電子計算機斷層掃描血管成像技術在冠狀動脈旁路移植術后橋血管評價中的應用

劉 飛 周自強 吳明營* 鮮軍舫

(1.首都醫科大學附屬北京同仁醫院心血管中心, 北京 102600； 2.首都醫科大學附屬北京同仁醫院放射科,北京 102600)

冠狀動脈旁路移植術(coronary artery bypass grafting，CABG)是冠狀動脈粥樣硬化性心臟病(以下簡稱冠心病)治療的主要方式，能夠有效緩解心絞痛、提高生命質量[1]。由于橋血管通暢性與CABG的效果關系密切[2]，CABG術后對橋血管的評價一直受到醫生的關注。

作為冠心病診斷的金標準，冠狀動脈造影術(coronary angiography，CAG)是目前CABG術后橋血管評價的主要手段[2]。但CAG是一種有創檢查，存在心律失常、心肌梗死、栓塞性卒中等多種合并癥風險[3]；同時，橋血管與原位冠狀動脈相比，其解剖結構有更大的不確定性，因此，橋血管造影在尋找近端開口及選擇投照體位時難度較大。即使是經驗豐富的醫生，橋血管造影的成功率也僅為78%～86%[4-5]。此外，CAG費用較高，通常需要住院進行。因此，CAG在CABG術后橋血管評價中的臨床應用受到限制。

電子計算機斷層掃描血管成像(computed tomography angiography，CTA)以其簡便、無創、快速、經濟、重復性好等特點，在冠心病診斷、橋血管評價中的應用越來越受到關注。橋血管的直徑通常比原位冠狀動脈更粗，且鈣化更少，橋血管體部及近端吻合口處受心臟運動影響也較小，位置相對固定，因而用冠狀動脈CTA在檢測橋血管時可能比原位冠狀動脈受到的干擾更小，圖像更清晰，結果也更加準確，顯示出良好的應用前景。

1 CTA評價橋血管發展歷史

早在1980年，單層電子計算機斷層掃描(computed tomography，CT)就被應用于觀察橋血管[6]，但其診斷準確性較差，無法準確進行橋血管通暢性的評價。多層螺旋CT(multi-slice computed tomography，MSCT)問世后，其在橋血管評價方面顯示出較好的陰性預測價值[7]。

Stein等[8]統計了截止到2005年不同層數CT在CABG術后橋血管評價中的情況，結果顯示，診斷閉塞橋的靈敏度：單層CT為81%，4層CT為93%，16層CT為 99%；特異度：單層CT 89%，4層CT 96%，16層CT 98%；陽性預測價值：單層CT為68%，4層CT為89%，16層CT為94%；陰性預測價值：單層CT為94%，4層CT為98%，16層CT為100%。多層CT對動脈橋、靜脈橋閉塞和通暢的診斷效能相似；而單層CT缺乏足夠可供分析的數據。在診斷嚴重狹窄(除外完全閉塞)方面，已有的數據[8]顯示4層CT的靈敏度是74%，16層CT是88%。該綜述整體上反映了早期多層CT在橋血管評價上的診斷效能。早期多層CT對橋血管通暢和完全閉塞的檢測較為準確，但觀察靜脈橋血管狹窄以及直徑較小的動脈橋的準確性較差。

2005年64層螺旋CT問世，隨著64層螺旋CT的普及，其用于CABG術后橋血管評價研究也越來越多[9-15]。64層螺旋CT評價橋血管的靈敏度、特異度、陽性預測價值、陰性預測價值詳見表1。64層螺旋CT診斷橋血管閉塞及狹窄(>50%)具有較高的靈敏度、特異度及陰性預測價值。

表1 64層螺旋CT評價橋血管(閉塞和狹窄>50%)的診斷效能Tab.1 64-slice spiral CT in evaluating the diagnostic efficacy of bridging vessels (occlusion and stenosis>50%)

-： this part of the data is missing in the literature；CT:computed tomography;PPV：positive predictive value；NPV：negative predictive value.

Barbero等[16]2016年發表的Meta分析納入12項應用64層螺旋CT評價橋血管的研究，發表時間介于2006年至2012年，共959例患者。合并數據分析顯示：64層螺旋CT診斷橋血管閉塞的靈敏度99%，特異度99%，受試者工作特征(receiver operator characteristic，ROC)曲線下面積0.99；診斷橋血管狹窄(>50%)的靈敏度98%，特異度98%，ROC曲線下面積0.97；年齡和術后隨訪時間對于診斷準確性無明顯影響。結果表明，以CAG為參照標準，64層螺旋CT在CABG術后橋血管的評價中具備較高靈敏度、特異度以及陰性預測價值，作為一種無創的檢查方式，可應用于CABG術后橋血管通暢性的評價。

2 影響冠狀動脈橋血管CTA圖像質量的因素及提高圖像質量的關鍵技術

在降低CT輻射劑量、減少造影劑用量的前提下，如何減少心臟運動偽影的影響，進一步提高圖像質量，是影響CTA技術在CABG術后橋血管評價臨床應用中的關鍵，也是目前研究的熱點。

2.1 CT圖像質量的提高容易受到多種偽影影響

(1) 運動偽影：是最常見的偽影來源，可由患者活動、心臟運動或呼吸運動引起。心臟運動偽影可以通過降低心率和心率變異、減少掃描持續時間、調整數據窗口在心動周期內的位置、執行單心跳掃描、使用多段重建、運動校正算法和心電圖編輯等方法來減少。呼吸運動偽影可以通過適當的屏氣和縮短掃描持續時間來減少。

心臟運動偽影的產生，與CT設備的時間分辨率有關。時間分辨率是指CT設備采集到可以重建出一層完整圖像所需要的時間，一般認為等同于機架轉速的1/2，也稱為單扇區時間分辨率。理論上，如果單扇區時間分辨率突破100 ms，那么冠狀動脈掃描時就無需控制患者心率。

(2)部分容積效應：當具有不同衰減特性的組織包含在相同的成像體素內時，會發生部分體積平均。體素的衰減值為該體素內所有組織的衰減值的加權平均值。因此，小于體素平均值的部分無法在CT圖像上顯示，即發生部分容積效應。部分容積效應的影響在具有密度顯著不同的界面處尤其明顯，例如冠狀動脈管腔和鈣化斑塊或支架。

CT設備分辨能力的提高可以有效減少部分容積效應。CT設備的分辨能力主要包括空間分辨率 (spatial resolution) 和密度分辨率 (contrast resolution)。空間分辨率是指在高對比度(密度分辨率大于10%)的情況下，影像中能顯示的最小細節；密度分辨率是指能分辨組織之間最小密度差異。空間分辨率與像素大小密切相關，像素越小、數目越多，則空間分辨率越高，圖像越清晰；但在X線源總能量不變的情況下，每個像素單位所獲得的光子數減少，致使密度分辨率下降。因此具備更高X線源總能量的CT設備，其分辨能力會更佳[17]。

(3)射束硬化偽影：是由X線束的多能特性引起的，在X線穿透組織的過程中，能量較低的X線束被空氣、上腔靜脈對比劑等提前吸收，形成高密度硬化偽影。可以通過使用X線過濾，應用更高能量的X射線，改變患者位置，修改對比劑團注方式以及應用迭代重建算法來減少。

(4)金屬偽影：由于金屬自身密度以及與低衰減組織表面形成的金屬邊界等原因，可導致射束硬化及部分容積效應等多種偽影，可以通過提高空間分辨率、調節窗寬、射線能量平均化等方式減少。

(5)量子斑點或噪聲：是由組織穿透力不足引起的，可以通過增加管電流或峰值管電位來改善，重建更厚的層厚，增加旋轉時間，使用適當的患者定位以及應用迭代重建算法也會改善圖像質量[18]。

另外，最新的研究[19]表明，心排出量和舒張期功能對冠狀動脈CTA圖像質量有影響，調整冠狀動脈CTA掃描方式可以改善已知舒張功能障礙或心輸出量降低的患者的圖像質量。

2.2 減少偽影，提高CTA圖像質量的關鍵技術

2.2.1 心電門控技術

在CT掃描中，根據同步記錄的心電選擇對應時相的容積數據進行圖像重建，被稱為心電門控技術，又分為前瞻性心電門控(prospective electrocardiogram-gate)和回顧性心電門控(retrospective ECG-gate)。

前瞻性心電門控：又稱心電觸發，是利用心電信號控制CT掃描，通常以R波為標記，檢測到R波→觸發延遲→延遲時間結束掃描開始→掃描結束移床，如此反復至掃描完成；一般選擇心臟運動最慢的舒張中末期。回顧性心電門控：CT設備連續掃描，并同步記錄心電信號，掃描完成后，心電信號對應相應心動周期的掃描數據；后期處理時選擇R-R間期對應的掃描數據進行圖像重建。

前瞻性心電門控為間斷式掃描，輻射劑量低，但因其容積數據采集不連續，后期三維重建較為復雜，而且容積覆蓋速率慢，總掃描時間長，過程中患者需多次屏氣，會導致心率變化，對圖像質量有一定影響；該掃描方式下，如丟失心電，掃描將不能完成。回顧性心電門控為連續掃描，能夠得到連續數據，后期重建可根據時間窗選擇單、多節段重建，實現時間分辨率最優化，而且患者屏氣時間短，心率變化小，從而使心臟運動對圖像質量的影響降到最小；該掃描方式下，心電丟失不影響掃描，但后期不能重建出對應時相圖像，也會導致掃描失敗；輻射劑量大。

Lee 等[20]對前瞻性心電門控和回顧性心電門控技術在圖像質量、輻射劑量以及診斷準確性方面進行了對比。結果顯示以CAG為參考標準，兩種掃描方式下64層螺旋CT對橋血管通暢性的診斷準確性差異無統計學意義；兩種掃描方式的圖像質量差異無統計學意義；前瞻性心電門控組平均有效輻射劑量6.5 mSv，低于回顧性心電門控組21.2 mSv，差異有統計學意義(P<0.01)。

2.2.2 三維重建技術對提高圖像質量有著重要影響

主要包括多平面重建(multiplanar reconstruction，MPR)、多層面容積重建(multi-layer volume reconstruction，MRVP)包括最大密度投影(maximal intensity projection, MIP)和最小密度投影(minimum intensity projection, Min-IP)、曲面重建(curved plannar reconstruction，CPR)、容積再現(volume rendering，VR)、表面遮蓋顯示(surface shaded display，SSD)、仿真內窺鏡成像(virtual endoscopy，VE)。在心臟CT檢查中應用較多的三維重建技術主要是MPR、MIP、CPR以及VR。MPR屬于CT三維重建技術中的基礎重建部分，是把橫斷掃描所得的二維圖像以像素為單位，重建為以體素為單位的三維數據，可用于重建任意平面的冠狀位、矢狀位、斜位的二維圖像。MIP是將CT 層厚中最大 CT 值的體素投影到背景平面上，以顯示所有或部分強化密度高的血管和/或器官，常用來顯示血管的走行。CPR是MPR的一種特殊方式，可將扭曲組織顯示在同一平面上，適用于曲面結構器官，如血管、輸尿管、頜面骨等。有利于觀察管腔結構的腔壁病變(如斑塊、狹窄等)。VR通過賦予不同CT值的組織、器官不同的顏色、亮度，重現組織、器官的3D圖像，重建后可以多角度立體觀察重建器官的解剖結構。但在心血管的VR重建中，不恰當的偽彩設置會將血管外層像素過濾掉，顯示的血管狹窄的程度會比真實情況嚴重[21]。

2.2.3 重建算法對于CT圖像質量也有著重要影響

近年來新型重建算法的問世，不僅使CT圖像質量有了顯著提高，同時CT輻射劑量也大大下降。

自適應迭代重建技術(adaptive statistical iterative reconstruction，ASIR)是基于迭代技術，通過首先建立噪聲和所掃描物體的模型，然后進行迭代運算，減少噪聲對圖像質量的影響，該算法比濾波反投影(filtered back-projection, FBP)下降了約50%的輻射劑量[22]。

基于模型的迭代重建算法(model-based iterative reconstruction algorithm,MBIR)商品名“VEO”是通過建立包括焦點、X線束、體素和探測器的幾何形狀等多種因素的模型，然后進行重建，因其納入因素較多，運算量大、運算時間也較長，但其降低圖像噪聲及提高圖像質量效果顯著。

ASIR-V：是通用公司推出的結合了ASIR以及VEO兩種技術的新一代重建平臺，突出了ASIR的實時重建優勢，簡化了VEO的模型，提高了運算速度。該算法相比于FBP降低了80%的輻射劑量[23]。

Ippolito等[24]采用前瞻性心電門控技術以及第四代迭代重建算法對256層螺旋CT評價橋血管的圖像質量及輻射劑量進行了研究。實驗組32例患者采用低輻射劑量法(100 kV， 800 mAs,機架旋轉時間0.275 s)、前瞻性心電門控以及第四代迭代算法。對照組共42例患者，采用回顧性心電門控技術進行掃描(100 kV， 800 mAs)。結果顯示，實驗組中位輻射劑量(274 mGy·cm)低于對照組(1 224 mGy·cm)，兩組的圖像質量及診斷效能差異無統計學意義。

3 冠狀動脈橋血管CTA臨床應用現狀

3.1 雙源CT及“雙低”成像在橋血管評價中的應用

雙源CT安裝了兩套球管/探測器系統，采集一層圖像數據只需要每個球管旋轉90°，采集同樣數據量所需要的時間約是單源CT的1/2，時間分辨率顯著提高。兩套X線源具備更高的X線源能量，空間分辨率和密度分辨率也明顯提高。

張保朋等[25]應用雙源CT對CABG術后橋血管通暢性進行評價。研究顯示，以CAG為參考標準，雙源CTA 評價橋血管狹窄、閉塞的靈敏度為93.9%，特異度為100.0%，陽性預測值為100.0%，陰性預測值為96.7%，診斷準確性為97.8%，表明雙源CT評價橋血管具備較高的診斷效能。

Koplay等[26]應用西門子128排高選雙源CT評價橋血管近段、中段和遠段的圖像質量。結果顯示，近段和中段橋血管成像質量較好(P<0.05)，心率較低的患者圖像質量較好(P<0.05)。以CAG為參考標準，高選雙源CT評價橋血管通暢性的靈敏度、特異度、陽性預測價值、陰性預測價值以及診斷準確性分別為：92.8%、99.3%、92.8%、99.3%和98.8%。另外該研究還顯示，高心率及高體質量指數會導致CT有效輻射劑量增加，提示心率是影響橋血管CTA圖像質量的關鍵因素，近段及中段橋位置相對固定，受心率影響較小，故其圖像質量較好。

“雙低”成像是指聯合低管電壓、迭代算法和低濃度對比劑的CTA檢查方法。該掃描方式可以降低雙源CT輻射劑量，減少造影劑用量，進一步提高CT檢查的安全性。由于光電效應，在管電壓降低時，對比劑的CT值會升高，這使得“雙低”掃描方式在理論上可行。

徐磊等[27]對雙源CT“雙低”成像進行冠狀動脈橋血管檢查的可行性和有效性進行了研究。共入組38例CABG術后患者，其中20例患者同期進行CAG檢查。結果顯示76支橋血管(橋血管本身分近段、中段、遠段，橋血管與自身冠狀動脈吻合口及吻合口以遠血管)，共分為387段，可診斷的橋血管段達到99.5%(385/387)。20例造影患者中，CTA診斷橋血管顯著狹窄的靈敏度、特異度、陽性預測價值和陰性預測價值分別為100%(4/4)、97.6%(40/41)、80.0%(4/5)和100%(40/40)。結果表明雙源CT的“雙低”掃描用于評價橋血管是可行的。

楊濤等[28]對雙源CT 評價CABG術后橋血管狹窄程度的價值進行了Meta 分析。合并數據顯示，雙源CT對CABG術后橋血管狹窄的診斷靈敏度、特異度和診斷比值比分別為99%、99%、4984，ROC曲線下面積為99.84%。由此可見，雙源CT評價CABG術后橋血管通暢性具有較高的診斷效能。

3.2 新型多排螺旋CT在橋血管評價中的應用

CT的“排”是指CT探測器在Z軸方向的物理排列數目，一般排數越多，總探測器寬度越寬，一次掃描完成的寬度越大。新型多排螺旋CT不僅排數更多，其探測器機架旋轉速度也大大提高，從而具備了更高的時間分辨率，在進行心臟掃描時，受心臟運動的影響較前代CT明顯減少。

1)東芝320排容積CT具備很高的Z軸時間分辨率。Z軸時間分辨率即X線的Z軸覆蓋范圍，或稱X線準直寬度，可執行單心跳掃描。

晏子旭等[29]對320排容積CT對CABG術后橋血管成像的應用價值進行了評價，對圖像質量進行評估。圖像質量分3個等級：優，橋血管充盈良好，管壁清晰，無偽影；良，橋血管充盈尚可，管壁略模糊，有輕微偽影，不影響診斷；差，橋血管充盈不佳，管壁模糊不清或有嚴重偽影，無法滿足診斷需要。共納入55例CABG術后患者，共126支橋血管。結果顯示116支橋血管顯影，圖像質量均為優良(優97支，83.6%；良16支，16.4%)；未顯影血管考慮閉塞；另外，還發現動脈橋血管壁鈣化，以及部分橋血管近端及遠端吻合口狹窄。結果表明320排容積CT用于橋血管及吻合口狹窄診斷具有良好圖像質量。但未與CAG進行對比，未對320排容積CT的診斷效能進行評估。

de Graaf等[30]應用320排容積CT同時評價了橋血管、搭橋冠狀動脈以及未搭橋冠狀動脈，研究結果顯示以CAG為參考標準，320排容積CT評價橋血管狹窄(>50%)的靈敏度、特異度、陽性預測價值及陰性預測價值分別為：96%、92%、83%和98%；搭橋冠狀動脈和未搭橋冠狀動脈的診斷準確性為89%和80%；對于橋血管、搭橋冠狀動脈及未搭橋冠狀動脈閉塞的診斷準確性為：96%、92%和100%。

320排容積CT雖然相比64排螺旋CT時間分辨率有了很大提高，但在進行橋血管CTA掃描時仍需控制心率。文獻[31]報道多數研究控制的心率均數在58～70 r/min，心率超過70 次/min需口服β受體阻滯劑降低心率。

2)256排多層螺旋CT具備寬探測器，Z軸覆蓋范圍可達16 cm，在空間分辨率、時間分辨率、圖像質量等方面有了顯著提高，掃描的輻射劑量顯著降低。在一個心動周期內即可完成冠狀動脈CTA檢查，且對心率控制的要求低，消除了以往由于心率不齊或心動過速造成的成像失敗甚至無法完成檢查等情況。

汪芳等[32]應用256排螺旋CT結合前瞻性心電門控技術對不同心率患者的CT冠狀動脈掃描圖像質量及可診斷性進行了研究。結果顯示，中等心率(70～80 次/min)組右冠狀動脈、回旋及冠狀動脈節段的圖像質量為最低；心率對于圖像的可診斷性無顯著影響，但隨著心率增快、變異性增大，圖像質量降低，特別是中等心率(70～80 次/min)為冠狀動脈檢查的困難心率，其合適的曝光時相落在收縮期或舒張期的概率不等，圖像質量良好的概率相對降低。

Zeyneb 等[33]對256排螺旋CT評價橋血管圖像質量的影響因素及診斷準確性進行了研究。圖像質量評價：優，計1分，無運動偽影、射束硬化、金屬偽影或圖像噪聲；中等，計2分，由血管模糊、射束硬化和/或圖像噪聲引起的輕度圖像質量下降，不影響血管通暢性的診斷；差，計3分，嚴重的運動偽影、射束硬化、圖像噪聲等，但仍可判斷血管通暢性；不可診斷，計4分，嚴重的運動偽影、射束硬化、圖像噪聲等導致無法判斷血管通暢性。結果顯示心率及橋血管分段對圖像的可診斷性無顯著影響；近段和中段橋血管的圖像質量顯著優于遠段橋血管；動脈橋的圖像質量在低心率組有更優傾向；而靜脈橋圖像質量與心率無明顯關系；以CAG為參考標準，256層螺旋CT評價橋血管的靈敏度、特異度、陽性預測價值和陰性預測價值分別為97.1%、99.6%、94.4%和99.8%。

4 展望

CTA對橋血管的評價，自應用64排CT以來就具備了比較高的診斷效能。新型CT如256排螺旋CT、320排容積CT等在評價橋血管的診斷準確性上與64排CT相比并未有顯著提高，但在圖像質量以及高心率患者的診斷方面具有明顯的優勢，并且CT輻射劑量、造影劑用量均較以前顯著降低。未來CTA評價橋血管的發展會在保證優良診斷效能、提高圖像質量的同時進一步降低CT輻射劑量以及造影劑用量。

新近的研究[34-36]顯示，基于CTA的血流儲備分數監測(fractional flow reserve，FFR)在中等狹窄的慢性冠心病患者的診斷中已顯示出優于傳統冠狀動脈造影的診斷潛能[34]。雖然短期內無法替代冠狀動脈造影，但隨著CT空間分辨率和時間分辨率的不斷提高、CTA與心肌灌注技術的結合， CTA對冠狀動脈病變及橋血管病變的評估將會更加全面和準確。