摘要
目标
评估在匹配儿童中使用光子计数探测器计算机断层扫描（PCD CT）与能量积分探测器CT（EID CT）进行儿科心脏CT时的辐射暴露、定量和定性图像质量。
材料与方法
研究选取了37例通过PCD CT进行的增强对比、临床指征明确的心脏CT，并与37例通过EID CT获取的检查进行了匹配。根据水当量直径对患者进行了匹配。图像质量的定量评估包括基于感兴趣区域（ROI）的分析，计算图像噪声、信噪比（SNR）和对比噪声比（CNR）。通过计算椎旁肌和胸大肌的衰减变化差异来衡量射束硬化伪影。记录每个患者的体积CT剂量指数（CTDIvol）和剂量长度乘积（DLP），并计算有效辐射剂量。统计分析包括t检验和Wilcoxon符号秩检验。
结果
接受PCD CT检查的儿童平均年龄为794 ± 1016天，与接受EID CT检查的儿童平均年龄815 ± 957天相似（p = 0.76）。此外，两组之间的年龄、身高、体重和身体质量指数（BMI）也无显著差异（p ≥ 0.32）。PCD CT的辐射暴露显著低于EID CT（CTDIvol 0.20 ± 0.12 mGy 和 DLP 4.06 ± 3.22 mGycm 对比 EID CT的CTDIvol 0.37 ± 0.17 mGy，p < 0.001 和 DLP 7.21 ± 4.67 mGycm，p < 0.001）。SNR、CNR或射束硬化伪影未观察到显著差异。PCD CT与EID CT的定性图像质量也相当。
结论
通过使用PCD CT，辐射暴露减少了超过40%，而图像质量保持稳定，与EID CT相当。在保持图像质量的同时减少辐射暴露可能会极大地推进儿童心脏成像技术的发展。
引言
心脏CT已成为成人患者的临床常规检查手段，并且在儿童中的应用越来越多。由于新生儿和小儿童的小型、复杂的先天性解剖结构，以及快速呼吸和心跳带来的高风险脉动和运动伪影，给这些患者的心脏成像带来了挑战。儿科心脏CT的主要临床指征包括完成初步诊断和先天性心脏缺陷患者的预干预/术前规划，这些缺陷是新生儿期发病率和死亡率的主要原因，发生率高达活产婴儿的1%。CT检查的时间非常短，这对儿科患者至关重要。然而，主要缺点是需要电离辐射。先前的研究强调了减少先天性心脏病患者辐射暴露的必要性，因为其终生癌症风险增加。
光子计数探测器CT（PCD CT）作为一种替代传统CT扫描仪的新兴方法。传统的CT扫描仪使用能量积分探测器，其中每个探测器元件吸收到达的X射线，然后将其转换为可见光。因此，生成的是与测量的可见光量成比例的电信号，而不是单个X射线光子的能量，而光子计数探测器将单个X射线光子直接转换为电信号。与能量积分探测器CT（EID CT）相比，PCD CT被描述为提供改进的空间和对比分辨率，更少的电子噪声，更少的模糊、金属和射束硬化伪影，并在施用对比剂后提高碘信号。由于可能的好处，PCD CT有潜力解决心脏CT面临的挑战，包括对高空间和对比分辨率的需求。
关于使用PCD CT进行儿科心脏成像的出版物较少。最近的一项研究表明，在怀疑患有先天性心脏缺陷的儿童中，使用PCD CT可以在相似的辐射剂量下实现更高的信噪比（SNR）和对比噪声比（CNR）。接受PCD CT检查的患者与接受EID CT检查的患者并未匹配，而是连续纳入。
我们研究的目的是比较倾向匹配的儿科患者在PCD CT系统与EID CT系统之间定量和定性图像质量以及辐射剂量。假设PCD CT与EID CT的成像质量保持一致，同时PCD CT能够显著减少辐射剂量。
材料与方法
研究人群
本回顾性研究根据《赫尔辛基宣言》指南和当地数据保护指南进行。研究已获得当地机构审查委员会的批准（机构审查委员会编号：10679_BO_K_2022）。由于回顾性研究设计，知情同意被豁免，符合当地机构审查委员会和数据保护指南。纳入0至10岁之间，患有先天性心脏病并进行临床指征明确的心脏CT检查的儿童，以完成初步诊断和/或手术/介入前的心导管检查。CT技术协议在两个CT扫描仪之间进行了标准化和调整（详情见表1）。在连续39个月期间，45名儿科患者接受了PCD CT检查，147名儿科患者接受了EID CT检查；如果患者在此期间接受了多次CT检查，仅纳入首次CT扫描以减少患者偏倚。另一个排除标准是在定位片上可见的金属装置的存在，因为自动剂量调节会增加辐射暴露。这些金属装置种类繁多，从小支架、夹子或金属胸骨缝合线到心脏起搏器不等。为了确保患者组内更大的同质性，所有在定位片上可见金属装置的患者被排除在分析之外。该标准导致排除了8名接受PCD CT检查的患者和23名接受EID CT检查的患者。剩余的37名接受PCD CT检查的患者与124名接受EID CT检查的患者根据最佳水当量直径匹配。水当量直径的计算如前所述，用于准确评估CT中的患者体型。因此，37名接受PCD CT检查的患者与37名匹配的接受EID CT检查的患者进行了比较。
表1 PCD CT和EID CT检查的采集和重建参数
完整尺寸表格
CT采集和重建
37项心脏CT研究在第一代临床光子计数探测器CT系统（NAEOTOM Alpha，西门子医疗）上进行，37项心脏CT检查在最后一代双源CT扫描仪上使用能量积分探测器（SOMATOM Force，西门子医疗）进行。所有CT检查均在患者仰卧位、手臂抬高、头尾方向扫描的情况下进行，捕捉整个胸部和心脏。心脏CT检查在自由呼吸状态下进行，无需心电图（ECG）触发，但在体重调整后的静脉注射对比剂（碘普罗胺；Imeron 400，Bracco Imaging）后采用团注追踪技术，随后进行盐水冲洗。对比剂方案设定为3至6公斤体重的儿童固定剂量7毫升碘普罗胺，体重≥7公斤的儿童则按每公斤体重1毫升碘普罗胺的比例调整剂量。体重<3公斤的儿童不包含在研究集体中。CT扫描在四个心腔最佳充满对比剂时启动。最佳时间点由经验丰富的技术人员目视识别。
图像在两个CT系统上作为快速高螺距螺旋扫描获取。由于平均检查时间不到一秒钟，因此在较大儿童中未使用镇静剂，而在较小儿童中使用。详细的参数总结在表1中。为了定量和定性图像分析，图像使用基于原始数据的高级模型迭代重建级别2，切片厚度为1毫米，增量为0.7毫米进行重建。两种CT扫描仪的重建时间均为20至30秒。在初步分析中，三名独立评审员确定卷积核Br40（PCD CT）和Bv40（EID CT）提供了最可比的图像质量。因此，这些卷积核在定量和定性图像分析中使用，以提供针对CT扫描仪类型的盲法评估。
辐射暴露评估
记录每次CT检查的辐射暴露。这些参数包括体积CT剂量指数（CTDIvol）和剂量长度乘积（DLP）。有效辐射剂量按照之前描述的方法计算：剂量长度乘积 × 年龄相关的器官权重因子 = 有效辐射剂量。使用国际放射防护委员会发布的儿童胸部CT的权重因子，5岁以下儿童为0.032，5至10岁儿童为0.019。
图像质量的定量评估
图像质量的定量参数在基于感兴趣区域（ROI）的分析中确定。为了确定信噪比（SNR）和对比噪声比（CNR），圆形ROI手动放置在气管分叉上方的气管空气柱和主肺动脉的轴向图像上。ROI大小分别适应气管和肺动脉的直径，以包括尽可能大的区域而不测量相邻组织。气管内的ROI内CT衰减值的标准差（SD）定义为图像噪声。根据Braun等人所述，胸部CT中的对比度主要归因于肺血管和周围实质之间的衰减差异。SNR和CNR的计算如下：
- SNR = 肺干中的平均CT衰减值 / 气管内的图像噪声，
- CNR = （肺干中的平均CT衰减值 - 气管内的空气中的平均CT衰减值）/ 气管内的图像噪声。
射束硬化和电子噪声伪影的效果基于客观噪声量化，客观噪声定义为测量密度的SD。ROI放置在主动脉弓水平的椎旁肌肉处，这是典型的受射束硬化影响的部位（N1），以及通常不受射束硬化影响的胸大肌（N2）。射束硬化伪影（BHA）计算如下：
$${{\rm{BHA}}}=\sqrt{{N1}^{2}-{N2}^{2}}.$$
图像质量的定性评估
CT研究由两名在心脏CT方面具有超过15年经验的读者在不知晓扫描仪类型的情况下以共识方式进行分析。对比均匀性、锐度、整体图像质量和脉动伪影的存在使用5点李克特量表进行评分：5 = 优秀，无伪影；4 = 良好，轻微伪影；3 = 可评估，中度伪影；2 = 有限，严重伪影；1 = 不可评估。此外，还评估了四个近端冠状动脉段的图像质量：左主干动脉（LM）、近端左前降支动脉（LAD）、近端左回旋支动脉（LCX）和近端右冠状动脉（RCX）。近端段的评估如下：5 = 清晰显示无任何运动伪影，4 = 轻微运动伪影但诊断信心高，3 = 明显模糊，中度诊断信心，2 = 可识别但模棱两可，可能模拟其他结构，1 = 严重模糊，无法可视化任何冠状动脉段（未获得有用信息）。
统计分析
统计分析使用SPSS软件版本28（IBM）进行。根据Shapiro-Wilk检验测试数据的正态分布。相应选择非参数（Wilcoxon符号秩检验）和参数（配对t检验）。p值<0.05被认为具有统计学意义。值以均值±标准差表示，除非另有说明。
结果
患者特征
图1展示了从初始检索到最终研究队列的研究流程图。纳入了37名接受PCD CT检查的儿童和37名匹配的接受EID CT检查的儿童。研究队列的人口统计特征如表2所示。PCD CT组包括13名女孩和24名男孩，EID CT队列包括18名女孩和19名男孩。年龄、身高、体重和身体质量指数在两个研究队列之间没有显著差异（表2）。由于患者队列是基于其水当量直径进行匹配的，因此两组之间的水当量直径具有可比性（表2）。
图1
展示了从初始检索到最终研究队列的研究流程图
完整尺寸图像
表2 患者特征
完整尺寸表格
辐射暴露
与EID CT相比，PCD CT的体积CT剂量指数和剂量长度乘积显著更低（分别为0.20 ± 0.12 mGy和4.06 ± 3.22 mGycm，对比EID CT的0.37 ± 0.17 mGy和7.21 ± 4.67 mGycm；Wilcoxon符号秩检验，p < 0.001；见表3）。因此，PCD CT系统的平均CTDIvol降低了约46%，平均DLP降低了约44%。与EID CT扫描仪相比，PCD CT系统的有效辐射剂量也显著更低（0.11 ± 0.70 mSv对比0.20 ± 0.11 mSv，p < 0.001，表3）。图2展示了PCD CT与EID CT扫描仪在CTDIvol、DLP和有效剂量方面的箱形图和须状图。图3展示了CTDIvol和DLP相对于水当量直径的回归分析。在PCD CT检查的儿童中，确定了较低的辐射剂量分散，PCD CT与EID CT相比具有较高的R平方值（CTDIvol：0.75对比0.51；DLP：0.83对比0.65）。此外，图3显示辐射暴露的差异在水当量直径较低的儿童中趋于更高，即较小的儿童。
图2
箱形图和须状图比较了光子计数探测器计算机断层扫描（PCD CT）和能量积分探测器计算机断层扫描（EID CT）检查（各n = 37）在体积CT剂量指数（CTDIvol；A）、剂量长度乘积（DLP；B）和有效辐射剂量（C）方面的测量结果。箱子中的中间条表示中位数；须状线是下四分位数和上四分位数。非异常值范围包括在1.5 × 四分位距内的值；异常值是超出非异常值范围的值。PCD CT的CTDIvol、DLP和有效辐射剂量显著低于EID CT（p < 0.001）
完整尺寸图像
图3
体积CT剂量指数（CTDIvol；A）和剂量长度乘积（DLP；B）相对于水当量直径（Dw；各n = 37）的回归分析。光子计数探测器计算机断层扫描（PCD CT）相较于能量积分探测器计算机断层扫描（EID CT）数据点的较低散射通过PCD CT的较高R平方值反映出来（CTDIvol：0.75对比0.51；DLP：0.83对比0.65）
完整尺寸图像
表3 PCD CT和EID CT检查之间的辐射剂量、定量和定性图像质量差异
完整尺寸表格
图像质量
对于定量图像质量参数，两个患者组之间没有显著差异。SNR、CNR和射束硬化伪影的计算结果如表3所示。此外，在对比均匀性、锐度、脉动伪影的存在和整体图像质量的定性评估中没有发现显著差异（见表3和图4）。此外，近端冠状动脉段的描绘在两个扫描仪之间没有显著差异。定量和定性图像评估的结果总结在表3中。
图4
A, B 一名7个月大的女性患者（出生时患有法洛四联症）的光子计数探测器CT心脏检查。本次检查的体积CT剂量指数（CTDIvol）为0.11 mGy，剂量长度乘积（DLP）为1.9 mGycm，水当量直径为118 mm。C, D 一名5个月大的女性患者（出生时患有房室间隔缺损）的能量积分探测器CT心脏检查。本次检查的CTDIvol为0.35 mGy，DLP为5.8 mGycm，水当量直径为118 mm。在这两项研究中，心脏解剖结构可以非常好地描绘出来，包括冠状动脉（轴向方向中的箭头A和C）。B和D显示了矢状面中的主动脉弓
完整尺寸图像
讨论
本研究表明，在儿童心脏CT中可以减少超过40%的辐射暴露，而不会影响定量和定性图像质量。此外，在低辐射剂量CT协议中常见的典型伪影（如射束硬化）在使用PCD CT时并未增加，相比于EID CT扫描仪。
患有先天性心脏病的儿科患者通常年龄小于3岁，因此对辐射暴露非常敏感。同时，心脏解剖的精确描绘对治疗策略的跨学科规划具有递增的价值；因此，有必要对小型解剖结构进行精确评估和描述。在我们的研究中，尽管PCD CT检查的辐射剂量显著降低，但近端冠状动脉的定性评估仍与EID CT系统的研究相当（表3）。这与最近发表的关于成人PCD CT系统心脏CT检查的研究结果一致，后者显示了冠状动脉狭窄的出色描绘以及冠状动脉支架的清晰显示。Dirrichs等人最近的一项研究报告称，在比较使用90 kV（PCD CT）与70 kV（EID CT）管电压的CT研究时，PCD CT在疑似心脏缺陷的儿童中提供的SNR和CNR高于EID CT。我们的研究与Dirrichs等人研究的主要区别之一在于心脏CT使用的辐射剂量：Dirrichs等人报告称，在儿童中，PCD CT的平均DLP为14.34 mGycm，EID CT检查为16.14 mGycm。在我们的研究中，PCD CT的平均DLP为4.06 mGycm，EID CT系统的DLP为7.21 mGycm。因此，尽管包括了一个年龄较大的患者群体（我们研究中PCD CT的平均/中位年龄为794/190天，EID CT为815/254天，相比之下，Dirrichs等人发表的PCD CT中位年龄为48天，EID CT为77天），我们使用的辐射剂量仅为上述研究的三分之一。我们研究的优势在于匹配了接受PCD CT与EID CT系统检查的患者队列，并在两个扫描仪上使用了70 kV的技术调整CT协议。
最近的出版物发现，PCD CT检查在儿童中的图像质量非常好。与我们的研究相当的辐射剂量值，具有良好到出色的图像质量，来自最近一项描述儿童低剂量、未增强胸部PCD CT成像的初步经验的研究，其CTDIvol为0.21 ± 0.08 mGy，DLP为4.93 ± 2.27 mGy*cm。所评估的辐射暴露对应于已发表的数值，其中CTDIvol为0.2 ± 0.08 mGy被定义为儿童超低剂量胸部CT成像。在EID CT系统上使用低辐射剂量CT协议的主要限制之一是图像质量的损害和伪影（如射束硬化）的增加。在我们的研究中，与EID CT相比，使用非常低的辐射剂量进行PCD CT时，图像伪影并没有增加。类似的结果已在成人患者中报告过：Niehoff等人观察到，在进行超低剂量PCCT检查检测尿路结石的患者中，辐射剂量可以显著降低，而不会影响图像质量和诊断信心。此外，Symons等人使用肺癌筛查协议（120 kV，20 mAs）和迭代重建算法检查了30名健康志愿者，比较了PCD CT与EID CT研究。定量测量显示，在容易出现射束硬化的区域（例如顶叶和椎体周围），PCD CT的图像质量优于EID CT研究，图像噪声降低了15-17%，肺结节CNR提高了21%。总之，PCD CT成像已被证明是在增加空间分辨率、减少辐射剂量和保持或减少图像噪声之间的一个非常好的折衷方案。在我们的研究中，>40%的辐射暴露减少并未导致图像质量下降；然而，近端LAD描绘的p值为0.08（表3），在EID CT检查中有较高的趋势值，这可能表明进一步降低PCD CT上的辐射暴露可能会损害图像质量。
在我们的研究中，EID CT和PCD CT检查图像之间的定量图像分析（SNR、CNR和射束硬化伪影）没有发现显著差异。几项研究报道了在各种身体部位使用PCD CT时更高的CNR。然而，Gutjahr等人在他们的研究中比较了人体尸体临床剂量率下的EID CT和PCD CT研究，发现在80、100、120和140 kV水平下，PCD CT检查的CNR分别相对EID CT增加了11%、23%、31%和38%。在我们的研究中，使用了70 kV的管电压；因此，差异可能太小而无法显著。Stålhammar等人在PCD CT系统上以70 kV检查了35名患有先天性心脏缺陷的儿童，并以90 kV检查了另外35名患有先天性心脏缺陷的儿童；90 kV的尺寸依赖剂量估计和有效剂量较高，而两种管电压的定性诊断质量相同。Jungblut等人使用包含14个肺结节的人体胸部模型比较了PCD CT与EID CT检查的图像质量。在剂量匹配的体积CT剂量指数为0.41 mGy的情况下，PCD CT检测结节的灵敏度为95%，而EID CT检查为86%。然而，大多数研究对其研究参与者使用了剂量匹配，而在我们的研究中，患者是根据水当量直径进行匹配的，两个扫描仪之间的辐射剂量显著不同。此外，我们将PCD CT系统的结果与最新一代双源EID CT的CT研究进行了比较。知道在使用相似辐射剂量时可以改善图像质量，同时图像质量与传统CT相当，这一知识可以使那些非常低剂量成像很重要的患者（如儿科成像）的成像得到改善。
本研究有一些局限性。首先，队列规模有限，这是由于PCD CT与EID CT上匹配的两个患者队列造成的。然而，据我们所知，这是最大的已发表的患有先天性心脏病并使用70 kV管电压进行心脏PCD CT的患者队列。我们选择快速、高螺距螺旋扫描而不使用ECG门控，以最大限度地减少检查时间，包括镇静。根据我们的结果，即使是小血管，如冠状动脉的近端段，也能在很大程度上精确描绘。ECG门控可能会进一步提高图像质量。然而，根据我们的结果，快速高螺距螺旋扫描而不使用ECG门控可能适用于患有先天性心脏病的患者群体。然而，患者患有的先天性心脏缺陷形式不同。尽管如此，检查是可比的，因为所有CT扫描都在四个心腔最佳充满对比剂时开始。CT扫描仪的技术协议根据临床建议和技术可行性进行了调整，只有细微差异，如矩阵和螺距。儿童先天性心脏病CT检查的一个重要优势在于其能够提供高度详细解剖结构的可视化。然而，缺乏通过磁共振成像获得的功能信息。我们研究的另一个重要限制是我们排除了带有金属装置的患者，这将我们的患者群体限制在一个受限的亚组，因为先天性心脏病患者中金属装置的患病率相对较高。还需要进一步的研究，包括这些检查的数据。然而，在本研究中，我们旨在分析可比的患者组，并在患者匹配方面尽可能精确。另一个限制是回顾性设计。尽管如此，我们纳入了所有连续进行心脏CT的PCD CT患者，并根据水当量直径匹配了EID CT患者，从而形成了在年龄、体重、身高或BMI方面没有显著差异的可比组。通过使用PCD CT减少辐射暴露，同时保持或增强图像质量，可能会大幅推进儿童心脏成像技术。
总之，我们证明了在儿童心脏PCD CT检查中，图像质量在辐射暴露减少超过40%的情况下仍然保持稳定，与EID CT研究相比。因此，使用PCD CT对婴儿和儿童的先天性心脏病进行成像是不仅可行而且可取的。
(全文结束)
