雙能量CT在冠狀動脈CT血管造影中應用的研究進展

耿 雪，金瑜辰，周學文

（浙江大學醫學院附屬第二醫院放射科，浙江 杭州 310000）

近年來，醫學界在對冠狀動脈硬化性心臟病（冠心病）的預防和治療方面都取得了豐碩的成果，但此病的發病率和相關死亡率仍在逐年升高[1]。在過去的幾十年里，計算機斷層掃描（Computed Tomography,CT）冠狀動脈造影因其操作簡便、無創的特點在診斷冠心病中得到了廣泛的應用。有研究指出，CT 冠狀動脈鈣評分可在一定程度上指導他汀類藥物的應用。目前，冠狀動脈CT 血管造影已成為典型或非典型心絞痛、胸痛患者的首選檢查[2]。雙能量CT (DECT) 早在十多年前就已經廣泛應用于臨床[3]，并且也有一些應用于心血管成像中的研究[4.5]。近幾年，DECT 在改善冠狀動脈CT 血管成像等許多方面的應用潛力得到了更多的討論和驗證，如優化圖像質量和對冠狀動脈管腔的評估、降低碘造影劑負荷、應用虛擬平掃代替平掃圖像進行冠脈鈣化評分等。本文對雙能量CT 在冠狀動脈CT 血管造影中應用的基本原理、科學背景和臨床應用現狀作一簡要綜述。

1 雙能量CT 原理

1.1 基本原理

傳統的單能量CT (SECT) 是利用X 射線球管產生的一束不同能量光子的混合X 射線成像，其最大能量等于X 射線管的峰值電壓(kVp)[6]，所得圖像的CT 值代表了每個體素中所有物質的衰減。穿過組織的X 射線光子與人體的相互作用主要通過兩個過程：康普頓散射和光電效應。雙能量CT 即應用兩組不同能量獲取每個體素信息，得到兩組不同數據，依據不同光子對X 射線的吸收差異可區分不同原子序數的物質[3]。

1.2 雙能量CT 掃描實現方法及分類

依據雙能量CT 掃描實現方法及雙能量數據來源不同，雙能量CT 可以分為基于X 射線球管或探測器實現雙能量數據獲取的兩大類，具體分類方法見表1。

表1 雙能量CT 分類

2 雙能量技術的臨床應用

2.1 虛擬單能量圖像

傳統CT 的X 射線束是混合能量，圖像反映的是整個光譜的衰減。雙能CT 可以通過高、低能量兩套數據計算模擬出單一keV 能量X 射線下生成的圖像，即虛擬單能圖像(Virtual Monoenergetic Images, VMI)，范圍可包括40 ～200 keV[7]。虛擬單能圖像的能量水平不同，對同一種組織可計算生成不同的密度和對比度的圖像。其中70 keV VMI 與傳統120 kVp 混合能量圖像類似，其偽影和噪聲均較少。低能量段（＜70 keV）VMI 因更靠近碘k 邊界值（33 keV）而能夠明顯提高碘的CT 值，在血管成像中利用這一點可以降低碘造影劑的用量。高能量段（＞90 keV）VMIs 則利于消除金屬的線束硬化偽影[8.9]。

2.2 物質分離圖像

（1）碘圖（碘基圖或無水碘圖）即根據不同物質對特定能量X 射線吸收特性的不同，利用兩種不同能量獲得的圖像，通過衰減曲線來計算任意物質的濃度[10]。雙能量CT 掃描可以重建出特定物質濃度編碼的圖像，并以灰度或彩色疊加的方式顯示一些特定的物質。最常用于臨床的是選擇性顯示碘、鈣或尿酸鹽的圖像。采用這種方法得到的各體素所含的碘濃度分布圖即碘圖[10]。它提高了圖像對比度和對特定物質的量化能力。除使用黑白圖像展示外，還可以使用碘融合彩色圖以提升攝碘組織的可視化程度。（2）虛擬平掃圖像（Virtual Noncontrast Images, VNC）。除上述選擇性顯示的特定物質外，DECT 同樣可以選擇性抑制碘和鈣等物質，抑制增強掃描圖像中碘的顯示得到的就是虛擬平掃圖像，其也稱為虛擬非對比圖像[3,6]。它可以用于替代常規平掃圖像，進而降低受檢者的輻射劑量[4]。一些研究已將虛擬平掃圖像應用于心臟和其他部位的檢查中，并成功地取代了相關非對比增強掃描期相[10]。

2.3 有效原子序數圖

有效原子序數圖即各體素物質的有效原子序數和電子密度加權圖像。利用每個體素的兩組X 射線衰減值，可以計算有效原子序數(Z effective)，確定組織的組成。有效原子序數指體素中所有物質原子序數的平均值。有效原子序數圖可用于區分動脈管腔內碘造影劑和管壁鈣化兩種高密度結構，但目前其臨床應用較少[9]。

3 雙能量CT 在CCTA 中的應用

3.1 降低輻射劑量

CT 檢查對人體的電離輻射危害一直是限制其發展應用的因素之一，如何降低輻射劑量也備受相關專家和設備廠商的重視。隨著技術進步，前瞻性心電門控技術、管電壓和管電流自動調制技術、迭代重建算法的發展和應用，很大程度上降低了冠狀動脈CT 血管造影的輻射劑量。雙能量CT 降低CCTA 檢查輻射劑量的原理是，利用對比增強圖像重建出虛擬平掃圖像可以替代非對比增強掃描[10]。已有一些研究表明，應用虛擬平掃圖像計算出的冠脈鈣化積分與常規平掃圖像之間存在很強的相關性[10]。

3.2 降低碘對比劑用量

低能量段（＜70 keV）VMIs 因更靠近碘k 邊界值（33 keV）而能夠明顯提高碘的CT 值。如果使用與傳統單能CT 相同劑量和流速的碘造影劑，可以提高血管強化效果，并提高CNR ；使用較小劑量的碘造影劑就可獲得與傳統CT 類似的強化效果。Rotzinger DC 等[10]的研究結果顯示，低keV VMI 可降低40%的碘造影劑量和注射速率，同時圖像強化水平可用于診斷，且管腔與脂肪和肌肉之間的對比度得到了提高。由于碘造影劑具有腎毒性，減少其用量，尤其有益于腎功能較差的患者。低能VMI 對碘的敏感性較高，可以增強對冠脈更小分支或強化較差血管的顯示，可用于挽救血管強化不佳的檢查[10]。

3.3 去金屬偽影

由于高密度結構（如金屬夾、支架或大量高密度鈣化）對X 射線光子的吸收比周圍組織高得多，當混合X 射線束穿過這些物質時，會產生偽影。冠脈支架和手術夾產生的放射狀偽影是冠狀動脈CTA 中評估血管管腔時遇到的較棘手的問題之一，也是高估狹窄程度的原因之一[11]。VMI 中高能量段（＞90 keV）圖像可以極大地減少高密度金屬結構偽影[6]。然而，碘在高keV 圖像上同樣被抑制，這使得在對冠狀動脈進行評估時應結合應用高低keV 圖像進行分析。

3.4 分析冠狀動脈斑塊成分

區分冠狀動脈斑塊的不同病理成分對改善患者的預后具有重要意義。近年來，DECT 對軟組織的辨別能力有很大的進步，它是否可以對斑塊成分進行鑒別是目前研究的熱點之一。已有一些研究對鈣化斑塊與纖維鈣化斑塊、鈣化斑塊與其他亞型斑塊進行了區分，但對纖維鈣化斑塊、纖維性斑塊和富含脂質斑塊的區分鑒別仍比較困難[12]。斑塊在DECT 中的表征還需要進一步研究，將有效原子序數信息與不穩定斑塊的CT 特征相結合來確定動脈粥樣硬化斑塊的性質也是研究的方向之一。

4 結語與展望

雙能量CT 的臨床應用取得了很大的進展。應用雙能量CT 進行冠狀動脈CT 血管造影檢查的主要優勢是可以降低輻射劑量和碘對比劑的用量，同時保證圖像質量，并最大程度減少圖像偽影。與其他臨床診斷方法相比，雙能量CT 在心肌灌注成像、冠狀動脈斑塊表征和支架通暢度評估中的應用價值仍需要進一步研究探索。