能譜CT 在血管成像中的應用進展

辛彥杰，姜慧杰，趙成磊

能譜CT 成像的基本原理是選擇合適的基物質對，根據不同物質的吸收系數μ 隨X 射線能量變化的曲線（已由物理學家經實驗得出）計算得出感興趣物質在任意單能量X 射線下的CT 值[1]。其可以通過多種技術實現，例如寶石能譜CT（GE Healthcare,Milwaukee,WI）是通過單個球管在高低能級的瞬時切換（＜0.5 ms）實現能譜成像，由于瞬時切換的圖像采集幾乎是在同一角度進行，理論上可以有效校正線束硬化偽影來降低運動偽影；雙源能譜CT（Siemens Healthcare, Erlangen, Germany） 則利用2套球管及探測器系統進行數據采集，因此每個球管的管電流可以自由調節從而獲得最佳影像質量，并且在單能掃描模式下雙源能譜CT 具有高時間分辨率，可以實現高心率病人的冠狀動脈成像；基于能夠區分高低能級X 線光子的探測器，雙層探測器能譜CT（Philips Healthcare, Best, The Netherlands）可以通過頂層探測器采集低能光子以及底層探測器采集高能光子來實現雙能成像，完美實現了高低數據的同時采集，減少了影像的運動偽影，同時一次掃描即可得到傳統單能與雙能數據[2-3]。相比常規成像，能譜CT 可提供更優質的影像質量和更有價值的臨床信息，已廣泛應用于臨床各個領域。本文重點對能譜CT 在血管成像的常用技術和各部位血管成像應用現狀進行介紹。

1 能譜CT 在血管成像中的常用技術

1.1 虛擬單能量影像 常規CT 掃描得到的混合影像是由不同能量X 線組成的，無法顯示不同單能級影像的特點及優勢，而能譜CT 能夠模擬使用范圍內任意單一能量的X 線從而生成特定單能量水平的虛擬單能影像（virtual monoenergetic imaging,VMI），例如雙層探測器能譜CT 可生成40～200 keV 共161組單能量影像，彌補了常規成像的不足[4]。由于低能量時電子k 殼結合碘的能力最強，因此低能級VMI（＜60 keV）能夠顯著提高血管對比度，但影像噪聲會隨能級降低而增高[5]。針對低能級VMI 增大的噪聲，可以使用迭代重建技術來有效降噪，同時Grant 等[6]應用來自低能級影像的數據與高能級影像的數據相結合的新算法，在雙源能譜CT 上可生成新虛擬單能影像（virtual monoenergetic imaging plus,VMI+），在低能級也可以將噪聲控制在較低的水平，同時基于低能級VMI+良好的對比度，已被證實可以顯著提高影像質量[7-9]。高能級VMI（＞80 keV）由于組織間對比度降低，可以一定程度減少線束硬化偽影及金屬偽影，但由于血管對比度降低且去金屬偽影能力有限，對于嚴重金屬偽影，去金屬偽影技術（metal artifacts reduction system, MARs）可能是更好的選擇。

1.2 斑塊成分分析 常規CT 檢查僅能通過測量密度評估斑塊性質，而能譜成像基于組織在高低能級下衰減值不同，可以提供更詳細的組織表征，理論上可以無創分析斑塊成分[6]。常用的分析工具包括能譜曲線及有效原子序數圖。能譜曲線指通過劃定興趣區，將興趣區組織在不同keV 水平的衰減值相連所形成的曲線，直觀地顯示了興趣區組織在不同單能量水平時的衰減值，由于曲線形狀隨組織平均衰減特性而變化，有助于斑塊成分的分析及評估斑塊穩定性[5]，例如在低keV 水平，軟組織和高原子序數組織（例如碘、骨骼）衰減值會升高，而脂肪組織衰減值則降低，水衰減值在任何能級水平均為0。有效原子序數圖通過將物質衰減值與已知周期性元素的衰減值進行對比，將物質的有效序數確定為衰減值近似的周期性元素的原子序數，以彩色像素直方圖的方式展示，結合能譜曲線可以更加準確地評估和鑒別斑塊組織成分[10]。

1.3 物質密度影像 同樣基于組織在不同能級下的衰減值特性，能譜CT 可將物質在投影空間或圖像空間分解為2 個或多個基物質對，從而生成物質密度影像，基物質對可以任意選擇，通常由低密度物質（例如水、軟組織）和高密度物質（例如鈣、碘）組成?；诖嗽碇亟ǖ牡鈭D在血管成像中已經得到了廣泛使用，不僅可以提高血管對比度及消除金屬偽影，而且由于碘的分布與對比劑首次通過血管的分布一致，碘圖提供了一種快速檢測實體灌注缺損以及定量評估實體灌注缺損體積的方法[5]。此外還可以通過從數據中選擇性減去特定物質來生成特定影像，例如虛擬平掃影像或去鈣影像[11]，虛擬平掃影像是通過增強影像選擇性去除碘成分獲得，可以達到近似常規平掃影像的效果從而減少這部分檢查的輻射劑量，但碘濃度過高時，碘成分可能去除不完全，同時一些微小且密度較低的鈣化可能會被去除。去鈣影像則通過去除影像上的鈣成分，為準確評估受骨質及嚴重鈣化斑塊影響的血管區域提供了可能。

2 能譜成像對各部位血管成像的應用現狀

2.1 頭頸部血管 缺血性腦卒中起病較急，是嚴重威脅老年人生命健康的疾病之一，病理基礎為粥樣斑塊的形成，頭頸部CT 血管成像（CT angiography,CTA）檢查可準確地檢出斑塊，評估斑塊成分及血管狹窄程度。

VMI 可有效改善頭頸部CTA 影像質量。付等[12]研究顯示，使用雙層探測器能譜CT 重建的60 keV VMI，較混合能量影像不僅沒有加大噪聲，而且頭頸血管的信噪比（signal to noise ratio,SNR）、對比噪聲比（contrast to noise ratio,CNR）都有顯著提高。另有研究[13]顯示，雙低掃描條件下，寶石能譜65 keV VMI聯合60%自適應統計迭代重建（adaptive statistical iterative reconstruction,ASIR）算法掃描頭頸部CTA，影像質量與常規掃描無明顯差異，同時有效輻射劑量與對比劑攝入量分別降低了52.76%、36%。Leithner等[8]則對40 例頭頸部CTA 受檢者的VMI+、VMI 及線性混合影像進行比較，結果顯示40 keV VMI+相比65 keV VMI 及線性混合影像有更高的CNR，并且更適合評估頸動脈分支水平血管。

針對術后顱內存在金屬的頭頸部CTA 受檢病人，能譜掃描同樣能夠提供優質的影像。Zhang 等[14]對20 例接受過彈簧圈栓塞或夾閉治療動脈瘤后的病人進行研究，結果發現相比于常規VMI，聯合使用MARs 的VMI 在不同keV 水平的金屬偽影均降低，Dunet 等[15]研究也得出了相似的結論，并確定了65～70 keV 是使用MARs 降低腦動脈金屬偽影和保持CNR 的最優能級范圍。

在評估斑塊及狹窄方面，林等[16]研究發現應用能譜曲線識別頭頸血管斑塊穩定性的準確度、特異度、敏感度達88.68%、85.71%、78.13%，姬等[17]利用能譜曲線及有效原子序數細化了頸動脈斑塊的成分及類型，評估了斑塊穩定性及病人發生梗死的概率，可為臨床干預治療提供重要信息。Qu 等[18]應用能譜改良去鈣算法去除頭頸血管鈣化斑塊，發現去鈣影像在評估頸內動脈狹窄方面與數字減影血管造影無明顯差異，同時克服了常規頭頸部CTA 由于鈣化斑塊硬化偽影所致的血管狹窄程度夸大。

2.2 肺動脈 肺動脈栓塞（pulmonary embolism，PE）是第三大最常見的致死心血管疾病，早期的診斷和治療對于病人預后至關重要，而CT 肺動脈成像（CT pulmonary angiography, CTPA）是診斷PE 的無創性金標準。而能譜技術不僅可以優化CTPA 影像質量及掃描參數，能譜灌注的應用更是提供了一種新的評估PE 危險分層和預后的方法[19]。

有研究[20]表明，在120 kV 條件下強化欠佳的CTPA 影像，重建40～65 keV VMI 可大幅度提高血管對比度及栓子診斷準確性。Murphy 等[7]納入129例接受能譜CTPA 檢查的病人以探究VMI+改善CTPA 質量的應用價值，結果發現40VMI+相比線性混合影像，平均CT 值提升可達到834.8 HU，有效避免了肺動脈強化不佳需重復掃描的情況。

Monti 等[21]研究發現相比常規單能掃描診斷急性PE 的敏感度（83%）和特異度（96%），能譜成像似乎在PE 檢出方面并沒有優勢，但也有研究表明[22]，碘圖對于段水平PE 的檢出率可能高于常規影像。閆等[23]研究顯示，應用能譜碘圖成像，對于5-7 級的細小分支栓子有更高的檢出率，同時對栓子徑線的測量更接近真實值。一項納入1 144 次CTPA 檢查的研究中，對比了碘圖和混合影像對PE 的檢出能力，結果顯示相較混合影像，碘圖對段或亞段PE 的檢出敏感度略高，額外檢出27 例（2.3%），然而段及段以下的孤立栓子是否具有臨床意義還有待商榷[24]。

有研究[25]表明能譜肺灌注缺損與評估PE 危險分層與預后的幾個臨床因素密切相關，可能成為評估PE 病人嚴重程度的新的成像生物標志物。Perez-Johnston 等[26]提出了以段受累程度為標準的灌注缺損評分，研究發現肺灌注缺損存在與評估PE 病人嚴重程度的幾個臨床指標（CT 心室直徑比＞1、下腔靜脈回流、肌鈣蛋白升高、超聲心動圖顯示右心功能障礙）相關，同時灌注缺損評分較高病人死亡率較高。此外，最新開發的軟件可以快速自動評估灌注缺損體積，該體積與PE 嚴重程度密切相關[27]。同時需要注意的是，相比CT 心室直徑比這一公認的預后指標，肺灌注缺損在預測PE 死亡方面似乎并沒有額外優勢[28]，最近一項對比兩者在預測急性PE病人30 d 全因死亡的研究中也得到了同樣結論[29]。

2.3 冠狀動脈 冠狀動脈CT 血管成像（coronary CT angiography,CCTA）對冠狀動脈疾病診斷有極高的陰性預測值，并可依據斑塊特征判斷其易損性。最近，CCTA 衍生的血流儲備分數和CT 心肌灌注已被證實在評估冠狀動脈粥樣硬化的血流動力學方面具有價值。而能譜CT 某些方面具備一些潛在優勢，例如優化影像質量和管腔狹窄評估，減少輻射劑量，分析斑塊成分及評估心肌缺血等。

在接受寶石能譜CCTA 檢查的30 例受試者樣本中，VMI 聯合ASIR 算法有效改善了心肌和冠狀動脈的SNR、CNR（70 keV+40% ASIR）和心肌的線束硬化偽影（130 keV+40%ASIR）[30]。另一項研究[9]發現，相比最優VMI（70 keV）和線性混合影像，VMI+在40 keV 重建的CCTA 影像在主客觀評價中均有改善。Stehli 等[31]發現針對不同成分斑塊，特定能級VMI 能夠更準確地評估狹窄程度，如90 keV VMI 適合評估混合斑塊，非鈣化斑塊則適合在140 keV VMI上評估。

CCTA 通常在增強檢查前掃描平掃影像用于鈣化評分，這關系到病人分層，而能譜虛擬平掃已被建議代替這一步驟，從而降低總輻射劑量。Nadjiri等[32]研究發現由真實平掃和虛擬平掃計算出的鈣化評分相關性非常高，雖然斑塊體積和密度上存在差異，但虛擬平掃的結果應用比例因子后與真實平掃結果一致性良好。另一項研究[33]得到了相似結論，并且證明應用虛擬平掃影像減低輻射劑量是有效的。虛擬平掃影像的應用目前仍處于初步階段，雖然具備代替鈣化積分平掃的潛力，未來還需要進一步地驗證和改進算法以避免斑塊體積和密度差異所導致的錯誤評估。

相比于常規成像通過觀察CT 值及某些特定征象來評估斑塊性質，能譜成像可以提供更多斑塊表征信息。Obaid 等[34]發現相比常規成像，應用能譜指數在區分壞死核心和纖維鈣化斑塊有更高的敏感度（64%）和特異度（98%）。Mandal 等[10]則利用有效原子序數及電子序數，區分易損斑塊和穩定斑塊的準確度達87%。最近一項研究[35]將冠狀動脈斑塊以水、脂質、蛋白質和鈣4 種成分量化，實現了斑塊成分的準確量化，可為冠狀動脈疾病的評估及危險分層提供更有價值的信息。然而對于CT 值重疊的不同斑塊，能譜成像目前依然難以準確鑒別，仍需后續研究中更精確的基物質對和keV 值來改善[2]。

碘圖和VMI 的應用提升了心肌灌注在評估心臟血流情況的應用價值。Prasad 等[36]評估了能譜CT靜息心肌灌注成像的價值，應用碘圖作為組織灌注的替代物來檢測缺血，以冠狀動脈造影為金標準，能譜心肌灌注檢測節段性和每支狹窄冠狀動脈管腔（≥50%）的敏感度、特異度和準確度分別為81.6%/92.1%、97.8%/96.1%和95.0%/93.7%；以單光子發射體層成像（SPECT）為金標準，能譜心肌灌注檢測節段性和區域心肌灌注缺損的敏感度、特異度和 準 確 度 分 別 為70.4%/90.7%、86.4%/66.6%和80.6%/84.7%。能譜靜態灌注相比單能靜態灌注有更高的準確度，但兩者的準確度均低于動態灌注成像，而動態灌注成像的輻射劑量要顯著高于兩者[11]。此外，有研究[11]表明能譜VMI 可以有效減少心肌灌注成像中的心內膜下硬化偽影。

2.4 主動脈及下肢動脈 CTA 目前已成為主動脈及下肢動脈疾病的首選影像學檢查方法，但由于掃描范圍過長可能導致血管末端充盈欠佳。此外，其所需對比劑劑量較大增加了對比劑不良反應的發生概率及腎毒性，而VMI 因采用小劑量對比劑也能獲得良好影像，故彌補了上述不足。

Johansen 等[37]對比了14 例能譜和常規胸主動脈CTA 影像質量，其中能譜模式下的對比劑劑量是常規條件的50%，發現55 keV VMI 聯合80%權重多模型自適應統計迭代重建（adaptive statistical iterative reconstruction-Veo,ASIR-V）與常規成像質量相當。一項納入104 例腹部動脈CTA 成像研究中，應用常規濃度（300 mg/mL）對比劑進行能譜掃描所得到的50 keV VMI 影像，結果顯示腹主動脈及其分支的CT 值、SNR、CNR 及主觀評分均優于高濃度（370 mg/mL）對比劑120 kV 常規掃描所得的影像[38]。有研究者[39-40]發現，相比于VMI 及混合影像，40～50 keV VMI+在主動脈CTA 檢查中能夠進一步優化噪聲和提高CNR。

Kristiansen 等[41]比較了能譜半劑量組和傳統CT常規劑量組的下肢動脈CTA 成像質量差異，發現能譜組最佳VMI 主客觀評估均優于傳統CT 組。能譜成像不僅提升了下肢動脈CTA 成像質量，也具備改善評估管腔的潛力。Wang 等[42]發現應用55～60 keV VMI 重建下肢動脈CTA 影像，不僅較混合能量影像各段下肢動脈CT 值及CNR 顯著提升，診斷下肢動脈狹窄（≥50%） 的敏感度和特異度分別達到93.18%和95.45%，與金標準數字減影血管造影具有高度一致性。而Zhang 等[43]發現應用90 keV VMI 可以對下肢動脈支架術后病人更準確地評估。

2.5 靜脈 靜脈成像仍是CT 血管成像中的一項重大挑戰，由于對比劑經體循環后被稀釋，靜脈血管對比度往往難以達到診斷要求。例如下肢靜脈或下腔靜脈可通過足背直接注入對比劑來進行成像，但這種直接法成像影響因素較多，并且操作復雜，難以廣泛應用于臨床。能譜低keV VMI 允許在不增加對比劑劑量的條件下有效提高靜脈成像的對比度，改善間接法靜脈成像的質量。

相關研究表明應用低keV VMI 可以顯著提高各部位靜脈對比度，如Wang 等[44]研究顯示，60 keV VMI 聯合40%權重ASIR 組影像門靜脈CNR 明顯高于120 kV 組，同時影像噪聲無差異。另一項研究[45]發現，在降低25%對比劑劑量的情況下，60 keV VMI組門靜脈影像CNR 高于混合能量組，且主觀評分無差異。Martin 等[46]則評估了VMI+與VMI、線性混合影像在門靜脈血栓檢出上的差異，結論得出40 keV VMI+CNR 最高，具有最高的敏感度和特異度（96%；96%）。多項研究[47-49]表明，下肢靜脈在40 keV VMI上可得到最佳成像效果，除了能夠更好地檢測深下肢血栓，還適用于下肢靜脈曲張或冠狀動脈搭橋術前等各類病人的檢查，同時在提升細小靜脈成像質量方面，VMI 也有出色表現。付等[50]評估了100 例病人能譜掃描后的腹部靜脈期影像，對胃結腸靜脈干成像的最佳keV 值進行評估，發現40 keV VMI 中的胃結腸靜脈干及其分支血管結構顯示最為清晰，主、客觀評價均取得最大值。Nakayama 等[51]研究還發現在腎上腺靜脈取樣術前獲取40 keV VMI 進行評估，取樣手術的成功率高達95%；Wang 等[52]同樣認為應用40 keV VMI+在取樣術前可取得最佳的腎上腺靜脈可視化。

3 小結與展望

與傳統成像相比，VMI 的應用可以顯著提升影像對比度或降低金屬偽影，能譜曲線和有效原子序數圖能夠提供更準確的斑塊表征，碘圖直觀地展示了組織血流灌注情況。綜上，能譜CT 突破了傳統單能成像的限制，在血管成像方面有著重要作用，具有更廣泛的臨床和科研價值。

能譜CT 最新發展成果——光子計數探測CT（photon-counting detector CT，PCD-CT）已經問世，其成像原理為直接利用半導體材料將X 線光子轉換成電子-空穴對，通過在半導體兩端施加高電壓，使電子被陽極接收而產生電子信號。對于給定的X線光子，由陽極上的電荷沉積產生的信號的脈沖高度與光子的能量成正比，當檢測到的光子的能級超過與計數器能量閾值時，光子計數則增加，這一過程是由光子計數探測器（photon-counting detector，PCD）的關鍵組件——專用集成電路完成的，因此來自PCD 的信號攜帶有關每個單獨檢測到的光子的能量信息，從而利用被檢物體的衰減能量信息重建不同能量段的圖像實現能譜成像。已有的實驗性研究表明PCD-CT 在諸多方面帶來了提升，例如更高的空間分辨率、更低的電子噪聲、提高組織結構間的對比度、更有效地降低光束硬化和金屬偽影等[53]。相信在不久的將來，PCT-CT 的發展能夠為CT 血管成像帶來更多可能性。