CT能譜成像在血管造影中的應(yīng)用進(jìn)展

周 穎 綜述，黃勁柏 審校

(長(zhǎng)江大學(xué)附屬第一人民醫(yī)院/長(zhǎng)江大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院放射科，湖北荊州 434000)

能譜CT是基于單個(gè)X射線源和探測(cè)器的組合[1]，這可以通過(guò)高壓發(fā)生器及探測(cè)器的快速采樣功能，使其能夠在80、140 kVp電壓之間快速轉(zhuǎn)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(yīng)用，能譜CT在血管造影應(yīng)用方面展現(xiàn)出了優(yōu)勢(shì)，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(qiáng)不足，來(lái)自金屬和光束硬化的偽影，以及有限的物質(zhì)分離和灌注評(píng)估。本文就能譜CT技術(shù)及能譜CT的血管應(yīng)用方面進(jìn)行綜述。

1 能譜CT的一般介紹

能譜CT是通過(guò)X線穿過(guò)物體時(shí)的衰減來(lái)成像的，管電壓即X線的質(zhì)，也就是X線穿透物質(zhì)的能力，能譜CT的管電壓、管電流和能譜過(guò)濾可以針對(duì)X線管/探測(cè)器進(jìn)行優(yōu)化，從而增加能譜分離并改善圖像質(zhì)量[2]。X線穿過(guò)物質(zhì)時(shí)發(fā)生光電及康普頓效應(yīng)，光電與康普頓效應(yīng)共同決定了X 線的衰減，每種物質(zhì)都有其特定的X線衰減曲線[3]。能譜CT通過(guò)對(duì)采集的能量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，先獲得基物質(zhì)對(duì)的密度圖像以實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的分離與定量，然后通過(guò)水/碘等已知的物質(zhì)隨能量變化的質(zhì)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(zhì)密度圖像 能譜CT中的光束硬化校正在物質(zhì)分解的過(guò)程中以兩種不同能量(例如80、140 kVp)對(duì)物體進(jìn)行精確的X射線衰減測(cè)量。通過(guò)基于投影的過(guò)程，能譜CT通過(guò)快速千伏峰值切換以重建物質(zhì)分解圖像(或物質(zhì)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(zhì)作為基物質(zhì)對(duì),即物質(zhì)低密度和高密度的物質(zhì)(如水和碘等常用于醫(yī)學(xué)診斷成像的基物質(zhì)對(duì))。以水和碘為基物質(zhì)對(duì)時(shí)，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(guò)使水的衰減失效來(lái)增強(qiáng)碘的衰減，在CT血管造影圖像上，它們能改善血管對(duì)比度，在降低造影劑劑量時(shí)能保留相似的血管對(duì)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(dòng)重建出從40～140 keV(以1 keV間隔)獲得的101個(gè)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(jí)降低，血管對(duì)比度增加，因?yàn)樵谳^低能量下(即33.2 keV)，電子k殼結(jié)合碘的能力最強(qiáng)[5]。在較低能量下的單能量圖像雖然提高了血管對(duì)比度，但同時(shí)增加了圖像噪聲，通過(guò)使用迭代重建算法[如自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)迭代重建(ASiR)]可以對(duì)較低能量下獲得的單能量圖像中增加的圖像噪聲進(jìn)行補(bǔ)償[6-7]，而在65～70 keV獲得的圖像噪聲最低[8]。目前認(rèn)為，65或70 keV的單能量圖像可以用作替代品，因?yàn)镃T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(rèn)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(biāo)準(zhǔn)圖像。隨著能級(jí)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(guò)使用工作站分析應(yīng)用程序，可通過(guò)繪制物質(zhì)的CT衰減值來(lái)生成每個(gè)從40～140 keV的單能量圖像，因?yàn)榍€是基于給定物質(zhì)的已知平均衰減特性來(lái)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(zhì)顯示相反的模式)，以及含脂質(zhì)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(zhì)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(wú)法進(jìn)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(yīng)用程序可用于推導(dǎo)物質(zhì)的有效原子序數(shù)。有研究報(bào)道表明，通過(guò)使用有效原子序數(shù)可對(duì)腎結(jié)石中的非尿酸結(jié)石成分進(jìn)行準(zhǔn)確的分析[13]。有效原子序數(shù)是根據(jù)物質(zhì)的X線衰減特征來(lái)定義的；如果物質(zhì)的衰減類似于試驗(yàn)號(hào)X的周期性元素，則物質(zhì)的有效原子序數(shù)被確定為X。富含脂質(zhì)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(yīng)用

2.1臨床應(yīng)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(dāng)能譜CT采用從80～140 kVp快速千伏峰值切換時(shí)，光束硬化校正后的雙能CT投影數(shù)據(jù)可自動(dòng)重建，其能使用任意成對(duì)的基礎(chǔ)物質(zhì)，通過(guò)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(guò)安裝在專用工作站中的專用CT軟件即時(shí)生成，在工作站上輕松靈活地顯示和觀察，并在必要時(shí)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(jiàn)的即動(dòng)脈粥樣硬化，動(dòng)脈粥樣硬化的原因即斑塊的形成。動(dòng)脈CT血管造影(CTA)已成為動(dòng)脈粥樣硬化性動(dòng)脈狹窄評(píng)估中一個(gè)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(dòng)脈內(nèi)膜剝脫術(shù)或支架放置。在存在嚴(yán)重鈣化的動(dòng)脈粥樣硬化斑塊時(shí)，這種評(píng)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(qiáng)的管腔，基于鈣物質(zhì)分解的能譜CTA技術(shù)在此情況下是有用的[14]。能譜CTA后處理技術(shù)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(jí)定量測(cè)量方法[15]。單能量CTA重建可以進(jìn)一步提高狹窄評(píng)估的準(zhǔn)確性，但必須注意的是，因?yàn)槟芰克降倪x擇可以通過(guò)改善或夸大來(lái)改變鈣化斑塊的表觀大小“效果”[16]。

2.3改善血管對(duì)比度 常規(guī)單能CT的CTA檢查失敗的最常見(jiàn)原因之一是血管造影增強(qiáng)不佳，能譜CT檢查時(shí)低能量下的單能量圖像和碘/水物質(zhì)密度圖像可改善CTA的血管對(duì)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?chē)艿娘@示度[18-19]。常規(guī)單能CT使用低管電壓時(shí)雖然也可以達(dá)到類似的效果，但是會(huì)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(dǎo)致造影劑誘導(dǎo)的腎病，尤其是對(duì)腎功能不全的患者，造影劑劑量是造影劑誘導(dǎo)腎病的獨(dú)立預(yù)測(cè)因子。然而通過(guò)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(huì)明顯降低血管對(duì)比度[20]，這是常規(guī)CT所不能達(dá)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(shí)間較長(zhǎng)。80 kVp的較長(zhǎng)曝光時(shí)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(xiàng)研究報(bào)道，在獲得相同圖像質(zhì)量的條件下，使用能譜CT比使用常規(guī)頭部CT時(shí)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(shí)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(yīng)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(bào)道，在對(duì)頭頸部微小動(dòng)脈瘤診斷準(zhǔn)確率差異不大的前提下，能譜CT檢查對(duì)輻射劑量的降低更具優(yōu)勢(shì)[22]。

2.5減少金屬偽影 盡管常規(guī)CT技術(shù)在不斷進(jìn)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(píng)估在CTA術(shù)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(duì)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(duì)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(duì)比度增加而偽影沒(méi)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(yán)重偽影，特別是致密金屬物質(zhì)[23]。已有研究結(jié)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(zhì)密度圖像能夠?qū)Ω鞣N器官的灌注進(jìn)行精確的定性和定量評(píng)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(shí)采用碘/水密度圖像，肺灌注成像可以提高肺栓塞的診斷準(zhǔn)確性[25]。心肌灌注CT是診斷限制性冠狀動(dòng)脈疾病的有效非侵入性檢查，特別是對(duì)于冠心病冠狀動(dòng)脈CTA時(shí)診斷結(jié)果的不確定(如中間冠狀動(dòng)脈狹窄)。在常規(guī)單能CT中，因?yàn)橐资芄馐不瘋斡暗挠绊懀募≈械湍M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(bào)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(guò)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(zhǔn)確性[26-27]。

3 總 結(jié)

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(chǔ)物質(zhì)的密度圖像，以及詳細(xì)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(duì)比度。通過(guò)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(huì)降低血管對(duì)比度。采集碘/鈣計(jì)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(cè)出富含脂質(zhì)的斑塊，碘/水密度圖像還能用于評(píng)估器官灌注，熟悉能譜CT中的快速千伏峰值切換技術(shù)對(duì)于CTA的最大化臨床實(shí)用性，改善患者護(hù)理和臨床管理都非常重要。