На правах рукописи
КОНДРАТЬЕВ ЕВГЕНИЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ
ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОТОКОЛОВ МУЛЬТИСПИРАЛЬНОЙ КОМПЬЮТЕРНОТОМОГРАФИЧЕСКОЙ АНГИОГРАФИИ
14.01.13 –лучевая диагностика, лучевая терапия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата медицинских наук
www.rncrr.ru
Москва-2013
Работа выполнена в ФГБУ «Институт хирургии им. А. В. Вишневского» Минздрава
России (директор – академик РАМН, профессор Кубышкин В.А)
НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:
Лауреат Премии Правительства РФ, доктор медицинских наук,
профессор Кармазановский Григорий Григорьевич
ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:
доктор медицинских наук, профессор
Синицын Валентин Евгеньевич,
Руководитель Центра лучевой диагностики ФГБУ «Лечебно-реабилитационный центр»
Минздрава России.
доктор медицинских наук, профессор
Нуднов Николай Васильевич,
Заместитель директора по науке, ФГБУ «Российский научный центр
рентгенорадиологии» Минздрава России
ВЕДУЩЕЕ УЧРЕЖДЕНИЕ:
ГБОУ ВПО «Первый Московский государственный медицинский университет им И.М.
Сеченова» Минздрава России
Защита состоится «___» __________2013 г. на заседании диссертационного совета
Д 208.081.01 при ФГБУ «Российский научный центр рентгенорадиологии» Минздрава
России по адресу: 117997, Москва, ул. Профсоюзная, д.86
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБУ «Российский научный центр
рентгенорадиологии» Минздрава России (117997, Москва, ул. Профсоюзная, д.86)
Автореферат разослан «___» _________ 2013г.
Ученый секретарь диссертационного совета
Доктор медицинских наук, профессор З.С.Цаллагова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Мультидетекторная компьютерная томография
(МДКТ) — одна из наиболее динамично развивающихся областей диагностической
медицины. Компьютерная томография значительно эволюционировала с момента
изобретения компьютерного томографа в 1972 году. Снижение длительности
сканирования, а также увеличение ширины полоски детекторов предъявляет серьезные
требования к протоколам сканирования. Получение оптимального качества изображения
в области интереса — первоочередная задача КТ-ангиографии, так как его снижение
может значительно изменять чувствительность и специфичность метода, повышая
частоту ложно-положительных и ложно-отрицательных результатов (Cademartiri F. c
соавт., 2005). Однако, как известно, качество изображений при КТ напрямую зависит от
дозы ионизирующего излучения, которое является основным недостатком КТангиографии.
Медицинское облучение взрослого населения возросло практически в 6 раз с
1980 года. Доля компьютерной томографии в общей структуре медицинского облучения
пациента растет с каждым годом все больше и на данный момент занимает
лидирующую позицию. Лучевая нагрузка при КТ варьирует от 45 до 90 мЗв, а в
некоторых случаях кумулятивная доза может достигать 579 мЗв (Mettler F Jr с соавт.,
2009; Smith-Bindman R. с соавт., 2009; Griffey R. с соавт.,2009). Существует острая
необходимость обратить внимание рентгенологов и врачей других специальностей на
все растущую индивидуальную и коллективную лучевую нагрузку.
Основной вклад в избыточное облучение пациента вносит неправильное
применение настроек системы, выполнение лишних фаз сканирования, а также
неправильное
планирование
процедуры,
что
обусловлено
отсутствием
единых
рекомендаций по проведению КТ-исследований.
Существует множество работ, особенно в иностранной литературе, освещающих
вопросы сканирования и оптимизации лучевой нагрузки при КТ-исследованиях.
Обсуждены ряд способов снижения лучевой нагрузки, такие как снижение силы тока
или напряжения на рентгеновской трубке, изменение области сканирования, выбор
оптимального количества фаз исследования и другие. (Utsunomiya D. и соавт., 2010;
Nakayama Y. и соавт., 2006; и др.). У всех этих работ есть ряд ограничений, одно из
3
наиболее весомых — подавляющее большинство из них выполнено на специально
разработанных фантомах, которые не могут в полной мере симулировать организм
человека, и не учитывают его физические параметры, такие как, рост, вес, содержание
жировой клетчатки (Coursey C. и соавт., 2011). Многие авторы предлагают изменение
какого-либо одного параметра сканирования, при этом их исследования проведены в
большинстве случаев в условиях выборки пациентов с низким значением индекса массы
тела, что оставляет вопросы возможности применения у пациентов ожирением и
избыточной массой тела (нормальные и высокие значения ИМТ).
Снижение лучевой
нагрузки приводит к выраженной
деградации
КТ-
изображения, что является основным препятствием к их широкому использованию.
Сейчас в практику внедряются новые алгоритмы реконструкции изображений,
названные итеративными, позволяющие провести очистку изображения от шума и
артефактов, значительно повышая их качество. Исследования, проведенные на
фантомах, показали, что алгоритмы итеративной реконструкции (ИР) значительно
снижают шум в изображении, не изменяя его текстуру и пространственное разрешение
(Funama Y. с соавт., 2011). Вопросы сохранения диагностической ценности
низкодозовой КТ в сочетании с применением алгоритма ИР не освещены в литературе.
В свою очередь, отсутствуют рекомендации к выбору и индивидуализации
параметров КТ-ангиографии. Единой систематизированной работы по оптимизации
протоколов КТ-ангиографии на сегодняшний день не существует. Учитывая эти
недостатки, все большую потребность в высококачественном диагностическом
процессе, необходимо проводить адаптацию протоколов КТ-ангиографии, что и явилось
основанием к выполнению настоящей работы.
Цель исследования
Оптимизировать
протоколы
сканирования
при
КТ-ангиографии
аорты,
брахиоцефальных, коронарных артерий, а также артерий таза и нижних конечностей.
Задачи исследования
1.
Разработать оптимальные протоколы КТ-ангиографии, позволяющие при
сохранении качества получаемого изображения достичь минимальной лучевой нагрузки.
2.
Определить возможности итеративной реконструкции в сохранении
оптимального качества изображения при проведении низкодозовой КТ-ангиографии.
4
3.
Определить диагностическую ценность низкодозовой КТ-ангиографии в
определении значимого атеросклеротического поражения артерий.
4.
Разработать алгоритм выбора оптимального протокола КТ-ангиографии в
зависимости от диагностических потребностей и физических параметров пациента для
получения достаточного качества КТ-изображений при минимальной лучевой нагрузке.
Научная новизна
Впервые обобщены и оптимизированы протоколы проведения КТ-ангиографии
различных областей тела человека с целью максимальной индивидуализации и
снижения лучевой нагрузки при сохранении достаточного качества изображений.
Оценены возможности специального метода реконструкции изображений,
такого как итеративная реконструкция. Показана значительная эффективность его
применения в сочетании с низкодозовыми протоколами КТ-ангиографии.
Разработан алгоритм выбора оптимального протокола КТ-ангиографии в
зависимости от диагностических потребностей и физических параметров пациента для
получения достаточного качества КТ-изображений при минимальной лучевой нагрузке.
Практическая значимость
Проведенные исследования показали возможность снижения лучевой нагрузки
на пациента до 77% без значительной потери качества изображения при КТангиографии аорты, брахиоцефальных, коронарных артерий, а также артерий таза и
нижних конечностей. Разработан алгоритм выбора оптимального протокола КТангиографии различных областей в зависимости от физических показателей тела
пациента и клинической ситуации.
Положения, выносимые на защиту
В вопросе подбора лучевой нагрузки необходимо придерживаться принципа
ALARA (as low as reasonably achievable), то есть следует максимально снижать лучевую
нагрузку
при
сохранении
визуального
качества
и
диагностической
ценности
исследования.
Качество получаемых при КТ-ангиографии изображений, лучевая нагрузка, и
диагностическая ценность напрямую зависит от правильного выбора протокола
сканирования.
КТ-ангиография
коронарных
артерий,
аорты,
артерий
таза
и
нижних
конечностей, выполненная с использованием низкодозовых протоколов в сочетании с
5
итеративной реконструкцией изображений, обладает сравнимой диагностической
ценностью
с
КТ-ангиографией,
выполненной
с
использованием
стандартных
протоколов.
Внедрение результатов исследования в практику
Результаты работы внедрены в практику отдела лучевой диагностики ФГБУ
«Институт хирургии им.А.В. Вишневского» Минздрава России.
Апробация работы
Основные положения диссертации изложены на научно-практическом конгрессе
российских радиологов «Рентгенорадиология в онкологии» с международным участием
(г. Москва, 2011); IV и VI Всероссийском Национальном конгрессе лучевых диагностов
и терапевтов. «Радиология 2010» и «Радиология 2012» (г. Москва, 2010-12гг.);
Европейском конгрессе Радиологии (г. Вена, Австрия, 2013), апробация работы
проведена 05.07.2013 на совместной научно-практической конференции отделений
сосудистой хирургии, кардиохирургии и отдела лучевой диагностики ФГБУ «Институт
хирургии им. А.В. Вишневского» Минздрава РФ.
Публикации по теме диссертации
По материалам диссертации опубликовано 13 работ в центральной печати и
сборниках научных конференций, в том числе одно методическое пособие. Из них 3 – в
журналах, входящих в перечень научных изданий, рекомендованных ВАК.
Объем и структура диссертации
Работа изложена на 165 страницах машинописного текста и состоит из введения,
списка сокращений, оглавления, 3 глав, заключения, 49 таблиц, 62 рисунков.
Библиографический указатель состоит из 110 источников, из них 5 отечественных и 105
зарубежных.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Клиническая характеристика больных и методов исследования
В основу работы положен анализ обследования 247 пациентов (51 женщина и
196 мужчин в возрасте от 21 до 81 года, средний возраст составил 61±10 лет),
включенных в исследование с сентября 2011 года по апрель 2013 года последовательно,
6
согласно критериям отбора. Все пациенты находились на лечении в отделениях
сосудистой хирургии, кардиохирургии, гнойной хирургии Института хирургии им А.В.
Вишневского.
Все пациенты распределены по группам в зависимости от типа КТисследования, на которые они направлялись. Таким образом, сформировалось три
большие группы: КТ-БЦА – исследования брахиоцефальных артерий, КТ-КГ –
исследование коронарных артерий, КТ-АНК – исследование аорты, артерий таза и
нижних конечностей. Подавляющее большинство пациентов были направлены на КТ с
целью оценки степени атеросклеротического поражения сосудистого русла (90%).
С диагностическими целями у всех пациентов группы КТ-БЦА оценивали 879
артериальных сегментов. Оценку количественных параметров проводили в 458
сегментах.
С диагностическими целями у всех пациентов группы КТ-КГ оценили 834
артериальных сегмента. Оценка количественных параметров проводили в 186
сегментах.
В группе КТ-АНК оценили 2250 артериальных сегментов.
Исследования выполняли на 256-срезовом компьютерном томографе Philips
Brilliance iCT (Philips Healthcare, Cleveland, OH). Для болюсного контрастного усиления
использовали автоматический двухголовчатый инжектор Optivantage DH (Covidien,
USA). Во всех случаях внутривенно вводили неионный рентгеноконтрастный препарат
Оптирей (йоверсол) с концентрацией йода в растворе 300 мг\мл. Обработку
изображений, построение мультипланарных и трехмерных реконструкций, оценку
количественных параметров проводили на рабочей станции рентгенолога Philips
Brilliance Portal в программе CT-viewer и Advanced Vessel Analysis (AVA).
Пациентам в группе КТ-БЦА выполняли сканирование брахиоцефальных
артерий в спиральном режиме без синхронизации с ЭКГ. Основные параметры
сканирования, болюсного контрастного усиления и реконструкции изображений
представлены в табл. 1.
Пациентам, которым выполняли КТ-коронарных артерий при ЧСС ≤65 уд/мин и
отсутствии
сканирование
показаний
к
выполняли
постпроцессорному
в
режиме
исследованию
проспективной
функции
синхронизацией
сердца,
по
ЭКГ.
Ретроспективную синхронизацию применяли в случае, если ЧСС>70 уд/мин. Основные
7
параметры сканирования, болюсного контрастного усиления и реконструкции КТкоронарных артерий представлены в таблице 2. У пациентов из группы КТ-АНК
сканирование выполняли в спиральном режиме без синхронизации с ЭКГ. Основные
параметры
сканирования,
болюсного
контрастного
усиления
и
реконструкции
представлены в табл. 3.
Таблица 1
Параметры сканирования и реконструкции изображений КТбрахиоцефальных артерий
Параметры сканирования
Напряжение, кВ
Сила тока, мАс
Реконструкция данных
Группы пациентов
«120кВ»
«100кВ»
«80кВ»
n=22
n=22
n=15
120
100
80
250
FPB
FBP, iDose3, iDose4, iDose5
Объективную оценку изображений проводили путем регистрации таких
количественных показателей изображений, как внутриартериальная плотность, шум,
соотношение
контраст-шум.
Для
субъективной
оценки
качества
исследований
использовали аксиальные, мультипланарные проекции максимальных интенсивностей
(MIP) и 3D-изображения.
Таблица 2
Протоколы сканирования и реконструкции изображений КТ-коронарных
артерий
Параметры сканирования
Синхронизация с ЭКГ
Группы пациентов
«120кВ»
Напряжение, кВ
Реконструкция данных
«80кВ»
RETRO, PRO, RETRO, PRO, RETRO, PRO,
n=16
Сила тока, мАс
«100кВ»
n=7
n=13
120
n=9
n=3
100
800
200
FBP
800
n=14
80
200
800
200
FBP, iDose3, iDose4, iDose5
В исследованиях протоколов КТ-БЦА качество изображений классифицировали
на основе 4-х балльной шкалы, при этом исследованию с плохим качеством выставляли
1 балл, с отличным качеством – 4 балла. В других исследованиях (КТ-КГ, КТ-АНК)
8
визуальный анализ проводили на основе трехбалльной классификации качества
изображений: 1 балл – плохое качество, 3 балла – отличное качество.
Таблица 3
Протоколы сканирования и реконструкции изображений КТ-аорты,
артерий таза и нижних конечностей
Группы пациентов
Параметры сканирования «120кВ» «80кВ» «120кВ-50мАс»
«100кВ»
n=30
n=30
n=45
n=20
Напряжение, кВ
120
80
120
100
Сила тока, мАс
200
200
50
200
Реконструкция
FBP
FBP
FBP, iDose3, iDose4, iDose5
В диагностических целях определяли степень поражения артерий. При
атеросклеротическом поражении обязательно регистрировался сегмент артерии, в
котором обнаружено поражение, вид поражения и степень сужения (стеноза) артерии.
Для оценки лучевой нагрузки из автоматически генерируемого программой
компьютерного томографа отчета Dose Info производили запись значений объемного
индекса дозы КТ (CTDIvol) и значения произведения дозы на длину сканирования.
Эффективная доза (ED) вычислялась по формуле:
Методы статистической обработки результатов
Статистическая обработка данных была произведена на основе результатов
проспективного
анализа
исследований
247
пациентов
с
атеросклеротическим
поражением какого-либо артериального бассейна. Статистическая обработка данных
выполнена на персональном компьютере с использованием электронных таблиц
"Microsoft Excel" и пакета программ SPSS 21 (версия 21.0.0.0; SPSS, Chicago, IL). Все
полученные инструментальные данные обработаны методом вариационной статистики.
Различия признавались статистическими значимыми при р<0,05.
Для анализа и сравнения в группах количественных величин с нормальным
распределением рассчитывали двухсторонний (парный и непарный) t-критерий
Стьюдента. Для сравнения непараметрических переменных (визуальная оценка и
9
наличие артефактов) в парных выборках (между различными реконструкциями одной
группы
КТ-исследований)
использовали
критерий
Фридмана.
Для
сравнения
непараметрических переменных в независимых выборках (сравнение визуальных
оценок в группах с различными параметрами сканирования) использовали U-критерий
Манна-Уитни.
Для оценки возможностей компьютерной томографии при использовании
низкодозовых протоколов в диагностике значимых стенозов артерий оценивали
чувствительность,
специфичность
метода,
положительное
и
отрицательное
предсказательное значение. Расчет критериев производился исходя из посегментного
сравнения результатов КТ-исследования с результатами дигитальной субтракционной
ангиографии (ДСА).
РЕЗУЛЬТАТЫ СОБСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНЫХ ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
КТ исследования брахиоцефальных артерий
Шея – достаточно сложная область для проведения КТ-сканирования, в первую
очередь, это связано с массивными костными структурами, находящимися на уровне
входа в грудную клетку. При сканировании, особенно у пациентов с большой массой,
возникает множество артефактов, значительно снижающих диагностическую ценность
изображений, и затрудняющих оценку просвета ОСА, подключичной артерии,
проксимального сегмента позвоночных артерий. Снижение лучевой нагрузки при таких
исследованиях ведет к увеличению количества артефактов и ухудшению других
характеристик изображения.
В нашем исследовании при снижении напряжения на рентгеновской трубке до
100кВ и 80кВ происходило значительное уменьшение эффективной дозы: на 43%
(4.14±1.03 мЗв) при использовании напряжения 100кВ и на 70%(2,09±0,23мЗв) при
использовании напряжения 80кВ, по сравнению с эффективной дозой в группе «120кВ»
(7.18±1.19 мЗв), рис. 1 и табл. 4.
Снижение
лучевой
нагрузки
сопровождалось
повышением
средней
внутриартериальной плотности на 25% и 30%, соответственно. При этом также
значительно повышался шум в изображении на уровне ВСА и СМА в 1,7 раза при
использовании напряжения 100кВ и в 3 раза при использовании напряжения 80кВ. На
10
уровне плечевого пояса повышение уровня шума в группе «100кВ» по сравнению с
группой «120кВ» было незначительным и составляло 19% (табл. 4).
Рис.1 Лучевая нагрузка при использовании низкодозовых протоколов «100кВ» и
«80кВ» в сканировании брахиоцефальных артерий.
Повышение шума на 66% в изображении на уровне пояса верхних конечностей
было значимым при использовании напряжения 80кВ (p<0,001). Уровень CNR также
изменился при использовании напряжения 80кВ при сканировании, его значение
уменьшилось на 54% несмотря на значительное повышение степени контрастирования
просвета сосудов, в то время как использование напряжения 100кВ не приводило к
изменению значения CNR.
Таблица 4
Результаты количественного анализа изображений в группах КТ-БЦА
Количественные
параметры
изображений
Группы
Группа 1
(120кВ,
FBP)
Внутриартериальная
236.5 ± 46
плотность (ед,Н)
Шум
(ОСА,
пояс
26.3 ± 13.3
верхних конечностей)
Шум (ВСА)
11.94 ± 3.24
CNR
(ОСА,
пояс
8.94 ± 3.1
верхних конечностей)
Значение p
Группа 2
Группа 3
(100кВ,
(80кВ, FBP)
FBP)
302.6
±
331±30
32.7
p(1-2)
32.5 ± 12.5
76,4 ± 24
0.115
25.54
4.66
36,5 ± 8,9
<0.0001
3,94 ±1,2
0.794
±
8.59 ± 2.7
11
p(1-3)
p(2-3)
<0.0001
<0.0001
Частота появления серьезных артефактов от пояса верхних конечностей,
мешающих оценке просвета сосуда, при использовании 100кВ увеличилась значительно,
более чем на 27 % и наблюдалось в 41% случаев.
На 14% возросла частота появления минимальных артефактов при снижении
лучевой нагрузке. Визуальная оценка полученных данных также снизилась значительно
в группе 100кВ в основном за счет усиления шума и появления артефактов на уровне
плечевого пояса.
Удовлетворительное качество (2 балла) было получено в 9% случаев в группе
120кВ, и в 28% в группе 100кВ. При снижении напряжения до 80 кВ качество
изображений снизилось в 100% случаев, при этом хорошее качество (3 балла) было
получено только в 6,5% случаев. Более половины пациентов в группе «80кВ» имели
плохое качество изображений при реконструкции методом FBP, при этом выраженные
артефакты, затрудняющие оценку изображений, наблюдали в 93,5% случаев (табл. 5, 6).
Эти данные позволили нам сделать вывод, что снижение лучевой нагрузки на
43% и 77% путем уменьшения напряжения до 100кВ и 80кВ соответственно приводит к
значительному снижению качества получаемых изображений, увеличению шума и
количества
артефактов
в
изображении.
Все
это
может
стать
значительным
ограничивающим фактором применения низкодозовых протоколов в исследованиях
брахиоцефальных артерий, а также других структур шеи. Наши данные отличаются от
исследования Kayan M. с соавт. (2012), которое показало, что проведение низкодозовых
исследований брахиоцефальных артерий позволяет снизить лучевую нагрузку и
сохранить качество изображений. Однако в этом исследовании ничего не говорится об
указанных нами артефактах, хотя их появление возможно при проведении исследований
со стандартной дозой и повышается при снижении лучевой нагрузки.
Вышеописанные
изменения
происходят
при
применении
стандартных
алгоритмов реконструкции изображений – FBP. При его использовании шум в
изображении и артефакты могут стать препятствием для снижения лучевой нагрузки.
Наши результаты показали, что использование ИР в исследованиях с
напряжением 100кВ позволяет значительно улучшить качество изображения, снизить
шум и избавиться от артефактов (рис. 3, 4, 5, табл. 6). Суммарная оценка качества
значительно возросла (p<0,0001).
12
Таблица 5
Субъективный анализ общего качества исследований и наличия артефактов в
изображениях КТ-исследований брахиоцефальных артерий
Протоколы
Качество изображений
Артефакты
сканирования
4
3
2
1
Нет/
Умеренн Выраженн
отлично
хорошо
удовл.
плохо
минималь
ые
ые
13 (59%)
6 (29%)
3 (14%)
ные
120 кВ
13(59%)
7 (32%)
100 кВ, FBP
4 (18%)
12 (54%) 6 (28%) 0
4(18%)
9(41%)
9(41%)
100кВ, iDose3
17 (77,3%)
5
2 (9%)
0
0
0
20 (91%)
1 (4,5%)
1 (4,5%)
(22,7%)
100кВ, iDose4
21(95,5%)
1 (4,5%)
0
0
21(95,5%)
1 (4,5%)
0
100кВ, iDose5
22(100%)
0
0
0
22 (100%)
0
0
80 кВ, FBP
0
1 (6,5%)
6(40%)
8(53,5%) 1(6,5%)
0
14(93,5%)
Применение iDose3 в группе «100кВ» позволило на 73% уменьшить количество
исследований с артефактами. При уровне iDose4 только в 4,5 % случаев наблюдалось
снижение качества полученных изображений. Уровень iDose5 позволил получить
отличное качество изображения в 100% случаев.
Таблица 6
Наличие
артефактов
от
пояса
верхних
конечностей
в
изображениях,
реконструированных с помощью FBP и алгоритма итеративной реконструкции
(iDose)
Протокол сканирования
«100кВ»
«120кВ
Алгоритм
реконструкции
Артефакты, %
случаев
«80кВ»
FBP
FBP
iDose3
iDose4
iDose5
FBP
iDose3
iDose4
iDose5
41%
82%
9%
4.5%
0%
94%
60%
6%
0%
Так уже при применении уровня iDose3 все исследования в группе «100кВ»
имели отличное или хорошее качество изображения. Суммарная оценка качества
значительно возросла (p<0,0001) (рис. 5). Применение низкодозовых протоколов
13
«100кВ» вызвало снижение качества КТ-изображений преимущественно у всех
пациентов с избыточной массой тела и ожирением. Применение протокола «80кВ» и
реконструкции FBP вызывало снижение качества вне зависимости от ИМТ пациента, а у
пациентов
с
ИМТ
более
25
кг/м2
качество
в
100%
случаев
падало
до
удовлетворительного и плохого с наличием большого количества артефактов.
Рис. 3 Значения CNR(а) и уровня шума(б) в изображениях, реконструированных с
помощью FBP и iDose, в группе «100кВ» КТ-БЦА.
Наше исследование подтвердило данные Utsunomiya D. и др. (2012), что
применение ИР позволяет улучшить качество изображений у пациентов с ожирением и
избыточной массой тела при использовании стандартных протоколов. Кроме этого наши
данные подтвердили возможность использовать низкодозовые протоколы в сочетании с
ИР у пациентов с ожирением. Повышение качества изображений до отличного удалось
достичь в подавляющем большинстве случаев (95%) при применении iDose4 и
протокола «100кВ». В группе «80кВ» применение iDose4 позволило добиться отличного
и хорошего качества изображения в 93,5% случаев (рис. 5).
Использование ИР рекомендуется во всех случаях сканирования с напряжением
100кВ на рентегновской трубке, но не обязательно у пациентов с ИМТ <25 кг/м2.
Сканирование с напряжением 100кВ у пациентов с ожирением (ИМТ>30кг/м2) можно
проводить только при наличии алгоритмов ИР.
14
Рис. 4 Значения CNR(а) и уровня шума(б) в изображениях, реконструированных с
помощью FBP и iDose, в группе «80кВ»
Рис 5. Двухфакторный ранговый дисперсионный анализ Фридмана оценки качества
изображений, полученных при помощи различного вида реконструкций в группе «100кВ»
и «80кВ» КТ-БЦА.
Применение 80 кВ невозможно в сочетании с алгоритмом реконструкции FBP,
так как у большинства пациентов приведет к появлению выраженных артефактов,
ухудшению качества и невозможности оценки стеноза исследуемых артерий, особенно
на уровне пояса верхних конечностей. При наличии алгоритмов ИР этот протокол
можно использовать у пациентов с ИМТ не более 30 кг/м2.
КТ-исследования коронарных артерий
Применение
протоколов
«100кВ» и
«80кВ» сопровождалось значимым
снижением лучевой нагрузки на 50% и 80% (p<0,001), соответственно, как в группах
15
КТ-КГ, где применялась проспективная синхронизация, так и в группах, где
применялась ретроспективная синхронизация (рис. 6).
Снижение лучевой нагрузки сопровождалось закономерным повышением шума
в изображениях коронарных артерий при использовании протоколов «100кВ» и «80кВ»
на 36% (p<0,01) и 56% (p<0,001), соответственно, что вызывало деградацию качества
изображений. Так, наши данные показали значительное снижение качества изображений
при использовании протоколов «100кВ» и «80кВ» в общей популяции исследования.
Рис. 6. Лучевая нагрузка в группах КТ-КГ «120кВ», «100кВ» и «80кВ».
Стоит отметить, что в 50% случаев при использовании протокола «100кВ» качество
изображения снижалось без ограничения возможности оценки стеноза коронарных
артерий. При использовании протокола «80кВ» в 76% исследований было отмечена
деградация качества изображений, при этом в 24% случаев невозможно было оценить
степень поражения коронарных артерий (рис. 7). Как и в следованиях других авторов
(LaBounty T. с соавт., 2011; Moscariello A. с соавт., 2011; Bischoff B. с соавт., 2009) у
большинства пациентов с нормальным ИМТ (<25кг/м2) в нашем исследовании при
использовании низкодозового протокола «100кВ» качество изображения значимо не
снижалось по сравнению с результатами исследований пациентов, сканирование
которым проводилось с использованием протокола «120кВ».
В целом же по группе, если не принимать во внимание ИМТ пациентов, качество
было снижено на 1 уровень, т.е с возможностью оценки степени поражения коронарных
артерий. При использовании протокола «80кВ», в отличие от исследования LaBounty
T.M. и др. (2011), наши данные показали значительное ухудшение качества изображения
даже у пациентов с нормальным значением ИМТ.
16
Рис 7. Диаграммы, отражающие структуру качества изображений КТ-коронарных
артерий, полученных с использованием протокола «100кВ», «80кВ», реконструированных
методом FBP.
Таким
образом,
наше
исследование
подтвердило
зависимость
качества
низкодозовых КТ-исследований коронарных артерий от ИМТ пациента. Наблюдалась
значимая отрицательная корреляция (-0,571, p=0,006) качества изображений и ИМТ. Мы
также обнаружили зависимость качества изображений от окружности грудной клетки,
при этом зависимость была сильнее, чем зависимость от ИМТ пациента (- 0,615;
p=0,002). Поэтому при КТ-коронарографии окружность грудной клетки, по нашим
данным, является лучшим предиктором качества изображения, нежели ИМТ.
Применение низкодозовых протоколов в сочетании со стандартным алгоритмом
реконструкции FBP у пациентов с окружностью грудной клетки боле 110 см приводило
к снижению качества изображений в 100% случаев.
Использование итеративной реконструкции при КТ-коронарографии приводило
к значительному снижению уровня шума в изображениях и повышение значения СNR
(рис. 8). Winklehner A. и др. (2011) показали, что использование ИР позволяет сохранить
качество изображений при 50% снижении лучевой нагрузки, в свою очередь по нашим
данным, сохранение качества изображений регистрировали только среди пациентов с
нормальной или низкой массой тела, у пациентов с ожирением полного восстановления
качества изображений не происходило. Применение ИР не показало достаточной
эффективности при снижении лучевой нагрузки на 80% (протокол «80кВ»), улучшение
качества происходило, однако, не столь эффективно как при применении «100кВ» ввиду
очень высокого уровня шума и деградации пространственного разрешения.
Также наши данные показали, что использование низкодозового протокола
«100кВ» в сочетании с итеративной реконструкцией при КТ-КГ позволяет достичь
17
сравнимой со стандартным протоколом диагностической ценности в определении
значимого сужения просвета коронарной артерии ≥70% (табл. 7).
Таблица 7
Показатели диагностической ценности КТ-коронарографии в сравнении
с данными литературы
Показатели
Наши
данные,
Leipsic J и др. (2011)
Pontone
100кВ
120кВ
(2012),
«100кВ»
G.
и
соавт.
Метаанализ
120кВ КТ-КГ
Чувствительность
88%
86%
87%
90%
Специфичность
97%
92%
92%
96%
PPV
93,7%
-
-
99%
NPV
95%
-
-
69%
Точность
94,7%
91%
92%
95%
КТ-ангиография аорты, артерий таза и нижних конечностей
КТ-сканирование аорты, артерий таза и нижних конечностей в нашем
исследовании проводилось с использованием 4 разных протоколов: стандартного
«120кВ», и низкодозовых «100кВ», «80кВ», «120кВ50мАс».
Применение протокола «100кВ» позволило снизить лучевую нагрузку на 40%
(16,3±1,4 мЗв),
протокола
«80кВ»
-
на
70%(8±1,7 мЗв),
«120кВ50мАс»
-
на
77%(6,25±1 мЗв). Разница при попарном сравнении была значимая (p<0,001).
При снижении лучевой нагрузки вне зависимости от протокола отмечалось
значимое повышение уровня шума в изображениях во всех низкодозовых группах.
Однако, при применении протоколов «100кВ» и «120кВ50мАс» значимого различия в
уровне шума не наблюдалось, хотя присутствовала тенденция к его увеличению (рис. 8).
В группах, где использовали напряжение 100кВ на рентгеновской трубке, изменения
CNR было недостоверным по сравнению со стандартным протоколом. Применение
протоколов «80кВ» и «120кВ50мАс» сопровождалось значимым снижением CNR
(p<0,001). Снижение напряжения на рентгеновской трубке приводило к повышению
внутрипросветного контрастирования, что наилучшим образом отразилось на качестве
низкоконтрастных исследований.
18
Рис. 8. Уровень шума и внутриартериальное контрастирование в КТ-изображениях
при применении различных протоколов КТ-АНК.
Применение итеративного алгоритма реконструкции позволило значительно
снизить уровень шума в группах«120кВ50мАс» и «100кВ». (рис. 9). Так в группе
«100кВ» использование iDose3 позволило снизить уровень шума в изображениях на 25%
– с 44,9±17 до 33,8±10. Применение iDose4 снизило уровень шума на 40% до 27,1±8,2;
iDose5 – на 48% до 23,6±7,83. (p<0,001).
При анализе полученных данных установлено, что основной областью, где
происходит снижение визуального качества изображений, является аорто-подвздошный
сегмент. В группе «80кВ» при применении стандартного алгоритма реконструкции FBP
снижение качества до удовлетворительного наблюдали в 47% случаев, в 7% случаев
качество не позволяло провести оценку состояния аорто-подвздошного сегмента.
Снижение качества в группе «120кВ50мАс» с реконструкцией FBP наблюдалось
в 40% случаев (p<0,001), в 7% зарегистрировано плохое качество. В то время как в
группе «100кВ» снижение качества на 1 уровень зарегистрировано только в 25%
случаев, ни одного случая плохого качества (1 балл) не было (рис. 10).
Снижение качества в группе «120кВ50мАс» с реконструкцией FBP наблюдалось
в 40% случаев (p<0,001), в 7 % зарегистрировано плохое качество. В то время как в
группе «100кВ» снижение качества на 1 уровень зарегистрировано только в 25%
случаев, ни одного случая плохого качества (1 балл) не было (рис. 10).
Сканирование с протоколом «100кВ» привело к снижению лучевой нагрузки на
40%, при этом значимого снижения качества изображений в группе при сравнении с
протоколом «120кВ» не отмечено.
19
Рис. 9. Изменение уровня шума при применении алгоритма итеративной реконструкции
различного уровня в группах «120кВ50мАс» и «100кВ» КТ-аорты и артерий нижних
конечностей.
Реконструкция изображений с применением итеративных алгоритмов позволило
значительно повысить их качество, так при использовании iDose 3 отличное качество
изображений получено в 95% случаев вне зависимости от ИМТ пациента. В группе
«120кВ50мАс» наблюдалась подобная закономерность.
Рис.10. Диаграммы, отражающие структуру качества КТ-изображений на уровне
аорто-подвздошного сегмента в группах «120кВ», «80кВ», «120кВ50мАс», «100кВ».
Показатели чувствительности, специфичности, PPV, NPV и точности КТ-АНК с
использованием различных протоколов отражены в таблице 8.
Таким
образом,
применение
стандартных
протоколов
сканирования
необоснованно увеличивает лучевую нагрузку на пациента. Применяя низкодозовые
протоколы сканирования можно добиться снижения лучевой нагрузки на 50-80%, что
позволит выполнять дополнительные контрольные КТ-исследования, а также снизить
риск возможного развития злокачественного новообразования.
Таблица 8.
20
Показатели диагностической ценности низкодозовой КТ-АНК в сравнении с
данными литературы
Показатели
«100кВ» «80кВ» «120кВ
50мАс»
F. Fraioli и соавт. Catalano
C.
(2006) 120кВ 50мАс
(2004)
соавт
и
120кВ
Чувствительность
96%
93%
96%
96%
96%
Специфичность
98%
99%
97%
94%
93%
PPV
92%
96%
86%
95%
-
NPV
99%
98%
99%
83%
-
Точность
98%
98%
97%
99%
94%
Снижение лучевой нагрузки обуславливает закономерную деградацию качества
изображений, что в первую очередь связано с повышением уровня шума в изображении.
Наибольшее снижение качества при всех прочих равных условиях будет происходить у
пациента с избыточным весом и ожирением, в то время как у пациентов с нормальным
или низким ИМТ качество будет достаточным для диагностических целей даже при
значительном снижении лучевой нагрузки. На качество изображений при выполнении
КТ-КГ в большей степени влияет окружность грудной клетки, при увеличении которой
происходит увеличение уровня шума. Компенсировать данные изменения призвана ИР,
которая показала значительную эффективность в повышении качества изображений
низкодозвых исследований за счет снижения уровня шума и избавления от артефактов.
ВЫВОДЫ
1.
Представленные низкодозовые протоколы КТ-ангиографии брахиоцефальных,
коронарных артерий, аорты, артерий таза и нижних конечностей позволяют
максимально
снизить
лучевую
нагрузку
при
сохранении
достаточного
визуального качества и диагностической ценности исследования. Использование
напряжение на рентгеновской трубке 100кВ способствует снижению лучевой
нагрузки на 40-50%, при применении напряжения 80кВ или протокола
«120кВ50мАс» - на 77-80%, однако, в большинстве случаев приводит к
частичной или полной деградации качества изображения вследствие повышения
шума и снижения значения CNR.
21
2.
Реконструкция изображений с применением итеративных алгоритмов позволяет
избавиться от артефактов, значительно снизить шум в изображении и повысить
его качество. Использование алгоритма итеративной реконструкции показано в
большинстве случаев применения низкодозовых протоколов КТ-ангиографии.
3.
Низкодозовая КТ-ангиография коронарных артерий, аорты, артерий таза и
нижних конечностей в сочетании с итеративной реконструкцией демонстрирует
высокие
показатели
чувствительности,
специфичности
и
точности
в
определении значимых стенозов, сопоставимые с таковыми при использовании
стандартных протоколов сканирования. Так, в определении значимого стеноза
≥70%
КТ-ангиография
коронарных
чувствительностью
88%,
предсказательным
значением
артерий
специфичностью
93,7%,
«100кВ»
обладала
97%,
положительным
отрицательным
предсказательным
значением 95%, точностью 94,7%. Для низкодозовых протоколов КТангиографии
нижних
конечностей
показатели
были
следующие:
чувствительность – 95%, специфичность – 98%, прогностическая ценность
положительного результата – 91%, прогностическая ценность отрицательного
результата 99%, точность – 97%.
4.
Выбор того или иного протокола КТ-ангиографии должен основываться на
физических параметрах пациента и конкретной диагностической задачи. Для
исследований брахиоцефальных артерий или артерий нижних конечностей этот
подбор нужно проводить в зависимости от ИМТ пациента. При КТ-ангиографии
коронарных артерий для этих целей рекомендуется использование значения
окружности грудной клетки пациента.
Практические рекомендации
Для подбора необходимого протокола КТ-ангиографии брахиоцефальных
артерий, аорты, артерий таза и нижних конечностей следует вычислить ИМТ пациента,
при КТ-ангиографии коронарных артерий следует использовать значение окружности
грудной клетки или ИМТ.
КТ-ангиография брахиоцефальных артерий с использованием напряжения 100кВ
и реконструкции изображений стандартным алгоритмом FBP может применяться в
рутинной клинической практике. Однако применение его у пациентов с ожирением
оправдано только с использованием алгоритма итеративной реконструкции.
22
Использование протокола «80 кВ» при КТ-БЦА позволяет снизить лучевую
нагрузку на 77%, однако, в сочетании с алгоритмом реконструкции FBP применение его
невозможно, так как у большинства пациентов приведет к появлению артефактов,
выраженному ухудшению качества изображений. При наличии алгоритмов ИР протокол
«80кВ» можно использовать у пациентов с ИМТ не более 30 кг/м2.
Протокол «100кВ» с реконструкций FBP при КТ-ангиографии коронарных
артерий можно использовать у пациентов с ИМТ до 25кг/м2 и окружностью грудной
клетки <100 см, при этом лучевая нагрузка снизится на 50% при сохранении отличного
качества изображений. У пациентов с избыточным весом (ИМТ 25-29кг/м2) и
окружностью грудной клетки 100-110 см применение низкодозовых протоколов КТ-КГ
в сочетании с FBP ограничено в связи с частичной деградацией качества изображений. В
этом случае для повышения качества необходимо использование алгоритмов
итеративной реконструкции. У пациентов с ожирением (ИМТ≥30кг/м2) и окружностью
грудной клетки более 110 см применение протокола «100кВ» при КТ-коронарографии
невозможно.
Протокол «80кВ» при КТ-ангиографии коронарных артерий можно применять у
пациентов с нормальным или низким ИМТ и окружностью грудной клетки менее 100
см, так как в иных случаях ведет к значительной деградации качества изображений. В
случае необходимости применения данного протокола у подростков, молодых, а также
астеничных пациентов рекомендуется во всех случаях использовать алгоритм
итеративной реконструкции.
Применение КТ-ангиографии аорты, артерий таза и нижних конечностей с
протоколами «80кВ» и «120кВ50мАс» целесообразно у всех пациентов с ИМТ < 25%,
при наличии алгоритма ИР его применение обязательно. У пациентов с избыточным
весом при отсутствии технических возможностей ИР в качестве протокола выбора
следует применять «100кВ», при наличии ИР возможно применение протокола
«120кВ50мАс».
У
пациентов
с
ИМТ
более
30 кг/м2
применение
протокола
«120кВ50мАс» нецелесообразно без ИР, в случае наличия ИР, протокол следует
применять при контрольных исследованиях. Для рутинных исследования при ИМТ
более 30 кг/м2 рекомендуется применение протокола «100кВ» в сочетании с ИР. При
отсутствии таковой – необходимо применять стандартный протокол сканирования
«120кВ».
23
Список работ, опубликованных по теме диссертации:
1. Кондратьев Е.В. Оптимизация протоколов мультидетекторной компьютерной томографии /
Кармазановский Г.Г // Медицинская визуализация. 2009. – №3. – с.131-133.
2. Кармазановский Г.Г.. МДКТ-ангиография всего тела при системном атеросклерозе / Колганова
И.П., Кондратьев Е.В., Широков В.С // Медицинская визуализация. 2010. – №4. – с.125-126.
3. Кондратьев Е.В. Оптимизация лучевой нагрузки на пациента при проведении КТ-ангиографии
аорты и периферических артерий // Медицинская визуализация. – 2012. – №3. – с.41-50.
4. Вишневская А.В. Снижение эффективной дозы облучения при МСКТ-перфузии головного мозга
с использованием итеративных реконструкций / Кондратьев Е.В // Медицинская визуализация. –
2013. – №3. – с.41-51.
5. Кондратьев Е.В. Низкодозовая КТ_ангиография аорты и периферических артерий: эффекты
алгоритма итеративной реконструкции на качество получаемых изображений / Кармазановский
Г.Г., Широков В.С., Вишневская А.В., Швец Е.В. // Медицинская визуализация. – 2013. – №5. –
с.11-22.
6. Kondratyev E. Low radiation dose 256-MDCT angiography of the carotid arteries: effect of hybrid
iterative reconstruction technique on noise, artifacts, and image quality / Karmazanovsky G. // European
Journal of Radiology; In-press. – DOI 10.1016/j.ejrad.2013.08.053.
7. Кондратьев
Е.В
Протокол
исследования
и
постпроцессорная
обработка
данных
мультиспиральной компьютерной томографии у больных с атеросклеротическим поражением
артерий нижних конечностей // Альманах Института хирургии им. А.В. Вишневского. – 2010. –
№5(4). – с.21-28.
8. Кондратьев Е.В. МСКТ при системном атеросклерозе / Колганова И.П, Кармазановский Г.Г. //
Материалы VI Всероссийского национального конгресса лучевых диагностов и терапевтов
«Радиология - 2010». 25-27 мая 2010. г.Москва. – Медицинская визуализация. – с. 215-216.
9. Кондратьев Е.В. Низкодозовая КТ-ангиография всего тела, включая оценку коронарных артерий
у пациентов с системным атеросклерозом / Колганова И.П., Широков В.С., Тарбаева Н.В.,
Кармазановский Г.Г. // Материалы VI Всероссийского национального конгресса лучевых
диагностов и терапевтов «Радиология -2012». 30 мая-1 июня 2012. г.Москва. – Российский
электронный журнал лучевой диагностики, – 2012. – Том.2 №2. – с. 250-251.
10. Кондратьев Е.В. Оптимизация протокола КТ-ангиографии брюшной аорты, артерий таза и
нижних конечностей: исследования с низкой лучевой нагрузкой / Колганова И.П. Широков В.С.
Кармазановский Г.Г.// Материалы VI Всероссийского национального конгресса лучевых
диагностов и терапевтов « Радиология -2012». 30 мая-1 июня 2012. г. Москва. – Российский
электронный журнал лучевой диагностики. – Том.2 №2. – с. 249-250.
11. Кондратьев Е.В. МСКТ-ангиография: Оптимизированные протоколы исследования коронарных
артерий, сердца, аорты, сосудов шеи и головного мозга / Кармазановский Г.Г // ВИДАР, 2011
стр.88.
24
12. Kondratyev E. Low dose runoff CTA: what protocol is preferred without special reconstruction
algorithms? / Karmazanovsky G. // European Congress of Radiology 2013. Electronic presentation # B0250. DOI:10.1594/ecr2013/B-0250, URL: http://dx.doi.org/10.1594/ecr2013/B-0250.
13. Kondratyev E. Low Dose Runoff CTA: Effect of Hybrid Iterative Reconstruction Technique on
Quantitative and Qualitative Image Parameters / Karmazanovsky G. Shirokov V. // 99th Scientific
Assembly and Annual Meeting of the Radiological Society of North America 2013. Scientific poster
electronic presentation # LL-VIS-MO1A. Chicago.
Список сокращений
КТ – компьютерная томография
МДКТ – мультидетекторнаяя компьютерная томография
ИМТ – индекс массы тела
КТ-БЦА – компьютерная томография брахиоцефальных артерий
КТ-КГ – компьютерно томографическая коронарография
КТ-АНК – компьютерная томография артерий нижних конечностей
ИР – итеративная реконструкция
CNR – соотношение контраст-шум
PPV – положительное прогностическое значение
NPV – отрицательное прогностическое значение
FBP – filtered back projection (фильтрованная обратная проекция)
ВСА – внутренняя сонная артерия
СМА – средняя мозговая артерия
ДСА – дигитальная субтракционная ангиография
25
Скачать

На правах рукописи - РОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР