能量积分探测器CT与光子计数探测器CT冠状动脉斑块定量分析：混合平台试验中的重复性与效能建模

《European Radiology》：Coronary plaque quantification on energy-integrating and photon-counting detector CT: reproducibility and power modeling for mixed-platform trials

　　

摘要目的
评估能量积分探测器（energy-integrating detector, EID）CT与光子计数探测器（photon-counting detector, PCD）CT之间冠状动脉斑块定量表征的重复性，识别可产生最低变异性的重建设置，并为试验设计建立样本量需求模型。

材料与方法
研究人员回顾性筛查了在30天内先后接受双源EID-CT和PCD-CT冠状动脉CT血管成像（coronary CT angiography, CCTA）的患者。EID-CT数据采用定量（quantitative, Qr40）和血管（vascular, Bv40）卷积核进行重建，而PCD-CT数据采用Bv36/40/44和Qr36/40/44卷积核及量子迭代重建（quantum iterative reconstruction, QIR）强度2–4进行重建。对于每一种斑块成分（总斑块、低衰减斑块、纤维性斑块和钙化斑块），研究人员利用基于深度学习（deep learning）的自动化斑块定量平台，采用固定和自适应Hounsfield单位（Hounsfield unit, HU）阈值计算体积，并进行空间共配准。计算扫描仪间标准差（standard deviation, SD），并采用最优重建配对进行效能建模。

结果
共纳入38例患者（年龄68.0 [64.0–72.5]岁，其中男性30例）和77支血管。扫描仪间相关性在总斑块（r = 0.85–0.95）、纤维性斑块（r = 0.74–0.94）和钙化斑块（r = 0.92–0.98）体积方面均为极强，在低衰减斑块体积方面为强相关（r = 0.71–0.85）。总斑块体积的平均偏倚范围为8.2–164.4 mm³。采用最优重建配对（Qr40EID-CT 对比 Bv36PCD-CT）时，扫描仪间SD分别为0.14（基于血管）和0.12（基于患者）。在80%检验效能和α = 0.05条件下，为检出总斑块体积5%和10%的变化，估算每组分别需要116和29支血管，或92和23例患者。

结论
在优化条件下，EID-CT与PCD-CT之间的冠状动脉定量斑块体积表现出较高的扫描仪间一致性。双层级效能建模框架可将扫描仪间变异性转化为可操作的样本量估算，用于研究设计。

本文发表于《European Radiology》，聚焦于冠状动脉CT血管成像（CCTA）中斑块定量分析在不同CT探测器技术之间的可比性问题。随着首批临床光子计数探测器CT（photon-counting detector CT, PCD-CT）投入应用，影像学界普遍期待其相较传统能量积分探测器CT（energy-integrating detector CT, EID-CT）在空间分辨率、图像质量和冠状动脉评估方面带来提升。然而，既往针对同一患者开展的直接对照研究显示，超高空间分辨率（UHR）PCD-CT与EID-CT在总斑块体积及不同成分斑块体积测量上存在明显差异。对于当前日益被作为替代生物标志物（surrogate biomarker）的定量冠状动脉斑块指标而言，这种跨设备差异可能掩盖真实生物学变化，或伪装为疾病进展，从而干扰纵向研究、疗效评估和多平台临床试验设计。因此，在PCD-CT进一步进入临床科研流程之前，建立跨平台标准化与协调化（harmonization）策略已成为关键问题。

在这一背景下，研究人员围绕三个目标展开工作：第一，借助一种新型全自动深度学习斑块分割平台，评估EID-CT与PCD-CT之间冠状动脉定量斑块测量的稳定性；第二，识别能够最小化扫描仪间变异性的图像重建参数组合；第三，基于测得的跨平台变异性，构建可用于试验规划的样本量模型，以估算在不同效应量下检测临床相关斑块体积变化所需的队列规模。研究结果表明，经重建参数协调后，EID-CT与PCD-CT在总斑块、纤维性斑块及钙化斑块定量方面具有较高一致性，低衰减斑块（low-attenuation plaque, LAP）的一致性相对较低；同时，基于患者层面的变异性低于基于血管层面的变异性。研究进一步提出了一个双层级效能建模框架，使扫描仪间差异可以转化为实际可执行的样本量估算。该研究的重要意义在于，为EID-CT向PCD-CT过渡背景下的混合平台纵向试验提供了定量依据，也为未来多中心研究在保持历史EID-CT数据可比性的同时纳入PCD-CT数据提供了技术基础。

主要技术方法方面，研究采用单中心回顾性筛查设计，纳入30天内依次接受临床指征EID-CT和科研PCD-CT冠状动脉CT血管成像的患者，排除既往支架植入、冠状动脉旁路移植及配准失败病例。EID-CT使用Qr40与Bv40卷积核重建，PCD-CT使用Bv36/40/44和Qr36/40/44卷积核及量子迭代重建（QIR）强度2–4，形成多组重建方案。研究基于经验证的深度学习自动化平台完成血管腔与血管壁分割，并通过中心线最近点映射实现病变三维掩膜的跨重建空间共配准；随后使用固定及自适应HU阈值计算总斑块、LAP、纤维性和钙化斑块体积，并通过相关分析、Bland–Altman分析及扫描仪间标准差建立样本量模型。

以下结合论文结果部分各小标题进行解读。

Study participants
研究共初筛49例同时接受EID-CT与PCD-CT检查的患者，排除7例既往冠状动脉支架植入或旁路移植患者，以及4例至少一种重建序列图像处理失败者，最终纳入38例患者、77支血管。中位年龄为68.0（64.0–72.5）岁，女性占21.1%。队列总冠状动脉钙化积分中位数为544.5（391.3–1167.5），提示研究对象总体具有较高动脉粥样硬化负担。这一纳入框架保证了跨平台同体配对比较的可行性，是后续重复性评估的基础。

Coronary CT angiography findings
两次扫描间隔中位数为14.0（7.0–21.5）天，EID-CT与PCD-CT采集时心率差异无统计学意义，提示生理状态基本可比。多数检查采用序贯扫描模式，且PCD-CT有效辐射剂量低于EID-CT。定量结果显示，不同卷积核下斑块体积绝对值存在系统性差异：采用Bv核时，EID-CT总斑块体积中位数为245.1 mm³，PCD-CT各重建中位数为183.6–236.9 mm³；采用Qr核时，EID-CT总斑块体积中位数升至348.4 mm³，PCD-CT各重建为312.5–363.9 mm³。这一结果说明重建核本身对斑块定量值具有显著影响，也是后续开展重建参数协调的直接依据。

Variability across PCD-CT reconstructions
在PCD-CT内部，不同重建方案之间的大多数两两比较均表现为强或极强相关。总斑块体积在同一重建家族内（Bv–Bv与Qr–Qr）均显示极强相关，而跨家族（Qr–Bv）相关性下降。LAP对卷积核最为敏感：Qr家族内部大多保持极强相关，Bv家族次之，不同家族之间则明显降低。纤维性斑块在同一家族内相关性较高，钙化斑块在全部比较中均表现为极强相关。另一方面，Qr核系统性高估总斑块及各成分斑块体积，相比Bv核表现出更大的测量值。这部分结果说明，即使在同一PCD-CT设备上，重建参数仍是影响冠状动脉斑块定量的重要来源；同时，保持同一家族卷积核的一致性是提高重复性的关键。

Variability between EID-CT and PCD-CT reconstructions
在跨平台比较中，各重建组合下PCD-CT与EID-CT的相关系数范围分别为：总斑块0.85–0.95，LAP 0.71–0.85，纤维性斑块0.74–0.94，钙化斑块0.92–0.98；采用自适应HU阈值时，纤维性与钙化斑块的相关性仍保持较高水平。总斑块体积的平均偏倚绝对值在8.2–164.6 mm³之间，说明不同重建配对之间的数值差异范围较大。LAP、纤维性斑块及钙化斑块也呈现类似现象，其中钙化斑块在采用自适应阈值后偏倚范围明显缩小。该部分结果表明，EID-CT与PCD-CT之间并非天然可互换，但通过适当重建参数匹配，可显著改善跨平台一致性。特别是总斑块与纤维性斑块表现出较稳定的线性一致关系，而LAP受噪声、阈值和体积较小等因素影响，离散程度更高。

Sample size estimations
研究进一步将扫描仪间标准差引入效能建模。总斑块最低扫描仪间SD出现在Qr40EID-CT与Bv36（2–4）PCD-CT配对，分别为0.14（血管水平）和0.12（患者水平）；LAP、纤维性斑块和钙化斑块的最优配对各不相同。按照80%统计效能、α = 0.05计算，若以血管为分析单位，检测总斑块体积10%变化需29支血管，检测LAP、纤维性及钙化斑块则分别需366、28和256支血管；若以患者为单位，对应所需样本量分别为23、82、18和184例。结果表明，总斑块和纤维性斑块的跨平台变异性最低，因此最适合作为混合平台纵向试验的定量终点；LAP和钙化斑块由于变异性更大，若作为主要终点，需要更大样本量或进一步优化量化策略。

Online sample size calculator
为提高方法的可实施性，研究人员还将效能建模框架开发为开放在线样本量计算器。用户可自定义扫描仪间SD、显著性水平、统计效能和期望比例变化，系统自动输出所需患者数，并以对数坐标展示样本量与效应量之间的关系。该工具将本研究得到的重复性参数转化为实际研究设计资源，有助于纵向斑块进展研究或治疗反应研究的前期规划。

Discussion
讨论部分指出，研究最主要的发现包括三点：其一，协调重建参数可显著降低EID-CT与PCD-CT之间的变异性，使所有斑块成分达到较高扫描仪间相关；其二，扫描仪间变异性在总斑块和纤维性斑块体积上最低；其三，将重复性指标纳入效能模型后，可为不同斑块成分终点提供具有实践意义的样本量函数。作者进一步解释，Qr核相比Bv核持续给出更高斑块体积，可能与斑块边界界面模糊更明显有关。PCD-CT内部同家族重建的一致性较好，提示边缘锐利度与噪声传播之间的平衡对定量分析十分关键。LAP离散性最大，论文认为这与现阶段LAP标准化定义不充分、基于体素的衰减阈值易受噪声和采集参数影响，以及该队列LAP绝对体积较小等因素有关。钙化斑块虽然相关性较高，但体积差值离散较大，因此样本量需求并不低。患者水平分析之所以优于血管水平分析，可能因为多个冠状动脉节段平均后降低了局部测量噪声与斑块异质性的影响。

研究还将结果置于既往文献背景中加以比较。与既往同机重复扫描或跨厂商扫描研究相比，本研究在总斑块体积上的跨平台变异性达到较优水平，提示通过重建协调和自动化工作流，EID-CT与PCD-CT之间的重复性可以接近甚至优于部分历史同机重复扫描表现。论文同时强调，不同斑块成分的最优重建配对并不一致，意味着尚不存在适用于所有定量终点的统一最佳协调策略。此外，研究也明确列出局限性：单中心、小样本；仅模拟EID-CT向PCD-CT的过渡；仅比较单一厂商两台双源设备；配对扫描管电压并非完全一致；EID-CT仅评估两个卷积核；且纳入队列中临床相关心律失常较少，难以评估其影响。

研究结论部分可译为：通过协调重建方案并应用自动化斑块定量分析，PCD-CT获得的冠状动脉斑块测量结果与EID-CT具有高度可重复性。结合样本量模型，这些发现为开展混合平台临床试验以及对不同斑块成分终点进行效能设计提供了切实可行的基础。总体而言，该研究的核心贡献不在于证明两种CT技术天然等价，而在于提出并验证了一种基于重建协调、自动分割、空间共配准和效能建模的跨平台标准化路径，从而使定量冠状动脉斑块这一影像生物标志物能够更可靠地服务于纵向研究与临床试验设计。