电子计算机断层扫描血管成像技术在冠状动脉旁路移植术后桥血管评价中的应用

刘 飞 周自强 吴明营* 鲜军舫

(1.首都医科大学附属北京同仁医院心血管中心, 北京 102600； 2.首都医科大学附属北京同仁医院放射科,北京 102600)

冠状动脉旁路移植术(coronary artery bypass grafting，CABG)是冠状动脉粥样硬化性心脏病(以下简称冠心病)治疗的主要方式，能够有效缓解心绞痛、提高生命质量[1]。由于桥血管通畅性与CABG的效果关系密切[2]，CABG术后对桥血管的评价一直受到医生的关注。

作为冠心病诊断的金标准，冠状动脉造影术(coronary angiography，CAG)是目前CABG术后桥血管评价的主要手段[2]。但CAG是一种有创检查，存在心律失常、心肌梗死、栓塞性卒中等多种合并症风险[3]；同时，桥血管与原位冠状动脉相比，其解剖结构有更大的不确定性，因此，桥血管造影在寻找近端开口及选择投照体位时难度较大。即使是经验丰富的医生，桥血管造影的成功率也仅为78%～86%[4-5]。此外，CAG费用较高，通常需要住院进行。因此，CAG在CABG术后桥血管评价中的临床应用受到限制。

电子计算机断层扫描血管成像(computed tomography angiography，CTA)以其简便、无创、快速、经济、重复性好等特点，在冠心病诊断、桥血管评价中的应用越来越受到关注。桥血管的直径通常比原位冠状动脉更粗，且钙化更少，桥血管体部及近端吻合口处受心脏运动影响也较小，位置相对固定，因而用冠状动脉CTA在检测桥血管时可能比原位冠状动脉受到的干扰更小，图像更清晰，结果也更加准确，显示出良好的应用前景。

1 CTA评价桥血管发展历史

早在1980年，单层电子计算机断层扫描(computed tomography，CT)就被应用于观察桥血管[6]，但其诊断准确性较差，无法准确进行桥血管通畅性的评价。多层螺旋CT(multi-slice computed tomography，MSCT)问世后，其在桥血管评价方面显示出较好的阴性预测价值[7]。

Stein等[8]统计了截止到2005年不同层数CT在CABG术后桥血管评价中的情况，结果显示，诊断闭塞桥的灵敏度：单层CT为81%，4层CT为93%，16层CT为 99%；特异度：单层CT 89%，4层CT 96%，16层CT 98%；阳性预测价值：单层CT为68%，4层CT为89%，16层CT为94%；阴性预测价值：单层CT为94%，4层CT为98%，16层CT为100%。多层CT对动脉桥、静脉桥闭塞和通畅的诊断效能相似；而单层CT缺乏足够可供分析的数据。在诊断严重狭窄(除外完全闭塞)方面，已有的数据[8]显示4层CT的灵敏度是74%，16层CT是88%。该综述整体上反映了早期多层CT在桥血管评价上的诊断效能。早期多层CT对桥血管通畅和完全闭塞的检测较为准确，但观察静脉桥血管狭窄以及直径较小的动脉桥的准确性较差。

2005年64层螺旋CT问世，随着64层螺旋CT的普及，其用于CABG术后桥血管评价研究也越来越多[9-15]。64层螺旋CT评价桥血管的灵敏度、特异度、阳性预测价值、阴性预测价值详见表1。64层螺旋CT诊断桥血管闭塞及狭窄(>50%)具有较高的灵敏度、特异度及阴性预测价值。

表1 64层螺旋CT评价桥血管(闭塞和狭窄>50%)的诊断效能Tab.1 64-slice spiral CT in evaluating the diagnostic efficacy of bridging vessels (occlusion and stenosis>50%)

-： this part of the data is missing in the literature；CT:computed tomography;PPV：positive predictive value；NPV：negative predictive value.

Barbero等[16]2016年发表的Meta分析纳入12项应用64层螺旋CT评价桥血管的研究，发表时间介于2006年至2012年，共959例患者。合并数据分析显示：64层螺旋CT诊断桥血管闭塞的灵敏度99%，特异度99%，受试者工作特征(receiver operator characteristic，ROC)曲线下面积0.99；诊断桥血管狭窄(>50%)的灵敏度98%，特异度98%，ROC曲线下面积0.97；年龄和术后随访时间对于诊断准确性无明显影响。结果表明，以CAG为参照标准，64层螺旋CT在CABG术后桥血管的评价中具备较高灵敏度、特异度以及阴性预测价值，作为一种无创的检查方式，可应用于CABG术后桥血管通畅性的评价。

2 影响冠状动脉桥血管CTA图像质量的因素及提高图像质量的关键技术

在降低CT辐射剂量、减少造影剂用量的前提下，如何减少心脏运动伪影的影响，进一步提高图像质量，是影响CTA技术在CABG术后桥血管评价临床应用中的关键，也是目前研究的热点。

2.1 CT图像质量的提高容易受到多种伪影影响

(1) 运动伪影：是最常见的伪影来源，可由患者活动、心脏运动或呼吸运动引起。心脏运动伪影可以通过降低心率和心率变异、减少扫描持续时间、调整数据窗口在心动周期内的位置、执行单心跳扫描、使用多段重建、运动校正算法和心电图编辑等方法来减少。呼吸运动伪影可以通过适当的屏气和缩短扫描持续时间来减少。

心脏运动伪影的产生，与CT设备的时间分辨率有关。时间分辨率是指CT设备采集到可以重建出一层完整图像所需要的时间，一般认为等同于机架转速的1/2，也称为单扇区时间分辨率。理论上，如果单扇区时间分辨率突破100 ms，那么冠状动脉扫描时就无需控制患者心率。

(2)部分容积效应：当具有不同衰减特性的组织包含在相同的成像体素内时，会发生部分体积平均。体素的衰减值为该体素内所有组织的衰减值的加权平均值。因此，小于体素平均值的部分无法在CT图像上显示，即发生部分容积效应。部分容积效应的影响在具有密度显著不同的界面处尤其明显，例如冠状动脉管腔和钙化斑块或支架。

CT设备分辨能力的提高可以有效减少部分容积效应。CT设备的分辨能力主要包括空间分辨率 (spatial resolution) 和密度分辨率 (contrast resolution)。空间分辨率是指在高对比度(密度分辨率大于10%)的情况下，影像中能显示的最小细节；密度分辨率是指能分辨组织之间最小密度差异。空间分辨率与像素大小密切相关，像素越小、数目越多，则空间分辨率越高，图像越清晰；但在X线源总能量不变的情况下，每个像素单位所获得的光子数减少，致使密度分辨率下降。因此具备更高X线源总能量的CT设备，其分辨能力会更佳[17]。

(3)射束硬化伪影：是由X线束的多能特性引起的，在X线穿透组织的过程中，能量较低的X线束被空气、上腔静脉对比剂等提前吸收，形成高密度硬化伪影。可以通过使用X线过滤，应用更高能量的X射线，改变患者位置，修改对比剂团注方式以及应用迭代重建算法来减少。

(4)金属伪影：由于金属自身密度以及与低衰减组织表面形成的金属边界等原因，可导致射束硬化及部分容积效应等多种伪影，可以通过提高空间分辨率、调节窗宽、射线能量平均化等方式减少。

(5)量子斑点或噪声：是由组织穿透力不足引起的，可以通过增加管电流或峰值管电位来改善，重建更厚的层厚，增加旋转时间，使用适当的患者定位以及应用迭代重建算法也会改善图像质量[18]。

另外，最新的研究[19]表明，心排出量和舒张期功能对冠状动脉CTA图像质量有影响，调整冠状动脉CTA扫描方式可以改善已知舒张功能障碍或心输出量降低的患者的图像质量。

2.2 减少伪影，提高CTA图像质量的关键技术

2.2.1 心电门控技术

在CT扫描中，根据同步记录的心电选择对应时相的容积数据进行图像重建，被称为心电门控技术，又分为前瞻性心电门控(prospective electrocardiogram-gate)和回顾性心电门控(retrospective ECG-gate)。

前瞻性心电门控：又称心电触发，是利用心电信号控制CT扫描，通常以R波为标记，检测到R波→触发延迟→延迟时间结束扫描开始→扫描结束移床，如此反复至扫描完成；一般选择心脏运动最慢的舒张中末期。回顾性心电门控：CT设备连续扫描，并同步记录心电信号，扫描完成后，心电信号对应相应心动周期的扫描数据；后期处理时选择R-R间期对应的扫描数据进行图像重建。

前瞻性心电门控为间断式扫描，辐射剂量低，但因其容积数据采集不连续，后期三维重建较为复杂，而且容积覆盖速率慢，总扫描时间长，过程中患者需多次屏气，会导致心率变化，对图像质量有一定影响；该扫描方式下，如丢失心电，扫描将不能完成。回顾性心电门控为连续扫描，能够得到连续数据，后期重建可根据时间窗选择单、多节段重建，实现时间分辨率最优化，而且患者屏气时间短，心率变化小，从而使心脏运动对图像质量的影响降到最小；该扫描方式下，心电丢失不影响扫描，但后期不能重建出对应时相图像，也会导致扫描失败；辐射剂量大。

Lee 等[20]对前瞻性心电门控和回顾性心电门控技术在图像质量、辐射剂量以及诊断准确性方面进行了对比。结果显示以CAG为参考标准，两种扫描方式下64层螺旋CT对桥血管通畅性的诊断准确性差异无统计学意义；两种扫描方式的图像质量差异无统计学意义；前瞻性心电门控组平均有效辐射剂量6.5 mSv，低于回顾性心电门控组21.2 mSv，差异有统计学意义(P<0.01)。

2.2.2 三维重建技术对提高图像质量有着重要影响

主要包括多平面重建(multiplanar reconstruction，MPR)、多层面容积重建(multi-layer volume reconstruction，MRVP)包括最大密度投影(maximal intensity projection, MIP)和最小密度投影(minimum intensity projection, Min-IP)、曲面重建(curved plannar reconstruction，CPR)、容积再现(volume rendering，VR)、表面遮盖显示(surface shaded display，SSD)、仿真内窥镜成像(virtual endoscopy，VE)。在心脏CT检查中应用较多的三维重建技术主要是MPR、MIP、CPR以及VR。MPR属于CT三维重建技术中的基础重建部分，是把横断扫描所得的二维图像以像素为单位，重建为以体素为单位的三维数据，可用于重建任意平面的冠状位、矢状位、斜位的二维图像。MIP是将CT 层厚中最大 CT 值的体素投影到背景平面上，以显示所有或部分强化密度高的血管和/或器官，常用来显示血管的走行。CPR是MPR的一种特殊方式，可将扭曲组织显示在同一平面上，适用于曲面结构器官，如血管、输尿管、颌面骨等。有利于观察管腔结构的腔壁病变(如斑块、狭窄等)。VR通过赋予不同CT值的组织、器官不同的颜色、亮度，重现组织、器官的3D图像，重建后可以多角度立体观察重建器官的解剖结构。但在心血管的VR重建中，不恰当的伪彩设置会将血管外层像素过滤掉，显示的血管狭窄的程度会比真实情况严重[21]。

2.2.3 重建算法对于CT图像质量也有着重要影响

近年来新型重建算法的问世，不仅使CT图像质量有了显著提高，同时CT辐射剂量也大大下降。

自适应迭代重建技术(adaptive statistical iterative reconstruction，ASIR)是基于迭代技术，通过首先建立噪声和所扫描物体的模型，然后进行迭代运算，减少噪声对图像质量的影响，该算法比滤波反投影(filtered back-projection, FBP)下降了约50%的辐射剂量[22]。

基于模型的迭代重建算法(model-based iterative reconstruction algorithm,MBIR)商品名“VEO”是通过建立包括焦点、X线束、体素和探测器的几何形状等多种因素的模型，然后进行重建，因其纳入因素较多，运算量大、运算时间也较长，但其降低图像噪声及提高图像质量效果显著。

ASIR-V：是通用公司推出的结合了ASIR以及VEO两种技术的新一代重建平台，突出了ASIR的实时重建优势，简化了VEO的模型，提高了运算速度。该算法相比于FBP降低了80%的辐射剂量[23]。

Ippolito等[24]采用前瞻性心电门控技术以及第四代迭代重建算法对256层螺旋CT评价桥血管的图像质量及辐射剂量进行了研究。实验组32例患者采用低辐射剂量法(100 kV， 800 mAs,机架旋转时间0.275 s)、前瞻性心电门控以及第四代迭代算法。对照组共42例患者，采用回顾性心电门控技术进行扫描(100 kV， 800 mAs)。结果显示，实验组中位辐射剂量(274 mGy·cm)低于对照组(1 224 mGy·cm)，两组的图像质量及诊断效能差异无统计学意义。

3 冠状动脉桥血管CTA临床应用现状

3.1 双源CT及“双低”成像在桥血管评价中的应用

双源CT安装了两套球管/探测器系统，采集一层图像数据只需要每个球管旋转90°，采集同样数据量所需要的时间约是单源CT的1/2，时间分辨率显著提高。两套X线源具备更高的X线源能量，空间分辨率和密度分辨率也明显提高。

张保朋等[25]应用双源CT对CABG术后桥血管通畅性进行评价。研究显示，以CAG为参考标准，双源CTA 评价桥血管狭窄、闭塞的灵敏度为93.9%，特异度为100.0%，阳性预测值为100.0%，阴性预测值为96.7%，诊断准确性为97.8%，表明双源CT评价桥血管具备较高的诊断效能。

Koplay等[26]应用西门子128排高选双源CT评价桥血管近段、中段和远段的图像质量。结果显示，近段和中段桥血管成像质量较好(P<0.05)，心率较低的患者图像质量较好(P<0.05)。以CAG为参考标准，高选双源CT评价桥血管通畅性的灵敏度、特异度、阳性预测价值、阴性预测价值以及诊断准确性分别为：92.8%、99.3%、92.8%、99.3%和98.8%。另外该研究还显示，高心率及高体质量指数会导致CT有效辐射剂量增加，提示心率是影响桥血管CTA图像质量的关键因素，近段及中段桥位置相对固定，受心率影响较小，故其图像质量较好。

“双低”成像是指联合低管电压、迭代算法和低浓度对比剂的CTA检查方法。该扫描方式可以降低双源CT辐射剂量，减少造影剂用量，进一步提高CT检查的安全性。由于光电效应，在管电压降低时，对比剂的CT值会升高，这使得“双低”扫描方式在理论上可行。

徐磊等[27]对双源CT“双低”成像进行冠状动脉桥血管检查的可行性和有效性进行了研究。共入组38例CABG术后患者，其中20例患者同期进行CAG检查。结果显示76支桥血管(桥血管本身分近段、中段、远段，桥血管与自身冠状动脉吻合口及吻合口以远血管)，共分为387段，可诊断的桥血管段达到99.5%(385/387)。20例造影患者中，CTA诊断桥血管显著狭窄的灵敏度、特异度、阳性预测价值和阴性预测价值分别为100%(4/4)、97.6%(40/41)、80.0%(4/5)和100%(40/40)。结果表明双源CT的“双低”扫描用于评价桥血管是可行的。

杨涛等[28]对双源CT 评价CABG术后桥血管狭窄程度的价值进行了Meta 分析。合并数据显示，双源CT对CABG术后桥血管狭窄的诊断灵敏度、特异度和诊断比值比分别为99%、99%、4984，ROC曲线下面积为99.84%。由此可见，双源CT评价CABG术后桥血管通畅性具有较高的诊断效能。

3.2 新型多排螺旋CT在桥血管评价中的应用

CT的“排”是指CT探测器在Z轴方向的物理排列数目，一般排数越多，总探测器宽度越宽，一次扫描完成的宽度越大。新型多排螺旋CT不仅排数更多，其探测器机架旋转速度也大大提高，从而具备了更高的时间分辨率，在进行心脏扫描时，受心脏运动的影响较前代CT明显减少。

1)东芝320排容积CT具备很高的Z轴时间分辨率。Z轴时间分辨率即X线的Z轴覆盖范围，或称X线准直宽度，可执行单心跳扫描。

晏子旭等[29]对320排容积CT对CABG术后桥血管成像的应用价值进行了评价，对图像质量进行评估。图像质量分3个等级：优，桥血管充盈良好，管壁清晰，无伪影；良，桥血管充盈尚可，管壁略模糊，有轻微伪影，不影响诊断；差，桥血管充盈不佳，管壁模糊不清或有严重伪影，无法满足诊断需要。共纳入55例CABG术后患者，共126支桥血管。结果显示116支桥血管显影，图像质量均为优良(优97支，83.6%；良16支，16.4%)；未显影血管考虑闭塞；另外，还发现动脉桥血管壁钙化，以及部分桥血管近端及远端吻合口狭窄。结果表明320排容积CT用于桥血管及吻合口狭窄诊断具有良好图像质量。但未与CAG进行对比，未对320排容积CT的诊断效能进行评估。

de Graaf等[30]应用320排容积CT同时评价了桥血管、搭桥冠状动脉以及未搭桥冠状动脉，研究结果显示以CAG为参考标准，320排容积CT评价桥血管狭窄(>50%)的灵敏度、特异度、阳性预测价值及阴性预测价值分别为：96%、92%、83%和98%；搭桥冠状动脉和未搭桥冠状动脉的诊断准确性为89%和80%；对于桥血管、搭桥冠状动脉及未搭桥冠状动脉闭塞的诊断准确性为：96%、92%和100%。

320排容积CT虽然相比64排螺旋CT时间分辨率有了很大提高，但在进行桥血管CTA扫描时仍需控制心率。文献[31]报道多数研究控制的心率均数在58～70 r/min，心率超过70 次/min需口服β受体阻滞剂降低心率。

2)256排多层螺旋CT具备宽探测器，Z轴覆盖范围可达16 cm，在空间分辨率、时间分辨率、图像质量等方面有了显著提高，扫描的辐射剂量显著降低。在一个心动周期内即可完成冠状动脉CTA检查，且对心率控制的要求低，消除了以往由于心率不齐或心动过速造成的成像失败甚至无法完成检查等情况。

汪芳等[32]应用256排螺旋CT结合前瞻性心电门控技术对不同心率患者的CT冠状动脉扫描图像质量及可诊断性进行了研究。结果显示，中等心率(70～80 次/min)组右冠状动脉、回旋及冠状动脉节段的图像质量为最低；心率对于图像的可诊断性无显著影响，但随着心率增快、变异性增大，图像质量降低，特别是中等心率(70～80 次/min)为冠状动脉检查的困难心率，其合适的曝光时相落在收缩期或舒张期的概率不等，图像质量良好的概率相对降低。

Zeyneb 等[33]对256排螺旋CT评价桥血管图像质量的影响因素及诊断准确性进行了研究。图像质量评价：优，计1分，无运动伪影、射束硬化、金属伪影或图像噪声；中等，计2分，由血管模糊、射束硬化和/或图像噪声引起的轻度图像质量下降，不影响血管通畅性的诊断；差，计3分，严重的运动伪影、射束硬化、图像噪声等，但仍可判断血管通畅性；不可诊断，计4分，严重的运动伪影、射束硬化、图像噪声等导致无法判断血管通畅性。结果显示心率及桥血管分段对图像的可诊断性无显著影响；近段和中段桥血管的图像质量显著优于远段桥血管；动脉桥的图像质量在低心率组有更优倾向；而静脉桥图像质量与心率无明显关系；以CAG为参考标准，256层螺旋CT评价桥血管的灵敏度、特异度、阳性预测价值和阴性预测价值分别为97.1%、99.6%、94.4%和99.8%。

4 展望

CTA对桥血管的评价，自应用64排CT以来就具备了比较高的诊断效能。新型CT如256排螺旋CT、320排容积CT等在评价桥血管的诊断准确性上与64排CT相比并未有显著提高，但在图像质量以及高心率患者的诊断方面具有明显的优势，并且CT辐射剂量、造影剂用量均较以前显著降低。未来CTA评价桥血管的发展会在保证优良诊断效能、提高图像质量的同时进一步降低CT辐射剂量以及造影剂用量。

新近的研究[34-36]显示，基于CTA的血流储备分数监测(fractional flow reserve，FFR)在中等狭窄的慢性冠心病患者的诊断中已显示出优于传统冠状动脉造影的诊断潜能[34]。虽然短期内无法替代冠状动脉造影，但随着CT空间分辨率和时间分辨率的不断提高、CTA与心肌灌注技术的结合， CTA对冠状动脉病变及桥血管病变的评估将会更加全面和准确。