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当前新型的冠状动脉CT成像技术 RadioGraphics2015RadioGraphics2015 35 991 1010 前言 最近的快速技术进步促进了冠状动脉多排螺旋CT扫描仪的广泛临床应用 其可用于冠状动脉疾病的非侵入性地和准确地评估 并提供了卓越的图像质量 在许多具有64个或更多个检测器以增强空间和时间分辨率的CT扫描仪的单中心和多中心试验中 使用侵入性导管冠状动脉造影作为参考模态 研究者已经证明用于检测冠状动脉CT的显著冠状动脉疾病的多检测器系统的优异的诊断准确性 目前的标准冠状动脉CT仍存在许多不足 包括 致癌辐射和肾毒性造影剂不足的空间和时间分辨率束硬化伪像对冠状动脉斑块特征分析不足不能对冠状动脉狭窄进行功能评估 各种当前新颖的成像技术被开发出来以克服这些限制 包括 a 进床轴扫 迭代重建和前瞻性ECG门控大螺距双源螺旋扫描以减少辐射剂量 b 双能CT和迭代重建以减少造影剂的剂量 c 高分辨率CT可以用于提高空间分辨率 e 双源CT和运动校正算法以改善时间分辨率 f 320 检测器CT和智能边界配准算法 以减少阶梯伪像 g 单源双能CT 具有快速管电压切换以减少束硬化 对这些成像技术的全面理解将增加冠状动脉CT用于评估冠状动脉疾病的价值 本文的目的是帮助放射科医师了解标准冠状动脉CT和各种当前成像技术的局限性 以克服这些限制 目录 标准冠状动脉CT及其局限性当前新颖的冠脉CT成像技术 标准冠状动脉CT及其局限性 标准回顾性ECG门控螺旋扫描辐射暴露和癌症风险回顾性ECG门控螺旋扫描与心电图控制管电流调制低管电压扫描标准冠状动脉CT的局限性 标准回顾性ECG门控螺旋扫描 用CT成像小且快速移动的冠状动脉的主要挑战是具有足够高的空间分辨率以解析精细结构和足够高的时间分辨率以冻结动脉运动 通常 成像最好在心脏周期的最静息部分的舒张期进行 在扫描期间使用ECG记录监测心动周期能够 a 使图像采集和重建与心脏运动同步 b 具有回顾性门控的图像的重建 c 选择最佳重建阶段以减少由偶然的早搏产生的运动伪影 标准回顾性ECG门控螺旋扫描 多排螺旋CT扫描仪与回顾性ECG门控螺旋扫描技术的结合使用可以在单次屏气期间以亚毫米空间分辨率高速采集整个心脏的无运动体积数据 具有64个或更多检测器的CT扫描仪被广泛用于非侵入性和准确地评估冠状动脉疾病 并提供出色的图像质量 标准回顾性ECG门控螺旋技术需要具有低螺距的高度重叠扫描 以确保用恒定管电流覆盖整个心脏 并且因此能够选择整个心脏期的重建窗口 图1a 然而 在许多患者中 特别是具有足够低和规则心率的患者 通常不需要采集其他相 因为舒张期对于冠状动脉CT的重建是最佳的 上图显示了用于冠状动脉CT的各种扫描技术的放射剂量和心动周期之间的不同关系 阴影框的高度表示管电流的量 a 对于回顾性ECG门控螺旋扫描 在整个心动周期中以恒定管电流递送辐射 b 对于具有ECG控制的管电流调制的回顾性ECG门控螺旋扫描 管电流在预定心脏相之外极大地减少 c 对于预期的ECG门控轴向扫描 进床轴扫 仅在预定的心脏相位期间输送辐射 在选定阶段期间在某个台位置处执行覆盖大面积的轴向扫描之后 将台移动到下一位置 与随后的轴向扫描几乎不重叠 d 预期的ECG门控大螺距双源螺旋扫描能够在单个心动周期的选定阶段内完全覆盖心脏 并且与最低的辐射剂量相关 辐射暴露和癌症风险 冠状动脉CT的放射剂量估计可表示为体积CT剂量指数 CTDIvol 和剂量长度乘积 剂量长度乘积表示在整个检查期间患者的辐射暴露 其乘以胸部的器官加权因子可以估计生物损伤的风险 以及估计冠状动脉CT的有效剂量 使用具有低螺距和高管功率的标准回顾性ECG门控螺旋扫描在具有120kVp的标准管电压的64个或更多个检测器的CT产生大约9 21mSv的有效剂量 平均 大约15mSv 常规诊断导管冠状动脉造影大约2 10mSv ECG控制的管电流调制和低管电压是用于减少标准冠状动脉CT的放射剂量的主要技术 回顾性ECG门控螺旋扫描与ECG控制管电流调制 在回顾性ECG门控螺旋扫描中的ECG控制的管电流调制使有限的心脏阶段 例如 舒张中期 的管电流最大化 并且对于不需要的其他阶段 从根本上减少电流 例如 达到全部的20 图1b 与标准回顾性ECG门控螺旋技术相比 这种方法减少有效剂量约30 50 从而减少癌症的终生风险 特别是对于女性和年轻患者 并尽可能的保持诊断图像的质量 低管电压扫描 通常 辐射剂量与管电压的平方成比例并与管电流成比例 因此 通过降低管电压比通过减小管电流更多地减少辐射剂量 管电压应根据患者身体的表面情况降低 因为其降低不可避免地增加图像噪声 图2 在较小的患者和儿童中 将管电压从标准120kVp降低到100或80kVp减少了辐射剂量30 50 同时提供相似的图像质量 图3 由于碘的相对高的原子数产生较高的光电效应 降低管电压也增加了碘化造影剂的衰减 因此 可以减少肾毒性造影剂的量 同时在血管内实现相同的衰减 图2 低剂量冠状动脉CT使用100 kVp管电压进行进床轴扫 提供高空间分辨率和较明显的图像噪声 结合高分辨率CT和在体积渲染CT图像 a 上的自适应统计迭代重建和左冠状动脉 b 和右冠状动脉 c 的曲面重组的CT图像上 对图像 50 混合比率与滤波反投影 进行比较 图3 使用100 kVp管电压的大螺距双源螺旋扫描执行的低剂量冠状动脉CT 有效剂量 0 97mSv 在体积渲染的CT图像 a 和曲面重建上提供了优异的图像质量左冠状动脉 b 和右冠状动脉 c 重建的CT图像 标准冠状动脉CT的局限性 空间分辨率不足射束硬化伪影时间分辨率不足阶梯伪影无功能评估 空间分辨率不足 空间分辨率不足可以影响冠状动脉狭窄严重程度的评估和图像的整体可解释性 特别是在评价小的或外周血管疾病时 空间分辨率不足产生部分容积效应 可能限制了对冠状动脉斑块成分的详细分析 在图像上 部分容积效应可导致来自诸如钙化斑块和冠状动脉支架的高衰减对象的开花伪像 并且这些开花伪像可导致对对象的大小和相应冠状动脉节段的狭窄的严重性的过高估计 射束硬化伪影 高衰减对象也可能导致束硬化伪影 由x射线管发射的光束包括携带能量光谱的光子 当x射线穿过包括高衰减对象的结构时 较低能量的x射线光子优先被吸收 并且高能光子更有可能穿过 当该X射线束 硬化 时 衰减结构远端的衰减程度减小 在CT心肌灌注成像中可存在射束硬化伪影 心室和主动脉中的高浓度的碘化造影剂可成为这些伪像的源 在标准单能CT中 这些伪像还可以限制导致急性冠状动脉综合征的具有低衰减值的易损斑块的表征 此外 由射束硬化和部分容积效应的组合产生的开花伪影 bloomingartifacts 可导致较困难地评估具有严重钙化的冠状动脉斑块和直径小于3mm的冠状动脉支架的冠状动脉疾病 时间分辨率不足 不足的时间分辨率可导致运动伪影 特别是在具有高心率和心率不齐的患者中 多扇区 或多段 重建技术的使用允许来自不同心动周期的图像的回顾性重建 并且旨在改善具有常规高心率的患者的冠状动脉CT的时间分辨率 然而 其限制包括心率变异性 心律失常和冠状动脉CT获取期间心率的变化 阶梯伪影 在冠状动脉CT成像中 几个心动周期中RR间期的差异可能在体积数据集中产生不一致 并因此产生阶梯 或条带 伪像 其在冠状 体积渲染或多平面重建的图像上更突出 图4 最近推出的320检测器CT扫描仪允许在单个心跳中覆盖整个心脏 并消除这些伪像 即使患者有心律失常 图4 阶梯伪影 在曲面重建的冠状动脉CT图像 a b 和体积绘制的冠状动脉CT图像 c d 在没有智能边界配准算法 a c 的情况下获得的图像上的阶梯状伪影显示为冠状动脉血管不连续性 a c中的箭头 但是在使用该算法获得的图像上减少 b d 在c中 在通过每个箭头的轴的延长线穿过的冠状血管上示出了伪影 无功能评估 标准冠状动脉CT仅限于冠状动脉狭窄的解剖学描述 并且不提供关于冠状动脉病变的功能重要性的信息 形态学上中间的冠状动脉狭窄和不可解释的图像可能导致不确定的结果 并且需要用非侵入性心肌灌注成像方式比如单光子发射计算机断层摄影 SPECT 正电子发射断层摄影 磁共振 MR 成像进一步评估 还可用有创导管冠状动脉造影结合分数流储备 FFR 的测量 当前新颖的冠脉CT成像技术 前表总结了标准冠状动脉CT的局限性 以及使用当前和新颖成像技术克服这些限制的主要潜在策略和解决方案 在本节中 更详细地说明了这些成像技术 当前新颖的冠脉CT成像技术 前瞻性ECG门控轴向扫描 同床轴扫 迭代重建高分辨率CT双源CT前瞻性心电门控大螺距双源螺旋扫描运动校正算法边界智能匹配双能CT源自CT的分数流量储备 FFRCT 前瞻性ECG门控轴向扫描 在预期的ECG门控轴向扫描 即所谓的进床轴扫中 x射线束在预定的心脏相位开启 以获取足够的扫描数据 以在最小采集窗口期间重建图像 其等于机架旋转180 加上扇形角的大小 图1c 然后将台移动到下一个位置以进一步获取数据 与回顾性ECG门控螺旋扫描相比 进床轴扫通过限制采集的相数和通过将间距增加到大约1来减少辐射暴露 与随后的扫描几乎不重叠 进床轴扫具有有限的重建窗口并且不提供关于心脏功能的信息 填充技术可以在最小采集窗之前和之后的附加心脏相位期间采集图像数据 并且可以补偿冠状动脉CT扫描期间的心率变化 尽管使用进床轴扫的填充时间增加了辐射暴露 但其提高了具有轻度心率变异性的患者的图像质量 并且允许在各种心脏阶段 包括收缩期重建 图5 与通过ECG控制的管电流调制 a 获得的回顾性ECG门控螺旋CT图像相比 1年后采用同床轴扫获得的同一患者的曲面重建的冠状动脉CT图像 b 并且相同的扫描参数显示相似的图像质量 但是有效剂量从21 6降低到3 7mSv 83 迭代重建 自临床引入CT后 图像重建主要通过使用滤波反投影进行 虽然滤波反投影算法快速且高效 但这些过度简化的假设导致增加的图像噪声和较低的图像保真度 迭代重建可以克服滤波反投影的缺点 迭代重建算法使用前向重建模型和扫描器几何形状和底层物理 系统光学 的更精确的集成 并且这些算法考虑了对x射线光子统计和电子噪声的更精确的建模 与滤波反投影相比的迭代重建的优点包括更高的空间分辨率和更低的图像噪声 对于各种伪像具有更强的鲁棒性 这些迭代重建算法的主要潜在益处是当用高分辨率CT以较高空间分辨率成像时减少图像噪声的能力 图2 这些算法的使用还可以减小管电流或管电压 这两者都减少辐射剂量而不增加图像噪声 图2 迭代重建和低管电压扫描的组合还可以减少静脉造影剂的剂量 同时保持图像质量 高分辨率CT 新推出的具有宝石探测器和改进的数据采集系统的高分辨率CT扫描仪提供了2 5倍的视图 主速度快100倍 比非高分辨率CT扫描器更低的余辉 当与自适应统计迭代重建相结合以补偿增加的噪声时 与非高分辨率CT相比 高分辨率CT能将平面空间分辨率提高到0 23mm并且将对比度分辨率提高到3mm 而非高分辨率CT的平面空间分辨率为0 33 0 50mm 对比度分辨率为5mm 高分辨率CT 这种高分辨率CT增加的空间分辨率将提高用于识别显著冠状动脉疾病的诊断准确性和冠状动脉CT在小或外周冠状动脉血管以及具有钙化的冠状动脉斑块和冠状动脉支架的患者中的图像可解释性 这两者都易于出现伪影 重建冠状动脉CT图像利用更有限的视野 更硬的内核 高清细节 算法和更高的70 混合比率的自适应统计迭代重建 以提高支架再狭窄和支架的轮廓识别诊断的准确性 图8 图8 与非高分辨率冠状动脉CT图像 a c 相比 高分辨率冠状动脉CT图像 b d 其使用更有限的视野 更硬的 高分辨率细节 算法以及在具有滤波反投影的70 混合比的自适应统计迭代重建来重建 显示支架内再狭窄的清晰轮廓以获得更好的诊断准确性 并且在曲面重建的冠状动脉CT图像 a b 和横截面冠状动脉CT图像 c d 上显示具有更高空间分辨率和足够图像质量的支架的更好的轮廓d 双源CT 双源CT使用两个X射线管和两个检测器 以90 角布置 仅需要该系统的四分之一旋转来获取冠状动脉CT的X射线数据 与相同旋转速度下的单源CT相比 其有效地使时间分辨率加倍 使用双源CT提高的时间分辨率减少了冠状动脉伪影 并且使得冠状动脉CT的图像质量不仅更少依赖于心率 而且更少依赖于获取图像的心动周期的相位 前瞻性心电门控大螺距双源螺旋扫描 通过使用之前描述的双源CT扫描仪 预期的ECG门控大螺距双源螺旋扫描可以实现无间隙z采样 间距高达3 4 在单个心动周期内在250 290毫秒的扫描时间内完全覆盖心脏 并且该扫描可在小于1mSv的辐射剂量下准确评估冠状动脉狭窄 运动校正算法 最近引入的运动校正算法可补偿冠状动脉运动并减少冠状动脉CT的运动伪影 具体来说 在心脏多相重建和冠状动脉血管的自动跟踪之后 该运动校正算法使用来自单个心动周期内的相邻心脏相位 在目标相位之前和之后的80毫秒内 的信息来分析血管运动 路径和速度 以确定在指定目标的血管的实际位置相 并且所述算法自适应地补偿所述相位处的任何残余运动以有效地压缩重建时间窗口 该算法适用于每个血管和每个扇区 以校正使用回顾性ECG门控螺旋扫描或进床轴扫技术获得的冠状动脉血管的每个体素的不同运动程度 因为运动校正算法分析单个心动周期内的运动特征 所以其不太可能受到逐搏不一致性 心脏周期或机架周期共振的影响 这些影响可以限制多扇区重建 使用这种算法提高了患者冠状动脉CT的图像质量 可解释性和诊断准确性 且不需要给药控制心率 图9 运动伪影 在扫描期间具有低或正常心率为49 51次 分钟的患者中 在没有运动校正算法 a c 的图像上显示了右冠状动脉中严重的运动伪影和慢性完全闭塞的轮廓不清 但在用该算法获得的图像 b d 上减少 图10 运动伪像 在扫描期间心率为74 77次 分钟的相对高心率的患者中 在不使用运动校正算法 a c 获得的图像上示出右冠状动脉中的严重运动伪影 但是在使用该算法获得的图像上 b d 伪影减少 边界智能匹配 最新的智能血管驱动的非刚性配准算法 智能边界配准 可以自动补偿冠状动脉CT体积图像数据的心跳不对准 这种智能边界配准算法可以消除冠状动脉CT图像上显着的冠状动脉疾病的阶梯 或条带 伪像和减少假阳性结果 如图4所示 但是需要进一步的研究来确定其使用的临床可行性 双能CT ECG门控双能CT检查主要使用两种类型的双能CT双源CT扫描仪具有快速管电压切换的单源CT扫描仪 双源CT扫描仪 双源CT扫描器使用两个分开的x射线管以90 角度在两个不同的管电压下工作 80或100kVp用于低能量扫描 而140kVp用于高能量扫描 因为高和低能量数据集是在稍微不同的时间采集的 所以用这种扫描仪获得的双能量CT图像在时间配准及使用基础图像重建中有些受限 具有快速管电压切换的单管CT扫描仪 相比之下 单源CT扫描器依赖于单个X射线管 在单个机架旋转期间以小于0 5毫秒的间隔在两个管电压 80和140kVp 之间快速切换以产生高能量和低能量x射线谱 这种技术提供了更精确的时间配准的潜力 并允许双能CT图像基于投影的图像重建 光束硬化误差被更加显著地减少 在40 140keV处产生精确的单色图像 并且通过使用两种不同的任意材料作为基本对来产生材料密度 或材料分解 图像 不幸的是 这种双能CT技术和高分辨率CT扫描的组合使用目前不适用 束硬化校正 冠状动脉CT作为单纯的非侵入性分析方法 通过使用两种不同的方法 a 时间分辨或动态灌注采集技术和 b 第一动脉通道采集技术 结合药物试验和静态心肌灌注CT 可以同时识别解剖细节和阐明冠状动脉狭窄的功能重要性 标准单能CT的使用在冠状动脉CT的钙化冠状动脉斑块和冠状动脉支架的详细解剖评估中是有限的 而且 标准单能量CT在利用心肌灌注CT的功能评价以及灌注缺陷模拟中受到限制 特别是在左心室下壁中 这是因为受到束硬化伪影的影响 另一方面 已经报道了具有管电压快速切换的单源双能量CT大大减少了束硬化并且改善了冠状动脉和心肌对单色图像中的信噪比和对比度 噪声比 单色图像 单色图像描绘了x射线源仅在40至140keV 1keV间隔 的单一能量下产生x射线光子从而形成图像 与使用较高管电压的情况相比 使用具有标准CT的低管电压可以提高对比度分辨率但增加噪声 来自双能CT的单色图像提供优异的对比度分辨率和较少的噪声 特别是当与诸如自适应统计迭代重建的迭代重建算法组合时 可提高小外周或侧支血管的轮廓描绘 并合理降低慢性肾脏疾病患者造影剂的剂量 图11 与标准CT不同 双能量CT可以灵活地结合更高能量的单色图像作为噪声限制的低能量单色图像的有效备份 图11 在右冠状动脉和左前降支冠状动脉之间的圆锥支的小侧支血管的患者中 在40keV获得的显示为体积绘制的冠状动脉CT图像 a 的单色图像显示了与使用具有70keV b 和100keV c 快速管电压切换的单源双能量CT获得的体积绘制的冠状动脉CT图像相比 提高了侧枝血管的轮廓描绘 物质密度图像 在具有快速管电压切换的单源双能CT中 双材料分解技术用于图像重建 选择作为基础对的动脉钙化的主要成分 碘和羟基磷灰石可以去除或减少钙化冠状动脉斑块的伪影 以详细评价受影响的冠状动脉血管的管腔 图12 碘和水的选择对于改善冠状动脉的对比度 噪声比是非常有价值的 使用颜色编码显示技术来选择脂肪和水对于检测非钙化冠状动脉斑块中的微小脂质是有很用的 这通常提示了易损斑块 图13 图12 与使用具有快速管电压切换的单源双能量CT在65keV下获得的单色图像 a b 相比 碘和羟基磷灰石获得的材料密度图像 c d 显示钙化冠状斑去除或减少的伪影 左冠状动脉曲面重建 a c 和右冠状动脉曲面重建 b d 冠状动脉斑块成分分析 使用高级工作站分析应用允许通过绘制材料从40到140keV的每种单色能量的衰减值来生成光谱衰减曲线 1 keV间隔 x轴 单位能量级 千电子伏特 y轴 衰减值 并且基于已知材料的平均衰减特性帮助分析特定组织类型 例如 已知脂肪在较低能量下具有降低的衰减值 除了脂肪之外的大多数材料显示相反的模式 因此脂质丰富的斑块如心包脂肪显示出的曲线图案 其中衰减随着单色能量的降低而减小 图13 该分析可用于区分非钙化斑块 纤维斑块还是富含脂质的斑块 而标准单能CT则会混淆 图14 图13 在65keV获得的单色图像 a 难以确定非钙化冠状动脉斑块是富含脂质的斑块还是纤维斑块 与选择脂肪和水作为基础对 b 获得的颜色编码材料密度图像的融合可以容易地将斑块中的微小脂质描绘为类似于心包脂肪的有色区域 这表明其为富含脂质的斑块 c b中斑块的有色区域的特征峰Hounsfield单位曲线显示在较低能量水平 千电子伏特 的衰减值减少的图案 这也表明其为富含脂质的斑块 冠状动脉斑块成分分析 还可以导出有效原子序数 有效Z 的直方图 其描述材料的密度和原子数 并且这些直方图可以用于区分材料 富脂斑的有效Z直方图显示与心包脂肪的峰和分布类似的峰和分布 并且与血管腔或纤维斑的不同 图14 具有有效Z直方图的这种分析也可用于分析冠状动脉钙化的组分 图15 图14 与在65keV a 获得的单色图像相比 其中感兴趣的区域位于碘填充的血管腔 红色椭圆形 内 在具有快速管电压切换的单源双能量CT获得的横截面冠状CT图像上的纤维斑块 粉红色椭圆形 富含脂质的斑块 浅蓝色圆形 和心包脂肪 深蓝色椭圆形 光谱Hounsfield单位曲线 b 和有效Z c 的直方图可以容易地用于鉴定富含脂质的斑块 在b中 其表示x轴上的能级 以千电子伏特为单位 和y轴上的衰减值 以Hounsfield单位 富含脂质的斑块 浅蓝色曲线 的曲线模式显示具有较低能量水平的减少的衰减 类似于心包脂肪的模式 深蓝色曲线 并且不同于血管腔 红色曲线 和纤维斑块的模式 粉红色曲线 在c中 其表示x轴上的有效Z 垂直蓝线表示脂肪的理论有效Z 和在y轴上的像素的百分比 富含脂质的斑块 浅蓝色 显示出与心包脂肪 深蓝色 的峰和分布类似的峰和分布 并且与血管腔 红色 和纤维斑块 粉红色 的峰和分布不同 图15 a c 在具有快速管电压切换的单源双能量CT65keV下获得的曲面重建的单色图像显示在左前降支冠状动脉中用于冠状动脉斑块成分分析的感兴趣区域 段6 红色圆圈在a 和右冠状动脉 段1 红色圆圈在c 从左到右 直方图中的细垂直彩色线表示磷酸八钙 OCP 红色 磷酸二钙二水合物 DCPD 绿色 草酸钙一水合物 蓝色 羟基磷灰石 黄色 和磷酸三钙 蓝色 心肌灌注成像 双源CT提供颜色编码的碘图 可以敏感地检测心肌灌注缺陷和对心肌缺血的实质性评估 使用具有快速管电压切换的单源CT 以碘和水作为基础对的材料密度图像允许更准确地定性和定量评估心肌灌注 并且材料密度图像可以与从相同的基于投影的数据产生的三维融合冠状动脉CT图像组合 以容易且精确地识别病变区域 图16 图16 a d 与使用具有快速管电压切换 a 的单源双能CT在70keV获得的单色短轴心肌灌注图像相比 材料密度图像 b 和用碘和水选择作为基础对获得的颜色编码材料密度图像 c 的融合更清楚地描绘左心室前壁中的灌注缺陷 允许心肌灌注 定量为放置在前壁 d中的黄色圆圈 侧壁 d中的绿色圆圈 和下壁 d中的蓝色圆圈 的感兴趣区域中的碘密度 在这三个区域中测量碘密度为0 01 1 62和1 56mg mL e 体积渲染的颜色编码材料密度和从相同的CT数据集产生的冠状动脉CT图像的三维匹配融合有助