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二、 图像质量的影响因素
心脏CTA常见的伪影有:模糊伪影、错层伪影、阶梯状伪影、放射状伪影、层状伪影等。心脏CTA图像质量不仅与硬件有着密切的关系,还与患者心率、心律、呼吸运动、身体运动以及操作者的扫描模式和参数选择、图像后处理等有密切关系,图像质量的影响因素可主要归纳为硬件因素、患者因素、技术因素三方面。
(一)硬件因素 1.空间分辨率
冠脉主要节段腔内直径范围从4mm(冠脉左主干)到1mm(左冠末梢或左旋支)。在冠脉成像中,发现和评价血管内腔管径20%以上的狭窄程度是可行的。要得到冠脉主干和分支的清晰图像,CT系统需要提供至少0.5mm的各项同性分辨率。空间分辨率通常用每厘米线对数或者每毫米线对数表示,冠脉扫描空间分辨率要求0.15mm 3。炫速双源CT空间分辨率进一步提高,达0.167mm 3。影响多排螺旋CT(MSCT)空间分辨率的因素包括纵向探测器的大小、重建算法等。炫速双源CT的SAFIRE技术是基于原始数据空间的迭代算法,与常规滤过反投影法(Filtered back projection,FBP)相比,SAFIRE技术在保证冠状动脉腔内强化程度不变的同时,明显降低图像噪声,改善图像质量,降低了辐射剂量。
2.时间分辨率
在心动周期内任一瞬间冠脉扫描清晰成像时间分辨率要求<35毫秒,一次覆盖心脏的Z轴覆盖范围为120mm,因此对于心脏CT扫描,时间分辨率至关重要。时间分辨率包括层面时间分辨率和容积时间分辨率(Z轴时间分辨率)。
(1)层面时间分辨:
层面内(in-plane)移动在重建图像上形成模糊或条纹伪影,影响扫描模式在实际应用中的心率适应性,目前MSCT心脏成像层面时间分辨率仍不能满足获取冠脉在心动周期内任一瞬间清晰影像的需求,因此冠脉CTA需选择不同心率和心律下心脏运动相对低速的心电时相进行数据采集及图像重建。
(2)容积时间分辨率:
指完成整个心脏采集所需的时间,与探测器宽度和螺距(pitch=床推进距离/层厚)有关,穿面(through-plane)移动导致邻近层面图像的配准不良,影响三维重建图像质量,影响心脏容积扫描的持续时间。回顾性螺旋扫描及前瞻性序列扫描不能一次采集完整个心脏,心率的变化及呼吸运动的影响可能导致每次采集之间产生“错层伪影”,对心律失常或心律不齐患者的检查质量下降。
炫速双源CT采用2套64排探测器,机架旋转时间为0.28秒,床速480mm/s,时间分辨率提高为75毫秒,最大螺距为3.4,采用大螺距前瞻性螺旋扫描心脏时间为260毫秒左右,可在一个心动周期内完成心脏扫描,避免了因多个心动周期采集数据而出现的阶梯状伪影;同时受呼吸运动影响小,很大程度上减少了因屏气不佳而引起的图像伪影(图4-4-2);有效射线剂量低至1mSv左右。尽管炫速双源CT时间分辨率已经达到75毫秒,但仍不能满足任意心率、任意心动周期内冠脉清晰成像,大部分文献报道建议Flash Spiral模式扫描时要求心率≤65 次/分,高心率患者容易出现冠状动脉运动伪影,这种伪影与Spiral和Sequence模式的错层伪影不同,常表现为血管高速运动所致的模糊伪影(图4-4-3)。因此,未来的CT发展方向仍需进一步提高时间分辨率而达到任一瞬间冠脉清晰成像。
3.组织密度分辨率
目前CT图像基于CT值来分辨不同组织,由于不同组织(如纤维组织和脂质组织)的CT值相互重叠,就难以用CT值来准确区分不同的软组织。另外,钙化斑块密度较高,产生“模糊效应(blooming artifact)”,夸大了它本身的体积,影响对管腔狭窄的观察。目前CT设备仍然难以解决,有待于进一步提高组织和空间分辨率。临床诊断的假阳性和假阴性多为钙化斑块所引起,钙化更多引起假阳性诊断(详见本书冠状动脉钙化积分章节)。
图4-4-2 呼吸运动对图像质量的影响
患者,女性,47岁,心率66次/分。第一次以Spiral扫描图像出现断层伪影,血管不可诊断,考虑呼吸影响。再次以Flash Spiral模式扫描,图像可评价。A、B. Spiral扫描患者右冠状动脉呼吸运动伪影;C、D.再次以Flash Spiral模式扫描,右冠状动脉可评价
图4-4-3 Flash Spiral模式较高心率右冠状动脉伪影
患者,男性,43岁,心率80次/分。采用Flash Spiral模式扫描。A.右冠状动脉中段心脏运动伪影;B.CAG显示右冠状动脉清晰
(二)患者因素 1.心率
是冠状动脉CTA检查成败的重要影响因素。随着心率的增加,心动周期将缩短,收缩期与舒张期都缩短,舒张期缩短更为显著,冠状动脉运动相对较慢的时相也相应缩短,由于R-R间期的缩短,成像时间占心动周期的比例将不断增加,心脏运动伪影就会增加。目前采用口服β-受体阻滞剂降低心率的方法,对64排MSCT要求心率<75次/分(时间分辨率至少167毫秒);对第一代双源CT要求心率<90次/分(时间分辨率83毫秒)。然而,临床工作中,很多患者尽管服用β-受体阻滞剂检查前心率降到理想水平,但扫描过程中由于紧张等因素心率会加快,因此,对高心率患者采用不同的扫描模式及成像时间窗的选择尤为重要。
随着时间分辨率的提高,炫速双源CT(Spiral模式)对心率的要求更低,笔者尝试采用Spiral模式最高心率128次/分也可以取得满意的图像质量(图4-4-4);Flash Spiral模式对心率的要求更高,多数学者认为心率需≤65次/分,笔者尝试Flash Spiral模式对较高心率患者成像最高心率可达100次/分,研究表明,心率66~100次/分的患者采用Flash Spiral模式扫描的图像质量2~3级病例有所增加,但多数病例的图像质量可满足诊断要求(见本书高心率患者的扫描策略章节)。
图4-4-4 高心率患者的图像质量
患者,男性,40岁,心率128次/分,采用Spiral扫描模式,图像质量良好,无伪影
2.心率变异性(heart rate variability,HRV)
是指心率节奏快慢随时间所发生的变化。研究表明,心率变异性是影响图像质量的重要因素,这在Flash Spiral模式中表现得更为显著。笔者对134例高心率患者不同图像质量评分的心率变异性进行统计,发现心率变异性对于Flash Spiral模式的影响较Spiral模式更为显著,原因为:心率越快,R-R间期越短,如果心率变异性较大,Flash扫描有可能落在扫描前后的QRS波或P波、PR间期内,导致扫描失败(图4-4-5、图4-4-6)。
3.心律
对于Spiral扫描模式和Sequence模式,心律不齐导致容积数据采集产生于心动周期的不同时相,重建时不能与其相邻层面影像连续显示,也可表现为影像模糊或运动伪影。对于Flash Spiral模式,期前收缩等心律失常容易使扫描时间窗落入QRS波内,心脏运动相对较快造成运动伪影导致扫描失败(图4-4-7)。
图4-4-5 心率变异性对高心率患者图像质量的影响
患者,男性,40岁,心率79次/分。A.患者心率变异性较大,R-R间期20%成像时落在R波的后半部分,扫描时间为265毫秒;B.DLP 65 mGycm,有效射线剂量为1.1mSv,再次以回顾性心电门控扫描DLP 880 mGycm;C、D.曲面重建、MIP像示RCA伪影大,图像不可评价;E.曲面重建LCX图像不可评价
图4-4-6 患者,男性,70岁,扫描前心率较慢,采用R-R间期的55%扫描,扫描时心率加快(73 次/分),按照R-R间期的55%扫描,落入了PR间期内(箭头),导致右冠状动脉出现伪影,酷似狭窄。A.Flash扫描心电门控图,在R-R间期的55%成像,落入PR间期内;B.DLP;C、D.RCA最大密度投影、曲面重建图示右冠状动脉第二曲膝部似为狭窄(箭头);E.CAG示右冠状动脉未见明显狭窄
图4-4-7 心律对Flash Spiral模式的影响
患者,男性,52岁,心率61次/分。偶发室性期前收缩,由于期前收缩的出现,扫描时相落入了QRS波内,右冠状动脉远段伪影。A、B、C.VR、去血池、轴位图像示右冠状动脉伪影;D.心电门控图
4.呼吸运动
Spiral扫描模式和Sequence模式由于多个心动周期采集图像,要求患者屏气时间较长,要求患者在扫描时屏气好,扫描过程中呼吸运动易产生断层伪影,影响图像质量(图4-4-8、图4-4-9)。
图4-4-8 Spiral模式阶梯状伪影
由于屏气不好,Spiral模式扫描重建衔接处出现阶梯状伪影
图4-4-9 呼吸运动对图像质量的影响
患者,女性,50岁,平均心率70次/分。呼吸训练多次后仍呼吸配合欠佳,第一次以Spiral扫描图像出现错层伪影,血管不可诊断。再次以Flash Spiral模式扫描,图像可评价。A.Spiral扫描VR图像;B.轴位图像;C.MIP图像显示右冠状动脉出现断层伪影;D~F.Flash Spiral模式扫描的CPR图像,示右冠状动脉、前降支图像质量好(图像质量评分1级),回旋支轻度伪影(图像质量评分2级),可以评价
在临床中,尽管反复进行呼吸训练,仍有一些患者特别是老年女性很难控制呼吸,因而极易产生呼吸运动伪影。Flash Spiral模式由于扫描时间仅仅260毫秒左右,要求患者屏气时间较短,故受呼吸影响较小,这也是Flash Spiral模式优势之一。笔者尝试对呼吸不能配合的患者,将呼吸指令关掉,结果显示Flash Spiral模式关闭呼吸指令下仍可保证较好的图像质量(图4-4-10)。
图4-4-10 Flash Spiral模式不控制呼吸扫描冠状动脉成像病例
患者,老年女性,反复训练呼吸不能配合屏气,我们将呼吸指令关掉。A~C.VR图像质量好,无运动伪影
5.肥胖
体重指数(BMI)较大的患者由于穿过患者到达探测器的光子不足,探测器采集的样本不足,图像噪声增大,图像颗粒感太大限制了冠状动脉诊断的准确性判断。对于体型肥胖、宽大的患者,可将其心脏置于X线束聚焦的机架中央,并适当增加管电流、必要时关闭剂量调控功能。注射速率:可以根据患者的BMI指数选择合适的注射方案,对于大体型者注射速率可以增加到6~7ml/s。
(三)技术因素 1. 对比剂
冠状动脉狭窄程度的评价依赖于管腔内高密度对比剂与管壁及周围软组织的良好对比,最佳强化效果表现为整个左心室、主动脉及冠脉均匀一致的强化,CT值至少达到350Hu。冠状动脉内对比剂强化不足将导致管腔与软斑块难以区分。对比不够的原因主要包括:穿刺部位对比剂外渗,对比剂的浓度、流速、总量掌握不好,注射延迟时间选择不当,患者心功能不全,冠状动脉灌注不足等(图4-4-11)。故在检查前应检查静脉通路通畅情况,并依据患者体重、心功能等情况选择适当的对比剂注射速率和总量。
2.扫描模式的选择
炫速双源CT的4种扫描模式各有利弊,详见本书扫描模式一节内容。Spiral模式或Sequence模式常出现的伪影有:阶梯状伪影(见图4-4-8)、错层伪影(见图4-4-9)、数据丢失带状伪影(图4-4-12)、冠状动脉运动伪影等。Flash Spiral模式的伪影多为心脏运动造成的伪影(见图4-4-5、图4-4-6),不会出现阶梯状伪影、错层伪影、数据丢失带状伪影,这也是大螺距扫描优势之一。需注意的是,Spiral模式中有的病例并不出现典型的断层或错层,而是血管连续显影的情况下,衔接口表现为狭窄,这种情况下极有可能误认为是冠状动脉狭窄(图4-4-13)。
3. 重建参数
重建时相、卷积核的选择可影响冠状动脉管腔内的显示,影响结果的判断(图4-4-14)。
4. 其他因素
(1)硬线束伪影:射线硬化相当于降低了物质的吸收密度,不能真实地反映被检组织密度情况,主要包括金属伪影和钙化伪影。金属伪影包括冠状动脉支架、起搏器电极、弹簧圈、封堵器等金属造成的X线硬束改变,从而导致很强的黑白条状或星状伪影(图4-4-15)。钙化伪影的产生是由于钙化灶的高密度导致了X线硬束改变(见冠状动脉钙化积分章节)。
图4-4-11 穿刺部位对比剂外渗,冠状动脉强化不足(<300Hu)
图4-4-12 Spiral模式扫描数据丢失带状伪影
图4-4-13 Spiral模式错层酷似狭窄
患者,男性,42岁。心率83次/分。扫描模式:Spiral模式。VR像、CPR像显示钝缘支管腔局限性变细,考虑重度狭窄。冠状动脉造影术证实钝缘支无狭窄
图4-4-14 重建参数对图像质量的影响
A.重建层厚1mm,卷积核B26f,层面太厚,算法太柔和,支架内管腔显影模糊;B.重建层厚0.75mm,卷积核B46f,支架内管腔显影清楚
图4-4-15 起搏器电极伪影
患者,男性,76岁,起搏器及冠状动脉支架置入术后1年复查。心率77 次/分,扫描模式:Flash Spiral模式,100kV,370mAs,对比剂流速为5.0ml/ s,对比剂总量为50ml,有效射线剂量为0.98mSv。A.VR图及Flash Spiral模式心电门控图;B.轴位片显示起搏器电极伪影影响右冠状动脉近段评价;C、D.CRP图显示右冠状动脉支架受起搏器电极伪影干扰影响评价
(李琛玮)