CT能譜成像在血管造影中的應用進展

周 穎 綜述，黃勁柏 審校

(長江大學附屬第一人民醫(yī)院/長江大學第一臨床醫(yī)學院放射科，湖北荊州 434000)

能譜CT是基于單個X射線源和探測器的組合[1]，這可以通過高壓發(fā)生器及探測器的快速采樣功能，使其能夠在80、140 kVp電壓之間快速轉換。能譜CT能克服常規(guī)CT的不足，在臨床上逐步得到了廣泛應用，能譜CT在血管造影應用方面展現(xiàn)出了優(yōu)勢，其中包括患者暴露于致癌輻射和腎毒性造影劑，血管造影劑增強不足，來自金屬和光束硬化的偽影，以及有限的物質分離和灌注評估。本文就能譜CT技術及能譜CT的血管應用方面進行綜述。

1 能譜CT的一般介紹

能譜CT是通過X線穿過物體時的衰減來成像的，管電壓即X線的質，也就是X線穿透物質的能力，能譜CT的管電壓、管電流和能譜過濾可以針對X線管/探測器進行優(yōu)化，從而增加能譜分離并改善圖像質量[2]。X線穿過物質時發(fā)生光電及康普頓效應，光電與康普頓效應共同決定了X 線的衰減，每種物質都有其特定的X線衰減曲線[3]。能譜CT通過對采集的能量數(shù)據(jù)進行分析，先獲得基物質對的密度圖像以實現(xiàn)物質的分離與定量，然后通過水/碘等已知的物質隨能量變化的質量吸收函數(shù)以獲得單能量圖像、能譜曲線及有效原子序數(shù)。

1.1物質密度圖像 能譜CT中的光束硬化校正在物質分解的過程中以兩種不同能量(例如80、140 kVp)對物體進行精確的X射線衰減測量。通過基于投影的過程，能譜CT通過快速千伏峰值切換以重建物質分解圖像(或物質密度圖像)。在具有快速千伏峰值切換的能譜CT中，可以任意選擇兩種不同的物質作為基物質對,即物質低密度和高密度的物質(如水和碘等常用于醫(yī)學診斷成像的基物質對)。以水和碘為基物質對時，含水或碘的像素被鑒別和提取，水/碘和碘/水密度圖像被重建。碘/水密度可以通過使水的衰減失效來增強碘的衰減，在CT血管造影圖像上，它們能改善血管對比度，在降低造影劑劑量時能保留相似的血管對比度。

1.2單能量圖像 在能譜CT中，根據(jù)在80、140 kVp獲得的雙能CT投影數(shù)據(jù)自動重建出從40～140 keV(以1 keV間隔)獲得的101個單能量圖像[4]。在使用碘造影劑的CT血管造影中，隨著單能量圖像的能級降低，血管對比度增加，因為在較低能量下(即33.2 keV)，電子k殼結合碘的能力最強[5]。在較低能量下的單能量圖像雖然提高了血管對比度，但同時增加了圖像噪聲，通過使用迭代重建算法[如自適應統(tǒng)計迭代重建(ASiR)]可以對較低能量下獲得的單能量圖像中增加的圖像噪聲進行補償[6-7]，而在65～70 keV獲得的圖像噪聲最低[8]。目前認為，65或70 keV的單能量圖像可以用作替代品，因為CT衰減值在120 kVp的單能CT處與在65～70 keV能量水平下的單能量圖像相似[9]，即被認為等同于在120 kVp的常規(guī)單能CT下獲得的圖像[10]。因此在能譜CT中，通常選擇在65～70 keV獲得的單能量圖像作為標準圖像。隨著能級的增加，單能量圖像中的光束硬化，暈染和金屬偽影減少[11]。

1.3能譜曲線 在寶石能譜CT中，通過使用工作站分析應用程序，可通過繪制物質的CT衰減值來生成每個從40～140 keV的單能量圖像，因為曲線是基于給定物質的已知平均衰減特性來繪制的，這有助于分析特定的組織類型。例如，已知脂肪的衰減在較低的能量下降低(除脂肪以外的大多數(shù)物質顯示相反的模式)，以及含脂質斑塊的能譜曲線顯示為弓背向上的上升曲線(及隨著能量的增高，CT值也隨之增高)[12]。 這種分析有助于區(qū)分未鈣化的富含脂質的斑塊與未鈣化的纖維斑塊，然而使用常規(guī)的單能CT是無法進行區(qū)分的。

1.4有效原子序數(shù) 在寶石能譜CT中，工作站分析應用程序可用于推導物質的有效原子序數(shù)。有研究報道表明，通過使用有效原子序數(shù)可對腎結石中的非尿酸結石成分進行準確的分析[13]。有效原子序數(shù)是根據(jù)物質的X線衰減特征來定義的；如果物質的衰減類似于試驗號X的周期性元素，則物質的有效原子序數(shù)被確定為X。富含脂質斑塊的有效原子序數(shù)圖顯示出與已知脂肪組織的有效原子序數(shù)直方圖類似的峰值和分布。

2 能譜CT的血管應用

2.1臨床應用 能譜CT可以為臨床上提供密度圖像、單能量圖像、各種分析工具及能譜曲線。當能譜CT采用從80～140 kVp快速千伏峰值切換時，光束硬化校正后的雙能CT投影數(shù)據(jù)可自動重建，其能使用任意成對的基礎物質，通過后處理得到從40～140 keV的單能量圖像，以及有效原子序數(shù)。所有這些圖像可以通過安裝在專用工作站中的專用CT軟件即時生成，在工作站上輕松靈活地顯示和觀察，并在必要時發(fā)送至圖片歸檔和通信系統(tǒng)。

2.2血管鈣化斑塊 在臨床上，血管病變中最常見的即動脈粥樣硬化，動脈粥樣硬化的原因即斑塊的形成。動脈CT血管造影(CTA)已成為動脈粥樣硬化性動脈狹窄評估中一個重要的檢查方法，有助于確定不同的治療策略，如藥物治療，頸動脈內膜剝脫術或支架放置。在存在嚴重鈣化的動脈粥樣硬化斑塊時，這種評估可能是具有挑戰(zhàn)性的，其可能出現(xiàn)鄰近等密度的殘余造影增強的管腔，基于鈣物質分解的能譜CTA技術在此情況下是有用的[14]。能譜CTA后處理技術可用于突出或去除鈣化斑塊，可更好地觀察殘余腔、具有更精確的狹窄分級定量測量方法[15]。單能量CTA重建可以進一步提高狹窄評估的準確性，但必須注意的是，因為能量水平的選擇可以通過改善或夸大來改變鈣化斑塊的表觀大小“效果”[16]。

2.3改善血管對比度 常規(guī)單能CT的CTA檢查失敗的最常見原因之一是血管造影增強不佳，能譜CT檢查時低能量下的單能量圖像和碘/水物質密度圖像可改善CTA的血管對比度[17]。特別是低能量下的單能量圖像可以改善各種CTA中小血管和周圍血管的顯示度[18-19]。常規(guī)單能CT使用低管電壓時雖然也可以達到類似的效果，但是會增加圖像噪聲，從而影響圖像的診斷。CT研究中造影劑的給予可導致造影劑誘導的腎病，尤其是對腎功能不全的患者，造影劑劑量是造影劑誘導腎病的獨立預測因子。然而通過使用能譜CT獲取低能量下的單能量圖像可合理降低腎毒性造影劑的劑量，而不會明顯降低血管對比度[20]，這是常規(guī)CT所不能達到的。

2.4降低輻射劑量 在具有快速千伏峰值切換的能譜CT中，在較低(80 kVp)能量水平下比在較高(140 kVp)能量水平下的曝光時間較長。80 kVp的較長曝光時間可平衡80～140 kVp的量子噪聲，以優(yōu)化整體圖像噪聲并降低輻射劑量。一項研究報道，在獲得相同圖像質量的條件下，使用能譜CT比使用常規(guī)頭部CT時的CT圖像劑量指數(shù)提高了大約22%，比使用常規(guī)體部CT時的圖像劑量指數(shù)提高了大約14%[21]。這證明了能譜CT在頭部的應用更能顯示出其在提高圖像劑量指數(shù)及降低輻射劑量方面的作用。并且有研究報道，在對頭頸部微小動脈瘤診斷準確率差異不大的前提下，能譜CT檢查對輻射劑量的降低更具優(yōu)勢[22]。

2.5減少金屬偽影 盡管常規(guī)CT技術在不斷進步，但金屬偽影仍然是各種CTA研究的主要限制。在較高能量獲得的單能量圖像增加了X射線束的穿透性，并有利于減少模糊和金屬偽影[23]。為評估在CTA術中支架或覆膜支架植入后血管腔的顯示，用較高能量獲得的單能量圖像顯示出減少的金屬和光束硬化偽影，但血管對比度降低。然而，用較低能量獲得的單能量圖像增加了血管對比度，但金屬和光束硬化偽影較差。在碘/水密度圖像上，血管對比度增加而偽影沒有增加。在具有快速千伏峰值切換的能譜CT中，CTA的單能量圖像中的金屬偽影減少軟件(MARs，GE Healthcare)可用于克服金屬，線圈和支架的嚴重偽影，特別是致密金屬物質[23]。已有研究結果表明，顱腦的CT能譜成像中，后顱窩的硬化偽影可以得到降低[24]。

2.6器官灌注成像 在具有快速千伏峰值切換的能譜CT中，碘/水物質密度圖像能夠對各種器官的灌注進行精確的定性和定量評估。除單能量圖像外，如果采用低能量采集圖像，或者在肺CTA時采用碘/水密度圖像，肺灌注成像可以提高肺栓塞的診斷準確性[25]。心肌灌注CT是診斷限制性冠狀動脈疾病的有效非侵入性檢查，特別是對于冠心病冠狀動脈CTA時診斷結果的不確定(如中間冠狀動脈狹窄)。在常規(guī)單能CT中，因為易受光束硬化偽影的影響，心肌中低模擬灌注缺損的區(qū)域通常出現(xiàn)在左心室的基底下壁。然而，報道顯示，具有快速千伏峰值切換的能譜CT可減少射束硬化偽影，通過使用單能量圖像或使用碘/水密度圖像，使心肌灌注顯像清晰可提高心肌缺血診斷的準確性[26-27]。

3 總 結

綜上所述，能譜CT能精確地重建出從40～140 keV的單能量圖像，各種基礎物質的密度圖像，以及詳細的能譜曲線分析。低能量下的單能量圖像和碘/水密度圖像的采集可合理降低造影劑劑量，改善血管對比度。通過使用MARs和碘/水密度圖像的單能量圖像可以減少金屬偽影而不會降低血管對比度。采集碘/鈣計量吸入器可減少血管鈣化并改善血管腔的描繪。使用脂肪/水密度圖像和能譜曲線可以較靈敏的檢測出富含脂質的斑塊，碘/水密度圖像還能用于評估器官灌注，熟悉能譜CT中的快速千伏峰值切換技術對于CTA的最大化臨床實用性，改善患者護理和臨床管理都非常重要。