碲锌镉心脏专用SPECT的特性及其临床应用进展

陈瑶，刘小吉，蔡敏，李思进

1.山西医科大学 a.医学影像学院；b.法医学院，山西 太原 030001；2.山西省人民医院/山西医科大学第五临床医学院核医学科，山西 太原 030012；3.山西医科大学第一医院 核医学科，山西 太原 030001

引言

传统单光子发射计算机断层成像（Singlephoton Emission Computed Tomography，SPECT）存在能量分辨率、空间分辨率较低、显像剂剂量较大、显像时间较长、对微小病灶探测能力有限以及无法对心肌血流定量检测等不足。自心脏专用碲锌镉（Cadmium-Zinc-Telluride，CZT）-SPECT 出现以来，越来越多的研究不断探索和积累其临床应用情况，例如，心肌血流测定、心功能评估、转甲状腺素心肌淀粉样变（Amyloid Transthyretin-Related Cardiac Amyloidosis，ATTR-CA）的诊断助益以及双核素显像、神经受体显像等，但同时CZT-SPECT存在采集视野小、衰减伪影、设备价格昂贵等缺点[1]。本文旨在总结CZT-SPECT 性能及其在心脏疾病诊断中的应用，以期在未来的研究和实践中可继续优化各项测量方案，为后续CZT-SPECT 在核医学实际工作中的应用及发展提供参考和启发。

1 CZT-SPECT概述

1.1 CZT-SPECT的设备特性

CZT 是一种直接转换的半导体材料，其探测原理与传统NaI 晶体不同，取消了传统晶体和光电倍增管，将γ 射线直接转化为电信号，相比于NaI 晶体具有更加优异的线性阻截性能。CZT-SPECT 缩小了探测器的体积，探头可设计成围绕身体轮廓的任意形状，心脏扫描时可提高定位准确度与患者摆位的舒适度。CZT-SPECT 目前有两种商用型号：D-SPECT（Spectrum Dynamics，以色列）、Discovery 530c/570c（GE Healthcare，美国）[2-3]。

1.2 能量分辨率与空间分辨率

由于优异的能量分辨率，CZT 探测器大约可以探测到30000 个电子-空穴对，远远高于传统NaI 探测器。CZT 的能量分辨率能够达到6.3%，而传统NaI 晶体探测器只能达到10%左右，CZT-SPECT 的计数敏感度是传统SPECT 的8 倍[2]。CZT-SPECT 成像时散射光子显著减少，且空间分辨率不受核素能量的影响，恒定为2.46 mm；准直器敏感度高，有序子集期望最大化（Ordered Subsets Expectation Maximization，OSEM）的迭代算法可减少图像噪声[4]。此外，CZT 优异的能量分辨率在行双核素显像时可区分不同能峰的核素，尤其是能峰相近的核素，如99mTc、123I。

1.3 数据处理

有研究表明，OSEM 算法在35 次迭代范围内时，迭代次数对于绝对定量及对微小病灶的分辨能力有较大影响，子集数对绝对定量的影响不明显[5]。D-SPECT 专有频谱动力学算法，使用心脏滤波器，将心脏形状模型融入重建过程，相比于OSEM 算法进一步提高了空间分辨率[6]。移动校正可以在一定程度上减少心脏“爬升效应”，物理校正能提高数据-模型的一致性，降低左心室血池的溢出效应，提高CZT-SPECT 用于心肌血流绝对定量的准确度[7-8]。

1.4 显像剂剂量和显像时长

随着CZT-SPECT 探测器计数率的大幅提高，检查时可以显著减少显像剂剂量，缩短检查时间。以心肌灌注显像（Myocardial Perfusion Imaging，MPI）为例，当采集时间为15 min 时，显像剂剂量可较传统的标准剂量降低80%[9]；当根据体重指数计算采集时间时，平均剂量可低至133.94 MBq[10]。以2.5 MBq/Kg 的标准给予显像剂时，静息MPI 时间可缩短为5 min，负荷MPI 时间可缩短为8 min[11]；当采用传统标准剂量注射显像剂时，静息和负荷MPI 的采集时间则分别可缩短为2 min 和3 min[12]。以上优势可在很大程度上减少患者所受的辐射剂量，减少运动伪影产生的风险，提高临床工作效率以及患者在检查过程中的舒适度。

1.5 病灶检出率

探测晶体的电阻率越高，信号噪声就越小，检查结果的对比噪声比（Contrast to Noise Ratio，CNR）就越高，越有利于发现微小病灶。CNR 是两种组织信号强度差值与背景噪声的标准差之比，是衡量病灶探测能力非常重要的参数。CNR 越高，对于提高病灶的检出率越有益。CZT 晶体的电阻率可达1011/(Ω·cm)，CZT-SPECT 的CNR 较传统SPECT 高2～6 倍[13]，因此，病灶检出率较传统SPECT 更具优势。

2 CZT-SPECT的临床应用

2.1 冠心病诊断及预后价值

目前，核素MPI 无创性诊断冠心病（Coronary Artery Disease，CAD）的价值已得到相关领域的认可[14]。以冠状动脉造影（Coronary Angiography，CAG）为“金标准”，CZT-SPECT 对CAD 的诊断具有较高的敏感度、特异性及准确度[15]。由于CZT-SPECT 的高敏感度和空间分辨率，在减少显像剂剂量、缩短检查时间的条件下，图像质量更好，诊断准确度更高。相对于传统SPECT，CZT-SPECT 评价CAD 患者心肌缺血严重程度的敏感度更高，其中负荷总积分显著高于传统SPECT[（10.1±4.4）vs.（6.4±2.9），P=0.002]；另外，对于易受组织衰减影响区域（如右冠状动脉、左回旋支供血区）的缺血情况，CZT-SPECT 的诊断准确度更高[16]。Panjer 等[17]研究也得出同样结论，即CZTSPECT 诊断CAD 的效能高于传统SPECT，且其分辨率、对比度和图像质量均高于传统SPECT。

CZT-SPECT 对CAD 患者的预后评估亦有重要价值。据报道[18]，CZT-SPECT 负荷MPI 正常者的年不良心脏事件发生率为1.5%，其中严重心脏事件（心肌梗死/心源性猝死）发生率为0.28%；传统SPECT 负荷MPI 正常者的年不良心脏事件发生率为2.0%，严重心脏事件发生率为0.45%。Nakazato 等[19]研究显示，CZT-SPECT MPI总体灌注不足率（Total Perfusion Deficit，TPD）＞10%是CAD 患者死亡的独立预测因子，其风险比为3.03；而心脏事件发生风险也与CZT-SPECT 缺血程度显著相关[20]。对于肥胖患者而言，CZT-SPECT 可以解决患者体内光子数随着体重增加而减少的问题，同时可以与俯卧位或仰俯卧位结合显像以减少膈肌对左室下壁的衰减[21]。

2.2 心肌血流测定

CZT-SPECT MPI 最大的优势在于可以测定心肌血流量（Myocardial Blood Flow，MBF）和心肌血流储备（Myocardial Flow Reserve，MFR），实现心肌血流的绝对定量分析，在诊断3 支血管病变及微血管病变方面具有重要作用[22]。研究证实CZT-SPECT MPI 测得的MBF、MFR 与血流储备分数呈正相关[23]，与心肌TPD 呈负相关，其中MFR 是CAD 的独立预测因子，可显著提高MPI 对于CAD 诊断的敏感度和准确度[24]。CZT-SPECT 提供的MBF、MFR 与15O-H2O PET 的测量数值存在显著相关性：MBF（静息：0.95 mL/min/gvs.1.05 mL/min/g，P=0.07 ；负荷：2.62 mL/min/gvs.2.68 mL/min/g，P=0.17），MBF（r=0.91，P＜0.001），MFR（2.65vs.2.75，P=0.86），MFR（r=0.81，P＜0.001）[25]。

CZT-SPECT 的定量血流测定也有助于提高对高危CAD 患者的诊断效能[26]。CZT-SPECT 测定MFR 可以为CAG 阴性的胸痛患者提供新的无创影像学检测方法，对冠状动脉微血管功能障碍进行诊断和评估[27]。

此外，目前鲜有研究利用MPI 评价右心室MBF。国内学者王歆惠[28]创立了CZT-SPECT 测定肺动脉高压患者右心室MBF 的方法，证实右心室MBF 与平均肺动脉压、肺血管阻力均呈正相关。CZT-SPECT 定量检测MBF 具有重要的诊断和预后价值，这将是其未来主要的探索方向之一。

2.3 心功能评估

心脏磁共振（Cardiac MR，CMR）是评估心脏结构与功能的“金标准”，同时门控MPI 也可评价左室收缩与舒张功能。有研究显示，CZT-SPECT MPI 与CMR检测左室舒张末期容积（Left Ventricular End Diastolic Volume，LVEDV）、左室收缩末期容积（Left Ventricular End Systolic Volume，LVESV）、左室射血分数（Left Ventricular Ejection Fraction，LVEF）的相关性较高（r2分别为0.77，0.88，0.93）[29]。Gimelli 等[30]研究显示，冠状动脉粥样硬化患者CZT-SPECT 负荷MPI 的高峰充盈率（Peak Filling Rate，PFR）受损程度高于冠脉正常者（2.9±0.8vs.2.5±0.9，P=0.004），提示心肌血流灌注和左室舒张功能可以联合诊断早期CAD。有学者通过CZT-SPECT 分析指出，对于LVEF 正常而左室舒张功能受损的CAD 患者，PFR 减低是其远期发生心力衰竭的危险因素[31]。

平衡放射性核素核血管造影（Equilibrium Radionuclide Nuclear Angiography，ERNA）可以无创性评价左右心室容积及心功能参数。CZT-SPECT ERNA 因测量结果的低变异性，已成为评估左右心室功能的新模式[32]。Chen 等[33]比较CZT-SPECT ERNA 断层显像与传统SPECT 平面显像的结果，两者的LVEDV、LVESV及LVEF 相关性较好（r分别为0.86，0.87，0.93；P值均＜0.001），右室舒张末期容积（Right Ventricular End Diastolic Volume，RVEDV）、右室收缩末期容积（Right Ventricular End Systolic Volume，RVESV）相关性略差，但在合理范围内（r分别为0.39，0.61；P值均＜0.05）；两者右室射血分数（Right Ventricular Ejection Fraction，RVEF）存在一些边缘性差异，但整体相关性较好（r=0.76，P＜0.001）。一项研究[34]通过CZT-SPECT ERNA 评估右心室功能显示RVEDV、RVESV 和RVEF 与CMR测量值一致性较高（r分别为0.93，0.96，0.81；P值均＜0.001），且测量重复性较高；除了心室容积和射血分数外，该高重复性还扩展到其他变量，如左右心室的峰值排空率、峰值充盈率等[35]。CZT-SPECT ERNA 已成为一种可以替代CMR 的准确、可重复的右心功能评估方法。

2.4 双核素显像

CZT 晶体能量分辨率高，可实现同时采集不同能量的放射性核素，成像时间短，避免采集过程中患者运动引起的伪影，可提供可靠的图像配准，提高诊断的准确度[36]。双核素显像（如99mTc/201Tl、99mTc/123I 以及201Tl/123I 等），对于急性心肌梗死后的心肌损伤、左心室功能障碍、心力衰竭及室性心律失常的评估各有一定价值。但由于201Tl 目前已较少用于临床，本文重点关注99mTc/123I 双核素显像。

Yamada 等[37]对急性心肌梗死后行经皮冠脉介入治疗的患者行CZT-SPECT99mTc-替曲膦（99mTc-tetrofosmin，99mTc-TF）/123I-β-甲基-碘苯基十五烷酸双核素显像，在采集时间缩短的同时，其对血流灌注、脂肪酸代谢、心功能的检测亦与单核素显像具有高度一致性。此外，99mTc-甲氧基异丁基异腈（99mTc-methoxyisobutylisonitrile，99mTc-MIBI）/123I-间碘苄胍（123I-metaiodobenzylguanidine，123I-MIBG）双核素显像可以提高心肌损伤的诊断率，两种核素显像结果“不匹配”是左心室功能异常、恶性心律失常等不良事件的独立预测因子；99mTc-MIBI 显像还可以辅助123I-MIBG 显像为严重心率衰竭、心律失常等患者提供准确的心脏定位[38]。

2.5 123I-MIBG心脏交感神经受体显像

心脏自主神经活动异常是心力衰竭、缺血性心肌病等心血管疾病的重要发病机制，心脏摄取123I-MIBG 的情况可反映心肌交感神经分布情况，是心力衰竭独立的预后因素[39]。有报道指出，心力衰竭患者在123I-MIBG传统平面显像的心脏-纵隔比（Heart to Mediastinum Ratio，HMR）＞1.6 时，心力衰竭进展、室性心律失常以及心源性猝死的风险显著增高，而123I-MIBG CZTSPECT 显像HMR 数值与传统平面显像高度一致[40]。BLAIRE[41]等比较传统SPECT 和CZT-SPECT 心脏和纵隔的每分钟放射性计数，结果显示两种方法的心脏和纵隔计数相关性非常好，且CZT-SPECT 的计数和图像对比度高于传统SPECT，这更有利于HMR 的测量，为心力衰竭患者的预后提供更大价值。

99mTc-TF、99mTc-MIBI 和123I-MIBG 双核素CZTSPECT 显像可以显示血流灌注和神经分布不匹配，也可以进行心室收缩的同步性评价[42]。Gimelli 等[43]通过CZT-SPECT 行99mTc-TF/123I-MIBG 显像评估心肌血流灌注、心脏交感神经支配与心功能之间的关系，显示早期123I-MIBG 缺损总评分即可确定心肌缺血和心功能受损严重的患者，且该指标是心肌交感神经受损的独立预测因子。值得注意的是，行CZT-SPECT123I-MIBG/99mTc 显像时，HMR 指标需要增加大样本的研究进一步实现标准化。

2.6 对ATTR-CA的诊断助益

99mTc-焦磷酸盐（99mTc-pyrophosphate，99mTc-PYP）显像可于早期高效诊断ATTR-CA。心肌99mTc-PYP 异常摄取是淀粉样蛋白心脏受累的首发表现，可先于超声心动图、心脏生物标志物或临床症状出现[44]。研究证明，CZT-SPECT 与传统平面成像在诊断ATTRCA 方面均具有较高的敏感度和特异性[45]，二者高达100%[46]。2021 年，Dorbala 等[47]首次通过CZTSPECT 对ATTR-CA 患者心肌99mTc-PYP 最大标准摄取值（Standard Uptake Value，SUVmax）、平均标准摄取值（SUVmean）、心脏淀粉样蛋白活性{SUVmean×感兴趣区（Region of Interest，ROI）体积}以及注射剂量百分比（ROI 内99mTc-PYP 绝对浓度×ROI 体积/注射剂量）等指标进行测量，发现以上指标与传统标志物中强度相关，且SUVmax、心脏淀粉样蛋白活性、注射剂量百分比具有高度可重复性。另外，Bellevre 等[48]研究显示，CZT-SPECT 利用骨显像剂99mTc-羟基亚甲基二磷酸盐SUVmax也可评估ATTR 患者心肌的绝对摄取。

3 总结与展望

与传统SPECT 相比，CZT-SPECT 的衰减伪影从下外侧壁逆时针偏移到侧壁，因此读片医生必须了解两种设备探测器衰减模式的差异，避免产生假阳性或假阴性结果[49]。对于心脏增大和体质指数＞40 kg/m2的肥胖患者而言，CZT-SPECT 可能会因心脏位置失焦而出现左心室截断伪影[50]。另外，如何更加准确测定MBF也是目前需要解决的问题[7]。CZT-SPECT 测得的MBF值常低于PET，无衰减校正可能是其原因之一。除Discovery NM/CT570c 外，大多数心脏专用CZT-SPECT尚未配备CT，目前所有带衰减校正的CZT-SPECT 均通过Alcyone 技术进行[3]。因此优化衰减校正是必要的，其有助于减少周围组织、器官对于心肌摄取显像剂真实分布情况的影响，排除伪影，提高图像质量及诊断率。

CZT-SPECT 改善了传统SPECT 探测器敏感度低、分辨率有限、显像剂剂量大、成像时间长、对微小病灶识别相对困难等缺点，在一定程度上拓展了核素心肌显像的临床应用范围。随着CZT 晶体研发和制备工艺的不断提升，未来CZT 探测器有望拓展到高能显像及PET 显像领域，从而进一步开拓CZT-SPECT 的应用范围，期待其为核心脏病学的发展带来新的机遇和更高的临床价值。