双层探测器光谱CT在心脏成像中的应用进展

黄 鑫，侯 阳

(中国医科大学附属盛京医院放射科 医学影像智能计算教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110004)

双层探测器光谱CT(dual-layer spectral detector CT， SDCT)配有上下两层空间完全对应的探测器，上层探测器采用金属钇为基质的闪烁晶体，用于采集低能光子信息，同时允许高能光子穿透并在下层吸收，下层采用稀土陶瓷材质；2种光子能量信息分别通过侧置的光电二极管传输出2套数据集，高、低能2套数据在原始数据域空间即被解析，用来重建反映康普顿效应和光电效应不同组成的能谱图像，并可同时重建与常规CT等同的混合能量图像[1-2]，具备同时、同源、同向的特点，其在原始数据空间反相关噪声的应用为心脏及冠状动脉成像领域带来了新的突破[3]。本文就SDCT在改善冠状动脉CTA (coronary CTA， CCTA)图像质量、“双低”成像、显示斑块及支架和心肌灌注等方面的应用进展进行综述。

1 SDCT改善CCTA图像质量

1.1 降低噪声，改善图像质量 SDCT可产生40～200 keV共161个单能级[4]，在整个能量范围内均表现出稳定的低噪声；与传统CT 120 kVp图像相比，其SNR和对比噪声比(contrast-to-noise ratio， CNR)均显著改善[5-6]。SAKABE等[7]发现，使用30 cm体模获得的图像噪声值在40 keV时为24.6 HU，200 keV时为23.3 HU，均低于常规120 kVp图像噪声值(26.5 HU)；其中70 keV图像噪声在不进行降噪的情况下较常规图像噪声降低11.3%，在降噪级别为2和4时分别降低26.8%和38.9%；40、50、60和70 keV图像在降噪级别为4时的CNR值分别是未降噪120 kVp图像CNR值的4.7、3.1、2.1和1.5倍。此外，SDCT系统还使用基于专用模型的迭代重建技术来降低图像噪声[8]，这些特点有助于充分发挥虚拟单能级成像的优势，包括改善CNR、提升SNR和减少伪影(线束硬化、金属伪影及钙化伪影)等[5,9-10]。

1.2 提升对比度，降低重复检查率 良好的CCTA图像质量是准确诊断冠状动脉病变的前提。然而，临床上由于患者因素(肥胖、穿刺血管条件不佳及循环时间异常等)或技术原因(扫描启动时间不佳、对比剂用量及流速不足)均可导致图像强化效果差，从而降低诊断准确率，或被迫进行非计划重新扫描[11]。采用SDCT行CCTA，可回顾性获得低能级(40～60 keV)单能图像，一方面由于低能区段更接近于碘的K缘，可显著提升靶血管CNR；另一方面在投影数据域应用反相关噪声，可获得高、低能区一致的低噪声，能以40～60 keV获得较以往其他能谱CT更好的图像质量，从而减少甚至避免重复检查[12-13]。

2 SDCT的“双低”成像

2.1 CCTA对比剂用量更低 SDCT在低能区段的良好图像质量为进一步降低受检者对比剂碘负荷创造了条件。van HAMERSVELT等[14]发现，与120 kVp下常规碘浓度图像相比，使用SDCT可在保证图像质量的前提下在40 keV时将心脏循环体模中的碘浓度降低60%。YI等[15]与ODA等[16]分别观察疑诊冠心病和肾功能不全患者，结果表明，与常规重建图像相比，120 kVp下40～50 keV光谱重建图像噪声更低，CNR增高，冠状动脉图像质量改善，且辐射剂量和对比剂均减少。SDCT还可用于完善拟接受经导管主动脉瓣置换术患者的CTA扫描方案[17-19]，减少不必要的对比剂，尤其对肾功能不全患者[20]。此外，NADJIRI等[21]采用SDCT成功以钆剂(0.2 mmol/kg体质量)为对比剂完成CCTA，图像质量良好，为碘对比剂过敏患者接受CCTA检查提供了可能。

2.2 辐射剂量等同于常规CCTA 以往能谱CT成像虽然可降低对比剂用量，但其辐射剂量高于常规CT。文献[22]报道，在图像质量相当的前提下，双源CT双能量扫描模式下CCTA辐射剂量为(4.5±1.9)mSv。RAJU等[23]和CARRASCOSA等[24]应用快速kV值切换技术能量CT行前瞻性CCTA，辐射剂量分别为(2.2±0.7)mSv和(3.8±0.9)mSv。辐射剂量问题限制了能谱技术在CCTA中的应用，且上述设备均需预设能量扫描模式，才能获取冠状动脉及心肌能谱数据，临床实用性欠佳。利用SDCT行CCTA无需预设能谱扫描模式，采用常规CT扫描方案即可同时获得混合能量图像和能谱图像，有效辐射剂量可降至1.5 mSv以下[15]。

2.3 虚拟平扫降低辐射剂量 利用SDCT进行虚拟平扫CCTA可准确定量冠状动脉钙化评分，使冠状动脉平扫序列不再是必选项目，进而有效降低辐射剂量。NADJIRI等[25]采用SDCT对20例疑诊冠心病患者行CCTA扫描，以常规钙化积分图像作为对照，比较虚拟平扫图像计算钙化积分的准确性，发现常规与虚拟平扫图像钙化积分的相关系数高达0.94，且一致性良好。

3 SDCT显示冠状动脉病变

3.1 提升斑块定性、定量诊断的准确性 光谱CT具有准确评估冠状动脉斑块成分有效化学原子序数的潜力，可提高对斑块的诊断性能，有助于心血管事件高危人群的风险评估。常规CCTA中，钙化斑块会产生晕状伪影和硬线束伪影，导致假阳性。BOLL等[26]针对动脉粥样硬化标本分析光谱CT定量评估钙化斑块的能力，结果显示在SDCT增强算法图像上测定的钙化斑块体积与“金标准”光学相干断层扫描(optical coherence tomography, OCT)结果差异无统计学意义(P=0.55)，证实了SDCT可降低组织晕状伪影和线束硬化的影响，提高诊断钙化斑块的准确性。

3.2 提高冠状动脉支架可视率 使用光谱CT中的高能级虚拟单能成像，可减少或消除冠状动脉支架引起的各种伪影[27-28]，从而提升内腔显示率。HICKETHIER等[29]采用SDCT扫描10个不同冠状动脉支架，同时进行常规图像重建和6种不同keV(60、70、80、90、100、150 keV)图像重建，发现与传统CT图像相比，≥90 keV单能重建时支架内衰减差异显著减小，≥80 keV能级支架内管腔直径显著增大，且随能级增高而增大；上述结果可通过基于原始数据的能谱后处理所支持的卓越光束硬化校正来解释，即在更高能量水平上，硬化X射线束与支架致密材料的相互作用减少最为明显，从而降低了部分容积效应。

QIN等[30]应用SDCT增强图像与虚拟平扫图像进行冠状动脉减影，2个序列图像均由同一心脏时相的1个数据集生成，故可完全消除配准伪影，从而增强支架内腔可见度，提高诊断效能，为评估冠状动脉支架提供了新方法。

4 SDCT在心肌灌注中的应用

利用SDCT进行CCTA时，可一站式获得CTA和心肌灌注2个方面的信息。FAHMI等[31]针对体模和猪心肌缺血模型进行研究，发现70 keV单能图像结果较常规120 kVp图像更为准确、可靠，原因是SDCT能够同时获取时间和空间完全匹配的低能和高能数据投影，从而实现基于投影的精确、无运动的物质分解，显著降低X线束硬化伪影；后续研究[32]还发现在70 keV下进行心肌灌注成像有可能定量心肌血流量。

心脏MRI延迟增强是显示心肌纤维化及瘢痕形成的标志[33-35]，定量计算心肌细胞外容积分数已成为评估各种心脏疾病的更可接受、更可靠的参数[36]。然而，随着能谱CT虚拟单能成像和碘图的产生，能谱CT可能成为心脏MRI的替代检查方法[37]。最新研究[38-39]发现，SDCT可评估心肌延迟强化和量化细胞外容积，50 keV下获得的数据结果与心脏MRI结果相当，且二者细胞外容积定量的相关性较好(r2=0.94)。

5 小结与展望

SDCT是基于探测器端将高、低能量分离的新型的能谱CT新技术，在改善CCTA图像质量、降低对比剂负荷和辐射剂量方面效果显著；各种能谱参数图像还可用于解决定性、定量斑块特征，提高支架内腔可视率、评估心肌缺血并定量心肌细胞外容积等。联合应用常规图像与SDCT多种能谱参数以及对特殊类型患者进行SDCT成像将是今后研究热点，可为一站式评估冠心病提供新途径。