超高分辨率光子计数探测器CT肺动脉造影提升肺动脉可见性与诊断信心

引言

CT肺动脉造影（CTPA）是诊断急性肺栓塞的首选影像学方法[1]。随着光谱CT的出现，通过虚拟单能重建可进一步提高形态学图像质量，增强对比度。此外，光谱CT生成的碘图提供额外的功能信息，可在图像采集时描绘肺实质灌注情况[2, 3]。这些碘图已被证明有助于检测小的外周性肺栓塞[4]。截至2020年，大多数可用的光谱CT技术方法基于能量积分探测器（EID）技术。然而，2020年，一种基于光子计数探测器（PCD）技术的新型光谱成像技术方法问世。首批研究PCD-CTPA在肺栓塞诊断中潜在益处的研究得出结论，该探测器技术可实现高螺距扫描设置，同时还能大幅降低所需辐射剂量和对比剂用量[5–8]。PCD采用半导体探测器元件，与传统EID技术不同，不再需要分隔探测器单元，从而实现探测器准直为120 × 0.2 mm的超高分辨率（UHR）扫描模式。UHR-PCD-CT在不增加剂量的情况下提供比EID-CT更高的空间分辨率，同时在每次扫描中提供固有的光谱数据，即使在高螺距设置下也是如此。利用小像素效应，UHR扫描模式甚至可实现相对于标准分辨率PCD-CT（144 × 0.4 mm）的辐射剂量降低[9, 10]。既往研究已证明UHR-PCD-CT在肺部成像、冠状动脉血管造影、腹部和下肢成像中可改善图像质量[11–18]。然而，迄今为止，尚无关于UHR-PCD-CTPA在肺栓塞检查中的可行性、图像质量和诊断益处的数据。因此，本研究旨在评估UHR扫描模式与最先进的双能量EID-CTPA相比的影响。

材料与方法

患者样本

本回顾性研究获得了当地机构审查委员会的许可，并豁免了额外书面知情同意的需要（20241031 01）。回顾性分析了2024年3月至10月期间在临床常规中接受CTPA以排除肺栓塞的共283例成年患者。其中，94例接受了EID-CT扫描仪的双能量扫描，而92例和97例连续个体分别在图像质量指数（IQ）水平50和25下接受了UHR-PCD-CTPA。排除标准为偏离扫描方案（例如，对比剂用量或流速不同）、数据集不完整或体重指数≥ 50 kg/m2的肥胖，可能限制可比性。

CT扫描方案

UHR-CTPA在一台第一代双源光子计数探测器CT扫描仪（Naeotom Alpha.Peak，Siemens Healthineers）上进行。双源设置允许以flash模式进行图像采集，螺距设为3.2，准直为120 × 0.2 mm。图像在管电压140 kV、IQ水平为50或25的条件下采集。IQ指数是厂商特定的指标，旨在提供图像质量的总体指示；然而，其底层计算的详细信息并未公开，因此无法与标准化定量指标直接比较。UHR-PCD-CTPA以中等软组织血管核（Bv48）在55 keV虚拟单能级下重建，层厚为0.4 mm。每次扫描以4 mL/s的流率给予40 mL碘对比剂（Imeron350，Bracco）。EID-CTPA在一台第三代双源扫描仪（Somatom Force，Siemens Healthineers）上采用既定扫描方案采集（即双能模式，螺距0.55，管电压90 kV/Sn 150 kV，参考mAs 70，准直2 × 96 × 0.6 mm）。以4 mL/s的流率给予50 mL对比剂（Imeron350，Bracco），以确保在双能模式所需的较低螺距设置下有足够的团注长度。虚拟融合图像以0.6的线性比率和软组织血管核（Bv36）重建，层厚为0.6 mm，代表该扫描模式下的最小层厚。所有方案均使用团注跟踪（UHR-PCD-CTPA中触发阈值为100 HU，延迟5 s；EID-CTPA中触发阈值为120 HU，延迟7 s）。轴位和冠状位碘图使用专用软件计算（EID-CTPA使用Syngo.Via VB80D，UHR-PCD-CTPA使用VB10，Siemens Healthineers）。

图像质量评估

对于客观图像质量评估，CT衰减值（以Hounsfield单位表示）、信噪比（SNR）和对比噪声比（CNR）由一名读者（CR）在肺血管（即主肺动脉、右下叶动脉和左上叶动脉）和竖脊肌内放置圆形感兴趣区来测定。SNR和CNR按如下公式计算[19]：

三位在心血管成像方面经验不同的放射科医师（读者1 [R1]，P.P.，4年；读者2 [R2]，A.K.，1年；读者3 [R3]，H.H.，10年）对每项CTPA研究进行了随机且盲法的质量判读。主观图像质量类别包括：CTPA和碘图的图像质量评分、外周肺动脉可见性评估以及自我报告的诊断信心水平。对于每个类别，比较了每位读者给出的评分。

对于CTPA的评估，评分标准确定如下：5分：对比度极佳，无运动或搏动伪影；4分：对比度良好，轻微运动或搏动伪影；3分：对比度中等，中度运动或搏动伪影；2分：对比度差，明显运动或搏动伪影；1分：对比度不足，严重运动或搏动伪影。对于碘图的评估，设定以下评分标准：5分：均匀性极佳，无伪影；4分：均匀性良好，轻微伪影；3分：均匀性中等，中度伪影；2分：均匀性差，明显伪影；1分：均匀性不足，严重伪影，碘图无法诊断。要求阅片者在评估碘图图像质量时考虑由基础病变（如肺气肿或肺不张）引起的不均匀性[20]。为量化外周肺动脉可见度，测量右肺下叶最后清晰可见的肺动脉分支至脏层胸膜的最小距离。此外，要求阅片者在仅阅读CTPA后以及阅读CTPA及相应碘图后，估计其对研究报告肺栓塞阳性或阴性的主观诊断信心水平。在此背景下，诊断信心水平如下：5分：非常有信心；4分：有信心；3分：中等信心；2分：几乎没有信心；1分：不确定。

辐射剂量

每次检查的辐射剂量参数（即容积CT剂量指数（CTDIvol）和剂量长度乘积（DLP））从扫描仪自动生成的患者报告中提取。有效辐射剂量使用胸部CT成像的既定转换因子（即）计算[21]。

统计分析

使用专用软件进行统计分析（SPSS 29.0.1版，IBM，Armonk，美国）。使用Shapiro-Wilk检验确定连续变量的正态分布。在正态分布情况下，数据以平均值±标准差报告。否则，我们报告中位数及四分位距。有序尺度数据以绝对频率和相对频率呈现。正态分布的连续变量采用单因素方差分析及Tukey-HSD事后检验进行组间比较。非参数变量采用Kruskal-Wallis检验及Bonferroni校正进行两两事后检验比较。计算组内相关系数（ICC）以评估阅片者间信度，基于双向随机效应模型中的绝对一致性。结果按照Koo和Li的建议进行解读，系数> 0.9表示极好，0.75–0.9良好，0.5–0.75中等，< 0.5表示阅片者间信度差[22]。p值< 0.05被认为具有统计学意义。

结果

患者特征

研究样本中共排除56例患者（即PCD-CTPA IQ50组16例、PCD-CTPA IQ25组21例、EID-CTPA组19例）。最终患者样本包括227例患者（即UHR IQ50组76例、UHR IQ25组76例、EID-CTPA组75例）。纳入流程及排除情况的流程图见图1。在UHR-PCD-CTPA IQ50组中，24项检查报告肺栓塞阳性（31.6%），而UHR-PCD-CTPA IQ25组为20项（26.3%），EID-CTPA组为16项（21.1%）。表1列出了各研究组的详细人口学特征。所有组中外周型肺栓塞阳性且相应碘图上出现灌注缺损的典型CTPA图像见图2。

图像质量

图像质量的客观指标

两个UHR-PCD-CTPA组的肺血管内平均衰减均高于EID-CTPA组（均p < 0.01），例如，肺动脉干内分别为567.8 HU（IQ50）和623.3 HU（IQ25），而EID-CTPA为397.2 HU（均p < 0.01）。IQ50组与IQ25组之间未观察到CT衰减的相关差异（均p ≥ 0.05）。此外，三组之间SNR和CNR差异均无统计学意义（均p ≥ 0.05）。详细的客观图像质量参数见表2。

主观图像质量

两个UHR-PCD组的主观CTPA图像质量评分（优秀或良好）高于EID组（中等或良好；均p < 0.01），而IQ50与IQ25样本之间的图像质量评分差异无统计学意义（均p ≥ 0.05）。阅片者间信度良好，ICC为0.830（0.787–0.866；p < 0.01）。

所有阅片者均评定UHR-PCD-CTPA数据集的碘图优于EID-CTPA扫描的碘图（优秀或良好 vs. 中等或良好；均p < 0.01），而两个UHR-PCD-CTPA组之间的图像质量评分相似（均p ≥ 0.05）。阅片者间信度良好，ICC为0.753（0.688–0.866；p < 0.01）。表3记录了CTPA和碘图的主观图像质量评分中位数及事后检验结果。

外周肺动脉可见度

在两个PCD-CTPA样本中，外周肺血管的可见性均被认为高于EID-CTPA，在IQ50组中，R1测量的中位最小胸膜距离为15.0 mm（13.0–16.3 mm），R2测量为13.0 mm（10.5–15.0 mm），R3测量为11.0 mm（9.0–13.0 mm），在IQ25组中，R1测量为15.0 mm（13.0–17.0 mm），R2测量为14.0 mm（11.1–16.6 mm），R3测量为11.5 mm（9.0–13.0 mm）。EID-CTPA组的最小胸膜距离最高，R1测量的中位数为31 mm（26.5–36.5），R2测量为24 mm（21.0–28.0 mm），R3测量为22 mm（19.0–25.0 mm）。事后检验显示，所有读者在IQ50与IQ25测量之间均无显著差异（R1和R3的p = 1.0，R2的p = 0.89），而EID-CTPA测量值显著高于两个UHR-PCD-CTPA组（所有p < 0.01，见图3）。最小胸膜距离的读者间信度良好，ICC为0.826（95%置信区间0.692–0.892；p < 0.01）。在图4中，描绘了所有三组的代表性测量值。

诊断信心

所有读者在阅读UHR-PCD-CTPA时报告的诊断信心均高于EID-CTPA：在IQ50队列中，两名读者在确认或排除肺栓塞方面感到非常有信心，一名读者感到有信心，而在IQ25组中所有读者对其诊断均感到有信心。在EID-CTPA组中，信心较低，两名读者对其诊断感到有信心，一名读者感到中等信心。读者间信度良好，ICC为0.785（0.731–0.830；p < 0.01）。

在联合阅读CTPA和碘图时，所有读者对UHR-PCD-CTPA IQ50队列均感到非常有信心，而两名读者对UHR-PCD-CTPA IQ25组感到非常有信心、一名读者感到有信心，所有报告基于EID研究的读者对其诊断感到有信心。读者间信度良好，ICC为0.788（0.729–0.834；p < 0.01）。图5中的堆叠条形图详细比较了读者在单独阅读CTPA以及联合阅读CTPA和碘图时自我报告的诊断信心，中位信心评分列于表4。对所有肺栓塞阴性研究的亚组分析显示，自我报告的诊断信心结果相似：UHR-PCD-CTPA组的自我报告信心评分高于EID-CTPA组（均p < 0.01），而IQ50与IQ25之间未发现有统计学显著差异（均p ≥ 0.05，图6）。

辐射剂量

平均CTDIvol在UHR-PCD-CTPA IQ50组最高（6.7 ± 2.4 mGy），在IQ25组最低（3.0 ± 1.0 mGy），而EID-CTPA组患者接受的平均CTDIvol介于两个UHR-PCD-CTPA组之间（4.7 ± 2.7 mGy，均p < 0.01）。相应地，与EID-CTPA相比，PCD-CTPA IQ50的剂量长度乘积和有效辐射暴露也较高，而IQ25较低（均p < 0.01）。详细辐射剂量结果见表5。

讨论

本研究评估了使用第一代双源PCD-CT扫描仪的UHR扫描模式采集的CTPA与最先进的双能量EID-CT相比的图像质量、肺动脉可见性和诊断信心。结果表明，采用PCD技术的UHR高螺距CTPA可获得优于形态学CT图像和碘图的主观质量，从而提高外周肺动脉的可见性，并最终与现有EID-CT扫描相比具有更高的诊断信心。

此前已有数项研究探讨了超高分辨率扫描模式对图像质量和辐射剂量的影响。Huflage等和Fix Martinez等观察到，在该扫描模式下使用更小的探测器元件尺寸有助于提高对比噪声比（CNR）[9]。这种所谓的小像素效应可用于在肺部和腰椎成像中大幅降低辐射剂量[10, 23]。本研究结果与文献中描述的观察结果一致：我们证明使用光子计数探测器CT（PCD-CT）以超高分辨率（UHR）扫描模式进行CT肺动脉造影（CTPA）是可行的，并且相较于传统能量积分探测器CT肺动脉造影（EID-CTPA）具有相关优势，即肺动脉内CT衰减值更高、两个UHR-PCD-CTPA组的自报诊断信心均高于EID-CTPA组，以及大幅降低辐射剂量的潜力。此外，UHR-PCD组肺叶肺动脉内的中位CNR倾向于高于EID-CTPA组（在本研究中未达到统计学显著性），可能归因于所观察到的CT衰减值升高。UHR-PCD的图像噪声显著更高，可能归因于更薄的层厚。然而，采用既往PCD-CTPA标准分辨率模式研究的扫描参数，例如IQ水平为50 [24]，UHR-PCD-CTPA检查的CTDIvol和有效剂量分别为6.7 ± 2.4 mGy和4.0 ± 1.4 mSv，高于标准EID-CTPA。考虑到这一事实，分析中纳入了第二个基于PCD的UHR模式方案，IQ水平为25，使得辐射剂量较EID-CTPA降低近50%，并达到与既往文献报道相似的辐射剂量水平[5, 25]。这一发现提示UHR方案不能简单地套用现有的标准分辨率设置，而需要有意识地进行调整。值得注意的是，即使在低剂量场景下（即IQ25），UHR-PCD-CTPA与EID-CTPA相比仍提供了更优的肺动脉可见性和图像质量，可能因此带来更高的自报诊断信心。

本研究的一个关键结果是，使用UHR-PCD进行CTPA可提高外周肺动脉的可见性。虽然这并非本研究的目标，但可以推测，与标准EID-CTPA相比，可见性的提高可转化为更容易检出小的外周肺栓塞。值得注意的是，这一假设基于本研究中的阅片者评估，而专门的诊断准确性分析不在本研究范围内。在临床常规中，确定亚段性肺栓塞患者的适当治疗仍存在争议，多项研究提示亚段性栓塞患者的复发率高于更近端（中心）的栓塞[26–29]。鉴于此，UHR-PCD-CTPA对亚段性肺栓塞诊断性能和临床管理的影响需要在未来研究中加以评估。

本研究存在若干局限性需要说明。第一，这是一项回顾性、单中心研究。尽管存在这一不足，总共227例的患者样本量可被认为足以提供目标研究所需的统计效能。第二，EID-CT与PCD-CT之间的各种后处理差异，例如层厚0.6 mm vs. 0.4 mm以及使用Bv36卷积核 vs. 更锐利的Bv48卷积核，可能总体上影响了图像质量，尤其是图像噪声水平。即使在优先考虑空间分辨率而非对比噪声比（CNR）的设置下，超高分辨率（UHR）-PCD-CTPA在所有主观类别中均优于EID-CTPA。第三，主观图像质量评估采用每项研究一个评分，将对比度和运动伪影合并评估。这可能限制了对细微组间差异的敏感性，特别是因为EID-CTPA组中较低的螺距可能增加此类伪影。UHR-PCD组内较高的CT衰减值相较于EID组可能进一步影响了主观图像质量评分。此外，既往关于PCD-CT的研究观察到女性受试者中衰减值较高[30]。按性别进行衰减的专门亚组分析不在本研究的范围内，但在解释结果时需要考虑这一点。此外，UHR模式下PCD-CTPA的获益未与标准分辨率模式下PCD-CTPA进行比较。这一方面应在未来的研究中加以探讨。最后，不同卷积核对UHR-PCD-CTPA数据集重建的影响未进行评估。Stammen等人最近的一项研究分析了使用比本研究选择的卷积核（Bv48）更低的血管卷积核（Bv40）重建的CTPA图像[31]。值得注意的是，既往关于其他身体部位的研究提示，重建卷积核的选择可进一步改善UHR-PCD-CT扫描的图像质量[12, 32–34]。

总之，CTPA的图像质量极大地受益于在UHR模式下使用高螺距PCD-CT。与传统EID-CTPA相比，即使辐射剂量明显较低的UHR-PCD-CTPA扫描也能实现更优的管腔内衰减、外周肺动脉可见性以及最终的诊断信心。