CZT-SPECT心臟專用機門控心血池斷層顯像的研究進展

陳 越，李劍明

（泰達國際心血管病醫院核醫學科，天津300457）

0 引言

放射性核素心電門控平衡法心血池顯像曾是核醫學領域的經典檢查項目，特別是在心臟彩超臨床應用之前，其對心室功能的評估發揮著非常重要的作用，能夠無創、準確地反映左右心室射血分數、心室收縮（舒張）末期容積、心室收縮時相、高峰射血（充盈）率及室壁運動電影等功能信息，并能為冠心病的心室功能評估、心電傳導異常、心肌病的輔助診斷等提供重要信息。由于心臟彩超具有無輻射、操作方便、成本低的特點，其臨床應用廣泛，逐漸取代了核素心血池顯像，但是心臟彩超不適用于右心室功能的測定，且對患者左心室功能評估的系列成像還存在著一定的變異性[1-3]。近年來，從臨床認識到通過對左、右心室射血分數的測定，核素心血池顯像不僅對心血管系統疾病患者治療具有指導價值，還對非心血管系統疾病患者的心室功能，尤其是腫瘤患者化療及靶向治療的心臟毒性副作用的準確評估具有重要的監測價值[4-5]，且其對左、右心室的機械性收縮同步性的評估也日益受到臨床重視[6-7]。核素心血池顯像在這些方面均有獨特的應用價值，能提供多種無創性客觀參數用于臨床診斷、評估和研究，因此，其再次被人們重視。

早期核素心血池顯像以門控平衡法平面顯像最為經典，但各房、室重疊的問題以及本底計數的測定會影響其對心室功能，尤其是心室容積測量的精準性[8-9]。傳統單光子發射計算機斷層成像（conventional single photon emission computed tomography，C-SPECT）的斷層顯像在一定程度上克服了這些問題，而且對左心室射血分數（left ventricular ejection fraction，LVEF）及容積測定與心臟核磁共振（cardiac magnetic resonance，CMR）結果非常一致，相關性好[10-11]，特別是在左心室植入輔助裝置的患者（為CMR禁忌）中成為全面準確評估左、右心室情況的良好替代檢查[12]。但是既往受設備、技術所限，門控采集只能采用8~16幀/心動周期模式，不利于舒張期功能參數的準確測量。新的碲鋅鎘晶體光子發射計算機斷層成像（cadmium zinc tellurium conventional single photon emission computed tomography，CZT-SPECT）心臟專用機比C-SPECT具有更好的能量分辨力、計數敏感性和空間分辨力[13]，輕松實現了門控24幀/心動周期的采集模式，并可以進行低劑量斷層成像，大大提高了心血池顯像的采集性能。常用的CZT-SPECT目前主要有2種型號，D-SPECT（以色列Spectrum Dynamics Medical公司）和Discovery NM 530c（美國GE公司），二者盡管在探頭設計構造上不盡相同，但均可以低劑量、高效和高時間分辨力完成門控核素心血池斷層顯像。以Discovery NM 530c為例，19塊碲鋅鎘晶體針孔型準直器以不同角度半包圍覆蓋并聚焦于心臟，其固定式的高性能探頭采集和應用專業軟件進行迭代重建使得心血池的采集方案與圖像質量大大優化和改善，預期在心室功能評價方面具有更大的應用和臨床研究價值。以下對CZT-SPECT在左、右心室功能的評價和技術相關問題進行綜述。

1 常規參數測定

1.1 LVEF及其容積測定

既往研究[11]認為C-SPECT斷層顯像與平面法相比會高估LVEF。Jensen等[14]對比分析了C-SPECT平面法、C-SPECT斷層法和CZT-SPECT斷層顯像，認為三者測定的LVEF有適度的相關性，C-SPECT斷層法測定的LVEF高于其他二者，CZT-SPECT斷層顯像與C-SPECT平面法測得的LVEF沒有明顯差異，C-SPECT斷層法測得的左心室舒張末期容積（left ventricular end-diastolic volume，LVEDV）要高于CZT-SPECT斷層顯像，而二者測得的左心室收縮末期容積（left ventricular end-systolic volume，LVESV）基本一致。Haarmark等[15]的大樣本研究嘗試提供一組CZT-SPECT斷層顯像對癌癥化療及靶向治療患者的標準化參考數據，并與之前傳統機型研究中的已有數據進行比較，得出了比較一致的結果，但其中左心室容積略小于以往數據。該研究還進一步分析了所測數據與性別、年齡之間的聯系，這有助于對患者進行更為個性化的監測。Chen等[16]將CZTSPECT斷層顯像與平面法比較，認為二者測得的LVEF、LVEDV及LVESV均具有很好的相關性，平面法測得的LVEDV高于CZT-SPECT斷層顯像，收縮末期容積（end-systolic volume，ESV）無明顯差異，當左心室擴大時，CZT-SPECT斷層顯像會低估左心室容積。另外Chen等[16]還細分了平面法LVEF≥35%和＜35%2組，發現LVEF≥35%組2種方法測得的LVEF具有更好的相關性，LVEF＜35%組二者相關性則較差。由此可見，既往研究得到的結論均認為CZT-SPECT斷層顯像在LVEF的測量上與傳統顯像相關性好，但是具體到舒張末期容積（end-diastolic volume，EDV）和ESV則得出了稍有差異的結論，這可能與不同研究中選取的樣本差異有關（例如包含的病種），反映出在某些情況下，如心室功能差、心室重構或節律異常等，以現有CZT-SPECT的性能對左心室形態邊界的識別尚存在可提升空間。且現有的分析軟件中，平面法需要分別勾畫左、右心室以得到相關功能參數，斷層法則將左、右心室勾畫以及功能參數顯示整合在一起，如圖1所示[11]。

圖1 Xeleris工作站的BPGS軟件處理CZT-SPECT數據獲得的結果（包含左、右心室的多個參數）[11]

1.2 右心室射血分數（right ventricular ejection fraction，RVEF）及其容積測定

由于心臟解剖形態的特點，即右心室幾何結構的復雜性，右心室功能及其容積測定在多數影像學方面一直存在不同程度的局限性。CMR被視為無創性檢查中的金標準，既往的研究中對C-SPECT斷層顯像測得的數據與CMR進行比較，得出RVEF與容積有較好的相關性[17]。Haarmark等[15]的研究中亦給出了CZT-SPECT斷層顯像右心室的標準化參考數據，并與既往研究數據對比，得出了比較一致的結果，證實了斷層顯像評估右心室功能的能力。Chen等[16]的研究中，平面法測得的右心室舒張末期容積（right ventricular end-diastolic volume，RVEDV）高于CZTSPECT斷層顯像，右心室收縮末期容積（right ventricular end-systolic volume，RVESV）僅存在微小的差異，二者的RVEDV和RVESV的相關性稍差，但尚在合格標準內。但是和左心室一樣，當右心室擴大時，CZT-SPECT斷層顯像會低估右心室容積，可能是因為軟件識別右心室邊界時受到左心室大小及形態的影響。二者測得的RVEF存在一些邊緣性差異，相關性整體較好。其中CZT-SPECT斷層顯像測得的RVEF平均值比平面法高出約5%，二者測得的RVEF之間的偏差不具有明顯的統計學意義，這與既往對C-SPECT心血池顯像的研究結果是一致的[18-19]。因此雖然CZT-SPECT斷層顯像對右心室參數的測量有了明顯的改善，但仍面臨著和左心室同樣的問題，且在RVEF的相關性方面要比LVEF更差一些。右心室自身結構的復雜性及左心室干擾的問題是不可避免的，如何解決右心室測量問題一直沒有明確的定論。根據以往經驗，融合影像或許可以在一定程度上解決該問題，但是目前CZT-SPECT設備尚無法實現。

1.3 其他心室功能參數測定

癌癥患者化療、靶向治療藥物對心臟的毒性作用一直被關注，心血池顯像作為無創性檢查被用于此類患者心室功能的監測。既往研究[20-21]認為，心室舒張功能是判斷心肌是否損傷的早期指標。Wells等[22]對比了CZT-SPECT斷層顯像與C-SPECT平面法測得的左心室高峰充盈率（peak of filling rate，PFR）和高峰排空率（peak of emitting rate，PER），認為二者的相關性較好。Hansen等[23]對大樣本進行研究，給出了CZT-SPECT斷層顯像的左、右心室PFR和PER標準化參考數據，該研究結論與以往平面法以及C-SPECT斷層顯像得到的結果相當[24-25]，同時認為CZT-SPECT斷層顯像測定這些數據具有很好的可重復性。此外，該研究還分析了年齡、性別與這些功能參數間的聯系，并對年齡相關性舒張功能障礙進行了探討。不過該研究也指出，結合既往相關研究的不確定性，這些舒張功能參數需要進一步被證明在臨床中是否真正有意義。

2 操作重復性評價

操作重復性是評價一項檢查技術至關重要的標準之一。早期的研究已經證明，心血池平面法測量的操作重復性存在局限性，尤其是隨著心室功能減低，例如心衰患者，其重復性會有較明顯偏移，而CSPECT在不提升設備性能、只改變顯像方法的情況下，并沒有很好地解決操作重復性的問題[14]。CZTSPECT的問世明顯提高了采集性能，為操作重復性的優化帶來了可能。Jensen等[14]的對比研究中發現，CZT-SPECT斷層顯像的操作重復性優于平面法及C-SPECT斷層顯像，其測得的LVEF盡管在觀察者間存在明顯偏差，但相比C-SPECT平面法及斷層法，其觀察者內和觀察者間的變異性最小；LVEDV的測量在觀察者間存在差異，但是三者中CZTSPECT斷層顯像的變異系數要低得多，這使觀察者間的差異更容易被察覺。Jensen等[26]的另一項研究認為，CZT-SPECT斷層顯像測得的LVEF及容積在觀察者內和觀察者間差異性都非常小，與既往CMR的研究結果相當，可重復性很好。但是右心室可重復性則要差一些，可能是因為對于右心室邊界的測定缺乏一致性和基于右心室本身解剖特點所致的軟件識別時的不穩定性。Chen等[16]的研究認為，CZTSPECT斷層顯像評估雙心室射血分數在觀察者內及觀察者間均有良好的相關性和低偏差，雙心室容積在觀察者內及觀察者間均有良好的相關性，但是在觀察者內LVEDV、RVEDV及RVESV有較高偏差，而平面法測得的RVEF在觀察者間相關性較差，且平面法測量數據中出現了較高的觀察者間偏差。上述研究表明，CZT-SPECT斷層顯像在操作重復性方面有著較大優勢，這也得益于其更高的分辨力及敏感度，但右心室的問題也影響了其操作重復性。盡管如此，CZT-SPECT斷層顯像對于左、右心室測量的操作重復性也均優于C-SPECT。

3 采集方案優化

CZT-SPECT基于設備探頭技術的革新，使得采集時間和所需要的注射劑量大大減少，這早已得到以心肌灌注顯像（myocardial perfusion imaging，MPI）為主的大量研究的證實[27-28]。心血池顯像在早期平面法中需要注射劑量在850~1 110 MBq，采集時間寬度為接收總計數量達到500萬~800萬或采集達到400~600個心動周期。隨著設備與技術的發展，注射劑量逐漸降低，近年來關于CZT-SPECT斷層顯像方面的研究和應用中，注射劑量最低已經達到550 MBq[15，23，26，29]。Duvall等[11]的研究中，注射劑量平均為20 mCi（約740 MBq），視野內CZT-SPECT每分鐘獲得的計數為C-SPECT的2.7倍，心臟血池內為4.8倍，證實了CZT-SPECT的高靈敏度。當采集時間為3~5 min時，獲得的LVEF與平面法無明顯差異，認為CZT-SPECT斷層顯像在注射劑量和采集時間上有很好的權衡空間以進一步降低輻射劑量。Chen等[16]的研究中，注射劑量為925 MBq，采集時間為8 min，而后重建出1~8 min采集時間的圖像進行分析，發現LVEF即使在1 min采集時間時也與8 min時接近，而RVEF在4 min以下時會出現明顯的偏差。因此，該研究認為利用CZT-SPECT斷層顯像評價左、右心室功能時，采集時間可以縮短至4 min。Bailly等[30]的研究中，注射劑量為550 MBq，采集時間為7 min，進行完全數據和半數據（相當于注射劑量減半或采集時間減半）對比分析，發現LVEF、RVEF及左心室容積測定均無明顯差異。Tissot等[31]的研究中，注射劑量為850 MBq，采集時間為10 min，發現30%采集時間的重建數據中LVEF仍與平面法結果具有很好的相關性。二者的研究中均提到，這種模擬減少采集時間的采集方案對比研究等同于證明了一定程度減少注射劑量亦可以保證數據準確性，同時有效降低患者的輻射劑量。既往的研究分別確定了在不影響數據準確性的前提下注射劑量和采集時間的界值，提示未來優化CZT-SPECT斷層顯像方案時，可以采用二者協同調整，即二者乘積參數調整的方案，靈活設定適合患者的采集模式。綜上所述，CZT-SPECT斷層顯像相比C-SPECT在減低輻射劑量與高效采集方面具有更大的優勢。

4 其他采集技術研究

4.1 CZT-SPECT平面重建研究

最早由于只具備CZT-SPECT，缺乏3D動態數據處理軟件，學者們通過內部軟件將CZT-SPECT采集的心血池斷層顯像數據模擬傳統平面法左前斜（left anterior oblique，LAO）方向重新投影，重建成一個類似于虛擬平行孔準直器來獲得2D平面動態數據并進行傳統平面法分析，簡稱為“CZT-repro”，如圖2所示[22]。該技術的優勢在于相比傳統平面法采集的8~16幀模式，其優化至24幀模式或者同為24幀模式時，CZT-SPECT的分辨力更好，且重建時并非局限于傳統的LAO 45°方向，可調整角度獲得左、右心室分離最佳圖像，并消除一些本底結構的影響。Wells等[22]的研究在與傳統平面法進行對比時發現，盡管CZT-repro觀察者間LVEF存在一個較小但有統計學意義的差異，但2種方法間LVEF的相關性非常好，而EDV和PER的實際值在2種方法間具有統計學差異，但是這種差異在觀察者間比較一致，這提示可能需要為CZT-repro重新設立新的參考標準，以便進一步應用。Duvall等[11]關于CZT-SPECT在采集方案優化方面的研究，實際上應用的也是這種CZTrepro方法。該重建模式隨著CZT-SPECT配套的心血池斷層處理軟件的推廣已經逐漸不被使用，以往研究中也并未發現其優于CZT-SPECT斷層處理之處[11，16，21]。但有一種情況可能被忽視，即當CZT-SPECT斷層顯像對左、右心室分界識別不佳時，這種重建模式的軸向調節或許可以獲得較目前常規斷層處理軟件更好的左、右心室分隔，以獲得更高質量的平面圖像及更可靠的處理數據。以此功能為基礎的軟件優化也有可能促使目前的CZT-SPECT斷層處理軟件進一步完善，實現斷層圖像處理時更為靈活的靶區調整，從而重建并生成左、右心室分界較好的三維圖像以獲得更準確的數據。

圖2 C-SPECT平面法與CZT-SPECT斷層顯像所獲圖像、計數曲線和LVEF[22]

4.2 采集計數校正研究

衰減校正一直是核醫學顯像中很重要的將數據再精確化的手段。以往研究[32]表明，衰減校正可以糾正C-SPECT斷層顯像中高估心室容積，從而高估射血分數的情況。但是關于CZT-SPECT心血池顯像中衰減校正的研究很少，可能是由于這種機型不帶CT，異機衰減校正存在諸多局限。Wells等[22]在CZT-repro的運算中加入了衰減校正的研究，認為可以減小與傳統平面法在估計左心室容積方面的差異。Tissot等[31]利用氣球模型獲得計數標準曲線，對患者圖像進行校正，糾正了CZT-SPECT斷層顯像在計數上的低估所造成的容積偏移以及導致的射血分數上浮的情況，發現未經計數標準曲線校正會使射血分數比平面法平均高出約7%，而經過校正，即使減少70%的采集時間，CZT-SPECT斷層顯像與平面法測得的射血分數一致性也很高。未來研究中如果想要進一步證明CZT-SPECT斷層顯像的價值，引入衰減校正的研究是至關重要的，其很可能會有效改善關于心室功能參數測量及操作重復性面臨的問題。而隨著衰減校正研究的完善，異機甚至同機CT融合影像也可能會得以實現，這將最終很大程度上解決左、右心室識別及后處理問題。

4.3 收縮同步性研究

傳統心血池平面法中的時相分析可以提供心室同步性的信息，在室壁瘤診斷、起搏器植入術前評價指導中都有一定的應用價值[6，33]。根據文獻檢索結果，目前有關CZT-SPECT斷層顯像心室收縮同步性方面的研究尚未報道，而在MPI中有關收縮同步性的左心室時相分析研究則較多[34-35]。現有的CZT-SPECT斷層處理軟件（如GBPs等）已經可以提供比較詳細的同步性參數分析方法，包括左、右心室相位直方圖、計數法分析（提供計數統計和計數推導容積2種方法）等，如圖3所示。但是由于采集技術及運算均不同于平面法，因此參考標準無法沿用，故需要建立適合于該分析軟件的參考標準，這也是未來比較重要的研究內容之一。

圖3 CZT-SPECT心血池斷層處理軟件中2種同步性參數分析方法

5 結語

CZT-SPECT斷層顯像在左心室功能測量上準確可靠，在操作重復性和優化采集方案來降低輻射劑量方面較以往有明顯優勢，在縱向監測心室功能和同步性評估方面具有重要的臨床應用價值和前景，但其在右心室功能測量方面仍需從提高硬件及軟件技術、優化數據分析方案、調整參考標準等方面進行更進一步完善。同時，CZT-repro和衰減校正等輔助技術的價值也需要深入研究和證實。但值得一提的是，在以往的研究中采用的金標準幾乎都是C-SPECT平面法成像，缺乏與CMR甚至左心室造影這類檢查之間的對比分析，這可能是以往學者基于平面法成像存在已久并早有大量橫向對比研究證實了其可靠性而考慮，而這是目前關于CZT-SPECT斷層顯像研究的一個比較明顯的局限性。除上述問題在未來研究中有待于進一步完善外，收縮同步性的研究也應被給予重視，如果能在未來進一步對當前分析軟件提供的相關數據進行深入研究，建立適用的參考標準，將會提供很大的臨床價值。隨著新的CZT-SPECT/CT的問世，在未來的研究中，同機CT的衰減校正、融合影像等技術將更有利于心血池斷層顯像的精準化，有可能解決測量準確性、操作重復性等問題。