RCA，LMA，LAD，LCX）所有段中的最低分被定义为该支冠状动脉的分数。
如图1所示，图1A显示了100 kVp CCTA组，由于第2段中出现明显的运动伪影，因此获得1分。图1B显示了APSCM CCTA组，由于第2段的轻微运动伪影，获得了2分。图1C显示了100 kVp CCTA组，由于第2段轮廓轻微模糊，获得3分。图1D显示APSCM CCTA组，血管无运动伪影，得到4分。
图 1 100 kVp CCTA组和APSCM CCTA组的曲面重组（CPR）图像质量对比A：100 kVp CCTA组；B：APSCM CCTA组；C：100 kVp CCTA组；D：APSCM CCTA组。Figure 1. Comparison of curved planar reformations （CPR）image quality between 100 kVP CCTA group and APSCM CCTA group1.6 辐射剂量的计算
得到每位患者的CT容积剂量指数（volume computed tomography dose index，CTDIvol）后，将剂量长度乘积（dose length prod-uct，DLP）乘以胸部换算系数（0.014 mSv x mGy−1x cm−1）来计算出有效剂量（effective dose，ED） [17]，最后计算体型特异性剂量估计（size-spe-cific dose estimates，SSDE）[18]。
1.7 统计学处理
统计分析工具为SPSS软件16.0版（美国伊利诺伊州芝加哥市SPSS公司）。计量资料以平均值±标准差（
$\bar x \pm s $ ）表示，计数资料以频率或百分比表示。使用Kolmogorov-Smirnov检验对辐射计量和图像参数（噪声，衰减和CNR）的正态分布进行测试。使用独立样本t检验比较正态分布的参数。Kappa分析用于评估主观图像质量评估观察者之间的一致性。K < 0.20表示一致性差；K 0.21～0.40表示一致性稍差；K 0.41～0.60表示一致性中度；K 0.61～0.80表示一致性好；K 0.81～1.00表示一致性非常好。 P < 0.05 为差异有统计学意义。2. 结果
2.1 患者一般特征比较
所有115名患者，67名男性和48名女性；年龄31～82岁；平均（57.6±8.9）岁，均成功接受了CCTA。PSCM组和100 kVp组间患者的性别（男女比例：59.0% vs 66.7%，P = 0.39），年龄（58.7±9.0）岁vs （55.6±8.5）岁，P = 0.082，BMI （26.8±1.3） kg/m2 vs （26.7±1.3） kg/m2，P = 0.397，以及APSCM组和100 kVp组之间患者的心率（59.5±6.2） 次/min vs （60.9±5.4） 次/min，P = 0.226，均无统计学差异。
2.2 图像质量比较
表1显示了在上述所有位置测得的CT值。100 kVp组中所有目标血管位置的图像噪声显著高于APSCM组（P < 0.001）。100 kVp组的RCA，LMA和LCX的SNR高于APSCM组（ P < 0.05），而LAD的SNR无明显差异（ P = 0.053）。100 kVp组中四个冠状动脉的CNR显着低于APSCM组（P < 0.001）。
表 1 两组CCTA的客观图像质量比较（$\bar x \pm s $ ）Table 1. Objective image quality evaluation of CCTA in the two groups （$\bar x \pm s $ ）位置 APSCM组 100 kVp组 t P RCA CT（HU） 426.0 ± 95.0 504.0 ± 71.0 −4.527 < 0.001* SNR 28.2 ± 16.4 33.7 ± 18.0 −1.761 0.038* CNR 31.4 ± 5.5 27.2 ± 5.8 3.841 < 0.001* LMA CT（HU） 431.0 ± 105.0 505.0 ± 83.0 −3.915 < 0.001* SNR 36.0 ± 21.0 43.4 ± 23.6 −2.282 0.005* CNR 31.5 ± 5.3 27.3 ± 6.0 3.924 < 0.001* LAD CT（HU） 422.0 ± 88.0 488.0 ± 88.0 −3.842 < 0.001* SNR 31.1 ± 31.0 38.7 ± 30.3 −1.660 0.053* CNR 31.1 ± 4.6 26.5 ± 6.0 4.631 < 0.001* LCX CT（HU） 428.0 ± 95.0 501.0 ± 97.0 −3.895 < 0.001* SNR 30.5 ± 24.8 38.3 ± 15.4 −1.705 0.001* CNR 31.6 ± 5.2 27.3 ± 7.3 3.652 0.002* 平均 CT（HU） 426.0 ± 88.0 500.0 ± 78.0 −4.432 < 0.001* SNR 31.4 ± 15.2 39.8 ± 13.1 −2.976 0.004* CNR 31.4 ± 4.5 27.0 ± 6.1 4.349 < 0.001* 图像噪声（HU） 17.0 ± 3.0 22.0 ± 4.0 −8.410 < 0.001* 注：*P < 0.05。 2.3 主观图像质量分析
对126例血管管腔直径 ≥ 1.5 mm的患者进行了1484个分段（APSCM组为969个分段，100 kVp组为515个分段）的主观图像质量评估。表2显示了四个冠状血管的图像质量评分。两组之间的四个冠状动脉的平均图像质量得分差异无统计学意义（P = 0.181）。APSCM组的观察者间一致性中度（K = 0.466，P < 0.001），而100 kVp组的观察者间一致性好（K = 0.620， P < 0.001）。
表 2 两组冠状动脉的主观图像质量评分比较（$\bar x \pm s $ ）Table 2. Subjective image quality scores of coronary arteries in the two groups （$\bar x \pm s $ ）血管 100 kVp组 80 kVp组 U P RCA 3.5 ± 0.8 3.3 ± 1.0 1396.50 0.488 LMA 3.9 ± 0.3 3.9 ± 0.3 1450.00 0.528 LAD 3.5 ± 0.7 3.3 ± 0.8 1287.50 0.162 LCX 3.4 ± 0.7 3.1 ± 0.8 1242.00 0.096 平均 3.6 ± 0.4 3.4 ± 0.6 1277.00 0.181 2.4 辐射剂量比较
在APSCM组和100 kVp组之间，DLP （P = 0.04），CTDIvol （P = 0.046），ED （P = 0.04）和SSDE （P = 0.004）之间差异有统计学意义。与APSCM组相比，100 kVp组DLP，CTDIvol，ED和SSDE分别降低了21.7%，23.3%，20.0%和22.2% ，见表3。
表 3 两组辐射剂量比较（$ \bar x \pm s$ ）Table 3. Radiation dose comparison between the two CCTA groups （$\bar x \pm s $ ）参数 APSCM组 100 kVp组 t P CTDI （mGy） 4.3 ± 1.6 3.3 ± 0.3 3.909 0.046* DLP （mGy×cm） 74.5 ± 27.6 58.3 ± 7.2 3.651 0.040* ED （mSv） 1.0 ± 0.4 0.8 ± 0.1 3.651 0.040* SSDE （mGy） 5.4 ± 1.8 4.2 ± 0.4 3.909 0.004* 注：*P < 0.05；CTDIvol = CT容积剂量指数；DLP = 剂量长度乘积；ED = 有效剂量；SSDE = 体型特异性剂量估计。 如图2示，2A、2C和E、G是RCA，LMA，LAD和LCX的曲面重建图像。2D和H是3维体积重建图像。2A～2D是来自100 kVp组中的一名70岁女性的图像，E-H是来自APSCM组中一个82岁男性的图像。APSCM选择的管电压为120 kVp。平均图像质量得分为4，SSDE为7.4 mGy。
图 2 100 kVp组和APSCM组的CT图像示例A：100 kVp CCTA组；B：100 kVp CCTA组；C：100 kVp CCTA组；D：100 kVp CCTA组；E：APSCM CCTA组；F：APSCM CCTA组；G：APSCM CCTA组；H：APSCM CCTA组。Figure 2. Examples of CT images from the 100 kVp group and the APSCM group3. 讨论
在本研究中，与APSCM组相比，100 kVp组的辐射剂量降低了22.2%，这与其他研究的结果不同。在先前的研究中，与基于BMI的方案相比，使用APSCM可使CCTA的放射剂量降低25%～39%[19-20]。这种差异可以归因于研究人群与不同的研究样本。但是，伴随着CT技术的飞速发展，电子管的电势越来越低，例如100 kVp、80 kVp甚至70 kVp已被广泛应用于临床实践，尤其是CT血管造影。几项研究甚至证明了BMI低于25 kg/m2或26 kg/m2的患者在70 kVp时进行CCTA的可行性，并且可显着降低辐射剂量并提高诊断图像质量。在另一项研究中，与基于BMI的方案相比，使用APSCM在CCTA中将放射剂量降低了25%[21]。这其中的差异可能归因于基于BMI组中更多的亚组。在基于BMI的小组中，BMI < 19 kg/m 2的患者在80 kVp时进行了CCTA，BMI在19～27 kg/m2的患者在100 kVp时进行CCTA，BMI > 27 kg/m 2的患者在120 kVp时进行CCTA。在本研究中，当选取BMI高于25 kg/m2而低于30 kg/m2的患者进行检查时，APSCM组甚至达到了更高的放射剂量。
此外，APSCM组冠状动脉的平均CT衰减和图像噪声显著降低，因为APSCM组以120 kVp进行的CT扫描数量较多（30.7%患者）。另外，和100 kVp组相比，APSCM组显示出较低的SNR和较高的CNR。但是，对于可接受的客观图像质量，CNR的最佳值尚无共识。因此，主观图像质量评分（定义为四个冠状动脉的分数）在两组之间没有显著差异。
在本研究中，前75名患者接受APSCM的CCTA检查，后40名接受100 kVp的检查。虽然两组患者人数不同，但两组患者在一般特征方面差异没有统计学意义，因此进行比较是可靠的。其次，为了计算APSCM组不同管电位的比例，本研究APSCM组招募了75名患者。第三，本研究仅包括BMI高于25 kg/m2、低于30 kg/m2且体重低于90 kg的患者，因为该研究的目的是比较这些特殊患者的辐射剂量和图像质量。本研究得出的结论是，当设计基于BMI方案的更多亚组时，使用APSCM也可能会导致更高的辐射剂量。第四，未采用侵入性冠状动脉造影作为参考标准评估两种CCTA方案的诊断准确性。
该研究表明，对于BMI在25～30 kg/m2之间，且体重低于90 kg的患者，100 kVp组CCTA可能更趋向于降低辐射剂量。本研究的结果表明，与使用APSCM组的CCTA相比，在超重患者中100 kVp CCTA可使放射剂量减少22.2%，而不会影响图像质量。
综上所述，对于BMI高于25 kg/m2、低于30 kg/m2且体重低于90 kg的患者，与使用APSCM的CCTA方法相比，固定100 kVp的CCTA可以在不影响图像质量的情况下，有效降低辐射剂量。
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图 1 100 kVp CCTA组和APSCM CCTA组的曲面重组（CPR）图像质量对比
A：100 kVp CCTA组；B：APSCM CCTA组；C：100 kVp CCTA组；D：APSCM CCTA组。
Figure 1. Comparison of curved planar reformations （CPR）image quality between 100 kVP CCTA group and APSCM CCTA group
图 2 100 kVp组和APSCM组的CT图像示例
A：100 kVp CCTA组；B：100 kVp CCTA组；C：100 kVp CCTA组；D：100 kVp CCTA组；E：APSCM CCTA组；F：APSCM CCTA组；G：APSCM CCTA组；H：APSCM CCTA组。
Figure 2. Examples of CT images from the 100 kVp group and the APSCM group
表 1 两组CCTA的客观图像质量比较（
$\bar x \pm s $ ）Table 1. Objective image quality evaluation of CCTA in the two groups （
$\bar x \pm s $ ）位置 APSCM组 100 kVp组 t P RCA CT（HU） 426.0 ± 95.0 504.0 ± 71.0 −4.527 < 0.001* SNR 28.2 ± 16.4 33.7 ± 18.0 −1.761 0.038* CNR 31.4 ± 5.5 27.2 ± 5.8 3.841 < 0.001* LMA CT（HU） 431.0 ± 105.0 505.0 ± 83.0 −3.915 < 0.001* SNR 36.0 ± 21.0 43.4 ± 23.6 −2.282 0.005* CNR 31.5 ± 5.3 27.3 ± 6.0 3.924 < 0.001* LAD CT（HU） 422.0 ± 88.0 488.0 ± 88.0 −3.842 < 0.001* SNR 31.1 ± 31.0 38.7 ± 30.3 −1.660 0.053* CNR 31.1 ± 4.6 26.5 ± 6.0 4.631 < 0.001* LCX CT（HU） 428.0 ± 95.0 501.0 ± 97.0 −3.895 < 0.001* SNR 30.5 ± 24.8 38.3 ± 15.4 −1.705 0.001* CNR 31.6 ± 5.2 27.3 ± 7.3 3.652 0.002* 平均 CT（HU） 426.0 ± 88.0 500.0 ± 78.0 −4.432 < 0.001* SNR 31.4 ± 15.2 39.8 ± 13.1 −2.976 0.004* CNR 31.4 ± 4.5 27.0 ± 6.1 4.349 < 0.001* 图像噪声（HU） 17.0 ± 3.0 22.0 ± 4.0 −8.410 < 0.001* 注：*P < 0.05。 
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表 2 两组冠状动脉的主观图像质量评分比较（
$\bar x \pm s $ ）Table 2. Subjective image quality scores of coronary arteries in the two groups （
$\bar x \pm s $ ）血管 100 kVp组 80 kVp组 U P RCA 3.5 ± 0.8 3.3 ± 1.0 1396.50 0.488 LMA 3.9 ± 0.3 3.9 ± 0.3 1450.00 0.528 LAD 3.5 ± 0.7 3.3 ± 0.8 1287.50 0.162 LCX 3.4 ± 0.7 3.1 ± 0.8 1242.00 0.096 平均 3.6 ± 0.4 3.4 ± 0.6 1277.00 0.181
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表 3 两组辐射剂量比较（
$ \bar x \pm s$ ）Table 3. Radiation dose comparison between the two CCTA groups （
$\bar x \pm s $ ）参数 APSCM组 100 kVp组 t P CTDI （mGy） 4.3 ± 1.6 3.3 ± 0.3 3.909 0.046* DLP （mGy×cm） 74.5 ± 27.6 58.3 ± 7.2 3.651 0.040* ED （mSv） 1.0 ± 0.4 0.8 ± 0.1 3.651 0.040* SSDE （mGy） 5.4 ± 1.8 4.2 ± 0.4 3.909 0.004* 注：*P < 0.05；CTDIvol = CT容积剂量指数；DLP = 剂量长度乘积；ED = 有效剂量；SSDE = 体型特异性剂量估计。
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