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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平衡易位（reciprocal translocation）是常见的一种染色体结构异常，在新生儿中，平衡易位携带者发生率约为0.2%[1]。平衡易位通常发生在非同源染色体片段交换时，若易位没有造成遗传物质的获得或者丢失，且易位的断点没有导致基因的截断，则携带患者表型正常。然而研究表明，平衡易位携带患者不孕及反复流产（recurrent pregnancy loss，RPL）的风险显著增加。据报道，RPL患者的染色体异常以染色体结构异常为主，其中以平衡易位的检出最多。在有反复流产史的夫妇中，一方为平衡易位携带者的比例约为2.5%～3.2%[2]。另外，当染色体易位的断裂点与生殖的基因有关时，患者还会表现为不孕不育。
平衡易位配子经过减数分裂，理论上可形成18 种配子。同正常配子结合后，形成的合子包括一种完全正常，一种易位携带，其余均为遗传物质不平衡。因而，理论上，若夫妻双方一方为平衡易位携带者，其获得遗传物质平衡胚胎的比例仅为2/18[3]。如果不进行干预，平衡易位携带者的妊娠结局主要有自然流产、复发性流产、生育缺陷儿等[3-4]，其中，自然流产率可达50%-80%；常见胎儿异常有心脏发育异常、神经发育迟滞、先天愚型等等；性染色体相关的平衡易位会导致不孕的风险，这些都给患者夫妇家庭造成严重的经济和精神压力。
随着人类辅助生殖技术（assisted reproductive technology，ART）的发展，ART技术已经不仅仅用于不孕患者的治疗，而是更多的参与到优生优育的干预中来。在ART治疗周期中，非整倍体是导致种植失败和流产的重要原因之一。因此，建立一套有效的鉴别整倍体胚胎的方法，对于改善ART周期临床结局非常关键[5] 。近年来，随着植入前遗传学检测（preimplantation genetic testing，PGT）的出现及推广，通过检测胚胎染色体，有效的减少了染色体异常胚胎移植的比例，进而降低了平衡易位携带者自然流产以及不良孕产的发生比例。针对平衡易位患者，可以进行PGT-SR（Structural rearrangements）的治疗，通过对染色体拷贝数变异（copy number variants，CNVs）进行检测，选择遗传物质平衡的胚胎移植[6]。PGT的检测样本主要来源于囊胚滋养外胚层（trophectoderm，TE）细胞的活检，二代测序技术（next-generation sequencing，NGS）经过有效性的验证，已广泛应用于临床PGT的检测。然而，尽管囊胚活检技术是目前进行PGT的主流方法，但是对于胚胎来说仍是一项有创的操作，对于活产胎儿及其后期发育的影响尚不明确；另外，囊胚活检操作的技术难度大，所需设备昂贵，这也限制了该项技术在生殖中心的普遍应用。因此，建立一种无创的、快速简易的、成本更低的评估胚胎染色体的方法，将成为ART领域的重大突破。
无创胚胎染色体筛查（non-invasive chromosome screening，NICS）是指通过结合NGS技术，检测培养至囊胚期时培养液中游离的DNA（cell-free DNA，cfDNA），以cfDNA的检测结果来反映整个胚胎的染色体情况，在不进行活检的前提下，得到胚胎染色体的筛查结果，作为甄选移植胚胎的参考条件。有研究表明，NICS技术在染色体筛查方面可以达到0.882的敏感度和0.840的特异度[7]，然而由于该项技术创立及应用时间还较短，其有效性还有待验证。随着技术的不断改进提升，该技术的精度和深度也可不断提高。
本研究以传统囊胚TE细胞活检/未形成囊胚的废弃整胚的染色体测序结果为对照，利用NICS技术对胚胎的不同阶段培养液进行测序检测，探讨不同时期培养液NICS检测技术在平衡易位患者治疗中的应用价值。
1. 资料与方法
1.1 研究对象
本研究以2018年3月至2020年7月在云南省第一人民医院生殖医学科进行PGT治疗的10位平衡易位携带患者为研究对象，共收集186条测序数据。根据检测样本，将所有数据分成3组，包括D3培养液测序结果（D3 NICS）39条，D5培养液测序结果（D5 NICS）72条，胚胎/TE测序结果75条；其中，同时有D3 NICS和胚胎/TE测序结果的胚胎36个，同时有D5 NICS和胚胎/TE测序结果的胚胎69个，3种测序结果都有的胚胎30个。
本研究已获得云南省第一人民医院医学伦理委员会批准，所有参与患者均已签署相关知情同意书。
1.2 研究方法
胚胎采用微滴法培养，D3胚胎转入囊胚培养液后，回收D3培养液，放入含有5 µL细胞裂解液的PCR管中并做好标记；囊胚活检后，回收对应活检胚胎的囊胚培养液，放入含有5 µL细胞裂解液的PCR管中并做好标记；囊胚培养结束后，收集未形成囊胚的整胚及对应培养液，放入含有5 µL细胞裂解液的PCR管中并做好标记，以上样本由第三方冷链运输公司运至生物公司进行培养液浓度测定和染色体非整倍体分析。
对测序结果进行2个变量的分析，分别为检测结果和CNVs结果。其中，检测结果根据是否检测成功分为检测失败（N/A）和检测成功（非N/A）；对检测成功（非N/A）的数据进行CNVs结果的分析，根据测序结果分为异常（染色体CNVs非平衡）、正常（染色体CNVs完全正常/平衡易位携带）。
1.3 统计学处理
本研究采用SPSS 20.0软件进行数据分析，其中计数资料用例数和百分数[n（%）] 表示，各组结果的差异分析用χ2检验，P < 0.05 为差异有统计学意义。
2. 结果
2.1 各类型样本检测结果分布
在3组检测结果中，D3 NICS的检测失败率最高，达到38.46%；在胚胎/TE组中，仅有2例样本检测失败，均为活检（TE）样本，可能与活检样本取样数量少和操作损伤有关。在染色体CNVs结果上，D3 NICS检出的异常率最低，仅为25.64%，这同D3培养液中DNA数量较少有关。从整体结果分布来看，3组的检测结果和CNVs结果之间差异均有统计学意义（P < 0.001/ P < 0.01），且D3 NICS（a）同胚胎/TE组的检测结果和CNVs结果的差异都有统计学意义，D5 NICS同胚胎/TE组的检测结果和CNVs结果的差异没有统计学意义，同时D3 NICS同D5 NICS的检测结果和CNVs结果的差异也有统计学意义，见表1。
表 1 各组样本CNV检出结果汇总[n（%）]Table 1. Summary of CNV results in different groups [n（%）]变量 合计 D3 NICS D5 NICS 胚胎/TE χ2 P 检测结果 28.805 < 0.001* 检测失败（N/A） 25（13.44） 15（38.46）* 8（11.11） 2（2.67） 检测成功（非N/A） 161（86.56） 24（61.54）* 64（88.89） 73（97.33） CNVs结果 9.806 0.01* 正常 50（31.06） 14（58.33）* 17（26.56） 19（26.03） 异常 111（68.94） 10（41.67）* 47（73.44） 54（73.97） *P < 0.05。 2.2 相同胚胎培养液同胚胎结果比较
2.2.1 相同胚胎的D5培养液同胚胎/TE结果比较
在测序结果中，同时含有D5 NICS和胚胎/TE检测结果的胚胎有69个，共有138条检测数据。2组的检测结果之间的差异无统计学意义（P = 0.085），D5 NICS组检测失败率（N/A%）略高于胚胎/TE组（10.14%/2.90%），2组的CNVs结果分布之间的差异也无统计学意义（P = 0.944），见表2。
表 2 相同胚胎D5 NICS和胚胎/TE 测序结果比较[n（%）]Table 2. Comparison of sequencing results between D5 NICS group and embryo/TE from the same embryo [n（%）]变量 合计 D5 NICS 胚胎/TE χ2 P 检测结果 2.972 0.085 检测失败（N/A） 9（6.52） 7（10.14） 2（2.90） 检测成功（非N/A） 129（93.48） 62（89.86） 67（97.10） CNVs结果 0.005* 0.944 正常 35（27.13） 17（27.42） 18（26.87） 异常 94（72.87） 45（72.58） 49（73.13） *P < 0.05。 2.2.2 相同胚胎的D3培养液同胚胎/TE结果比较
在测序结果中，同时含有D3 NICS和胚胎/TE检测结果的胚胎有36个，共有72条检测数据。2组检测结果之间的差异有统计学意义（P < 0.001），D3 NICS组的检测失败率（N/A%）高于胚胎/TE组（41.67%/2.78%），2组之间CNVs结果的分布差异也具有统计学意义（P < 0.01），见表3。
表 3 相同胚胎D3 NICS和胚胎/TE测序结果比较[n（%）]Table 3. Comparison of sequencing results between D3 NICS group and embryo/TE from the same embryo [n（%）]变量 合计 D3 NICS 胚胎/TE χ2 P 检测结果 15.750 < 0.001* 检测失败（N/A） 16（22.22） 15（41.67） 1（2.78） 检测成功（非N/A） 56（77.78） 21（58.33） 35（97.22） CNVs结果 10.039 < 0.01* 正常 20（35.71） 13（61.90） 7（20.00） 异常 36（64.29） 8（38.10） 28（80.00） *P < 0.05。 2.2.3 相同胚胎的3组数据结果比较
在测序结果中，同时含有D3 NICS、D5 NICS和胚胎/TE 检测结果的胚胎有30个，共有90条检测数据。3组检测结果和CNVs结果之间的差异均有统计学意义（P < 0.01/ P < 0.01），且D3 NICS组和胚胎/TE组之间的差异有统计学意义，D5 NICS组和胚胎/TE组之间的差异无统计学意义。分别重新对D3 NICS和胚胎/TE，以及D5 NICS和胚胎/TE检测结果和CNVs结果进行两组间χ2检验，结果表明，在检测结果和CNVs结果两个变量上，D3 NICS和胚胎/TE之间的差异均有统计学意义（P < 0.01/P < 0.05），D5 NICS和胚胎/TE染色体CNVs结果之间的差异均无统计学意义（P = 0.085/P = 0.658），见表4。
表 4 不同阶段 NICS同胚胎/TE测序结果比较[n（%）]Table 4. Comparison of sequencing results in NICS groups of different stages and embryo/TE group [n（%）]变量 合计 D3 NICS D5 NICS 胚胎/TE χ2 P 检测结果 12.917 < 0.01* 检测失败（N/A） 18（20.00） 12（40.00）* 5（16.67） 1（3.33） 检测成功（非N/A） 72（80.00） 18（60.00）* 25（83.33） 29（96.67） CNVs结果 11.997 < 0.01* 正常 21（29.17） 11（61.11）* 4（16.00） 6（20.69） 异常 51（70.83） 7（38.89）* 21（84.00） 23（79.31） *P < 0.05。 3. 讨论
目前，平衡易位患者可以通过PGT检测，移植遗传物质平衡的胚胎，从而减少早期流产的发生。由于PGT治疗过程中的胚胎活检操作为有创性操作，有些研究认为该操作会降低胚胎质量，引起种植失败[8-9]；在动物模型的研究表明，活检胚胎操作可能引起表观遗传改变和神经退行性组织、肾腺的紊乱，以及卵巢功能缺陷等[10]。因而，寻找一种可替代的无创检测方法是PGT治疗的主要的发展方向之一。2020年，Rubio等[11]发表了一项多中心前瞻性研究结果表明，胚胎cfDNA分析得到的CNVs与相应TE DNA的染色体分析一致率为78.2%（866/1108）。2021年，Chen等人研究结果提示，活检细胞检测和NICS检测与整胚检测一致性之间的差异均没有统计学意义[12]。
目前，对于NICS的研究多取材于D5培养液，本研究中，笔者将D3培养液同样纳入研究范畴，在获得的186条测序数据中，包括D3 NICS结果39个，D5 NICS结果72个，胚胎/TE测序结果75个。从整体结果来看，3组数据的检测失败率（N/A%）和CNVs结果分布的差异均有统计学意义（P < 0.001/ P < 0.01），这种差异主要来自于D3 NICS组和胚胎/TE组之间的差异，D5 NICS组和胚胎/TE组之间的差异没有统计学意义（P > 0.05）。
为了评估D3 NICS和D5 NICS的用于临床诊断的准确性，笔者以同一胚胎的胚胎/TE 的CNVs结果作为对照进行分析。结果表明，D5 NICS的CNVs结果分布同胚胎/TE结果相比，二者之间的差异没有统计学意义（P = 0.994）；但是，D3 NICS的CNVs结果分布同胚胎/TE结果相比，其差异有统计学意义（P < 0.01）。有研究表明，相对于D3培养液，D5培养液对一些特定基因的检测更为可靠[13]，笔者的结果也从CNVs的角度验证了D5 NICS诊断的可靠性。D5 NICS的检测结果同胚胎/TE检测结果更接近，具有替代活检操作进行胚胎染色体CNVs诊断的应用潜能，但D3 NICS的检测结果准确性较低，无法用于临床诊断。
在检出率方面， Luca Galluzz等[13]在2015年的研究中表明，D3胚胎培养液和D5胚胎培养液中gDNA检出率分别为93.7% 和94.4%，gDNA含量仅分别为（80±70） pg 和（99±113） pg，但二者之间的差异没有统计学意义。由于培养液中cfDNA含量较少，在现有测序深度和技术的前提下，检测失败率要高于活检样本。在笔者的研究结果中，D5 NICS检测失败率略高于胚胎/TE组（10.14%/2.90%），但2组之间的差异没有统计学意义（P = 0.085）；D3 NICS的检测失败率高于胚胎/TE，其差异有统计学意义（41.67%/2.78%，P < 0.001）。有研究表明，随着培养时间的延长，DNA降解比例会更高[10]。在笔者的研究中，D3培养液收集时间大约在72 h，D5培养液收集时间约为48～72 h，D3培养液中更多的DNA降解比例也可能会影响最终结果的检出率和准确性。
目前，cfDNA分泌的机制尚不明确，大部分的观点认为cfDNA主要来源于胚胎发育过程中产生的凋亡细胞。有跟踪研究表明，凋亡胚胎的来源主要是后续发育成胎儿的内细胞团（inner cell mass，ICM）[14]。另外，活检采集的TE细胞数目有限，无法反映整个胚胎的染色体情况，可能会造成错误的遗传诊断。对于ICM和TE的研究表明，二者染色体的一致率在62.1%～86.2%不等[14-17]。因而相对于TE活检，培养液中的cfDNA更能反映ICM的染色体情况。Shitara等[18]在2021年的研究发现，以培养到第10天的胚胎为对照，相对于TE活检结果，培养液检测的结果更为可靠。
笔者的研究表明，从检测失败率和CNVs结果分布来看，D5 NICS同胚胎/TE之间的差异没有统计学意义；相对于D3 NICS，D5 NICS在平衡易位患者胚胎的诊断上更有优势，具有替代活检操作进行PGT诊断的潜能。在临床应用上，母源DNA污染和培养液中较低的cfDNA含量是限制NICS临床应用的最大因素。NICS检测技术准确度的提高，依赖于受精方法、培养方法和样本处理方法的优化和测序技术的进步。随着测序技术的发展，测序深度和精度在不断提高，NICS技术作为无创的染色体诊断技术，在平衡易位患者的治疗中，将有着更为普遍的应用前景。
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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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