光子计数探测器CT减对比剂剂量TAVR术前规划对比研究

引言

经导管主动脉瓣重建（TAVR）已成为标准治疗方法，尤其适用于老年且常伴衰弱的重度主动脉瓣狭窄患者[1]。术前CT是TAVR规划的核心，因为它能够详细评估血管入路并精确测量主动脉根部解剖结构[2]。尽管有数据支持非对比剂CT方法，但碘对比剂的使用仍是可靠的CT-based TAVR规划的必要条件[3–5]。该患者队列常伴有肾功能受损，使得对比剂使用成为相关的临床关注点[6, 7]。尽管近年来对比剂相关肾病的风险已被重新评估并在一定程度上下调，TAVR患者仍被认为存在对比剂相关急性肾损伤的风险增加[8–12]。除患者安全外，其他因素也支持减少对比剂用量——包括对比剂残留对地下水的潜在环境影响[13]、甲状腺功能亢进或过敏反应等医学考量、经济影响，以及COVID-19大流行期间对比剂短缺的经历[14, 15]。

减少对比剂体积的一种成熟策略是低kV图像采集，利用碘衰减随X射线光谱接近碘的33 keV k边缘而增加这一事实[16]。同样，双能CT允许重建低能量虚拟单能图像（VMI），增强碘信号，从而能够实现更低的对比剂剂量[17–19]。因此，许多出版物推荐在常规心血管成像中额外重建VMI[14, 17, 20–23]。光子计数探测器CT能够将光子直接转换为电信号，与传统能量积分探测器CT相比，实现更灵敏和准确的光子检测。这使得光谱分辨率成为可能，并提供改善的碘敏感性[24]。因此，该技术在减少对比剂需求方面具有相当大的潜力[14, 25, 26]。

因此，我们的目标是在PCDCT中实施减少对比剂剂量（RCD）方案，以在足够诊断质量下最小化对比剂体积，并评估其用于TAVR规划的诊断性能。

材料和方法

在一项单中心、回顾性研究设计中，2022年1月至2023年9月期间在光子计数探测器CT（NAEOTOM Alpha，Siemens Healthcare GmbH，VA50）上接受TAVR规划CT的患者被纳入本研究。不同对比剂方案的患者按体重指数进行匹配。

该研究获当地伦理审查委员会批准（波恩医学院伦理委员会；文件参考号027/23）。知情同意要求被豁免。扫描在临床常规期间获取。该研究符合《赫尔辛基宣言》及其修正案。

成像方案

所有患者均接受相同的成像方案。使用以下扫描参数：在R-R间期60%处进行心电门控扫描；管电压120 kVp，启用自动管电流调制；螺距3.2。CARE keV设置为64。准直为144×0.4 mm。重建层厚设置为1 mm，重建间隔为0.8 mm。图像在512×512像素网格上重建，像素大小为0.72 mm。图像重建使用常规定量卷积核（Qr40；Siemens Healthcare GmbH）和量子迭代重建（QIR Level 4；Siemens Healthcare GmbH）。患者取头先进仰卧位。

对比剂注射方案

对于碘基对比剂（碘海醇，Accupaque 300 mg/mL，GE Healthcare Buchler GmbH & Co. KG）的静脉给药，SCD组患者接受80 mL对比剂团注，随后给予60 mL生理盐水团注，两者流率均为4.5 mL/s。

RCD组采用三相团注技术。患者先接受50 mL由85%对比剂和15%生理盐水组成的混合液，流率3 mL/s；随后接受40 mL由25%对比剂和75%生理盐水组成的混合液，流率4.5 mL/s；之后给予30 mL单纯生理盐水，流率4.0 mL/s。这使得RCD组对比剂总用量为52.5 mL。

通过将圆形感兴趣区（ROI）置于降主动脉进行团注跟踪。当ROI内衰减达到120亨氏单位（HU）时触发扫描，触发后延迟5秒。SCD组和RCD组均重建常规重建多能图像（CR）。对于RCD组，基于光谱后处理（SPP）图像重建70、60和50 keV的RCD虚拟单能图像（VMI）。使用厂商常规软件（Syngo.Via VB70，Siemens Healthcare GmbH）的“MM Reading”应用程序完成。VMI水平根据需要调整并上传至PACS系统。

定量图像分析

ROI置于以下区域进行定量分析：升主动脉、腹主动脉、髂动脉分叉以上、左右股总动脉、左心室以及左右斜方肌。ROI选择尽可能大，同时仔细排除钙化、支架、伪影或其他可能影响衰减测量的邻近结构等病变。ROI放置使用常规临床DICOM查看器（Deep Unity R20 XX；Dedalus HealthCare GmbH）进行。评估衰减值和标准差，并对配对测量（如左右股总动脉）取平均值。在此基础上计算信噪比（SNR = HU目标/标准差目标（SD目标））和对比噪声比（CNR = （HU目标 – HU肌肉/SD肌肉））。图像噪声定义为所测CT值的标准差。

此外，使用常规临床DICOM查看器测量主动脉瓣环直径。主动脉瓣环测量采用以瓣环为中心的多平面重建（MPR）进行。

定性图像分析

定性评估由两名在CT成像方面分别具有三（Y.C.L.）年和六（A.I.）年经验的放射科医生进行评价。两位评分者使用五点视觉分级量表分别就对比剂强度和诊断图像质量对CT图像进行评估。评分定义如下：（1）非诊断性；（2）差，诊断信心不足；（3）中等，诊断信心较低；（4）好，诊断信心高；（5）优秀，对血管具有完全诊断信心。此外，读者将检查分类为常规对比剂剂量或减少对比剂剂量。读者对技术数据设盲，并按随机顺序对采集的图像进行评分。

统计分析

统计分析使用IBM SPSS 27版（IBM Corp.）进行。图表使用GraphPad PRISM 6.02版（GraphPad Software）绘制。定量结果以均值和标准差表示。根据情况适当使用Shapiro–Wilk检验、Mann-Whitney检验和非配对t检验对定性和定量图像参数进行统计分析。定性结果以中位数和四分位距（IQR）表示。组内相关系数（ICC）用于评估评分者间信度。ICC估计值及其95%置信区间（CI）基于平均评分（k = 2）、一致性、双向混合效应模型计算。p值低于0.01定义为显著。

结果

受试者特征

总体而言，分析共纳入111名男性和51名女性患者，中位年龄为79（72–83）岁。标准对比剂剂量组（SCD）的中位年龄为78（70.5–83）岁，减少对比剂剂量组（RCD）为80（74–83.5）岁。患者根据其BMI进行一对一匹配。SCD组的平均BMI为26.66 kg/m²，RCD组为26.62 kg/m²（p < 0.01）。20名患者被视为肥胖（BMI > 30），12名为重度肥胖（BMI > 35）。SCD组的平均剂量长度乘积（DLP）为263.71 mGy*cm（RCD：279.21 mGy*cm；p = 0.09），平均CTDIvol为3.75 mGy（RCD：3.93 mGy；p < 0.10）。患者特征见表1。

定量图像分析

定量图像分析结果总结于表2、表3和表4以及图1。与SCD图像相比，RCD图像在常规多能重建中的SNR平均降低8.71%，CNR平均降低16.78%（两者p < 0.001）。使用50 keV的VMI重建相对于SCD显著改善了衰减（+ 58.87%）、SNR（+ 44.10%）和CNR（+ 52.73%）（均p < 0.001）。在整个主髂动脉轴上观察到类似的改善；例如，在升主动脉中，SNR从19.80 ± 6.24（SCD）增加至35.78 ± 13.20（RCD VMI50 keV），CNR从18.84 ± 7.78增加至29.77 ± 16.70。RCD与SCD之间的图像噪声偏差仍无显著性（RCD：21.14；SCD：19.76；p = 0.12）。RCD与VMI之间的主动脉瓣环直径保持不变（平均直径：24.1 ± 1.5 mm vs. 24.2 ± 1.5 mm；p = 0.912）。

图像定性分析

图像定性分析结果总结于表5和图2。与SCD相比，RCD保持了诊断图像质量（中位数[IQR]：SCD 5[5]；RCD CR 5[4,5]；RCD VMI70 keV 5[4,5]）。RCD VMI70 keV的主观对比度评分同样不劣于SCD（SCD 5[5]；RCD CR 4[4,5]；RCD VMI70 keV 5[4,5]）。在盲法评估中，77.16%（125/162）的RCD检查被归类为SCD，表明感知对比增强得以保持。评分者间一致性极好（总体ICC=0.856；95%CI：0.818–0.8886），其中诊断质量的ICC值为0.812（95%CI：0.741–0.865），对比度为0.874（95%CI：0.823–0.910），SCD分类为0.922（95%CI：0.889–0.941）。

讨论

本研究评估了在光子计数探测器CT（PCDCT）上进行TAVR规划的RCD方案。

主要研究结果表明，与标准对比剂剂量（SCD）相比，相当于减少37.5%的RCD可以维持诊断图像质量。与标准对比剂方案（SCD）扫描相比，RCD扫描的常规重建（CN）显示SNR和CNR仅轻微降低。重要的是，RCD数据集的VMI重建进一步改善了图像质量，60 keV和50 keV的VMI恢复——并在某些情况下超过——常规SCD重建的SNR和CNR（图3–5）。

PCDCT代表了CT成像的一项重大技术创新，与传统EIDCT系统相比，它提供了更高的空间分辨率、允许改善碘信号表征的详细能量区分以及噪声降低[24, 27]。这使得能够以更低的对比剂体积进行诊断成像，降低对比剂相关肾病的风险并提高安全性，特别是对于已有肾功能损害的患者。此外，PCDCT改善的空间分辨率使得即使在较低对比剂浓度下也能更好地显示细小血管和实质结构[28, 29]。当前的研究结果证实并扩展了先前报道PCDCT改善碘敏感性和噪声性能的体模和临床研究，并表明在常规临床TAVR成像中可实现大幅对比剂节省[26, 30–32]。与此一致，本研究中PCDCT的SNR和CNR值高于DECT的同类研究[17, 33–35]。

多项研究指出对比剂相关肾病与对比剂剂量之间存在相关性；然而，这种相关性似乎并非线性，而是取决于多种因素，且主要在动脉内注射时被观察到[36–38]。尽管如此，大多数研究一致认为应以尽可能最低的剂量为目标[10, 39]。如前所述，存在用于TAVR规划的非对比剂评估方法，然而这些方法只能显示瓣环和钙化斑块[3–5]。

先前的体模研究表明，可以实现更大幅度的对比剂剂量减少[40, 41]。然而，由于患者是在临床环境中扫描的，方案设计以最佳图像质量为目标，对比剂减少并未最大化。我们的研究还表明，进一步减少对比剂剂量是可行的。

近期研究确实支持本研究中观察到的结果，指出在PCDCT下腹部成像、CT肺动脉造影和冠状动脉CT血管造影中使用RCD可获得足够的图像质量并保持SNR和CNR[25, 30, 42–48]。与先前使用双能CT研究TAVR对比剂剂量减少的研究一样，在图像质量或测量差异方面没有局限性[34, 49]。在一项使用双能CT的前瞻性临床试验中，应用低keV虚拟单能重建，对比剂体积可减少至40 mL同时保持诊断图像质量。这些发现与当前结果一致，并表明光谱成像技术在实现对比剂高效TAVR成像中发挥关键作用。Higashito等在一项匹配辐射剂量的前瞻性研究中比较了PCDCT和EIDCT的主动脉CTA，证明在减少对比剂体积下图像质量不劣于[26]。我们的研究结果确实支持这一结论用于使用三相对比剂方案的TAVR规划，展示了PCDCT中减少对比剂的具体应用。

近期工作基于光子能量与碘衰减之间的关系，提出了一个在光子计数CT中调整对比剂剂量的实用经验法则[50]。与此一致，在我们的研究中，我们观察到低能量VMI在SNR和CNR方面有显著改善，这可以转化为对比剂体积的进一步减少。

本研究存在一些局限性。首先，研究设计为回顾性、单中心，患者队列相对较小。每位患者仅扫描一次，并与相应队列中体重指数匹配的扫描进行配对。采用这一方法是由于伦理方面的考虑，即避免重复对比CT扫描导致非必要辐射暴露的累积。

其次，仅测试了一种RCD方案。2023年4月，我们决定利用PCDCT的优势，创建了对比剂减量TAVR规划方案（RCD）。在这项回顾性研究中，将其与既往使用光子计数探测器CT（SCD）的标准TAVR规划CT方案进行了对比测试。创建用于TAVR规划的充分对比剂方案有多种方法。在本机构中，我们决定采用分次团注后生理盐水冲洗的方法。因此，结果可能无法推广至不同的方案。

在本研究中，瓣环测量使用大视野重建，而非针对心脏和主动脉根部定制的专用窄视野重建，尽管我们承认该方法不符合临床标准。然而，所有测量均在相同的重建图像上进行，我们认为结果的一致性不受影响。

最后，本研究使用的对比剂方案是固定的，不依赖体重。根据体重调整对比剂用量可能有助于进一步减少对比剂消耗。

尽管RCD方案具有潜力，但其广泛采用面临挑战。PCDCT的临床实施仍处于早期阶段，需要稳健的多中心研究来验证RCD方案在不同患者群体和临床场景中的可推广性。此外，针对特定应用优化对比剂剂量减少与图像质量之间的权衡仍是进一步研究的关键任务。

展望未来，PCDCT与基于人工智能的图像重建及剂量优化技术相结合，可能进一步优化对比剂的减量[51–53]。此类工具可增强光谱图像处理，并促进根据个体患者特征进行自动化方案调整。使用低keV虚拟单能图像（VMI）也显示出进一步节省的潜力。

结论

使用最小对比剂剂量的光子计数探测器CT（PCDCT）进行经导管主动脉瓣置换术（TAVR）规划评估的诊断效能得以保持，提供了一种节省对比剂媒体的实用方法。例如，这可使肾功能受损患者受益，并减少碘化对比剂媒体对环境的负面影响。