碲鋅鎘心臟專用SPECT的特性及其臨床應用進展

陳瑤，劉小吉，蔡敏，李思進

1.山西醫科大學 a.醫學影像學院；b.法醫學院，山西 太原 030001；2.山西省人民醫院/山西醫科大學第五臨床醫學院核醫學科，山西 太原 030012；3.山西醫科大學第一醫院 核醫學科，山西 太原 030001

引言

傳統單光子發射計算機斷層成像（Singlephoton Emission Computed Tomography，SPECT）存在能量分辨率、空間分辨率較低、顯像劑劑量較大、顯像時間較長、對微小病灶探測能力有限以及無法對心肌血流定量檢測等不足。自心臟專用碲鋅鎘（Cadmium-Zinc-Telluride，CZT）-SPECT 出現以來，越來越多的研究不斷探索和積累其臨床應用情況，例如，心肌血流測定、心功能評估、轉甲狀腺素心肌淀粉樣變（Amyloid Transthyretin-Related Cardiac Amyloidosis，ATTR-CA）的診斷助益以及雙核素顯像、神經受體顯像等，但同時CZT-SPECT存在采集視野小、衰減偽影、設備價格昂貴等缺點[1]。本文旨在總結CZT-SPECT 性能及其在心臟疾病診斷中的應用，以期在未來的研究和實踐中可繼續優化各項測量方案，為后續CZT-SPECT 在核醫學實際工作中的應用及發展提供參考和啟發。

1 CZT-SPECT概述

1.1 CZT-SPECT的設備特性

CZT 是一種直接轉換的半導體材料，其探測原理與傳統NaI 晶體不同，取消了傳統晶體和光電倍增管，將γ 射線直接轉化為電信號，相比于NaI 晶體具有更加優異的線性阻截性能。CZT-SPECT 縮小了探測器的體積，探頭可設計成圍繞身體輪廓的任意形狀，心臟掃描時可提高定位準確度與患者擺位的舒適度。CZT-SPECT 目前有兩種商用型號：D-SPECT（Spectrum Dynamics，以色列）、Discovery 530c/570c（GE Healthcare，美國）[2-3]。

1.2 能量分辨率與空間分辨率

由于優異的能量分辨率，CZT 探測器大約可以探測到30000 個電子-空穴對，遠遠高于傳統NaI 探測器。CZT 的能量分辨率能夠達到6.3%，而傳統NaI 晶體探測器只能達到10%左右，CZT-SPECT 的計數敏感度是傳統SPECT 的8 倍[2]。CZT-SPECT 成像時散射光子顯著減少，且空間分辨率不受核素能量的影響，恒定為2.46 mm；準直器敏感度高，有序子集期望最大化（Ordered Subsets Expectation Maximization，OSEM）的迭代算法可減少圖像噪聲[4]。此外，CZT 優異的能量分辨率在行雙核素顯像時可區分不同能峰的核素，尤其是能峰相近的核素，如99mTc、123I。

1.3 數據處理

有研究表明，OSEM 算法在35 次迭代范圍內時，迭代次數對于絕對定量及對微小病灶的分辨能力有較大影響，子集數對絕對定量的影響不明顯[5]。D-SPECT 專有頻譜動力學算法，使用心臟濾波器，將心臟形狀模型融入重建過程，相比于OSEM 算法進一步提高了空間分辨率[6]。移動校正可以在一定程度上減少心臟“爬升效應”，物理校正能提高數據-模型的一致性，降低左心室血池的溢出效應，提高CZT-SPECT 用于心肌血流絕對定量的準確度[7-8]。

1.4 顯像劑劑量和顯像時長

隨著CZT-SPECT 探測器計數率的大幅提高，檢查時可以顯著減少顯像劑劑量，縮短檢查時間。以心肌灌注顯像（Myocardial Perfusion Imaging，MPI）為例，當采集時間為15 min 時，顯像劑劑量可較傳統的標準劑量降低80%[9]；當根據體重指數計算采集時間時，平均劑量可低至133.94 MBq[10]。以2.5 MBq/Kg 的標準給予顯像劑時，靜息MPI 時間可縮短為5 min，負荷MPI 時間可縮短為8 min[11]；當采用傳統標準劑量注射顯像劑時，靜息和負荷MPI 的采集時間則分別可縮短為2 min 和3 min[12]。以上優勢可在很大程度上減少患者所受的輻射劑量，減少運動偽影產生的風險，提高臨床工作效率以及患者在檢查過程中的舒適度。

1.5 病灶檢出率

探測晶體的電阻率越高，信號噪聲就越小，檢查結果的對比噪聲比（Contrast to Noise Ratio，CNR）就越高，越有利于發現微小病灶。CNR 是兩種組織信號強度差值與背景噪聲的標準差之比，是衡量病灶探測能力非常重要的參數。CNR 越高，對于提高病灶的檢出率越有益。CZT 晶體的電阻率可達1011/(Ω·cm)，CZT-SPECT 的CNR 較傳統SPECT 高2～6 倍[13]，因此，病灶檢出率較傳統SPECT 更具優勢。

2 CZT-SPECT的臨床應用

2.1 冠心病診斷及預后價值

目前，核素MPI 無創性診斷冠心?。–oronary Artery Disease，CAD）的價值已得到相關領域的認可[14]。以冠狀動脈造影（Coronary Angiography，CAG）為“金標準”，CZT-SPECT 對CAD 的診斷具有較高的敏感度、特異性及準確度[15]。由于CZT-SPECT 的高敏感度和空間分辨率，在減少顯像劑劑量、縮短檢查時間的條件下，圖像質量更好，診斷準確度更高。相對于傳統SPECT，CZT-SPECT 評價CAD 患者心肌缺血嚴重程度的敏感度更高，其中負荷總積分顯著高于傳統SPECT[（10.1±4.4）vs.（6.4±2.9），P=0.002]；另外，對于易受組織衰減影響區域（如右冠狀動脈、左回旋支供血區）的缺血情況，CZT-SPECT 的診斷準確度更高[16]。Panjer 等[17]研究也得出同樣結論，即CZTSPECT 診斷CAD 的效能高于傳統SPECT，且其分辨率、對比度和圖像質量均高于傳統SPECT。

CZT-SPECT 對CAD 患者的預后評估亦有重要價值。據報道[18]，CZT-SPECT 負荷MPI 正常者的年不良心臟事件發生率為1.5%，其中嚴重心臟事件（心肌梗死/心源性猝死）發生率為0.28%；傳統SPECT 負荷MPI 正常者的年不良心臟事件發生率為2.0%，嚴重心臟事件發生率為0.45%。Nakazato 等[19]研究顯示，CZT-SPECT MPI總體灌注不足率（Total Perfusion Deficit，TPD）＞10%是CAD 患者死亡的獨立預測因子，其風險比為3.03；而心臟事件發生風險也與CZT-SPECT 缺血程度顯著相關[20]。對于肥胖患者而言，CZT-SPECT 可以解決患者體內光子數隨著體重增加而減少的問題，同時可以與俯臥位或仰俯臥位結合顯像以減少膈肌對左室下壁的衰減[21]。

2.2 心肌血流測定

CZT-SPECT MPI 最大的優勢在于可以測定心肌血流量（Myocardial Blood Flow，MBF）和心肌血流儲備（Myocardial Flow Reserve，MFR），實現心肌血流的絕對定量分析，在診斷3 支血管病變及微血管病變方面具有重要作用[22]。研究證實CZT-SPECT MPI 測得的MBF、MFR 與血流儲備分數呈正相關[23]，與心肌TPD 呈負相關，其中MFR 是CAD 的獨立預測因子，可顯著提高MPI 對于CAD 診斷的敏感度和準確度[24]。CZT-SPECT 提供的MBF、MFR 與15O-H2O PET 的測量數值存在顯著相關性：MBF（靜息：0.95 mL/min/gvs.1.05 mL/min/g，P=0.07 ；負荷：2.62 mL/min/gvs.2.68 mL/min/g，P=0.17），MBF（r=0.91，P＜0.001），MFR（2.65vs.2.75，P=0.86），MFR（r=0.81，P＜0.001）[25]。

CZT-SPECT 的定量血流測定也有助于提高對高危CAD 患者的診斷效能[26]。CZT-SPECT 測定MFR 可以為CAG 陰性的胸痛患者提供新的無創影像學檢測方法，對冠狀動脈微血管功能障礙進行診斷和評估[27]。

此外，目前鮮有研究利用MPI 評價右心室MBF。國內學者王歆惠[28]創立了CZT-SPECT 測定肺動脈高壓患者右心室MBF 的方法，證實右心室MBF 與平均肺動脈壓、肺血管阻力均呈正相關。CZT-SPECT 定量檢測MBF 具有重要的診斷和預后價值，這將是其未來主要的探索方向之一。

2.3 心功能評估

心臟磁共振（Cardiac MR，CMR）是評估心臟結構與功能的“金標準”，同時門控MPI 也可評價左室收縮與舒張功能。有研究顯示，CZT-SPECT MPI 與CMR檢測左室舒張末期容積（Left Ventricular End Diastolic Volume，LVEDV）、左室收縮末期容積（Left Ventricular End Systolic Volume，LVESV）、左室射血分數（Left Ventricular Ejection Fraction，LVEF）的相關性較高（r2分別為0.77，0.88，0.93）[29]。Gimelli 等[30]研究顯示，冠狀動脈粥樣硬化患者CZT-SPECT 負荷MPI 的高峰充盈率（Peak Filling Rate，PFR）受損程度高于冠脈正常者（2.9±0.8vs.2.5±0.9，P=0.004），提示心肌血流灌注和左室舒張功能可以聯合診斷早期CAD。有學者通過CZT-SPECT 分析指出，對于LVEF 正常而左室舒張功能受損的CAD 患者，PFR 減低是其遠期發生心力衰竭的危險因素[31]。

平衡放射性核素核血管造影（Equilibrium Radionuclide Nuclear Angiography，ERNA）可以無創性評價左右心室容積及心功能參數。CZT-SPECT ERNA 因測量結果的低變異性，已成為評估左右心室功能的新模式[32]。Chen 等[33]比較CZT-SPECT ERNA 斷層顯像與傳統SPECT 平面顯像的結果，兩者的LVEDV、LVESV及LVEF 相關性較好（r分別為0.86，0.87，0.93；P值均＜0.001），右室舒張末期容積（Right Ventricular End Diastolic Volume，RVEDV）、右室收縮末期容積（Right Ventricular End Systolic Volume，RVESV）相關性略差，但在合理范圍內（r分別為0.39，0.61；P值均＜0.05）；兩者右室射血分數（Right Ventricular Ejection Fraction，RVEF）存在一些邊緣性差異，但整體相關性較好（r=0.76，P＜0.001）。一項研究[34]通過CZT-SPECT ERNA 評估右心室功能顯示RVEDV、RVESV 和RVEF 與CMR測量值一致性較高（r分別為0.93，0.96，0.81；P值均＜0.001），且測量重復性較高；除了心室容積和射血分數外，該高重復性還擴展到其他變量，如左右心室的峰值排空率、峰值充盈率等[35]。CZT-SPECT ERNA 已成為一種可以替代CMR 的準確、可重復的右心功能評估方法。

2.4 雙核素顯像

CZT 晶體能量分辨率高，可實現同時采集不同能量的放射性核素，成像時間短，避免采集過程中患者運動引起的偽影，可提供可靠的圖像配準，提高診斷的準確度[36]。雙核素顯像（如99mTc/201Tl、99mTc/123I 以及201Tl/123I 等），對于急性心肌梗死后的心肌損傷、左心室功能障礙、心力衰竭及室性心律失常的評估各有一定價值。但由于201Tl 目前已較少用于臨床，本文重點關注99mTc/123I 雙核素顯像。

Yamada 等[37]對急性心肌梗死后行經皮冠脈介入治療的患者行CZT-SPECT99mTc-替曲膦（99mTc-tetrofosmin，99mTc-TF）/123I-β-甲基-碘苯基十五烷酸雙核素顯像，在采集時間縮短的同時，其對血流灌注、脂肪酸代謝、心功能的檢測亦與單核素顯像具有高度一致性。此外，99mTc-甲氧基異丁基異腈（99mTc-methoxyisobutylisonitrile，99mTc-MIBI）/123I-間碘芐胍（123I-metaiodobenzylguanidine，123I-MIBG）雙核素顯像可以提高心肌損傷的診斷率，兩種核素顯像結果“不匹配”是左心室功能異常、惡性心律失常等不良事件的獨立預測因子；99mTc-MIBI 顯像還可以輔助123I-MIBG 顯像為嚴重心率衰竭、心律失常等患者提供準確的心臟定位[38]。

2.5 123I-MIBG心臟交感神經受體顯像

心臟自主神經活動異常是心力衰竭、缺血性心肌病等心血管疾病的重要發病機制，心臟攝取123I-MIBG 的情況可反映心肌交感神經分布情況，是心力衰竭獨立的預后因素[39]。有報道指出，心力衰竭患者在123I-MIBG傳統平面顯像的心臟-縱隔比（Heart to Mediastinum Ratio，HMR）＞1.6 時，心力衰竭進展、室性心律失常以及心源性猝死的風險顯著增高，而123I-MIBG CZTSPECT 顯像HMR 數值與傳統平面顯像高度一致[40]。BLAIRE[41]等比較傳統SPECT 和CZT-SPECT 心臟和縱隔的每分鐘放射性計數，結果顯示兩種方法的心臟和縱隔計數相關性非常好，且CZT-SPECT 的計數和圖像對比度高于傳統SPECT，這更有利于HMR 的測量，為心力衰竭患者的預后提供更大價值。

99mTc-TF、99mTc-MIBI 和123I-MIBG 雙核素CZTSPECT 顯像可以顯示血流灌注和神經分布不匹配，也可以進行心室收縮的同步性評價[42]。Gimelli 等[43]通過CZT-SPECT 行99mTc-TF/123I-MIBG 顯像評估心肌血流灌注、心臟交感神經支配與心功能之間的關系，顯示早期123I-MIBG 缺損總評分即可確定心肌缺血和心功能受損嚴重的患者，且該指標是心肌交感神經受損的獨立預測因子。值得注意的是，行CZT-SPECT123I-MIBG/99mTc 顯像時，HMR 指標需要增加大樣本的研究進一步實現標準化。

2.6 對ATTR-CA的診斷助益

99mTc-焦磷酸鹽（99mTc-pyrophosphate，99mTc-PYP）顯像可于早期高效診斷ATTR-CA。心肌99mTc-PYP 異常攝取是淀粉樣蛋白心臟受累的首發表現，可先于超聲心動圖、心臟生物標志物或臨床癥狀出現[44]。研究證明，CZT-SPECT 與傳統平面成像在診斷ATTRCA 方面均具有較高的敏感度和特異性[45]，二者高達100%[46]。2021 年，Dorbala 等[47]首次通過CZTSPECT 對ATTR-CA 患者心肌99mTc-PYP 最大標準攝取值（Standard Uptake Value，SUVmax）、平均標準攝取值（SUVmean）、心臟淀粉樣蛋白活性{SUVmean×感興趣區（Region of Interest，ROI）體積}以及注射劑量百分比（ROI 內99mTc-PYP 絕對濃度×ROI 體積/注射劑量）等指標進行測量，發現以上指標與傳統標志物中強度相關，且SUVmax、心臟淀粉樣蛋白活性、注射劑量百分比具有高度可重復性。另外，Bellevre 等[48]研究顯示，CZT-SPECT 利用骨顯像劑99mTc-羥基亞甲基二磷酸鹽SUVmax也可評估ATTR 患者心肌的絕對攝取。

3 總結與展望

與傳統SPECT 相比，CZT-SPECT 的衰減偽影從下外側壁逆時針偏移到側壁，因此讀片醫生必須了解兩種設備探測器衰減模式的差異，避免產生假陽性或假陰性結果[49]。對于心臟增大和體質指數＞40 kg/m2的肥胖患者而言，CZT-SPECT 可能會因心臟位置失焦而出現左心室截斷偽影[50]。另外，如何更加準確測定MBF也是目前需要解決的問題[7]。CZT-SPECT 測得的MBF值常低于PET，無衰減校正可能是其原因之一。除Discovery NM/CT570c 外，大多數心臟專用CZT-SPECT尚未配備CT，目前所有帶衰減校正的CZT-SPECT 均通過Alcyone 技術進行[3]。因此優化衰減校正是必要的，其有助于減少周圍組織、器官對于心肌攝取顯像劑真實分布情況的影響，排除偽影，提高圖像質量及診斷率。

CZT-SPECT 改善了傳統SPECT 探測器敏感度低、分辨率有限、顯像劑劑量大、成像時間長、對微小病灶識別相對困難等缺點，在一定程度上拓展了核素心肌顯像的臨床應用范圍。隨著CZT 晶體研發和制備工藝的不斷提升，未來CZT 探測器有望拓展到高能顯像及PET 顯像領域，從而進一步開拓CZT-SPECT 的應用范圍，期待其為核心臟病學的發展帶來新的機遇和更高的臨床價值。