雙層探測器光譜CT在心臟成像中的應用進展

黃 鑫，侯 陽

(中國醫(yī)科大學附屬盛京醫(yī)院放射科 醫(yī)學影像智能計算教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110004)

雙層探測器光譜CT(dual-layer spectral detector CT， SDCT)配有上下兩層空間完全對應的探測器，上層探測器采用金屬釔為基質的閃爍晶體，用于采集低能光子信息，同時允許高能光子穿透并在下層吸收，下層采用稀土陶瓷材質；2種光子能量信息分別通過側置的光電二極管傳輸出2套數(shù)據(jù)集，高、低能2套數(shù)據(jù)在原始數(shù)據(jù)域空間即被解析，用來重建反映康普頓效應和光電效應不同組成的能譜圖像，并可同時重建與常規(guī)CT等同的混合能量圖像[1-2]，具備同時、同源、同向的特點，其在原始數(shù)據(jù)空間反相關噪聲的應用為心臟及冠狀動脈成像領域帶來了新的突破[3]。本文就SDCT在改善冠狀動脈CTA (coronary CTA， CCTA)圖像質量、“雙低”成像、顯示斑塊及支架和心肌灌注等方面的應用進展進行綜述。

1 SDCT改善CCTA圖像質量

1.1 降低噪聲，改善圖像質量 SDCT可產(chǎn)生40～200 keV共161個單能級[4]，在整個能量范圍內(nèi)均表現(xiàn)出穩(wěn)定的低噪聲；與傳統(tǒng)CT 120 kVp圖像相比，其SNR和對比噪聲比(contrast-to-noise ratio， CNR)均顯著改善[5-6]。SAKABE等[7]發(fā)現(xiàn)，使用30 cm體模獲得的圖像噪聲值在40 keV時為24.6 HU，200 keV時為23.3 HU，均低于常規(guī)120 kVp圖像噪聲值(26.5 HU)；其中70 keV圖像噪聲在不進行降噪的情況下較常規(guī)圖像噪聲降低11.3%，在降噪級別為2和4時分別降低26.8%和38.9%；40、50、60和70 keV圖像在降噪級別為4時的CNR值分別是未降噪120 kVp圖像CNR值的4.7、3.1、2.1和1.5倍。此外，SDCT系統(tǒng)還使用基于專用模型的迭代重建技術來降低圖像噪聲[8]，這些特點有助于充分發(fā)揮虛擬單能級成像的優(yōu)勢，包括改善CNR、提升SNR和減少偽影(線束硬化、金屬偽影及鈣化偽影)等[5,9-10]。

1.2 提升對比度，降低重復檢查率 良好的CCTA圖像質量是準確診斷冠狀動脈病變的前提。然而，臨床上由于患者因素(肥胖、穿刺血管條件不佳及循環(huán)時間異常等)或技術原因(掃描啟動時間不佳、對比劑用量及流速不足)均可導致圖像強化效果差，從而降低診斷準確率，或被迫進行非計劃重新掃描[11]。采用SDCT行CCTA，可回顧性獲得低能級(40～60 keV)單能圖像，一方面由于低能區(qū)段更接近于碘的K緣，可顯著提升靶血管CNR；另一方面在投影數(shù)據(jù)域應用反相關噪聲，可獲得高、低能區(qū)一致的低噪聲，能以40～60 keV獲得較以往其他能譜CT更好的圖像質量，從而減少甚至避免重復檢查[12-13]。

2 SDCT的“雙低”成像

2.1 CCTA對比劑用量更低 SDCT在低能區(qū)段的良好圖像質量為進一步降低受檢者對比劑碘負荷創(chuàng)造了條件。van HAMERSVELT等[14]發(fā)現(xiàn)，與120 kVp下常規(guī)碘濃度圖像相比，使用SDCT可在保證圖像質量的前提下在40 keV時將心臟循環(huán)體模中的碘濃度降低60%。YI等[15]與ODA等[16]分別觀察疑診冠心病和腎功能不全患者，結果表明，與常規(guī)重建圖像相比，120 kVp下40～50 keV光譜重建圖像噪聲更低，CNR增高，冠狀動脈圖像質量改善，且輻射劑量和對比劑均減少。SDCT還可用于完善擬接受經(jīng)導管主動脈瓣置換術患者的CTA掃描方案[17-19]，減少不必要的對比劑，尤其對腎功能不全患者[20]。此外，NADJIRI等[21]采用SDCT成功以釓劑(0.2 mmol/kg體質量)為對比劑完成CCTA，圖像質量良好，為碘對比劑過敏患者接受CCTA檢查提供了可能。

2.2 輻射劑量等同于常規(guī)CCTA 以往能譜CT成像雖然可降低對比劑用量，但其輻射劑量高于常規(guī)CT。文獻[22]報道，在圖像質量相當?shù)那疤嵯拢p源CT雙能量掃描模式下CCTA輻射劑量為(4.5±1.9)mSv。RAJU等[23]和CARRASCOSA等[24]應用快速kV值切換技術能量CT行前瞻性CCTA，輻射劑量分別為(2.2±0.7)mSv和(3.8±0.9)mSv。輻射劑量問題限制了能譜技術在CCTA中的應用，且上述設備均需預設能量掃描模式，才能獲取冠狀動脈及心肌能譜數(shù)據(jù)，臨床實用性欠佳。利用SDCT行CCTA無需預設能譜掃描模式，采用常規(guī)CT掃描方案即可同時獲得混合能量圖像和能譜圖像，有效輻射劑量可降至1.5 mSv以下[15]。

2.3 虛擬平掃降低輻射劑量 利用SDCT進行虛擬平掃CCTA可準確定量冠狀動脈鈣化評分，使冠狀動脈平掃序列不再是必選項目，進而有效降低輻射劑量。NADJIRI等[25]采用SDCT對20例疑診冠心病患者行CCTA掃描，以常規(guī)鈣化積分圖像作為對照，比較虛擬平掃圖像計算鈣化積分的準確性，發(fā)現(xiàn)常規(guī)與虛擬平掃圖像鈣化積分的相關系數(shù)高達0.94，且一致性良好。

3 SDCT顯示冠狀動脈病變

3.1 提升斑塊定性、定量診斷的準確性 光譜CT具有準確評估冠狀動脈斑塊成分有效化學原子序數(shù)的潛力，可提高對斑塊的診斷性能，有助于心血管事件高危人群的風險評估。常規(guī)CCTA中，鈣化斑塊會產(chǎn)生暈狀偽影和硬線束偽影，導致假陽性。BOLL等[26]針對動脈粥樣硬化標本分析光譜CT定量評估鈣化斑塊的能力，結果顯示在SDCT增強算法圖像上測定的鈣化斑塊體積與“金標準”光學相干斷層掃描(optical coherence tomography, OCT)結果差異無統(tǒng)計學意義(P=0.55)，證實了SDCT可降低組織暈狀偽影和線束硬化的影響，提高診斷鈣化斑塊的準確性。

3.2 提高冠狀動脈支架可視率 使用光譜CT中的高能級虛擬單能成像，可減少或消除冠狀動脈支架引起的各種偽影[27-28]，從而提升內(nèi)腔顯示率。HICKETHIER等[29]采用SDCT掃描10個不同冠狀動脈支架，同時進行常規(guī)圖像重建和6種不同keV(60、70、80、90、100、150 keV)圖像重建，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)CT圖像相比，≥90 keV單能重建時支架內(nèi)衰減差異顯著減小，≥80 keV能級支架內(nèi)管腔直徑顯著增大，且隨能級增高而增大；上述結果可通過基于原始數(shù)據(jù)的能譜后處理所支持的卓越光束硬化校正來解釋，即在更高能量水平上，硬化X射線束與支架致密材料的相互作用減少最為明顯，從而降低了部分容積效應。

QIN等[30]應用SDCT增強圖像與虛擬平掃圖像進行冠狀動脈減影，2個序列圖像均由同一心臟時相的1個數(shù)據(jù)集生成，故可完全消除配準偽影，從而增強支架內(nèi)腔可見度，提高診斷效能，為評估冠狀動脈支架提供了新方法。

4 SDCT在心肌灌注中的應用

利用SDCT進行CCTA時，可一站式獲得CTA和心肌灌注2個方面的信息。FAHMI等[31]針對體模和豬心肌缺血模型進行研究，發(fā)現(xiàn)70 keV單能圖像結果較常規(guī)120 kVp圖像更為準確、可靠，原因是SDCT能夠同時獲取時間和空間完全匹配的低能和高能數(shù)據(jù)投影，從而實現(xiàn)基于投影的精確、無運動的物質分解，顯著降低X線束硬化偽影；后續(xù)研究[32]還發(fā)現(xiàn)在70 keV下進行心肌灌注成像有可能定量心肌血流量。

心臟MRI延遲增強是顯示心肌纖維化及瘢痕形成的標志[33-35]，定量計算心肌細胞外容積分數(shù)已成為評估各種心臟疾病的更可接受、更可靠的參數(shù)[36]。然而，隨著能譜CT虛擬單能成像和碘圖的產(chǎn)生，能譜CT可能成為心臟MRI的替代檢查方法[37]。最新研究[38-39]發(fā)現(xiàn)，SDCT可評估心肌延遲強化和量化細胞外容積，50 keV下獲得的數(shù)據(jù)結果與心臟MRI結果相當，且二者細胞外容積定量的相關性較好(r2=0.94)。

5 小結與展望

SDCT是基于探測器端將高、低能量分離的新型的能譜CT新技術，在改善CCTA圖像質量、降低對比劑負荷和輻射劑量方面效果顯著；各種能譜參數(shù)圖像還可用于解決定性、定量斑塊特征，提高支架內(nèi)腔可視率、評估心肌缺血并定量心肌細胞外容積等。聯(lián)合應用常規(guī)圖像與SDCT多種能譜參數(shù)以及對特殊類型患者進行SDCT成像將是今后研究熱點，可為一站式評估冠心病提供新途徑。