Application of Ultra-High-Resolution Scanning in Abdominal Artery CTA Using Photon-Counting CT
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摘要:
目的:评价光子计数CT超高分辨率扫描在腹部动脉CTA成像中的应用。材料和方法:回顾性收集53名2023年10月至2024年2月在光子计数CT上完成腹部血管CTA检查的患者。该批患者动脉期图像重建为:(a)层厚层间距0.2 mm,重建核Bv48(Bv)。量子迭代重建4级(QIR);(b)层厚层间距1 mm,重建核Bv40,量子迭代重建3级,两组图像均重建生成横断位、冠状面及容积再现图像(VR)供主观评价。在腹主动脉、腹腔干、肝总动脉、脾动脉、肠系膜上动脉及双侧肾动脉勾画ROI计算图像的信噪比(SNRs)和对比噪声比(CNRs)。3名放射科医生分别阅片并评价图像噪声、血管锐利度、总体图像质量及腹腔主要动脉显示的清晰度。结果:0.2 mm重建图像的SNRs和CNRs均低于1 mm重建图像(所有血管SNRs、CNRs和噪声均P < 0.001),然而,主观评价中0.20 mm重建图像的锐利度和总体图像质量均优于1 mm重建图像,尤其是VR图像中小血管的显示。结论:光子计数CT超高分辨率扫描在腹部血管CTA成像中能有效提高腹部微小血管的显示,因而能够优化手术设计,减少手术出血及并发症。
Abstract:Objective: We evaluated the application of ultra-high-resolution scanning in abdominal artery computed tomography angiography (CTA) using photon-counting CT. Materials and Methods: We retrospectively collected data from 53 patients who underwent abdominal vascular CTA using photon-counting CT between October 2023 and February 2024. The arterial phase images were reconstructed as follows: (a) layer thickness and spacing of 0.2 mm, reconstruction kernel Bv48 (body vascular, Bv), quantum iterative reconstruction (QIR) level 4; (b) layer thickness and spacing of 1 mm, reconstruction kernel Bv48, QIR level 3. Two sets of images were reconstructed to generate axial, coronal, and volume-rendered (VR) images for subjective evaluation. The signal-to-noise ratios (SNRs) and contrast-to-noise ratios (CNRs) of the abdominal aorta, celiac trunk, and common hepatic, splenic, superior mesenteric, and bilateral renal arteries were calculated. Three radiologists reviewed the images and evaluated image noise, vascular sharpness, overall image quality, and clarity of the main abdominal arteries. Results: The SNRs and CNRs of the 0.2 mm reconstructed images were lower than those of the 1 mm reconstructed images. However, the sharpness and overall image quality of the 0.2 mm reconstructed images were better than those of the 1 mm reconstructed images in subjective evaluations, especially in the display of small vessels in the VR image. Conclusion: Ultra-high-resolution scanning with photon-counting CT in abdominal vascular CTA effectively improves the display of small abdominal vessels, thereby optimizing surgical planning and reducing surgical bleeding and complications.
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2021年,第1台光子计数探测器CT(photon-counting-detector CT,PCD-CT;Naeotom Alpha,Siemens Healthineers)被批准用于临床[1-2]。与传统的能量整合探测器(energy-integrated-detector CT,EID-CT)不同,PCD-CT使用单层半导体直接将X射线光子转换为电信号,每个光子产生一个电脉冲,振幅与光子的能量成正比[3-5]。基于上述原理,PCD-CT可以有效去除作为电子噪声组成部分的低能量光子[6]。
同时,所有EID都需要在常规X射线探测器内使用反射隔膜,以避免射线串扰。由于PCD-CT不需要这种隔膜,因此可以在不影响几何效率的情况下减小探测器像素尺寸。这使得超高分辨率(ultra-high resolution,UHR)成像能够在临床广泛应用[7-10]。Hagar等[7]先前的研究表明,UHR光子计数冠状动脉CTA在高危人群(包括严重冠状动脉钙化或先前支架置入的受试者)的冠状动脉疾病检测中具有较高的诊断准确性。Patzer等[11]的研究发现,在肩部检查中,UHR-PCD-CT的主观图像质量高于EID-CT和非UHR-PCD-CT图像。然而,至今为止,尚未有针对UHR PCD-CT在腹部动脉CTA成像中的相关研究问世。
因此,本研究的目的是评价PCD-CT超高分辨率扫描在腹部动脉CTA扫描中的图像质量。
1. 资料与方法
1.1 患者资料
本研究得到瑞金医院伦理委员会的批准,知情同意被免除。所有涉及人类参与者的程序都遵守了《赫尔辛基宣言》的宗旨。
从2023年10月至2024年2月,接受PCD-CT超高分辨率扫描腹部CTA的患者被纳入这项研究。所有CT检查均因有相应临床指征而进行,并由临床医师开具检查单。
排除标准:①由于运动伪影或其他原因导致的成像质量差(n=5);②主要腹部脏器切除史,包括肝脏、脾脏、胰腺、肾脏、胃、小肠及结肠(n=3);③年龄低于18岁(n=1)。
最终53名患者被纳入研究,入组患者平均年龄及标准差为(63.19±11.37)岁;其中男性36例,女性17例(表1)。
表 1 患者一般情况Table 1. Patient characteristics项目 年龄(平均值±标准差) 63.19 ± 11.37 性别 男性 36 女性 17 BMI/(kg/m2) 22.77 ± 2.87 1.2 CT扫描参数
所有CT扫描均使用预设好的扫描协议,使用临床批准的PCD-CT(Naeotom Alpha,软件版本Syngo CT VA50,Siemens Healthineers)进行。
采集参数为:管电压120 kVp,自动管电流调制(CARE Dose 4 D IQ水平为145),螺距0.8,准直120×0.2 mm,旋转时间0.5 s。造影剂优维显(Ultravist;Schering)通过肘静脉注射,流速为3.5 mL/s(1.5 mL/kg×体重),团注造影剂后补充20 mL生理盐水。
在腹腔干上放置ROI以监测动脉的CT值,一旦CT值达到峰值(150 HU)即开始动脉期图像采集。
1.3 图像重建方法
重建矩阵512×512,每位患者手动调整视野(field of view,FOV),完整的对从膈肌到骨盆上缘的血管进行成像。
对于UHR图像,应用体血管核Bv48(body vascular,BV)重建原始数据,层厚0.2 mm,层间距0.2 mm,量子迭代重建(quantum iterative reconstruction,QIR)级别4。
为模拟传统的能量集成检测器CT(EID-CT)图像,应用Bv40的体血管核重建层厚为1 mm,层间距为0.7 mm的图像,QIR级别3。
两组图像均重建横断面、冠状面及重建容积再现(volume rendered,VR)图像进行比较。
1.4 客观评价方法
1名放射科医生(5年腹部CT图像工作经验)使用上述工作站测量腹主动脉、腹腔干、肝总动脉(common hepatic artery,CHA)、脾动脉、肠系膜上动脉(superior mesenteric artery,SMA)、双侧肾动脉和腰大肌的CT值。在上述动脉的一个横断面图像上放置一个直径为3~15 mm的圆形感兴趣区(region of interest,ROI),勾画时尽可能多地包含血管腔,同时避免血管壁钙化、血栓和伪影,然后将ROI粘贴到其他重建图像。
所有测量均在3个连续的横断位图像水平上测量后取平均值。对于每位患者,将第3腰椎水平皮下脂肪组织的CT衰减的标准差(standard deviation,SD)确定为图像噪声(图1)。
图 1 两组重建层厚图像对比注:(a)和(b)0.2 mm重建和1 mm重建的横断面图像比较,在0.2 mm重建图像中可以清楚地看到左肾动脉的肾内分支,但在1 mm重建图像中没有清楚地显示(白箭);(c)和(d)0.2 mm重建和1 mm重建图像的冠状截面比较,在0.2 mm重建图像中清楚地看到肝固有动脉的肝内分支,但在1 mm重建图像中没有看到(弯曲箭);(e)和(f)0.2 mm重建和1 mm重建图像的VR比较,0.2 mm重建图像可以显示比1 mm重建图像(箭头)更多的双侧肾动脉和肠系膜上动脉分支。Figure 1. Representative examples from the two image sets信噪比(signal to noise ratio,SNR)计算公式为
$$ {\rm {SNR}}_{\text{动脉}} = {\rm {HU}}_{\text{动脉}}/{\rm {SD}}_{\text{脂肪}}, $$ 对比噪声比(contrast to noise ratio,CNR)(图2)计算公式为
$$ {\rm {CNR}}_{\text{动脉}} = \left({\rm {HU}}_{\text{动脉}}-{\rm {HU}}_{\text{肌肉}}\right)/{\rm {SD}}_{\text{脂肪}}。 $$ 1.5 主观评价方法
3位经验丰富的放射科医生(有5~6年的腹部CT工作经验)独立评价横断面,冠状面和VR图像CTA图像。图像解读前隐藏所有患者信息以及重建条件,不在图像上做任何标记。图像初始窗宽为700 HU,窗位为80 HU,评价时可以根据医生习惯自由调节观察窗宽窗位。
使用5分评分量表对腹腔干、肝总动脉、肝固有动脉、脾动脉、胃左动脉(left gastric artery,LGA)、胃十二指肠动脉、肠系膜上动脉、双侧肾动脉在横断面、冠状面和VR图像上的清晰度进行分级。5分表示从主干到分支外周动脉的所有血管段都清晰可见;4分表示介于5分和3分之间;3分表示近一半的血管段清晰可见;2分表示介于1分和3分之间;1分表示无血管段清晰可见。使用5分量表进一步评估了横断面、冠状面和VR图像的图像噪声、清晰度和整体图像质量:5表示“优秀”;4表示“良好”;3表示“可接受”;2表示“较差”;1表示“不可接受”[12]。
1.6 统计学分析
记录CT剂量指数(computed tomography dose index,CTDIvol)值,并通过CTDIvol乘以Z轴扫描长度来计算剂量长度乘积(dose length product,DLP)。有效剂量通过DLP乘以转换系数k来计算,对于成人腹部扫描,k=0.015。
体型特异性剂量估算值(size-specific dose estimates,SSDE)根据美国物理学会任务组报告计算[13]。
1.7 统计学分析
采用SPSS Statistics版本27.0用于统计分析。
正态分布和非正态分布数据分别采用(平均值±标准差)和中位数(最小值,最大值)表示。使用独立样本t检验对SNR、CNR、图像噪声进行客观图像质量的比较。Mann-Whitney U检验和Wilcoxon符号秩和检验应用于主观评价指标的比较。
所有测试均为双侧,P<0.05认为差异具有统计学意义。
使用Kendall's W检验评估了主观评价观察者间差异,衡量3位放射科医生之间的一致程度。k值≤0.20为较不一致,0.21~0.40为较一致,0.41~0.60为中度一致,0.61~0.80为大部一致,≥0.81为几乎完美的一致。
2. 结果
2.1 客观评价结果
腹部血管的CNR和SNR及噪声结果详见表2。
表 2 2组重建图像的信噪比、对比噪声比和噪声Table 2. SNRs, CNRs, and noise in the two reconstruction sets项目 血管名称 层厚层间距 P 0.2 mm 1 mm 信噪比 腹主动脉 13.74±3.86 29.25±10.59 < 0.001 腹腔干 13.71±4.11 29.32±10.62 < 0.001 肝总动脉 13.78±3.89 28.80±10.07 < 0.001 脾动脉 13.73±3.80 29.00±9.78 < 0.001 肠系膜上动脉 14.03±4.24 29.79±11.17 < 0.001 左肾动脉 13.59±4.08 28.99±10.77 < 0.001 右肾动脉 13.62±3.75 28.54±9.25 < 0.001 对比噪声比 腹主动脉 11.57±3.58 24.60±9.65 < 0.001 腹腔干 11.53±3.83 24.67±9.68 < 0.001 肝总动脉 11.61±3.61 24.15±9.16 < 0.001 脾动脉 11.55±3.52 24.34±8.83 < 0.001 肠系膜上动脉 11.85±3.95 25.14±10.21 < 0.001 左肾动脉 11.42±3.79 24.33±9.81 < 0.001 右肾动脉 11.44±3.49 23.88±8.45 < 0.001 噪声 25.49±4.01 12.43±2.71 0.007 1 mm重建图像中所有血管的平均SNR和CNRs均显著高于0.2 mm重建图像。1 mm重建图像的背景噪声显著低于0.2 mm重建图像。
2.2 主观评价结果
对于0.2 mm重建图像集和1 mm重建图像集,3位放射科医师观察者间一致性为0.56~1.00和0.61~1.00。表3~表5为横断面、冠状面和VR图像上的动脉主观评价情况。
表 3 横断面图像动脉评分Table 3. Arterial depiction in axial images评分项目 评分 P 0.2 mm 1 mm 噪声 4(3~5) 5(4~5) < 0.001 锐利度 5(4~5) 3(2~4) < 0.001 总体质量 5(3~5) 4(3~5) < 0.001 腹腔干 5(5) 5(5) 1.000 肝总动脉 5(5) 5(5) 1.000 肝固有动脉 5(3~5) 5(3~5) 0.839 脾动脉 5(3~5) 5(3~5) 0.688 胃左动脉 5(3~5) 5(3~5) 0.309 胃十二指肠动脉 5(4~5) 5(4~5) 1.000 肠系膜上动脉 5(4~5) 5(3~5) 0.338 左肾动脉 5(3~5) 5(3~5) 0.344 右肾动脉 5(3~5) 5(3~5) 0.308 表 4 冠状面重建血管评分Table 4. Arterial depiction in coronal images评分项目 评分 P 0.2 mm 1 mm 噪声 4(3~5) 5(4~5) < 0.001 锐利度 5(4~5) 3(2~5) < 0.001 总体质量 5(3~5) 4(3~5) < 0.001 腹腔干 5(5) 5(5) 1.000 肝总动脉 5(5) 5(5) 1.000 肝固有动脉 5(3~5) 5(3~5) 0.928 脾动脉 5(3~5) 5(3~5) 0.885 胃左动脉 5(4~5) 5(3~5) 0.355 胃十二指肠动脉 5(4~5) 5(4~5) 0.628 肠系膜上动脉 5(4~5) 5(3~5) 0.338 左肾动脉 5(3~5) 5(3~5) 0.333 右肾动脉 5(3~5) 5(3~5) 0.297 表 5 VR图像血管评分Table 5. Arterial depiction in VR images.评分项目 评分 P 0.2 mm 1 mm 噪声 4(3~5) 5(4~5) < 0.001 锐利度 5(3~5) 3(2~5) < 0.001 总体质量 5(3~5) 4(3~5) < 0.001 腹腔干 5(5) 5(5) 1.000 肝总动脉 5(2~5) 5(2~5) 0.996 肝固有动脉 5(2~5) 4(2~5) < 0.001 脾动脉 5(2~5) 5(2~5) 0.060 胃左动脉 5(1~5) 5(1~5) < 0.001 胃十二指肠动脉 5(1~5) 5(1~5) < 0.001 肠系膜上动脉 5(2~5) 4(2~5) < 0.001 左肾动脉 5(2~5) 4(2~5) < 0.001 右肾动脉 5(1~5) 4(1~5) < 0.001 主观评价中1 mm重建图像的噪声明显低于0.2 mm重建图像,但血管锐利度和总体图像质量方面0.2 mm重建图像显著优于1 mm重建图像。
值得重点提示的是,当评价腹腔内血管显示清晰度时,肝固有动脉、胃左动脉、胃十二指肠动脉、肠系膜上动脉及双侧肾动脉在0.2 mm重建VR图像中明显优于1 mm重建VR图像(图2)。
2.3 剂量评价
PCD-CT扫描的CTDIvol、DLP、有效剂量和SSDE的中位数分别为(5.67±1.45)mGy、(157.78±41.55)mGy·cm、(2.47±0.53)mSv和(7.69±1.23)mGy,CTDLvol和DLP明显低于常规腹部CTA检查剂量[14]。
3. 讨论
3.1 研究结果
本文是国内较早评估PCD-CT UHR扫描显示腹部动脉清晰度的研究。结果表明,虽然0.2 mm重建图像SNR和CNR均低于1 mm重建图像,其噪声明显高于1 mm重建图像。主观评价中1 mm重建图像的噪声明显低于0.2 mm重建图像,但血管锐利度和总体图像质量方面0.2 mm重建图像显著优于1 mm重建图像。
此外,在腹腔内细小血管分支显示方面,0.2 mm重建图像显示出较大的优势。
3.2 PCD-CT基本原理及其优势
PCD-CT因无需使用反射隔膜,能够使用极小的像素实现超高分辨率扫描,扫描后图像更高的空间分辨率可提供更高的清晰度,并增加检测不同类型病变的诊断信心[7,9]。然而,先前的研究已经证明,较高的空间分辨率会导致较高的噪声[7,15],我们的实验数据同样证实了这一点。
尽管UHR图像产生更高的噪声,但对血管腔更清晰的显示和微小结构更细节的描绘可以更好地指导临床治疗[7,15]。此外,术前充分识别患者腹腔血管解剖可以帮助选择最合适的手术方案,优化手术计划,并有助于避免血管损伤,特别是考虑到腹腔镜手术的日益普及[16-19]。
我们的研究表明,对于0.2 mm重建图像,血管锐利度和整体图像质量的评分更高,特别是在VR图像中,动脉微小分支的描绘明显优于1 mm重建图像。
同样,Farnsworth等[20]的研究表明,与EID-CTA相比,超高分辨率PCD-CTA对眼眶小动脉的描绘要好得多。常规临床腹部CTA重建多数使用1~3 mm的层厚层间距,然而,对于腹腔内肿瘤而言,其供血血管往往发育不良,过厚的层厚可能会丢失大量重要信息,从而影响影像诊断乃至手术进程。因此,我们借由光子计数CT超高分辨率扫描的模式,将层厚层间距缩小到仅有0.2 mm,极大的提高了腹腔微小血管的显示,从而提高了影像诊断的信心,为临床微创手术提供了更有指导意义的图像。
3.3 研究的局限性
本研究存在的局限性。①这项研究是一项针对黄种人的单一中心研究,缺乏其他种族和体重较大人群的数据,结果分析没考虑BMI的影响;②既往研究表明PCD-CT可以有效降低图像噪声,能够提高低剂量扫描的图像质量,未来可以进一步设计关于低剂量腹部CTA的研究;③本研究聚焦于腹部动脉血管的显示,没有探讨实质器官的图像质量,需要进一步研究找出动脉期的最佳重建方法;④由于缺乏原始数据,我们没有直接将PCD-CT扫描图像与传统的EID扫描图像进行比较,此外,以实验为目的让同一患者短时间内经历两次CTA扫描显然是不符合伦理的,因此,我们使用1 mm层厚的重建T3D图像来模拟EID扫描图像。
由于先前的研究表明,T3D图像的噪声和血管CNR显著高于EID图像[21],因此,我们认为本研究结果仍然是可靠的。
综上所述,PCD-CT超高分辨率扫描可以有效提高腹部动脉CTA中微小血管的显示,帮助优化手术设计,减少手术出血及并发症。
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图 1 两组重建层厚图像对比
注:(a)和(b)0.2 mm重建和1 mm重建的横断面图像比较,在0.2 mm重建图像中可以清楚地看到左肾动脉的肾内分支,但在1 mm重建图像中没有清楚地显示(白箭);(c)和(d)0.2 mm重建和1 mm重建图像的冠状截面比较,在0.2 mm重建图像中清楚地看到肝固有动脉的肝内分支,但在1 mm重建图像中没有看到(弯曲箭);(e)和(f)0.2 mm重建和1 mm重建图像的VR比较,0.2 mm重建图像可以显示比1 mm重建图像(箭头)更多的双侧肾动脉和肠系膜上动脉分支。
Figure 1. Representative examples from the two image sets
表 1 患者一般情况
Table 1 Patient characteristics
项目 年龄(平均值±标准差) 63.19 ± 11.37 性别 男性 36 女性 17 BMI/(kg/m2) 22.77 ± 2.87 表 2 2组重建图像的信噪比、对比噪声比和噪声
Table 2 SNRs, CNRs, and noise in the two reconstruction sets
项目 血管名称 层厚层间距 P 0.2 mm 1 mm 信噪比 腹主动脉 13.74±3.86 29.25±10.59 < 0.001 腹腔干 13.71±4.11 29.32±10.62 < 0.001 肝总动脉 13.78±3.89 28.80±10.07 < 0.001 脾动脉 13.73±3.80 29.00±9.78 < 0.001 肠系膜上动脉 14.03±4.24 29.79±11.17 < 0.001 左肾动脉 13.59±4.08 28.99±10.77 < 0.001 右肾动脉 13.62±3.75 28.54±9.25 < 0.001 对比噪声比 腹主动脉 11.57±3.58 24.60±9.65 < 0.001 腹腔干 11.53±3.83 24.67±9.68 < 0.001 肝总动脉 11.61±3.61 24.15±9.16 < 0.001 脾动脉 11.55±3.52 24.34±8.83 < 0.001 肠系膜上动脉 11.85±3.95 25.14±10.21 < 0.001 左肾动脉 11.42±3.79 24.33±9.81 < 0.001 右肾动脉 11.44±3.49 23.88±8.45 < 0.001 噪声 25.49±4.01 12.43±2.71 0.007 表 3 横断面图像动脉评分
Table 3 Arterial depiction in axial images
评分项目 评分 P 0.2 mm 1 mm 噪声 4(3~5) 5(4~5) < 0.001 锐利度 5(4~5) 3(2~4) < 0.001 总体质量 5(3~5) 4(3~5) < 0.001 腹腔干 5(5) 5(5) 1.000 肝总动脉 5(5) 5(5) 1.000 肝固有动脉 5(3~5) 5(3~5) 0.839 脾动脉 5(3~5) 5(3~5) 0.688 胃左动脉 5(3~5) 5(3~5) 0.309 胃十二指肠动脉 5(4~5) 5(4~5) 1.000 肠系膜上动脉 5(4~5) 5(3~5) 0.338 左肾动脉 5(3~5) 5(3~5) 0.344 右肾动脉 5(3~5) 5(3~5) 0.308 表 4 冠状面重建血管评分
Table 4 Arterial depiction in coronal images
评分项目 评分 P 0.2 mm 1 mm 噪声 4(3~5) 5(4~5) < 0.001 锐利度 5(4~5) 3(2~5) < 0.001 总体质量 5(3~5) 4(3~5) < 0.001 腹腔干 5(5) 5(5) 1.000 肝总动脉 5(5) 5(5) 1.000 肝固有动脉 5(3~5) 5(3~5) 0.928 脾动脉 5(3~5) 5(3~5) 0.885 胃左动脉 5(4~5) 5(3~5) 0.355 胃十二指肠动脉 5(4~5) 5(4~5) 0.628 肠系膜上动脉 5(4~5) 5(3~5) 0.338 左肾动脉 5(3~5) 5(3~5) 0.333 右肾动脉 5(3~5) 5(3~5) 0.297 表 5 VR图像血管评分
Table 5 Arterial depiction in VR images.
评分项目 评分 P 0.2 mm 1 mm 噪声 4(3~5) 5(4~5) < 0.001 锐利度 5(3~5) 3(2~5) < 0.001 总体质量 5(3~5) 4(3~5) < 0.001 腹腔干 5(5) 5(5) 1.000 肝总动脉 5(2~5) 5(2~5) 0.996 肝固有动脉 5(2~5) 4(2~5) < 0.001 脾动脉 5(2~5) 5(2~5) 0.060 胃左动脉 5(1~5) 5(1~5) < 0.001 胃十二指肠动脉 5(1~5) 5(1~5) < 0.001 肠系膜上动脉 5(2~5) 4(2~5) < 0.001 左肾动脉 5(2~5) 4(2~5) < 0.001 右肾动脉 5(1~5) 4(1~5) < 0.001 -
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