Comparative Study of Different Scanning Modes in Thoracic Aortic Computed Tomography Angiography
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摘要:
目的：探讨不同扫描模式对胸主动脉CTA图像质量和辐射剂量的影响。方法：回顾性分析未应用心电门控技术的30例胸主动脉CTA（组1，对照组），使用回顾性心电门控的30例冠脉CTA重建舒张期（组2）和收缩期（组3）时相，30例应用宽曝光脉冲前瞻性心电门控技术（组4）共4组图像的质量和辐射剂量。分别记录、计算4组的图像质量客观指标CT值、噪声、CNR和辐射剂量指标CTDIvol。对图像质量进行四分法主观评价。对主客观指标分别统计分析。结果：客观指标CNR组1与组2、3、4均有差异，组2、3、4间均无差异；主观评分两两比较组2~4显著高于组1，组2~4间无差异。非门控组（组1）、回顾门控组（组2和组3）和前瞻门控组（组4）的CTDIvol分别为13.70（11.87，16.58）、12.62（10.03，15.01）、11.54（8.92，15.56），差异无统计学意义。结论：在胸主动脉CTA中推荐使用窄曝光脉冲的前瞻性心电门控收缩期或舒张期扫描，可显著提高胸主动脉心脏段图像质量并降低辐射剂量。
Abstract:Objective: This study aimed to compare the effects of different scanning modes on image quality and radiation dose in thoracic aortic computed tomography angiography (CTA). Methods: The image quality and radiation dose of 30 cases of thoracic aortic CTA (Group 1, control group), 30 cases of retrospective CTA diastolic phase (Group 2) and systolic phase (Group 3), and 30 cases of wide-exposure pulse prospective electrocardiogram (ECG) (Group 4) were retrospectively analyzed. The CT value, noise, contrast-to-noise ratio (CNR), signal-to-noise ratio (SNR), and radiation dose (volume CT dose index [CTDIvol]) were recorded and measured. The image quality was evaluated subjectively using the four points method. The subjective and objective indicators were analyzed statistically. Results: No differences were observed in the objective indexes of noise, CNR and SNR among the groups. The subjective score of pairwise comparison of Groups 2~4 was significantly higher than that of Group 1, and no difference was observed among Groups 2~4. The CTDIvol values of the non-gated group (Group 1), retrospective gated groups (Groups 2 and 3), and prospective gated group (Group 4) were 13.70 (11.87,16.58), 12.62 (10.03,15.01), and 11.54 (8.92,15.56), respectively, without a statistically significant difference.
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Keywords:
- tomography /
- thoracic aortic angiography /
- ECG-gating technology /
- radiation dose
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胸主动脉CTA作为诊断胸主动脉疾病的首选方法，其图像质量对临床诊断具有重要影响[1]。然而，心脏和大血管搏动导致的伪影一直是影响胸主动脉CTA图像质量的关键因素之一，尤其是在心脏段主动脉的图像中更为显著[2]。这种伪影可能导致诊断困难，甚至误诊，因此优化扫描技术以提高图像质量显得尤为重要。
心电门控技术是一种先进的辅助成像技术，广泛应用于冠状动脉CTA中，通过同步心脏电活动与CT扫描，有效减少了心脏搏动对图像质量的干扰[3-4]。本研究旨在探讨心电门控技术在胸主动脉CTA中的应用价值，对比非门控螺旋扫描与回顾性及前瞻性心电门控扫描和不同心动周期时相图像的采集对图像质量和辐射剂量的影响。
通过对比分析使用心电门控与未使用心电门控技术的患者图像资料，本研究期望明确心电门控技术能否改善胸主动脉CTA的图像质量，并探讨不同心电门控技术间的辐射剂量差异。
1. 资料与方法
1.1 研究对象和分组
回顾性选取2020年至2024年在首都医科大学附属北京同仁医院进行冠状动脉CTA、胸主动脉CTA检查90例。排除标准：①严重心血管畸形者；②心血管支架等术后有严重伪影者；③严重心律不齐者。
（1）对照组：不采用心电门控技术进行胸主动脉CTA检查的患者30例，其中男16例，女14例，年龄29~74岁，平均年龄（54.81±14.75）岁。重建薄层图像（组1）。
（2）回顾门控组：采用ECG管电流调制回顾性心电门控技术进行冠状动脉CTA检查的患者30例，其中男13例，女17例，年龄24~81岁，平均年龄（48.75±14.11）岁。重建舒张期（组2）和收缩期（组3）薄层图像。
（3）前瞻门控组：采用宽曝光脉冲前瞻性心电门控技术进行冠状动脉CTA检查的患者30例，其中男14例，女16例，年龄25~76岁，平均年龄（53.84±17.04）岁。重建最佳时相薄层图像（组4）。
1.2 扫描方案
使用Siemens Force CT扫描仪进行扫描。患者足先进，仰卧位，双上肢上举置于头顶。冠脉CTA参考管电压为110 kV、参考管电流340 mAs，准直64×0.625 mm，螺距0.15，扫描范围自气管隆嵴下1~2 cm至心脏膈面。胸主动脉CTA参考电压120 kV、参考电流103 mAs，准直为64×0.625 mm，螺距1.015，扫描范围胸廓入口至横膈下。冠脉CTA与胸主动脉CTA均使用自动管电压技术。
1.3 对比剂注射方案
使用碘佛醇（370 mg/mL，非离子型碘对比剂），加热至37℃（降低对比剂的黏滞度，减小液体流动阻力，提高病人耐受力）。使用高压注射系统经肘正中静脉注射对比剂55 mL，速率4.5 mL/s，以相同流速注射40 mL生理盐水（BMI值24左右使用此方案，根据BMI增减对比剂用量和注射速率）。
1.4 重建参数
所有患者的影像数据均采用Qr36 d算法，所有重建层厚与层间距均为0.75 mm，矩阵512×512。回顾门控组进行心脏收缩期、心脏舒张期两种重建；前瞻门控组采用最佳时相重建。
1.5 图像分析
1.5.1 客观评价
重组肺动脉干和动脉窦层面0.75 mm层厚横断面图像。感兴趣区（region of interest，ROI）勾画和数据测量：选择避开线束硬化伪影的ROI，分别在升主动脉腔内和胸骨上5 cm处背景空气区勾画ROI。勾画空气ROI时调整窗宽窗位为肺窗以避开毛发、衣物等。记录感兴趣区和背景空气区的CT值和SD值。计算图像对比噪声比（contrast noise ratio，CNR）：
$$ \mathrm{C}\mathrm{N}\mathrm{R}=\left(\mathrm{A}\mathrm{v}-\mathrm{A}\mathrm{v}'\right)/\sqrt{\left({Sd}^{2}+{Sd'}^{2}\right)/2} \text{，} $$ 取Radimetrics系统统计的CTDIvol值。
1.5.2 主观图像质量分析
由一名高年资影像诊断医师和一名高年资影像技师采用四分法双盲评分。图像评价标准：从升主动脉（基底）边界显示清晰程度、搏动伪影程度两个方面评分。增强效果不作为加减分项。评分标准[5]：血管边缘清晰，没有搏动或模糊伪影，血管显影佳，1分；血管存在轻微搏动或模糊伪影，可满足诊断要求，2分；血管存在比较明显搏动或模糊伪影，勉强可诊断，3分；血管存在严重搏动或模糊伪影，可能引起误诊，4分。主观评分过程两位医师、技师协商完成。患者所有重建图像默认窗宽350 HU，窗位30 HU，在评分过程中可自主调节窗口设置。
1.6 统计学分析
使用SPSS Statistics 27.0软件进行数据分析。计量资料满足正态分布以
$ (\bar x\pm \mathrm{s}) $ 表示，进行方差分析并对CNR进行两两比较，P < 0.05认为差异具有统计学意义。主观评分进行Mann-Whitney U检验，P < 0.05认为差异具有统计学意义。2. 结果
2.1 客观图像质量
患者的年龄、体重、BMI，差异无统计学意义；4组CNR具有统计学意义（P < 0.05），两两比较：非门控组CNR显著低于另外3组，且回顾舒张组、回顾收缩组、前瞻门控组间CNR并无统计学差异（表1）。
表 1 4组年龄、体重、BMI和图像质量对照表Table 1. Comparison of age, weight, body mass index, and image quality among the four groups项目 非门控组 回顾舒张组 回顾收缩组 前瞻门控组 F P 年龄 54.81±14.75 48.75±14.11 48.75±14.11 53.84±17.04 1.334 0.268 体重/kg 65.22±11.00 67.55±15.68 67.55±15.68 65.84±13.23 0.244 0.866 BMI/（kg/m2） 22.58±3.94 23.55±4.92 23.55±4.92 23.11±3.93 0.304 0.822 CNR1 62.04±11.75 73.4±15.79 72.12±15.69 74.18±17.68 2.917 0.038 CNR2 59.38±9.51 70.53±15.69 70.82±12.81 73.74±23.23 3.188 0.027 注：CNR1指肺动脉干层面CNR值，CNR2指动脉窦层面CNR值。 2.2 主观评分
两位评价人的4组主观评分经验证后具有一致性，将评分进行多样本非参数检验，具有统计学差异（表2）。
表 2 非门控组、回顾舒张组、回顾收缩组和前瞻门控组主观评价比较Table 2. Comparison of subjective evaluation among the non-gated, retrospective diastolic, retrospective systolic, and prospective gated groups组别 统计检验 非门控组 回顾舒张组 回顾收缩组 前瞻门控组 H P 医师 肺动脉干层面 2（1,3） 1（1,1） 1（1,1） 1（1,1） 42.753 < 0.001 动脉窦层面 1（1,2） 1（1,1） 1（1,1） 1（1,1） 29.834 < 0.001 技师 肺动脉干层面 2（2,2） 1（1,1） 1（1,1） 1（1,1） 26.817 < 0.001 动脉窦层面 1（1,2） 1（1,1） 1（1,1） 1（1,1） 17.341 < 0.001 ![]()
图 3 回顾性心电门控收缩期动脉窦层面TRA图像Figure 3. Retrospective electrocardiogram gated systolic sinus level transverse imaging![]()
图 2 回顾性心电门控舒张期动脉窦层面TRA图像Figure 2. Retrospective electrocardiogram gated diastolic sinus level transverse imaging![]()
图 4 前瞻性心电门控最佳时相动脉窦层面TRA图像Figure 4. Prospective gated optimal time-phase sinus level transverse imaging![]()
图 6 前瞻性心电门控主动脉干层面COR图像Figure 6. Prospective gated coronal image of the aortic root plane将两位评价者同一层面的主观评分求平均值，进一步地分别将四组主观评分进行两独立样本非参数检验，各实验组均与对照组有统计学差异，但各实验组间无统计学差异（表3）。
表 3 非门控组、回顾舒张组、回顾收缩组和前瞻门控组两两比较Table 3. Subjective comparison of the non-gated, prospective gated, retrospective systolic, and retrospective diastolic groups层面 统计检验 Z P 组1/组2 一 −3.922 < 0.001 二 −5.043 < 0.001 组1/组3 一 −3.729 < 0.001 二 −4.419 < 0.001 组1/组4 一 −3.922 < 0.001 二 −5.043 < 0.001 组2/组4 一 −0.501 0.616 二 −1.263 0.207 组3/组4 一 −0.371 0.711 二 −0.67 0.503 注：组1为非门控组，组2为前瞻门控组，组3为回顾收缩组，组4为回顾舒张组。 2.3 辐射剂量
由于回顾收缩组与回顾舒张组为同一序列下的不同重建方法，故在辐射剂量对比中仅用回顾收缩组代表。非门控组（组1）、回顾收缩组（组2和组3）和前瞻门控组（组4）的CTDIvol分别为13.70（11.87，16.58）、12.62（10.03，15.01）、11.54（8.92，15.56），差异无统计学意义（H=2.792，P=0.248）。
3. 讨论
胸主动脉CTA目前被作为诊断胸主动脉瘤与胸主动脉夹层首选的无创检查方法，其图像质量尤为重要[6]。而由于心脏搏动，心脏段主动脉图像可能出现搏动伪影，因此为诊断带来不便。因此，如何优化扫描流程，在保证射线剂量不变的同时提高图像质量是胸主动脉CTA的研究重点。
心电门控技术，作为一种先进的辅助成像技术，在冠状动脉血管造影中得到了广泛应用，其通过同步心脏电活动与CT扫描，有效减少了心腔及心脏大血管搏动对图像质量的干扰，显著提升了图像的清晰度与诊断价值。心电门控技术通过监测心电图中的特定波形（通常为R波）来触发CT扫描设备的拍摄。这种方法可以确保成像过程与心脏周期同步，从而在心脏运动幅度最小时进行扫描或图像重建，有效减小心脏搏动形成的运动伪影，获得更清晰、更稳定的心脏图像[7]。
首先，就图像质量而言，本研究与前人研究的结果高度一致。多项文献已证实，心电门控技术通过精确同步心脏电活动与CT扫描，能够显著减少心脏搏动对图像质量的干扰，从而提升冠脉CTA图像的清晰度和诊断精确度[8-11]。本研究在胸主动脉CTA领域也得出了相似的结论，进一步验证了心电门控技术在改善图像质量方面的广泛适用性。
通过对比分析应用心电门控与未应用心电门控技术的患者图像资料，发现两组间的客观图像质量与主观图像质量均存在显著的差异，前瞻门控组和回顾门控两组的图像质量显著优于非门控组的图像质量。而对比回顾性心电门控的两种重建模式即心脏收缩期和舒张期的客观和主观图像质量，均无统计学差异。这同样可以类比证明使用前瞻性心电门控时，采集收缩期和舒张期对图像质量没有影响。以上发现说明前瞻性心电门控技术、回顾性心电门控技术都能较好地改善胸主动脉CTA中心脏段的主动脉搏动伪影，并提高对比噪声比等客观指标。这一发现与前人研究中关于前瞻性心电门控技术在降低辐射剂量同时保持图像质量的报道相吻合[12-13]。
本研究对比了前瞻性心电门控与回顾性心电门控两种技术的CT剂量指数（CTDIvol）。非门控组（组1）、回顾收缩组（组2和组3）和前瞻门控组（组4）无统计学差异（H=2.792，P=0.248）。然而本研究中收集的回顾性心电门控病例均是使用ECG管电流调制模式，前瞻性心电门控均是使用宽曝光脉冲技术，这两种技术都在心动周期约为35%~70%时采集图像。这说明如果前瞻心电门控扫描使用窄曝光脉冲技术，图像采集时间缩短，从而可以进一步降低辐射剂量（图7和图8）[14]。在临床实践中，使用窄曝光脉冲前瞻心电门控技术扫描收缩期或舒张期胸主动脉CTA可在保证图像质量的前提下大幅降低剂量。
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图 7 固定管电流（上）ECG管电流调制（下）Figure 7. Fixed tube current (top); Electrocardiogram tube current modulation (bottom)![]()
图 8 窄曝光脉冲（上）宽曝光脉冲（下）Figure 8. Narrow exposure pulse (top); Wide exposure pulse (bottom)然而，本研究也存在一定的局限性。首先，样本量相对较小，这可能会在一定程度上影响结果的普遍性和可靠性。未来的研究可以进一步扩大样本量，以更全面地评估心电门控技术在胸主动脉CTA中的应用价值。其次，本研究的结果仅涉及了Siemens Force CT机，不能确定其他厂商、型号的设备也同样遵循该研究结果。因此，未来的研究可以进一步探讨心电门控技术CTA在各厂商及型号的设备间的应用对比。
综上所述，心电门控技术能够显著提高胸主动脉CTA的图像质量，并且在保证图像质量的同时，使用窄曝光脉冲前瞻门控技术采集收缩或舒张期胸主动脉CTA相较于使用宽曝光脉冲前瞻门控模式具有更低的辐射剂量。这些发现为心电门控技术在胸主动脉CTA中的广泛应用提供了有力的支持。
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图 3 回顾性心电门控收缩期动脉窦层面TRA图像
Figure 3. Retrospective electrocardiogram gated systolic sinus level transverse imaging
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图 2 回顾性心电门控舒张期动脉窦层面TRA图像
Figure 2. Retrospective electrocardiogram gated diastolic sinus level transverse imaging
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图 4 前瞻性心电门控最佳时相动脉窦层面TRA图像
Figure 4. Prospective gated optimal time-phase sinus level transverse imaging
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图 6 前瞻性心电门控主动脉干层面COR图像
Figure 6. Prospective gated coronal image of the aortic root plane
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图 7 固定管电流（上）ECG管电流调制（下）
Figure 7. Fixed tube current (top); Electrocardiogram tube current modulation (bottom)
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图 8 窄曝光脉冲（上）宽曝光脉冲（下）
Figure 8. Narrow exposure pulse (top); Wide exposure pulse (bottom)
表 1 4组年龄、体重、BMI和图像质量对照表
Table 1 Comparison of age, weight, body mass index, and image quality among the four groups
项目 非门控组 回顾舒张组 回顾收缩组 前瞻门控组 F P 年龄 54.81±14.75 48.75±14.11 48.75±14.11 53.84±17.04 1.334 0.268 体重/kg 65.22±11.00 67.55±15.68 67.55±15.68 65.84±13.23 0.244 0.866 BMI/（kg/m2） 22.58±3.94 23.55±4.92 23.55±4.92 23.11±3.93 0.304 0.822 CNR1 62.04±11.75 73.4±15.79 72.12±15.69 74.18±17.68 2.917 0.038 CNR2 59.38±9.51 70.53±15.69 70.82±12.81 73.74±23.23 3.188 0.027 注：CNR1指肺动脉干层面CNR值，CNR2指动脉窦层面CNR值。 
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表 2 非门控组、回顾舒张组、回顾收缩组和前瞻门控组主观评价比较
Table 2 Comparison of subjective evaluation among the non-gated, retrospective diastolic, retrospective systolic, and prospective gated groups
组别 统计检验 非门控组 回顾舒张组 回顾收缩组 前瞻门控组 H P 医师 肺动脉干层面 2（1,3） 1（1,1） 1（1,1） 1（1,1） 42.753 < 0.001 动脉窦层面 1（1,2） 1（1,1） 1（1,1） 1（1,1） 29.834 < 0.001 技师 肺动脉干层面 2（2,2） 1（1,1） 1（1,1） 1（1,1） 26.817 < 0.001 动脉窦层面 1（1,2） 1（1,1） 1（1,1） 1（1,1） 17.341 < 0.001
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表 3 非门控组、回顾舒张组、回顾收缩组和前瞻门控组两两比较
Table 3 Subjective comparison of the non-gated, prospective gated, retrospective systolic, and retrospective diastolic groups
层面 统计检验 Z P 组1/组2 一 −3.922 < 0.001 二 −5.043 < 0.001 组1/组3 一 −3.729 < 0.001 二 −4.419 < 0.001 组1/组4 一 −3.922 < 0.001 二 −5.043 < 0.001 组2/组4 一 −0.501 0.616 二 −1.263 0.207 组3/组4 一 −0.371 0.711 二 −0.67 0.503 注：组1为非门控组，组2为前瞻门控组，组3为回顾收缩组，组4为回顾舒张组。
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