双能量CT在冠状动脉CT血管造影中应用的研究进展

2023-10-30金瑜辰周学文

当代医药论丛 2023年19期

耿雪，金瑜辰，周学文

（浙江大学医学院附属第二医院放射科，浙江杭州 310000）

近年来，医学界在对冠状动脉硬化性心脏病（冠心病）的预防和治疗方面都取得了丰硕的成果，但此病的发病率和相关死亡率仍在逐年升高[1]。在过去的几十年里，计算机断层扫描（Computed Tomography,CT）冠状动脉造影因其操作简便、无创的特点在诊断冠心病中得到了广泛的应用。有研究指出，CT 冠状动脉钙评分可在一定程度上指导他汀类药物的应用。目前，冠状动脉CT 血管造影已成为典型或非典型心绞痛、胸痛患者的首选检查[2]。双能量CT (DECT) 早在十多年前就已经广泛应用于临床[3]，并且也有一些应用于心血管成像中的研究[4.5]。近几年，DECT 在改善冠状动脉CT 血管成像等许多方面的应用潜力得到了更多的讨论和验证，如优化图像质量和对冠状动脉管腔的评估、降低碘造影剂负荷、应用虚拟平扫代替平扫图像进行冠脉钙化评分等。本文对双能量CT 在冠状动脉CT 血管造影中应用的基本原理、科学背景和临床应用现状作一简要综述。

1 双能量CT 原理

1.1 基本原理

传统的单能量CT (SECT) 是利用X 射线球管产生的一束不同能量光子的混合X 射线成像，其最大能量等于X 射线管的峰值电压(kVp)[6]，所得图像的CT 值代表了每个体素中所有物质的衰减。穿过组织的X 射线光子与人体的相互作用主要通过两个过程：康普顿散射和光电效应。双能量CT 即应用两组不同能量获取每个体素信息，得到两组不同数据，依据不同光子对X 射线的吸收差异可区分不同原子序数的物质[3]。

1.2 双能量CT 扫描实现方法及分类

依据双能量CT 扫描实现方法及双能量数据来源不同，双能量CT 可以分为基于X 射线球管或探测器实现双能量数据获取的两大类，具体分类方法见表1。

表1 双能量CT 分类

2 双能量技术的临床应用

2.1 虚拟单能量图像

传统CT 的X 射线束是混合能量，图像反映的是整个光谱的衰减。双能CT 可以通过高、低能量两套数据计算模拟出单一keV 能量X 射线下生成的图像，即虚拟单能图像(Virtual Monoenergetic Images, VMI)，范围可包括40 ～200 keV[7]。虚拟单能图像的能量水平不同，对同一种组织可计算生成不同的密度和对比度的图像。其中70 keV VMI 与传统120 kVp 混合能量图像类似，其伪影和噪声均较少。低能量段（＜70 keV）VMI 因更靠近碘k 边界值（33 keV）而能够明显提高碘的CT 值，在血管成像中利用这一点可以降低碘造影剂的用量。高能量段（＞90 keV）VMIs 则利于消除金属的线束硬化伪影[8.9]。

2.2 物质分离图像

（1）碘图（碘基图或无水碘图）即根据不同物质对特定能量X 射线吸收特性的不同，利用两种不同能量获得的图像，通过衰减曲线来计算任意物质的浓度[10]。双能量CT 扫描可以重建出特定物质浓度编码的图像，并以灰度或彩色叠加的方式显示一些特定的物质。最常用于临床的是选择性显示碘、钙或尿酸盐的图像。采用这种方法得到的各体素所含的碘浓度分布图即碘图[10]。它提高了图像对比度和对特定物质的量化能力。除使用黑白图像展示外，还可以使用碘融合彩色图以提升摄碘组织的可视化程度。（2）虚拟平扫图像（Virtual Noncontrast Images, VNC）。除上述选择性显示的特定物质外，DECT 同样可以选择性抑制碘和钙等物质，抑制增强扫描图像中碘的显示得到的就是虚拟平扫图像，其也称为虚拟非对比图像[3,6]。它可以用于替代常规平扫图像，进而降低受检者的辐射剂量[4]。一些研究已将虚拟平扫图像应用于心脏和其他部位的检查中，并成功地取代了相关非对比增强扫描期相[10]。

2.3 有效原子序数图

有效原子序数图即各体素物质的有效原子序数和电子密度加权图像。利用每个体素的两组X 射线衰减值，可以计算有效原子序数(Z effective)，确定组织的组成。有效原子序数指体素中所有物质原子序数的平均值。有效原子序数图可用于区分动脉管腔内碘造影剂和管壁钙化两种高密度结构，但目前其临床应用较少[9]。

3 双能量CT 在CCTA 中的应用

3.1 降低辐射剂量

CT 检查对人体的电离辐射危害一直是限制其发展应用的因素之一，如何降低辐射剂量也备受相关专家和设备厂商的重视。随着技术进步，前瞻性心电门控技术、管电压和管电流自动调制技术、迭代重建算法的发展和应用，很大程度上降低了冠状动脉CT 血管造影的辐射剂量。双能量CT 降低CCTA 检查辐射剂量的原理是，利用对比增强图像重建出虚拟平扫图像可以替代非对比增强扫描[10]。已有一些研究表明，应用虚拟平扫图像计算出的冠脉钙化积分与常规平扫图像之间存在很强的相关性[10]。

3.2 降低碘对比剂用量

低能量段（＜70 keV）VMIs 因更靠近碘k 边界值（33 keV）而能够明显提高碘的CT 值。如果使用与传统单能CT 相同剂量和流速的碘造影剂，可以提高血管强化效果，并提高CNR ；使用较小剂量的碘造影剂就可获得与传统CT 类似的强化效果。Rotzinger DC 等[10]的研究结果显示，低keV VMI 可降低40%的碘造影剂量和注射速率，同时图像强化水平可用于诊断，且管腔与脂肪和肌肉之间的对比度得到了提高。由于碘造影剂具有肾毒性，减少其用量，尤其有益于肾功能较差的患者。低能VMI 对碘的敏感性较高，可以增强对冠脉更小分支或强化较差血管的显示，可用于挽救血管强化不佳的检查[10]。

3.3 去金属伪影

由于高密度结构（如金属夹、支架或大量高密度钙化）对X 射线光子的吸收比周围组织高得多，当混合X 射线束穿过这些物质时，会产生伪影。冠脉支架和手术夹产生的放射状伪影是冠状动脉CTA 中评估血管管腔时遇到的较棘手的问题之一，也是高估狭窄程度的原因之一[11]。VMI 中高能量段（＞90 keV）图像可以极大地减少高密度金属结构伪影[6]。然而，碘在高keV 图像上同样被抑制，这使得在对冠状动脉进行评估时应结合应用高低keV 图像进行分析。

3.4 分析冠状动脉斑块成分

区分冠状动脉斑块的不同病理成分对改善患者的预后具有重要意义。近年来，DECT 对软组织的辨别能力有很大的进步，它是否可以对斑块成分进行鉴别是目前研究的热点之一。已有一些研究对钙化斑块与纤维钙化斑块、钙化斑块与其他亚型斑块进行了区分，但对纤维钙化斑块、纤维性斑块和富含脂质斑块的区分鉴别仍比较困难[12]。斑块在DECT 中的表征还需要进一步研究，将有效原子序数信息与不稳定斑块的CT 特征相结合来确定动脉粥样硬化斑块的性质也是研究的方向之一。