Reduktion der Kontrastmittelmenge bei der Computertomographie zur Planung des Transaortic Valve Replacement unter Betrachtung virtuell monoenergetischer Rekonstruktionen: Eine Qualitätssicherungsmaßnahme

Langenbach, Isabel L. ORCID: 0000-0001-7410-0635 (2023). Reduktion der Kontrastmittelmenge bei der Computertomographie zur Planung des Transaortic Valve Replacement unter Betrachtung virtuell monoenergetischer Rekonstruktionen: Eine Qualitätssicherungsmaßnahme. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Die kontrastmittelgestütze Computertomographie (CT) ist essentieller Bestandteil der präinterventionellen Planung eines Transkatheter-Aortenklappenersatzes (TAVR). Die Nutzung der Dual-Energy CT-Technik bietet vielfältige Optionen in der Nachbearbeitung der Bilddatensätze wie beispielsweise virtuell monoenergetische (virtual monoenergetic imaging, VMI) Rekonstruktionen. Hierbei kann die Röhrenspannung im Nachhinein virtuell geändert und ein gewünschtes hypothetisches Energieniveau, meist im Bereich von 40 bis 200 keV, dargestellt werden. VMI Rekonstruktionen mit niedrigen keV-Werten können dabei zur Optimierung des intravasalen Kontrastes nach Kontrastmittelgabe durch die Annäherung an die k-Kante von Iod genutzt werden. Dies ermöglicht eine relevante Verringerung der Kontrastmitteldosis ohne Beeinträchtigung der Bildqualität. Verbunden mit dem Wissen um die häufig bereits eingeschränkte Nierenfunktion der zumeist älteren TAVR Patienten erscheint dies von Relevanz. Ziel dieser prospektiven Qualitätssicherungsstudie war die Reduktion der Kontrastmittelmenge für die prä-TAVR CT unterhalb der Standarddosis von 60 ml. Es erfolgte die Bewertung der qualitativen und quantitativen Bildqualität zur Sicherstellung einer suffizienten und diagnostisch ausreichenden Bildqualität. Zusätzlich wurden VMI Rekonstruktionen aus Bilddatensätzen der Dual-Energy Spektral-Detektor CT zur Verstärkung des intravasalen Kontrastes evaluiert. In die Studie wurden 60 konsekutive Patienten (32 Männer, 28 Frauen; 81±7,5 Jahre) eingeschlossen. Alle Patienten wurden mit einem standardisierten CT-Bildgebungsprotokoll untersucht. Dieses umfasste einen nativen Scan der Aortenklappe zum Calciumscoring sowie eine kontrastmittelgestütze Computertomographie des Herzens, der Aorta und der Beckenstrombahn zur TAVR-Planung. 15 Patienten wurden mit der Standarddosis von 60 ml Kontrastmittel untersucht, anschließend erfolgte die Reduktion der Kontrastmittelmenge jeweils um 10 ml (50 ml, 40 ml, 30 ml) für jeweils 15 Patienten. Die Bilddaten wurden für diese Studie mit dem Standardrekonstruktions-Algorithmus sowie mit VMI Rekonstruktionen zwischen 40 – 140 keV berechnet. Es erfolgte die quantitative Analyse der metrischen Parameter der Aortenklappe und des Zugangsweges sowie die Evaluation des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses (SNR) und des Kontrast-zu-Rausch-Verhältnisses (CNR) in mehreren Gefäßabschnitten. Die qualitative Analyse erfolgte mittels 5-Punkt Likert-Skala durch zwei Radiologen (Gutachtergruppe 1) und zwei Ärzte mit Erfahrung in der TAVR-Bildgebung (Gutachtergruppe 2), alle verblindet hinsichtlich der applizierten Kontrastmittelmenge und VMI Rekonstruktion. Zusammenhänge wurden bei ordinalskalierten Variablen mittels Rangkorrelationen untersucht. Zur Untersuchung hinsichtlich der Unterschiede in den einzelnen Gruppen erfolgte mittels Kruskal-Wallis Test, die post-hoc Analyse mittels Dunn-Bonferroni-Test. P-Werte ≤ 0,05 galten als statistisch signifikant. Die quantitative Analyse der Gefäßdiameter zeigte innerhalb der Kontrastmittelgruppen für die Aorta ascendens keine signifikanten Änderungen über die einzelnen Rekonstruktionen. Für die Beckenstrombahn wurden in der 30 ml Kontrastmittelgruppe für die A. iliaca externa rechts signifikant größere Diameter in den VMI 140 keV Rekonstruktionen im Vergleich der Standardrekonstruktion gemessen (p < 0,05). Die SNR fiel für die Standardrekonstruktion und die VMI 40 keV Rekonstruktion bei Verwendung von 30 ml KM im Vergleich zum Standard mit 60 ml signifikant ab. Dies konnte sowohl in der Aorta ascendens (p = 0.004 und p = 0,001) wie auch in der A. iliaca externa rechts (p = 0,024 und p = 0,020), exemplarisch für die Beckengefäße, gezeigt werden. Beim Vergleich der Rekonstruktionen innerhalb der einzelnen Kontrastmittelgruppen konnte für die Aorta ascendens jeweils kein Unterschied zwischen der Standardrekonstruktion und der VMI 40 keV und 60 keV Rekonstruktion gezeigt werden, die übrigen VMI-Rekonstruktionen (VMI 80, 100, 120, 140 keV) zeigten einen signifikanten Abfall der SNR (p = <0,001 – 0,046). Für die Beckenstrombahn zeigte lediglich die VMI 40 keV Rekonstruktion keinen signifikanten Unterschied (p = 0,487 – 0,810) der SNR im Vergleich mit der Standardrekonstruktion. Die Analyse der CNR ergab ebenfalls einen signifikanten Abfall bei Gabe von 30 ml KM verglichen mit 60 ml KM, für die Aorta ascendens in der Standardrekonstruktion (p = 0,002) und für VMI 40 keV sowie 60 keV (p < 0,001). Auch für die die unterschiedlichen keV Stufen innerhalb der einzelnen Kontrastmittelgruppen ergab sich kein signifikanter Unterschied zwischen dem Standard und VMI 40 keV (p = 0,255 – 0,619) respektive VMI 60 keV (p = 0,112 – 0,344) in der Aorta ascendens, für die Beckengefäße nur mit VMI 40 keV (p = 0,398 – 0,549). Die qualitative Analyse der 1. Gutachtergruppe zeigt einen signifikanten Abfall der Bildqualität in der 30 ml Gruppe vergleichen mit 60 ml KM in der Standardrekonstruktion für die Aortenklappe (p = <0,001), die Koronararterienabgänge (p = 0,001), die Aorta ascendens (p = 0,023) und die A. iliaca externa rechts (p = 0,002). In der VMI 40 keV Rekonstruktion konnte nur ein signifikanter Abfall für die Aortenklappe (p = 0,005) und die Koronararterienabgänge (p = 0,006) gezeigt werden, jedoch nicht für die Aorta ascendens (p = 0,107) und die A. iliaca externa rechts (p = 0,425). Das Ergebnis der qualitativen Analyse der 2. Gutachtergruppe ist ähnlich, hier zeigte sich jedoch auch schon ein signifikanter Unterschied in der Bildqualität für die 40 und 30 ml Gruppe in der Standardrekonstruktion (p = <0,001 – 0,003), für die VMI 40 keV Rekonstruktion nur für die Beckenstrombahn der 30 ml Gruppe (p = 0,017). Basierend auf den Ergebnissen dieser Studie kann die Kontrastmittelmenge der prä-TAVR CT ohne Einschränkungen der Bildqualität auf 40 ml reduziert werden. Die Verwendung der VMI 40 keV Rekonstruktion zeigte im Vergleich zur Standardrekonstruktion bessere Ergebnisse in der qualitativen Analyse, jedoch keinen signifikanten Unterschied in der quantitativen Analyse mit einem Trend zu besseren Werten der SNR und CNR. Die Reduktion auf 30 ml Kontrastmittel zeigt einen signifikanten Qualitätsverlust und wird daher für die klinische Praxis nicht empfohlen.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated abstract:

Abstract

Language

Contrast-enhanced computed tomography (CT) is an essential part of the pre-interventional planning for transcatheter aortic valve replacement (TAVR). The use of dual-energy CT imaging offers multiple options in the post-processing of image datasets such as virtual monoenergetic imaging (VMI) reconstructions. Here, the tube voltage can be adapted virtually in post-processing to a desired hypothetical energy level, usually in the range of 40 to 200 keV. VMI reconstructions in low keV level can thereby be used to optimize intravascular contrast after iodized contrast medium (CM) administration by approaching the K-edge of iodine. This allows a relevant reduction in the contrast dose without compromising the image quality. Combined with the knowledge of the often already impaired renal function of mostly elderly TAVR patients, this seems to be of clinical relevance. This prospective quality assurance study aimed to reduce the amount of iodized contrast medium used for pre-TAVR CT below the standard dose of 60 ml. Qualitative and quantitative image quality assessment was performed to ensure sufficient and diagnostically adequate image quality. In addition, VMI reconstructions from dual-energy spectral-detector CT image datasets were evaluated to enhance intravascular contrast. Sixty consecutive patients (32 men, 28 women; 81±7.5 years) were included in the study. All patients received a standardized CT imaging protocol. This included an unenhanced scan of the aortic valve for calcium scoring and a contrast-enhanced computed tomography of the heart, aorta, and iliac arteries for TAVR planning. Fifteen patients were scanned with the standard dose of 60 ml of contrast medium as the gold standard, followed by a reduction in the amount of contrast medium by 10 ml steps (50 ml, 40 ml, 30 ml) for each of the following 15 patients. The image data were calculated using the standard reconstruction algorithm and VMI reconstructions between 40 – 140 keV. The quantitative analysis of the metric parameters for the aortic valve and the access pathway was performed, as well as the evaluation of the signal-to-noise ratio (SNR) and the contrast-to-noise ratio (CNR) in several vessel sections. Qualitative analysis was performed using a 5-point Likert scale by two radiologists (reviewer group 1) and two physicians with experience in TAVR imaging (reviewer group 2), all blinded to the amount of contrast applied and VMI reconstruction. Correlations were examined for ordinal-scaled variables using rank correlations. To examine regarding differences in each group, the Kruskal-Wallis test was used, and post hoc analysis was performed by the Dunn-Bonferroni test. P values ≤ 0.05 were considered statistically significant. The quantitative analysis of the vessel diameters showed no significant differences within the contrast groups for the ascending aorta over the different reconstructions. For the iliac arteries, significantly larger diameters were measured in the 30 ml contrast group for the right iliac artery in the VMI 140 keV reconstructions compared to the standard reconstruction (p < 0.05). SNR dropped significantly for the standard reconstruction and the VMI 40 keV reconstruction when using 30 ml CM compared to the standard 60 ml. This was demonstrated in the ascending aorta (p = 0.004 and p = 0.001) as well as in the right iliac artery (p = 0.024 and p = 0.020), exemplary for the iliac vessels. When comparing the reconstructions within each contrast agent group, no difference between the standard reconstruction and the VMI 40 keV and 60 keV reconstructions was shown for the ascending aorta in each case. The other VMI reconstructions (VMI 80, 100, 120, 140 keV) showed a significant decrease in SNR (p = <0.001 - 0.046). For the pelvic circulation, only the VMI 40 keV reconstructions showed no significant difference (p = 0.487 - 0.810) in SNR compared with the standard reconstruction. Analysis of CNR also revealed a significant decrease with the administration of 30 ml CM compared with 60 ml CM, for the ascending aorta in the standard reconstruction (p = 0.002) and for VMI 40 keV as well as VMI 60 keV (p < 0.001). Also, for the different keV levels within each contrast agent group, there was no significant difference between the standard and VMI 40 keV (p = 0.255 - 0.619) and VMI 60 keV (p = 0.112 - 0.344), respectively, in the ascending aorta, and for the iliac vessels only with VMI 40 keV (p = 0.398 - 0.549). Qualitative analysis of the 1st reviewer group showed a significant decrease in image quality in the 30 ml group compare with 60 ml KM in standard reconstruction for the aortic valve (p = <0.001), coronary artery outlets (p = 0.001), ascending aorta (p = 0.023), and right iliac artery (p = 0.002). In the VMI 40 keV reconstruction, significant decrease was shown only for the aortic valve (p = 0.005) and coronary artery outlets (p = 0.006), but not for the ascending aorta (p = 0.107) and the right external iliac artery (p = 0.425). The result of the qualitative analysis of the 2nd reviewer group is similar, but here there was also already a significant difference in image quality for the 40 and 30 ml groups in the standard reconstruction (p = <0.001 - 0.003), for the VMI 40 keV reconstruction only for the pelvic stroma of the 30 ml group (p = 0.017). Based on the results of this study, the iodized contrast medium of the pre-TAVR CT can be reduced to 40 ml without any image quality limitations. The use of the VMI 40 keV reconstruction showed better results compared to the standard reconstruction in the quantitative analysis, but no significant difference in the qualitative analysis with a trend toward better values of SNR and CNR. The reduction to 30 ml contrast medium shows a significant loss of quality and is therefore not recommended for clinical practice.

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