当前新型的冠状动脉CT成像技术

厚德精业敦行至善当前新型的冠状动脉CT成像技术RadioGraphics2015RadioGraphics2015;35:991–1010前言•最近的快速技术进步促进了冠状动脉多排螺旋CT扫描仪的广泛临床应用，其可用于冠状动脉疾病的非侵入性地和准确地评估，并提供了卓越的图像质量。在许多具有64个或更多个检测器以增强空间和时间分辨率的CT扫描仪的单中心和多中心试验中，使用侵入性导管冠状动脉造影作为参考模态，研究者已经证明用于检测冠状动脉CT的显著冠状动脉疾病的多检测器系统的优异的诊断准确性。目前的标准冠状动脉CT仍存在许多不足，包括：•致癌辐射和肾毒性造影剂•不足的空间和时间分辨率•束硬化伪像•对冠状动脉斑块特征分析不足•不能对冠状动脉狭窄进行功能评估各种当前新颖的成像技术被开发出来以克服这些限制，包括：•（a）进床轴扫，迭代重建和前瞻性ECG门控大螺距双源螺旋扫描以减少辐射剂量。•（b）双能CT和迭代重建以减少造影剂的剂量。•（c）高分辨率CT可以用于提高空间分辨率。•（e）双源CT和运动校正算法以改善时间分辨率。•（f）320-检测器CT和智能边界配准算法，以减少阶梯伪像。•（g）单源双能CT，具有快速管电压切换以减少束硬化。标准冠状动脉CT的局限性和使用当前和新型成像技术的主要策略和解决方案局限性策略解决方案辐射剂量减少剂量进床轴扫，迭代重建，高螺距螺旋扫描双源CT造影剂剂量增强对比度双能CT，迭代重建（低能成像）用于评估小或外周血管疾病和小冠状动脉支架的空间分辨率不足提高空间分辨率高分辨率CT严重冠状动脉钙化，有限的冠状动脉斑块特征分析能力减少束硬化，材料分解双能CT运动伪影提高时间分辨率双源CT，运动校正算法阶梯伪影全心脏覆盖，血管边界校正算法320排CT，智能边界配准无功能性评估心肌灌注成像，FFR测量双能CT，FFRCT注：FFR=分数流量储备，FFRCT=源自CT的FFR。对这些成像技术的全面理解将增加冠状动脉CT用于评估冠状动脉疾病的价值。本文的目的是帮助放射科医师了解标准冠状动脉CT和各种当前成像技术的局限性，以克服这些限制。目录•标准冠状动脉CT及其局限性•当前新颖的冠脉CT成像技术标准冠状动脉CT及其局限性•标准回顾性ECG门控螺旋扫描•辐射暴露和癌症风险•回顾性ECG门控螺旋扫描与心电图控制管电流调制•低管电压扫描•标准冠状动脉CT的局限性标准回顾性ECG门控螺旋扫描•用CT成像小且快速移动的冠状动脉的主要挑战是具有足够高的空间分辨率以解析精细结构和足够高的时间分辨率以冻结动脉运动。通常，成像最好在心脏周期的最静息部分的舒张期进行。•在扫描期间使用ECG记录监测心动周期能够：（a）使图像采集和重建与心脏运动同步（b）具有回顾性门控的图像的重建（c）选择最佳重建阶段以减少由偶然的早搏产生的运动伪影标准回顾性ECG门控螺旋扫描•多排螺旋CT扫描仪与回顾性ECG门控螺旋扫描技术的结合使用可以在单次屏气期间以亚毫米空间分辨率高速采集整个心脏的无运动体积数据。•具有64个或更多检测器的CT扫描仪被广泛用于非侵入性和准确地评估冠状动脉疾病，并提供出色的图像质量。•标准回顾性ECG门控螺旋技术需要具有低螺距的高度重叠扫描，以确保用恒定管电流覆盖整个心脏，并且因此能够选择整个心脏期的重建窗口（图1a）。然而，在许多患者中，特别是具有足够低和规则心率的患者，通常不需要采集其他相，因为舒张期对于冠状动脉CT的重建是最佳的。上图显示了用于冠状动脉CT的各种扫描技术的放射剂量和心动周期之间的不同关系。阴影框的高度表示管电流的量。（a）对于回顾性ECG门控螺旋扫描，在整个心动周期中以恒定管电流递送辐射。（b）对于具有ECG控制的管电流调制的回顾性ECG门控螺旋扫描，管电流在预定心脏相之外极大地减少。（c）对于预期的ECG门控轴向扫描（进床轴扫），仅在预定的心脏相位期间输送辐射。在选定阶段期间在某个台位置处执行覆盖大面积的轴向扫描之后，将台移动到下一位置，与随后的轴向扫描几乎不重叠。（d）预期的ECG门控大螺距双源螺旋扫描能够在单个心动周期的选定阶段内完全覆盖心脏，并且与最低的辐射剂量相关。辐射暴露和癌症风险•冠状动脉CT的放射剂量估计可表示为体积CT剂量指数（CTDIvol）和剂量长度乘积。剂量长度乘积表示在整个检查期间患者的辐射暴露，其乘以胸部的器官加权因子可以估计生物损伤的风险，以及估计冠状动脉CT的有效剂量。•使用具有低螺距和高管功率的标准回顾性ECG门控螺旋扫描在具有120kVp的标准管电压的64个或更多个检测器的CT产生大约9-21mSv的有效剂量（平均，大约15mSv），常规诊断导管冠状动脉造影大约2-10mSv。•ECG控制的管电流调制和低管电压是用于减少标准冠状动脉CT的放射剂量的主要技术。回顾性ECG门控螺旋扫描与ECG控制管电流调制•在回顾性ECG门控螺旋扫描中的ECG控制的管电流调制使有限的心脏阶段（例如，舒张中期）的管电流最大化，并且对于不需要的其他阶段，从根本上减少电流（例如，达到全部的20％）（图1b）。•与标准回顾性ECG门控螺旋技术相比，这种方法减少有效剂量约30％-50％，从而减少癌症的终生风险，特别是对于女性和年轻患者，并尽可能的保持诊断图像的质量。低管电压扫描•通常，辐射剂量与管电压的平方成比例并与管电流成比例。因此，通过降低管电压比通过减小管电流更多地减少辐射剂量。管电压应根据患者身体的表面情况降低，因为其降低不可避免地增加图像噪声（图2）。•在较小的患者和儿童中，将管电压从标准120kVp降低到100或80kVp减少了辐射剂量30％-50％，同时提供相似的图像质量（图3）。•由于碘的相对高的原子数产生较高的光电效应，降低管电压也增加了碘化造影剂的衰减;因此，可以减少肾毒性造影剂的量，同时在血管内实现相同的衰减。图2.低剂量冠状动脉CT使用100-kVp管电压进行进床轴扫，提供高空间分辨率和较明显的图像噪声，结合高分辨率CT和在体积渲染CT图像（a）上的自适应统计迭代重建和左冠状动脉（b）和右冠状动脉（c）的曲面重组的CT图像上，对图像（50％混合比率与滤波反投影）进行比较。图3.使用100-kVp管电压的大螺距双源螺旋扫描执行的低剂量冠状动脉CT（有效剂量，0.97mSv）在体积渲染的CT图像（a）和曲面重建上提供了优异的图像质量左冠状动脉（b）和右冠状动脉（c）重建的CT图像。标准冠状动脉CT的局限性•空间分辨率不足•射束硬化伪影•时间分辨率不足•阶梯伪影•无功能评估空间分辨率不足•空间分辨率不足可以影响冠状动脉狭窄严重程度的评估和图像的整体可解释性，特别是在评价小的或外周血管疾病时。空间分辨率不足产生部分容积效应，可能限制了对冠状动脉斑块成分的详细分析。在图像上，部分容积效应可导致来自诸如钙化斑块和冠状动脉支架的高衰减对象的开花伪像，并且这些开花伪像可导致对对象的大小和相应冠状动脉节段的狭窄的严重性的过高估计。射束硬化伪影•高衰减对象也可能导致束硬化伪影。由x射线管发射的光束包括携带能量光谱的光子。当x射线穿过包括高衰减对象的结构时，较低能量的x射线光子优先被吸收，并且高能光子更有可能穿过。当该X射线束“硬化”时，衰减结构远端的衰减程度减小。•在CT心肌灌注成像中可存在射束硬化伪影，心室和主动脉中的高浓度的碘化造影剂可成为这些伪像的源。在标准单能CT中，这些伪像还可以限制导致急性冠状动脉综合征的具有低衰减值的易损斑块的表征。此外，由射束硬化和部分容积效应的组合产生的开花伪影（bloomingartifacts）可导致较困难地评估具有严重钙化的冠状动脉斑块和直径小于3mm的冠状动脉支架的冠状动脉疾病。时间分辨率不足•不足的时间分辨率可导致运动伪影，特别是在具有高心率和心率不齐的患者中。•多扇区（或多段）重建技术的使用允许来自不同心动周期的图像的回顾性重建，并且旨在改善具有常规高心率的患者的冠状动脉CT的时间分辨率。然而，其限制包括心率变异性，心律失常和冠状动脉CT获取期间心率的变化。阶梯伪影•在冠状动脉CT成像中，几个心动周期中RR间期的差异可能在体积数据集中产生不一致，并因此产生阶梯（或条带）伪像，其在冠状，体积渲染或多平面重建的图像上更突出（图4）。最近推出的320检测器CT扫描仪允许在单个心跳中覆盖整个心脏，并消除这些伪像，即使患者有心律失常。图4.阶梯伪影。在曲面重建的冠状动脉CT图像（a，b）和体积绘制的冠状动脉CT图像（c，d）在没有智能边界配准算法（a，c）的情况下获得的图像上的阶梯状伪影显示为冠状动脉血管不连续性（a，c中的箭头），但是在使用该算法获得的图像上减少（b，d）。在c中，在通过每个箭头的轴的延长线穿过的冠状血管上示出了伪影。无功能评估•标准冠状动脉CT仅限于冠状动脉狭窄的解剖学描述，并且不提供关于冠状动脉病变的功能重要性的信息。形态学上中间的冠状动脉狭窄和不可解释的图像可能导致不确定的结果，并且需要用非侵入性心肌灌注成像方式比如单光子发射计算机断层摄影（SPECT），正电子发射断层摄影，磁共振（MR）成像进一步评估，还可用有创导管冠状动脉造影结合分数流储备（FFR）的测量。当前新颖的冠脉CT成像技术•前表总结了标准冠状动脉CT的局限性，以及使用当前和新颖成像技术克服这些限制的主要潜在策略和解决方案。在本节中，更详细地说明了这些成像技术。当前新颖的冠脉CT成像技术•前瞻性ECG门控轴向扫描（同床轴扫）•迭代重建•高分辨率CT•双源CT•前瞻性心电门控大螺距双源螺旋扫描•运动校正算法•边界智能匹配•双能CT•源自CT的分数流量储备（FFRCT）前瞻性ECG门控轴向扫描•在预期的ECG门控轴向扫描，即所谓的进床轴扫中，x射线束在预定的心脏相位开启，以获取足够的扫描数据，以在最小采集窗口期间重建图像，其等于机架旋转180°加上扇形角的大小（图1c）然后将台移动到下一个位置以进一步获取数据。•与回顾性ECG门控螺旋扫描相比，进床轴扫通过限制采集的相数和通过将间距增加到大约1来减少辐射暴露，与随后的扫描几乎不重叠。•进床轴扫具有有限的重建窗口并且不提供关于心脏功能的信息。填充技术可以在最小采集窗之前和之后的附加心脏相位期间采集图像数据，并且可以补偿冠状动脉CT扫描期间的心率变化。尽管使用进床轴扫的填充时间增加了辐射暴露，但其提高了具有轻度心率变异性的患者的图像质量，并且允许在各种心脏阶段，包括收缩期重建。图5.与通过ECG控制的管电流调制（a）获得的回顾性ECG门控螺旋CT图像相比，1年后采用同床轴扫获得的同一患者的曲面重建的冠状动脉CT图像（b），并且相同的扫描参数显示相似的图像质量，但是有效剂量从21.6降低到3.7mSv（83％）。迭代重建•自临床引入CT后，图像重建主要通过使用滤波反投影进行。虽然滤波反投影算法快速且高效，但这些过度简化的假设导致增加的图像噪声和较低的图像保真度。•迭代重建可以克服滤波反投影的缺点。迭代重建算法使用前向重建模型和扫描器几何形状和底层物理（系统光学）的更精确的集成，并且这些算法考虑了对x射线光子统计和电子噪声的更精确的建模。与滤波反投影相比的迭代重建的优点包括更高的空间分辨率和更低的图像噪声，对于各种伪像具有更强的鲁棒性。•这些迭代重建算法的主要潜在益处是当用高分辨率CT以较高空间分辨率成像时减少图像噪声的能力（图2）。这些算法的使用还可以减小管电流或管电压，这两者都减少辐射剂量而不增加图像噪声（图2）。迭代重建和低管电压扫描的组合还可以减少静脉造影剂的剂量，同时保持图像质量。高分辨率CT•新推出的具有宝石探测器和改进的数据采集系统的高分辨率CT扫描仪提供了2.5倍的视图，主速度快100倍，比非高分辨率CT扫描器更低的余辉。•当与自适应统计迭代重建相结合以补偿增加的噪声时，与非高分辨率CT相比，高分辨率CT能将平面空间分辨率提高到0.23mm并且将对比度分辨率提高到3mm，而非高分辨率CT的平面空间分辨率为0.33-0.50mm，对比度分辨率为5mm。高分辨率CT•这种高分辨率CT增加的空间分辨率将提高用于识别显著