微信直播

前瞻性心电触发冠状动脉CT血管成像:一种可有效替代冠状动脉造影的技术

Published at: 2015年第1卷第S1期

关键词:

编者按:《心血管领域新进展》为 AME 科研时间系列丛书的“小四”,本书12篇文章均精选自同行评审英文期刊 Cardiovascular Diagnosis and Therapy(简称 CDT,《心血管诊断与治疗》),由广东省人民医院庄建院长、广东省心血管病研究所吴书林所长担任主编,来自全国各大高校和医院共 20 位译者共同完成。本书主要涵盖了心脏成像技术在心血管疾病诊断中的价值,陆续揭示了在探索心肺血管疾病发生发展过程中的最新发病机制。

 

背景介绍

在过去十年中,人们之所以对冠状动脉CT血管成像(CTA)的图像和其对冠状动脉疾病(CAD)的诊断方面感兴趣,是因其侵入性小,及其时间和空间分辨率的提高。由于技术的进一步改进,64排以上螺旋CT的诊断准确性可达中到高等水平(1-5)。这些研究表明,冠状动脉CTA在诊断冠心病方面具有高的准确度,可有效替代冠状动脉造影术。然而,冠状动脉CTA的缺点是辐射剂量高,这已引起了医生和厂商的关注,主要体现在研究方向的变化上,早期的研究重点是冠状动脉CTA对CAD的诊断价值,而目前有关减少辐射剂量的研究报道越来越多(6)。

由于64排以上螺旋CT在CAD的诊断方面大为改善且前景可观,因此辐射剂量便成为冠状动脉CTA的一个主要问题(7-10)。据估计,若不采用低剂量技术,冠状动脉CTA在女性患者体内的有效辐射剂量可达40 mSv,这与乳腺组织的辐射暴露有关(11)。冠状动脉CTA相关的辐射风险已成为文献中争论的一个热点话题(12-14)。通常认为,CT的辐射剂量与癌症的发病风险相关。因此,行冠状动脉CTA检查时应采用低剂量技术,尽可能减少患者的辐射剂量。

在各种冠状动脉CTA低剂量技术中(11,15,16),前瞻性心电触发扫描是最有前途的低剂量辐射技术之一,与回顾性心电门控技术及冠状动脉造影相比,其辐射剂量显著减低(17-19)。早期研究证实了前瞻性心电触发技术的可行性,后来的报道进一步表明,这一新技术在有效剂量减少90%的前提下,也可获得高质量的诊断图像(20-23)。据报道,前瞻性心电触发冠脉CTA的有效剂量与冠状动脉血管造影相当,甚至更低(20-27)。由于前瞻性心电触发冠状动脉CTA不但有效剂量非常低,且在诊断CAD方面显示出可喜的成果,因此,我们希望有更多的关于这一技术在心脏成像方面的研究。当选择冠状动脉CTA作为心脏成像的主要诊断方法时,其关键是寻找既能减低辐射剂量又不影响图像质量的技术。本文综述了前瞻性心电触发冠状动脉CTA的应用,重点就其成像技术、诊断准确性和辐射剂量与传统的回顾性心电门控技术进行比较。突出强调了前瞻性心电触发冠状动脉CTA的应用前景。希望本文能为读者更好地了解前瞻性心电触发技术在CAD诊断中的应用现状抛砖引玉。

前瞻性心电触发通用技术的要求

早期,在电子束CT检查中,非螺旋前瞻性心电触发扫描技术被用于分析钙化积分。近年来,多层螺旋CT心脏成像技术受到青睐,主要因其非常低的辐射剂量,越来越多的文献报道了这一成像技术(17-27)。

前瞻性心电触发冠状动脉CTA技术是根据心脏的运动进行部分扫描,这一技术被定义为步进-曝光扫描法,即扫描是由心电信号触发的,而非螺旋CT采集的信号。这项技术可获得心动周期中的某个时相的数据,尤其能更好地获得舒张中期的数据,此时心脏运动幅度最小。

前瞻性心电触发技术的原理是,只在选定的心动周期时相进行数据采集。只有当X-射线管受到心电信号触发时,才将其打开,而在R-R周期的其余时相将其关闭或降低至极低值(图1),这与回顾性心电门控冠状动脉CTA有显著的不同,后者在整个螺旋扫描期间是在一个非常低的螺距(0.2-0.5)下连续采集心脏容积数据,以便在有重叠区的心动周期中的每个时相产生无间隙容积覆盖(图2)。前瞻性触发又称为有效螺距为1.0的序贯数据采集。这种扫描技术的主要优点是辐射剂量非常低,X射线照射时间短。最重要的是,这项技术在诊断CAD方面依然有高的准确性。然而,它也受到一些限制。

图1 传统的回顾性心电门控冠状动脉CTA。在整个心动周期中X射线均处于打开状态,期间不调整管电流,允许采集容量数据。

图2 前瞻性心电触发技术,X射线只在心动周期的部分相位被打开,而在其余心相位则处于关闭状态。

首先,它只适用于心率低于70次/分钟或65次/分钟(bpm)的患者。当心率波动时(如心律失常),它对下一个R-R间期的评估可能会不准确(28)。其次,心电触发序列扫描通常仅限于扫描无重叠的相邻两层切片或仅有小部分重叠的切片增量。因此,覆盖心脏容积的扫描时间与切片增量成正比。前瞻性心电触发技术对Z轴覆盖率有很高的要求,所以这一技术通常需在64层以上的扫描仪上才能实现。若用64层螺旋CT覆盖扫描整个心脏,那么要获得完整的图像数据需要4-5个心动周期,因此可能存在错层伪影(图3)。最新的320排CT扫描仪可克服这一问题,它可在一个心动周期内完成对整个心脏的扫描。最后,由于心电触发数据采集只针对心动周期的特定时相,所以只在R-R间期中的某一小段时相进行心脏图像采集,从而无法获得心脏瓣膜或心室壁运动功能的信息(17,27)。

图3 前瞻性心电触发冠状动脉CTA的曲面重组图像,显示存在错层伪影,从而影响右冠状动脉的可视性。

前瞻性心电触发也可进行高螺距螺旋扫描,这是一种新型的螺旋采集技术,专门用于双源CT(DSCT)扫描仪(如Siemens Definition Flash)。该扫描技术能同时获得128张层片(飞焦点技术)(29-31)。双源几何技术的应用使得螺距可大幅增加,同时可进行图像重建。由于避免了辐射剂量重叠,从而大大减少了病人的有效辐射剂量。据Achenbach和Alkadhi报道,在很短的时间(约0.260秒)内用一个非常高的螺距值(高达3.4)覆盖整个心脏容积,在一次心动周期内就能采集到完整数据并得到优质图像,而辐射剂量不到1.0 mSv(29,31)。因此,由于其非常低的剂量,未来高螺距螺旋心脏CTA似乎非常吸人眼球。

前瞻性心电触发技术辐射剂量的测量

容积CT剂量指数(CTDIvol)、剂量长度乘积(DLP)和有效剂量(ED),这三个参数用于评估冠状动脉CTA的辐射剂量。这些参数均经准确定义,并可用于比较各种心脏CT成像技术间的辐射剂量。与行冠状动脉CTA检查相关的临床医生,应充分了解各种CT扫描技术相关的辐射剂量。这可能有助于决定心脏CT检查在医学上是否合理,哪一项技术在正确解决临床问题的同时,又能使患者所暴露的辐射剂量最低(32)。

剂量长度乘积

DLP是整个CT检查中总的辐射剂量的一个指标。DLP随着总的扫描长度或影响CTDIvol的变量(管电压,管电流,螺距)的增加而增加。最近的一个系统综述,比较了前瞻性心电触发技术与回顾性心电门控技术在冠状动脉CTA中的应用,结果表明,在心脏CT特性的研究中,DLP是一个比有效剂量更为客观的物理指标(33)。这篇综述观察了不同研究站点之间的DLP差异,结果令人震惊,这些研究中已报道的DLP范围为129-337 mGy cm。最高剂量站点的DLP中位数比最低剂量站点的高3倍。因此,冠状动脉CTA的辐射剂量比冠状动脉造影高还是低,取决于该研究站点的CTA检查是如何进行的。DLP最接近于病人的辐射剂量,可用于为给定类型的CT检查设置参考值,以确保接受CT检查的患者最优化合理使用低剂量。建议每项研究均应记录DLP,并将其作为质量保证工作的基石(34)。

有效剂量

有效剂量是一个单一参数,用来反映暴露于电离辐射的相对风险。目前文献中关于有效剂量的计算是基于欧洲工作组的CT质量标准指南(European Working Group for Guidelines on Quality Criteria in CT)(35)所提出的一种方法,由DLP和乳腺器官权重因子(用Monte Carlo法对相应的解剖部位进行性别平均后计算得到)计算出辐射剂量估计值(k=0.014或0.017 mSv·mGy-1·cm-1)(36)。

据一些系统回顾和meta分析报道,心率低且稳定的患者行前瞻性心电触发冠状动脉CTA,其平均有效辐射剂量为2.7-4.5 mSv(33,37,38),这一数值明显低于回顾性心电门控冠状动脉CTA(图4)。通过采用低kVp值和高螺距模式,前瞻性心电触发冠状动脉CTA的辐射剂量还可进一步减少。据报道,用80 kVp和100 kVp的前瞻性心电触发技术,有效剂量的减少高达55%,且不影响图像质量(33,38)。因此,应建议行低kVp的前瞻性心电触发技术的患者的体重指数(BMI)应低于25 kg/m2,因为管电压的变化与患者的BMI相关。

图4 箱线图显示,已报道的回顾性心电门控和前瞻性心电触发技术所使用的平均有效剂量。根据系统综述(32),前瞻性心电触发冠状动脉CTA的辐射剂量明显低于回顾性门控技术。每个框的水平线表示中位数,框的顶部和底部的线条表示四分位距。

据一些研究报道,前瞻性心电触发高螺距模式比1 mSv模式进一步显著降低了辐射剂量,同时保持良好的图像质量和高的诊断性能(29-31)。此技术在第二代双源CT中实现,因为它要求高的时间分辨率,允许单个心动周期重建而无运动伪影。对于高螺距模式,只有心率低而稳定(<65 bpm)且BMI<30 kg/m2的患者才适合长时间的图像采集窗,并允许图像采集过程中的准确触发。快心率和波动的心率不适合使用高螺距冠状动脉CTA,因为波动的心率会产生不利于数据采集的心动周期时相,从而影响图像质量。此外,128层扫描仪更为宽泛的检测器宽度减少了64层CT扫描仪常有的错层现象的发生。

前瞻性心电触发对低心率患者的诊断价值

已有几项研究报道指出前瞻性心电触发冠状动脉CTA的辐射剂量显著减少(39-41),然而,前瞻性心电触发技术对评估冠状动脉或诊断CAD的价值并没有被系统地研究。为了确保这项扫描技术在诊断冠心病方面能有效地替代高剂量回顾性心电门控技术或冠状动脉造影,因此,确保前瞻性心电触发技术的高诊断准确性是至关重要的。

可评估的冠状动脉节段和图像质量评价

大多数关于前瞻性心电触发冠状动脉CTA的研究着眼于冠状动脉片段的评估、图像质量的评价,以及辐射剂量的降低。根据最新分析,前瞻性心电触发冠状动脉CTA的平均可评估节段比回顾性心电门控扫描技术高97%(图5)。据报道,前瞻性心电触发扫描技术平均只有不到3%的冠状动脉节段为非诊断质量的图像(37,38)。

图5 右冠状动脉(A)和左冠状动脉分支(B)的前瞻性心电触发冠状动脉CTA的曲面重组图像,有良好的血管可视化效果且无伪影。

众所周知,高密度钙化在扫描过程中可产生伪假象,从而导致对冠状动脉狭窄程度的高估,并影响对冠状动脉节段的评估,导致阳性预测值低。虽然已有报道指出,钙积分较高患者的非诊断片段率明显多于钙积分较低的患者(42),但在钙负荷较高的患者中,其诊断的准确性并未受到影响(38)。

在大多数研究中,通常用likert量表评分系统对图像质量进行定性评估(3-5分量表法),用信号/噪声比(SNR)对图像质量进行定量评估,而对比/噪声比(CNR)只在少数几项研究中报道过(33)。虽然与回顾性门控扫描技术相比,前瞻性心电触发冠状动脉CTA的图像噪声(标准偏差)略有增加,但两组之间的SNR和CNR无显著性差异(33)。

诊断的准确性

由于目前的大部分研究关注如何既能保证诊断图像质量,又可减低辐射剂量,所以有关前瞻性心电触发冠状动脉CTA在CAD诊断中的价值的信息有限。有两个meta分析,是关于前瞻性心电触发在64层以上螺旋冠状动脉CTA的应用分析,表明基于患者的平均敏感性为99-100%,特异性为89-91%(37,38)。而基于血管和片段的评估则显示出较低的灵敏度和更高的特异性,其范围分别为95-97%和93-95%,91-92%和96-97%。早期研究表明,前瞻性心电触发冠状动脉CTA对诊断严重的CAD有好的特异性和高的灵敏度。低辐射剂量的前瞻性心电触发冠状动脉CTA的阴性预测值非常高,这表明,这种成像技术可用于排除CAD诊断。

个体研究和meta分析结果表明,对于需行冠状动脉CTA的低且稳定心率(<70 bpm)的患者,前瞻性触发扫描技术与回顾性门控技术之间在敏感性和特异性上尚未显示出显著差异(1-5)。

前瞻性心电触发在高心率患者中的辐射剂量

为了保证高的图像质量和低的有效剂量,在冠状动脉CTA检查中使用前瞻性心电触发技术时,控制受检患者的心率在70 bpm以下至关重要(17-27)。有报道指出,由于padding技术的使用,高心率或波动心率的患者需要更高的辐射剂量(43-45)。

加入padding(额外的X线暴露时间)技术的目的是提供更多的相位信息,以通过增加数据采集的中心相前和后的曝光时间来补偿心率变化。Padding的描述范围为0-200 ms,加在数据采集中心相的两侧,padding 0对应100 ms扫描时间窗,padding 100对应200 ms扫描时间窗。通常在心率超过65 bpm或有明显心率波动(心率波动超过10次/分)时使用padding技术(33)。LaBounty等人在最近发表的一项大型多中心研究中表明,在保证图像可读性的前提下,最小padding的使用与辐射剂量大幅减少相关(46)。在低剂量技术策略中,应考虑不使用padding技术或减少padding值。Freeman等进行了一项前瞻性研究,该研究中的2025例患者均接受了前瞻性心电触发64排螺旋CT冠状动脉CTA检查,发现未使用padding技术的患者的平均有效剂量为2.75 mSv,而使用padding技术的患者的平均有效剂量增加至5.88 mSv(44)。同样,Hoe和Toh的一项关于320排CT冠脉成像的研究发现,与低心率组相比,心率>65 bpm或心率波动的患者的辐射剂量显著增加(45)。在1个心动周期的扫描中,平均有效辐射剂量为5.7 mSv,而在2个和3个心动周期的扫描中有效剂量分别增加至13.0 mSv和17.5 mSv。为了进一步减少快心率或波动心率患者的辐射剂量,有必要继续改进前瞻性心电触发技术。

双源CT冠状动脉成像为不同心率的患者带来了希望。很少有数据显示前瞻性心电触发双源CT冠状动脉成像的诊断价值。 Sun等人研究了双源CT前瞻性心电触发冠脉成像对不同的心率患者的诊断价值,其结果表明,低、中、高心率组在诊断图像质量和平均有效剂量方面均无显著差异(43)。尽管这些结果令人鼓舞,但由于潜在的故障或不可预测的图像质量,在他们的研究中,心率波动或心率超过90bpm的患者被排除在外(图6)。Xu等人探讨了双源CT前瞻性心电触发冠状动脉成像在心率大于70 bpm患者中的应用,其结果表明,当受检者的心率介于70-110 bpm时,前瞻性心电触发技术是可行的,且能得到高质量的冠状动脉节段成像,和回顾性门控技术相比,其辐射剂量减少了57%(47)。第二代双源CT系统的时间分辨率能达到75 ms,这对心率波动或高心率的受检者而言,可能是一个不错的选择。

图6 右冠状动脉(A)和左冠状动脉(B)的前瞻性心电触发冠状动脉CTA的曲面重组图像,由于有轻度伪影,导致血管边缘模糊。

现状与展望

当前数据表明,使用前瞻性心电触发技术可实现低剂量CTA,但需遵守严格的排除标准和充分的扫描前准备(44,48)。在用64排、128排或320排扫描仪行前瞻性心电触发冠状动脉CTA检查时,其成功的关键是控制心率(20-24,44,49-52)。已报道的控制心率的可行方法是口服或静脉用β-受体阻滞剂,可将心率控制在70 bpm以下。然而,这一方法会将那些对β-受体阻滞剂反应不佳或有禁忌症的患者排除在外。而双源CT冠状动脉成像为心率波动的患者提供了潜在的机会,尽管仍需要更多的研究来证实其诊断价值和图像质量。

评估前瞻性心电触发冠状动脉CTA的有效剂量的组织权重来自国际防辐射委员会(ICRP),该委员会的主要职责是关注电离辐射的防护。2007年ICRP发布了第103号出版物,更新了已沿用16年的ICRP 60数据,新建议书提供了最新的关于生物物理辐射暴露的科学信息,尤其是将乳腺组织的组织权重从0.05上升到0.12(53),将用于计算CT冠状动脉成像有效剂量的转换因子从0.014升级到0.028,由于之前的ICRP文件中并没有使用心脏专用的转换因子,因此,冠状动脉CTA的有效剂量可能被显著低估(54,55)。Gosling等将用最新的ICRP 103组织权重因子计算出的有效剂量与用先前公布的的乳腺转换因子计算出的有效剂量进行比较(54),结果表明,与使用0.028的转换因子相比,使用乳腺转换因子(0.014-0.017)大大低估了有效剂量,0.028的转换因子能更好地估计前瞻性心电触发冠状动脉CTA的有效剂量。有效剂量的准确估计需要合适的转换因子。许多心脏CT研究常用0.014或0.017的转换因子估计冠状动脉CTA的有效剂量,这可能会导致所报道的有效剂量有偏差。因此,推荐使用DLP或CTDIvol来比较冠状动脉CTA的辐射暴露(33)。

目前大多数前瞻性心电触发的研究由来自一个学术中心的同一专家组实施,因此,在该技术全面推广使用前,建议有必要进行多中心的研究。

总结

足够的证据证实前瞻性心电触发冠状动脉CTA的诊断图像质量高,辐射剂量低。在评估低而稳定心率的患者的冠状动脉方面,认为前瞻性心电触发冠状动脉CTA是一种可有效替代回顾性心电门控冠状动脉CTA的技术。重要的是,前瞻性心电触发冠状动脉CTA的有效剂量与冠状动脉造影的有效剂量相当,甚至更低。现有文献数据表明,冠状动脉CTA辐射剂量的降低已经取得了巨大成绩。关于它在不同心率患者中的应用和诊断价值,有必要进一步行大样本研究,以明确其临床准确性。

致谢

声明:所有作者声明本文不涉及任何利益冲突。

 

作者|SunZhonghua 1

1 Discipline of Medical Imaging, Department of Imaging and Applied Physics, Curtin University, Western Australia, Australia

译者|温燕,中国医学科学院、北京协和医学院、研究生院、卫生部北京老年医学研究所

审校|翁震,上海交通大学医学院

往期精彩连载

doi:10.3978/kysj.2014.1.1541

comments powered by Disqus

附件