多层螺旋CT冠状动脉成像技术及其进展

曹波，张俊祥，倪萍，陈自谦

1.蚌埠医学院 医学影像学系，安徽 蚌埠 233030；2.南京军区福州总医院a.医学工程科；b.医学影像中心，

福建 福州 350025

0 前言

冠心病（Coronary Artery Disease，CAD）是一种常见病和多发病，其发病率和死亡率均呈不断上升趋势，已成为威胁人类健康的主要疾病之一[1]。传统冠状动脉造影（Conventional Coronary Angiography，CCA）仍是诊断CAD的“金标准”，但属于有创检查，且检查费用相对较高。为此，人们一直在寻找一种安全、无创、简捷、准确的检查手段。随着多层螺旋CT（MSCT）技术的快速发展，从早期的4层到16层、64层及双源CT，再到高端256层、320层CT，其时间和空间分辨率及Z轴覆盖宽度在不断提高[2-5]，MSCT冠状动脉造影（CCTA）诊断准确性得到了显著提高，尤其是具有很高的阴性预测值（＞95%），这表明它可作为CAD及其他冠状动脉疾病可靠的筛查手段，从而减少CCA检查。但随着CCTA检查不断增加，电离辐射致癌风险日渐突显。因此，合理优化CCTA扫描剂量以减少辐射风险具有重要意义。现将MSCT心脏冠状动脉成像技术及其进展综述如下。

1 MSCT冠状动脉成像的技术发展

1995年，电子束CT（Electron Beam Computed Tomography，EBCT）具有高时间分辨率（50～100 ms），使得快速连续运动的心脏冠状动脉成像成为可能。然而，低空间分辨率（1.5 mm）限制了EBCT在CAD中的诊断及其发展。

1998年底，第一台4层CT问世以后，因扫描速度（管球旋转时间为500 ms，时间分辨率为250 ms）的提高和心电门控技术的使用，实现了一次屏气下冠状动脉成像[6]，受到了医学领域内医生们的关注，在随后的临床实践中得到了逐步应用，文献报道[7]4层CT有希望成为一种无创的心脏成像技术，但在CAD诊断中不足以取代CCA。随着经验的积累，发现冠状动脉成像的图像质量受到时间和空间分辨率的限制，要求心率＜60次/min，并且不能评估的冠状动脉节段超过了20%[7]。

随着16层和64层CT的推出，时间和空间分辨率进一步提高，并能采集各向同性容积数据（0.6 mm×0.6 mm×0.6 mm），CCTA图像质量及CAD诊断价值不断提高，可以评价冠状动脉主干及其分支，包括远端节段[8-9]。文献报道[8-9]64层CT扫描时间明显减少（＜15 s），屏气时间缩短，这样不仅可以减少对比剂的用量，而且可提高冠状动脉血管与毗邻组织结构的对比度，并具有高的敏感性、特异性。

双源CT（Dual-source CT，DSCT）的时间分辨率高达83 ms，减少了心脏运动伪影，实现了高心率患者的CCTA检查。文献报道[10]，冠状动脉图像质量与心率有明显相关性，但DSCT可获得高心率病人满足诊断要求的图像质量以及较高的诊断准确性。因此，具有优越时间分辨率的DSCT代表了另一个技术发展方向，这将扩大高心率病人的临床应用范围。

最新高端256层CT时间和空间分辨率（135 ms，0.625 mm）显著提高，Z轴探测器覆盖宽度为8 cm，心脏扫描仅需球管旋转两次，扫描时间明显缩短（约4～5 s），对心率限制要求大大下降，文献报道[11]心率对CCTA无明显影响，可获得满足诊断要求的图像质量。320层CT时间和空间分辨率分别达到175 ms、0.5 mm，探测器Z轴覆盖宽度达到16 cm，可在单一心动周期完成整个心脏的容积数据采集，获得良好的图像质量和完全显示整个冠状动脉及其细小分支[4,12]。

2 MSCT冠状动脉成像辐射剂量的优化

CCTA在CAD诊断中虽然有非常大的应用价值，但同时病人却接收了高辐射剂量的照射。早期研究发现，CCA有效辐射剂量约为3～9 mSv，而CCTA有效辐射剂量却高达20 mSv[13]。因此，降低CCTA辐射剂量以确保它是一项安全、有效的检查方法是非常重要的。

目前有许多降低CCTA辐射剂量的方法，其中最常用的方法包括：调整管电流（mAs）、调整管电压（kV）、增大螺距、前瞻性心电门控技术等。因此，可通过改变或选择适当参数，合理优化扫描计划，严格遵循最小有效剂量（ALARA）原则，保证有效减少辐射剂量的同时，不影响诊断图像质量。现分述如下。

2.1 心电图控制管电流调制技术

心电图控制管电流调制技术是指在整个心动周期扫描过程中，根据心电信号自动调整管电流，在选定的期相（低心率常为75%时相，高心率常为45%时相）中，射线按照设定的最高毫安输出，而在其他期相，则降低毫安输出，从而有效减少辐射剂量。而传统的回顾性心电门控技术，该方法在整个心动周期都有X射线暴露，采集了整个心动周期的容积数据，但图像重建所需的数据只在一个特定的心动周期时相，并非所有采集数据都用于诊断需要，故辐射剂量高。据文献报道[14-15]，使用该方法，在没有降低图像质量的前提下，有效辐射剂量可以减少约20%～50%。但在临床应用中，需要强调的是在扫描前应尽量保持病人心率平稳及心律规整，避免因心率波动较大而导致重建的图像质量下降。

2.2 自动曝光控制技术

自动曝光控制技术（Automatic Exposure Control，AEC）是通过在X、Y平面或沿着扫描方向（Z轴调制）或X、Y、Z联合调制的方法自动调节管电流，根据人体不同解剖学部位进行扫描，可在保证诊断图像质量的同时降低辐射剂量。Deetjen等[14]研究了不同分组的病人分别使用AEC进行16层与64层CT的冠状动脉成像检查，结果发现可显著减少辐射剂量约42.8%。这与最近文献比较4个不同厂家生产的CT扫描仪使用不同AEC系统减少辐射剂量是一致的[16]。Söderberg[16]等发现，不同AEC系统CT扫描仪可以降低辐射剂量约35%～60%，这种方法与管电流调制技术类似。

2.3 调整管电压技术

辐射剂量与管电压的平方呈正比。目前CT扫描仪常规使用120 kV或140 kV管电压，这样可以获得足够满足诊断要求的图像。据DSCT研究表明[17]，CCTA使用100 kV与常规120 kV对比研究，其辐射剂量减少约25%～50%。然而，最近有研究表明[18]，208例体质量指数（Body Mass Index，BMI）<25 kg/m²的病人，在使用恒定管电流条件时，通过降低管电压从100～80 kV，保证图像质量前提下，可减少辐射剂量约50%，但图像的信噪比和对比度噪声比会有所下降。

在实际应用中，需要强调的是必须根据受检者的BMI改变管电压。当受检者BMI<25 kg/m²，可选择降低管电压从120～100 kV。对于儿童或未成年者BMI<20 kg/m²，可考虑选择管电压为80 kV。据报道[19]，对于正常体重范围的受检者，管电压降低到80 kV并不影响图像质量，同时辐射剂量可减少80%。因此，在临床实践中可以通过合理调整管电压的方法，获得不影响诊断的图像。

2.4 大螺距选择技术

众所周知，辐射剂量与螺距成反比。这是因为扫描时Z轴上某一点的受照时间缩短所致。CCTA常规使用小螺距（0.16～0.2），这样能获得每个心动周期无间隔的容积数据，但同时会产生多个区域的重叠扫描，从而导致高辐射剂量暴露。随着第二代DSCT扫描仪的发展[20]，它拥有两套128层探测器和较宽的探测器宽度，具有很高的时间分辨率，可根据心率的快慢自动选择螺距，心率越高螺距越大，这样可显著减少辐射剂量。文献报道[20]，DSCT使用大螺距冠状动脉成像时，可以评价90%以上的冠状动脉节段，而辐射剂量可＜1 mSv。结合大螺距和宽探测器覆盖，CCTA检查时间从5～10 s减少到0.25 s，允许在单一的心动周期覆盖整个心脏。因此，要根据不同的心率来选择合适的螺距，在不影响图像质量的同时，尽量采用大螺距，以减少病人的辐射剂量。

2.5 前瞻性心电门控扫描技术

前瞻性心电门控描技术最早应用于电子束CT钙化评分，但近年来由于其非常低的辐射剂量，开始逐步应用于CCTA。前瞻性与回顾性心电门控扫描技术原理不同，前者采用非螺旋扫描方式来获取数据，X射线只在预先设定的R-R间期时相曝光，通过心电信号触发扫描，而其余的R-R间期时相X射线完全关闭，也称为步进扫描（Step-And-Shoot，SAS），其有效螺距为1.0。该扫描技术最大的优点是受检者辐射剂量较低，X射线曝光仅发生在选定的时相，而不是在整个心动周期。因此，与回顾性心电门控相比，前瞻性心电门控扫描模式的临床应用将发挥巨大优势。

文献报道[21]，采用前瞻性与回顾性心电门控扫描技术比较，其有效辐射剂量可降低约80%。尽管研究结果令人满意，但前门控CCTA扫描模式是否会影响图像质量备受医疗管理者和医生们关注。最近研究报道[22-23]，前瞻性与回顾性心电门控CCTA对比，前门控扫描模式图像质量是理想的，其有效剂量降低约60%～86%。然而，前瞻性心电门控组不可评价的冠状动脉节段有所增加，在高心率组其图像质量有所下降，但总辐射剂量显著减少（1.5～4.4 mSv）。因此，前瞻性心电门控低剂量扫描模式将成为未来冠状动脉成像的主流模式而被广泛应用。

3 MSCT冠状动脉成像在CAD中的诊断和预后评估价值

3.1 诊断价值

在过去10年里，CCTA作为一种安全、无创、简捷、准确的检查手段，人们关注的焦点始终都集中在图像质量和诊断价值方面。早期4层CT研究显示，由于时间和空间分辨率的限制，对CAD诊断的敏感性和特异性分别为78%和93%[24]。

随着16层CT的应用，时间和空间分辨力有所提高，更多的冠状动脉节段可被评价，对CAD的诊断价值有了很大的提高，其敏感性和特异性分别为82%和98%[25]。

尽管16层CT时间和空间分辨率有所提高，但仍不能进行各向同性容积数据采集。此外，由于时间分辨率相对较低，限制了高心率病人的临床应用。与4层、16层CT相比，64层CT时间和空间分辨率的进一步提高，同时进行各向同性容积数据采集，扫描时间明显缩短，其检测冠状动脉主干及其分支的能力进一步提高，它的敏感性和特异性分别为95%和98%[26]。这些研究表明，64层CT在诊断CAD中具有较高的准确性，它可作为一种替代CCA检查的有效方法。

CCTA的图像质量与心率密切相关。虽然在低心率病人中冠状动脉可评价节段和诊断准确性均比较高，但在较高心率病人中诊断准确性却较低。因此，当病人心率＞70次/min时，需使用β-受体阻滞剂降低心率已成为检查前的常规手段。但随着双源CT扫描仪的推出，时间分辨率已提高至83 ms，无须服用β-受体阻断剂来限制心率，便可实现检查。

Donnino等[27]对单源与双源CT冠状动脉成像的诊断图像质量进行比较，研究结果显示，在检查前未服用β-受体阻滞剂的高心率病人中，双源CT较单源CT的图像质量有显著提高。Lin CJ[28]等研究也证实了双源CT在无心率要求限制下检测CAD，具有高的敏感性，约97%，但其特异性相对较低，约81%。

最新高端256层和320层CT，其Z轴覆盖宽度可达8～16 cm，扫描时间明显缩短，管球旋转1周可覆盖整个心脏，从而消除了64层CT在心脏成像中的制约和限制[29-30]。唐秉航等[29]对80例病人利用256层MSCT诊断冠状动脉狭窄与CCA对照分析中，其诊断＞75%狭窄的敏感性和特异性均达90%以上，阳性和阴性预测值分别达80%～90%和95%以上，与64层CT诊断冠脉狭窄相比，诊断的阳性预测值和准确性明显提高，进一步提高了CAD诊断的可信度。De Graaf等报道[30]，320层CCTA检测冠状动脉狭窄有更高的诊断价值，尤其是阴性预测值高达100%，诊断准确性也达95%，表明320层CT是诊断CAD具有高度敏感性的一种方法。因此，256层、320层CT诊断冠状动脉狭窄具有较高的敏感度和特异度，在CAD的早期筛查及危险评估中具有独特的优势及良好的临床应用前景。

3.2 预后评估价值

MSCT不仅能评价冠状动脉管腔的变化，而且也能可视化评价冠状动脉管壁的形态结构和确定冠状动脉斑块的性质。在CAD的进展中，冠状动脉粥样硬化斑块的大小和尺寸发挥重要作用，应用MSCT可以无创性地检测钙化和非钙化斑块的形态和组成以及评估血管重塑的程度。Schmid等报道[31]，应用64层CT平均随访17个月的非钙化性斑块病人，其斑块数量在不断增加。因此，MSCT可提供可疑CAD病人的预后信息，并可作为研究冠状动脉粥样硬化进展的工具。

根据CT值把冠状动脉斑块的性质分为3种类型[32-33]：非钙化性斑块、钙化性斑块和混合性斑块。利用二维和三维CT可视化技术，能准确识别导致冠状动脉管腔变化的斑块类型，这在预测疾病进展过程中非常重要。与常规的二维或三维可视化技术对比，三维仿真内窥镜可以显示冠状动脉管腔内斑块的更多信息以及相应管腔的变化[34]，也有助于证实冠状动脉狭窄的程度，避免二维可视图在观察严重钙化的管壁时可能会出现的管腔闭塞的假阳性结果。唐秉航等[29]得出256层CT对非钙化性斑块所致冠状动脉狭窄的判断较佳，诊断符合率达到87.7%，其次是混合性斑块，钙化性斑块所致冠状动脉狭窄的诊断符合率略低（77.5%）。

初步研究报告表明，CCTA可以在已知或怀疑CAD的短期随访中，提供急性心脏事件发生率和死亡率可靠的预后信息。Gilard等[35]对141例可疑CAD行CCTA检查正常者在平均14.7个月的随访中发现，急性心脏事件发生率很低，其死亡率为0%，心肌梗死发生率为0.7%。Aldrovandi等[36]研究也同样表明，187例可疑CAD病人，在24个月的随访中，当左主干或左前降支动脉阻塞性斑块形成时，急性心脏事件发生率高达34.7%，相比之下，正常者的发生率为0%。然而，这些研究只是基于小样本、单中心的评价和短期随访。Hadamitzky等[37]最近进行的一项大样本研究提供了预测心脏事件发生率充足的预后信息，作者回顾性分析2223例可疑CAD病人，平均随访时间为28个月，当有阻塞性斑块形成时，急性心脏事件年发生率高达2.9%，而无阻塞性斑块形成时，急性心脏事件年发生率仅有0.3%。因此，MSCT能可靠地用于急性心脏事件的预测评价。

4 MSCT冠状动脉成像的未来发展方向

CCTA未来发展主要有以下3个方面：提高时间分辨率、减少辐射剂量和正确合理使用MSCT。在过去10年中，MSCT技术飞速发展，但目前MSCT成像的时间分辨率（DSCT，75～83 ms；256层和 320层CT，135～175 ms）仍然明显低于CCA（20 ms），所以进一步提高时间分辨率是必要的，以便MSCT可以更多地应用于高心率或心律不齐的病人。目前使用β-受体阻滞剂降低心率仍然是MSCT心脏检查常用的方法，提高时间分辨率将最终实现无须使用药物控制心率进行冠状动脉成像。

如上所述，CCTA辐射暴露仍然相对较高，这造成了辐射诱发恶性肿瘤潜在的风险。虽然使用多种降低辐射剂量的方法，但因制定的扫描计划不同，还是会造成病人高辐射暴露。近几年研究强调常规CT扫描标准化的重要性，其中包括心脏成像、辐射暴露与癌症的风险[38]。美国电离辐射生物效应委员会（BEIR）基于美国人口的正态分布，计算出10 mSv辐射剂量造成的癌症发生风险为1/1000[38]。

CCTA作为一种无创性检查方法，在检测和诊断CAD时显示出很高的临床应用价值，尤其是具有高阴性预测值，故可作为一种可靠的筛查手段。随着MSCT技术不断的进步，它将在检测冠状动脉斑块性质方面发挥越来越重要的作用。此外，MSCT被视为一个可靠的方法用来预测可疑CAD的预后。

毫无疑问，随着技术的不断进步，MSCT在CAD诊断中将继续发挥重要作用。正确合理使用CCTA是必不可少的，在最大限度发挥其临床作用的同时，尽量减少辐射暴露。医生们需要高度重视心脏CT成像潜在的辐射风险，根据不同病人和扫描设备，合理优化扫描计划，尽可能减少病人的辐射暴露。据Lee等报道[39]，仅有47%的放射科医生和9%的急诊科医生认为，CT扫描会增加发生癌症的风险。因此，目前迫切需要医生进行自我教育，提高CT电离辐射及其相关风险的意识，在利用CCTA时，放射科医生和心脏科医生必须权衡利弊，充分意识到CT扫描潜在的风险，并考虑减少不必要的检查或选择其他的检查方法，如超声或磁共振成像，从而避免部分病人接受不必要的辐射暴露。

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