能谱CT 在血管成像中的应用进展

辛彦杰，姜慧杰，赵成磊

能谱CT 成像的基本原理是选择合适的基物质对，根据不同物质的吸收系数μ 随X 射线能量变化的曲线（已由物理学家经实验得出）计算得出感兴趣物质在任意单能量X 射线下的CT 值[1]。其可以通过多种技术实现，例如宝石能谱CT（GE Healthcare,Milwaukee,WI）是通过单个球管在高低能级的瞬时切换（＜0.5 ms）实现能谱成像，由于瞬时切换的图像采集几乎是在同一角度进行，理论上可以有效校正线束硬化伪影来降低运动伪影；双源能谱CT（Siemens Healthcare, Erlangen, Germany） 则利用2套球管及探测器系统进行数据采集，因此每个球管的管电流可以自由调节从而获得最佳影像质量，并且在单能扫描模式下双源能谱CT 具有高时间分辨率，可以实现高心率病人的冠状动脉成像；基于能够区分高低能级X 线光子的探测器，双层探测器能谱CT（Philips Healthcare, Best, The Netherlands）可以通过顶层探测器采集低能光子以及底层探测器采集高能光子来实现双能成像，完美实现了高低数据的同时采集，减少了影像的运动伪影，同时一次扫描即可得到传统单能与双能数据[2-3]。相比常规成像，能谱CT 可提供更优质的影像质量和更有价值的临床信息，已广泛应用于临床各个领域。本文重点对能谱CT 在血管成像的常用技术和各部位血管成像应用现状进行介绍。

1 能谱CT 在血管成像中的常用技术

1.1 虚拟单能量影像 常规CT 扫描得到的混合影像是由不同能量X 线组成的，无法显示不同单能级影像的特点及优势，而能谱CT 能够模拟使用范围内任意单一能量的X 线从而生成特定单能量水平的虚拟单能影像（virtual monoenergetic imaging,VMI），例如双层探测器能谱CT 可生成40～200 keV 共161组单能量影像，弥补了常规成像的不足[4]。由于低能量时电子k 壳结合碘的能力最强，因此低能级VMI（＜60 keV）能够显著提高血管对比度，但影像噪声会随能级降低而增高[5]。针对低能级VMI 增大的噪声，可以使用迭代重建技术来有效降噪，同时Grant 等[6]应用来自低能级影像的数据与高能级影像的数据相结合的新算法，在双源能谱CT 上可生成新虚拟单能影像（virtual monoenergetic imaging plus,VMI+），在低能级也可以将噪声控制在较低的水平，同时基于低能级VMI+良好的对比度，已被证实可以显著提高影像质量[7-9]。高能级VMI（＞80 keV）由于组织间对比度降低，可以一定程度减少线束硬化伪影及金属伪影，但由于血管对比度降低且去金属伪影能力有限，对于严重金属伪影，去金属伪影技术（metal artifacts reduction system, MARs）可能是更好的选择。

1.2 斑块成分分析 常规CT 检查仅能通过测量密度评估斑块性质，而能谱成像基于组织在高低能级下衰减值不同，可以提供更详细的组织表征，理论上可以无创分析斑块成分[6]。常用的分析工具包括能谱曲线及有效原子序数图。能谱曲线指通过划定兴趣区，将兴趣区组织在不同keV 水平的衰减值相连所形成的曲线，直观地显示了兴趣区组织在不同单能量水平时的衰减值，由于曲线形状随组织平均衰减特性而变化，有助于斑块成分的分析及评估斑块稳定性[5]，例如在低keV 水平，软组织和高原子序数组织（例如碘、骨骼）衰减值会升高，而脂肪组织衰减值则降低，水衰减值在任何能级水平均为0。有效原子序数图通过将物质衰减值与已知周期性元素的衰减值进行对比，将物质的有效序数确定为衰减值近似的周期性元素的原子序数，以彩色像素直方图的方式展示，结合能谱曲线可以更加准确地评估和鉴别斑块组织成分[10]。

1.3 物质密度影像 同样基于组织在不同能级下的衰减值特性，能谱CT 可将物质在投影空间或图像空间分解为2 个或多个基物质对，从而生成物质密度影像，基物质对可以任意选择，通常由低密度物质（例如水、软组织）和高密度物质（例如钙、碘）组成。基于此原理重建的碘图在血管成像中已经得到了广泛使用，不仅可以提高血管对比度及消除金属伪影，而且由于碘的分布与对比剂首次通过血管的分布一致，碘图提供了一种快速检测实体灌注缺损以及定量评估实体灌注缺损体积的方法[5]。此外还可以通过从数据中选择性减去特定物质来生成特定影像，例如虚拟平扫影像或去钙影像[11]，虚拟平扫影像是通过增强影像选择性去除碘成分获得，可以达到近似常规平扫影像的效果从而减少这部分检查的辐射剂量，但碘浓度过高时，碘成分可能去除不完全，同时一些微小且密度较低的钙化可能会被去除。去钙影像则通过去除影像上的钙成分，为准确评估受骨质及严重钙化斑块影响的血管区域提供了可能。

2 能谱成像对各部位血管成像的应用现状

2.1 头颈部血管 缺血性脑卒中起病较急，是严重威胁老年人生命健康的疾病之一，病理基础为粥样斑块的形成，头颈部CT 血管成像（CT angiography,CTA）检查可准确地检出斑块，评估斑块成分及血管狭窄程度。

VMI 可有效改善头颈部CTA 影像质量。付等[12]研究显示，使用双层探测器能谱CT 重建的60 keV VMI，较混合能量影像不仅没有加大噪声，而且头颈血管的信噪比（signal to noise ratio,SNR）、对比噪声比（contrast to noise ratio,CNR）都有显著提高。另有研究[13]显示，双低扫描条件下，宝石能谱65 keV VMI联合60%自适应统计迭代重建（adaptive statistical iterative reconstruction,ASIR）算法扫描头颈部CTA，影像质量与常规扫描无明显差异，同时有效辐射剂量与对比剂摄入量分别降低了52.76%、36%。Leithner等[8]则对40 例头颈部CTA 受检者的VMI+、VMI 及线性混合影像进行比较，结果显示40 keV VMI+相比65 keV VMI 及线性混合影像有更高的CNR，并且更适合评估颈动脉分支水平血管。

针对术后颅内存在金属的头颈部CTA 受检病人，能谱扫描同样能够提供优质的影像。Zhang 等[14]对20 例接受过弹簧圈栓塞或夹闭治疗动脉瘤后的病人进行研究，结果发现相比于常规VMI，联合使用MARs 的VMI 在不同keV 水平的金属伪影均降低，Dunet 等[15]研究也得出了相似的结论，并确定了65～70 keV 是使用MARs 降低脑动脉金属伪影和保持CNR 的最优能级范围。

在评估斑块及狭窄方面，林等[16]研究发现应用能谱曲线识别头颈血管斑块稳定性的准确度、特异度、敏感度达88.68%、85.71%、78.13%，姬等[17]利用能谱曲线及有效原子序数细化了颈动脉斑块的成分及类型，评估了斑块稳定性及病人发生梗死的概率，可为临床干预治疗提供重要信息。Qu 等[18]应用能谱改良去钙算法去除头颈血管钙化斑块，发现去钙影像在评估颈内动脉狭窄方面与数字减影血管造影无明显差异，同时克服了常规头颈部CTA 由于钙化斑块硬化伪影所致的血管狭窄程度夸大。

2.2 肺动脉 肺动脉栓塞（pulmonary embolism，PE）是第三大最常见的致死心血管疾病，早期的诊断和治疗对于病人预后至关重要，而CT 肺动脉成像（CT pulmonary angiography, CTPA）是诊断PE 的无创性金标准。而能谱技术不仅可以优化CTPA 影像质量及扫描参数，能谱灌注的应用更是提供了一种新的评估PE 危险分层和预后的方法[19]。

有研究[20]表明，在120 kV 条件下强化欠佳的CTPA 影像，重建40～65 keV VMI 可大幅度提高血管对比度及栓子诊断准确性。Murphy 等[7]纳入129例接受能谱CTPA 检查的病人以探究VMI+改善CTPA 质量的应用价值，结果发现40VMI+相比线性混合影像，平均CT 值提升可达到834.8 HU，有效避免了肺动脉强化不佳需重复扫描的情况。

Monti 等[21]研究发现相比常规单能扫描诊断急性PE 的敏感度（83%）和特异度（96%），能谱成像似乎在PE 检出方面并没有优势，但也有研究表明[22]，碘图对于段水平PE 的检出率可能高于常规影像。闫等[23]研究显示，应用能谱碘图成像，对于5-7 级的细小分支栓子有更高的检出率，同时对栓子径线的测量更接近真实值。一项纳入1 144 次CTPA 检查的研究中，对比了碘图和混合影像对PE 的检出能力，结果显示相较混合影像，碘图对段或亚段PE 的检出敏感度略高，额外检出27 例（2.3%），然而段及段以下的孤立栓子是否具有临床意义还有待商榷[24]。

有研究[25]表明能谱肺灌注缺损与评估PE 危险分层与预后的几个临床因素密切相关，可能成为评估PE 病人严重程度的新的成像生物标志物。Perez-Johnston 等[26]提出了以段受累程度为标准的灌注缺损评分，研究发现肺灌注缺损存在与评估PE 病人严重程度的几个临床指标（CT 心室直径比＞1、下腔静脉回流、肌钙蛋白升高、超声心动图显示右心功能障碍）相关，同时灌注缺损评分较高病人死亡率较高。此外，最新开发的软件可以快速自动评估灌注缺损体积，该体积与PE 严重程度密切相关[27]。同时需要注意的是，相比CT 心室直径比这一公认的预后指标，肺灌注缺损在预测PE 死亡方面似乎并没有额外优势[28]，最近一项对比两者在预测急性PE病人30 d 全因死亡的研究中也得到了同样结论[29]。

2.3 冠状动脉 冠状动脉CT 血管成像（coronary CT angiography,CCTA）对冠状动脉疾病诊断有极高的阴性预测值，并可依据斑块特征判断其易损性。最近，CCTA 衍生的血流储备分数和CT 心肌灌注已被证实在评估冠状动脉粥样硬化的血流动力学方面具有价值。而能谱CT 某些方面具备一些潜在优势，例如优化影像质量和管腔狭窄评估，减少辐射剂量，分析斑块成分及评估心肌缺血等。

在接受宝石能谱CCTA 检查的30 例受试者样本中，VMI 联合ASIR 算法有效改善了心肌和冠状动脉的SNR、CNR（70 keV+40% ASIR）和心肌的线束硬化伪影（130 keV+40%ASIR）[30]。另一项研究[9]发现，相比最优VMI（70 keV）和线性混合影像，VMI+在40 keV 重建的CCTA 影像在主客观评价中均有改善。Stehli 等[31]发现针对不同成分斑块，特定能级VMI 能够更准确地评估狭窄程度，如90 keV VMI 适合评估混合斑块，非钙化斑块则适合在140 keV VMI上评估。

CCTA 通常在增强检查前扫描平扫影像用于钙化评分，这关系到病人分层，而能谱虚拟平扫已被建议代替这一步骤，从而降低总辐射剂量。Nadjiri等[32]研究发现由真实平扫和虚拟平扫计算出的钙化评分相关性非常高，虽然斑块体积和密度上存在差异，但虚拟平扫的结果应用比例因子后与真实平扫结果一致性良好。另一项研究[33]得到了相似结论，并且证明应用虚拟平扫影像减低辐射剂量是有效的。虚拟平扫影像的应用目前仍处于初步阶段，虽然具备代替钙化积分平扫的潜力，未来还需要进一步地验证和改进算法以避免斑块体积和密度差异所导致的错误评估。

相比于常规成像通过观察CT 值及某些特定征象来评估斑块性质，能谱成像可以提供更多斑块表征信息。Obaid 等[34]发现相比常规成像，应用能谱指数在区分坏死核心和纤维钙化斑块有更高的敏感度（64%）和特异度（98%）。Mandal 等[10]则利用有效原子序数及电子序数，区分易损斑块和稳定斑块的准确度达87%。最近一项研究[35]将冠状动脉斑块以水、脂质、蛋白质和钙4 种成分量化，实现了斑块成分的准确量化，可为冠状动脉疾病的评估及危险分层提供更有价值的信息。然而对于CT 值重叠的不同斑块，能谱成像目前依然难以准确鉴别，仍需后续研究中更精确的基物质对和keV 值来改善[2]。

碘图和VMI 的应用提升了心肌灌注在评估心脏血流情况的应用价值。Prasad 等[36]评估了能谱CT静息心肌灌注成像的价值，应用碘图作为组织灌注的替代物来检测缺血，以冠状动脉造影为金标准，能谱心肌灌注检测节段性和每支狭窄冠状动脉管腔（≥50%）的敏感度、特异度和准确度分别为81.6%/92.1%、97.8%/96.1%和95.0%/93.7%；以单光子发射体层成像（SPECT）为金标准，能谱心肌灌注检测节段性和区域心肌灌注缺损的敏感度、特异度和 准 确 度 分 别 为70.4%/90.7%、86.4%/66.6%和80.6%/84.7%。能谱静态灌注相比单能静态灌注有更高的准确度，但两者的准确度均低于动态灌注成像，而动态灌注成像的辐射剂量要显著高于两者[11]。此外，有研究[11]表明能谱VMI 可以有效减少心肌灌注成像中的心内膜下硬化伪影。

2.4 主动脉及下肢动脉 CTA 目前已成为主动脉及下肢动脉疾病的首选影像学检查方法，但由于扫描范围过长可能导致血管末端充盈欠佳。此外，其所需对比剂剂量较大增加了对比剂不良反应的发生概率及肾毒性，而VMI 因采用小剂量对比剂也能获得良好影像，故弥补了上述不足。

Johansen 等[37]对比了14 例能谱和常规胸主动脉CTA 影像质量，其中能谱模式下的对比剂剂量是常规条件的50%，发现55 keV VMI 联合80%权重多模型自适应统计迭代重建（adaptive statistical iterative reconstruction-Veo,ASIR-V）与常规成像质量相当。一项纳入104 例腹部动脉CTA 成像研究中，应用常规浓度（300 mg/mL）对比剂进行能谱扫描所得到的50 keV VMI 影像，结果显示腹主动脉及其分支的CT 值、SNR、CNR 及主观评分均优于高浓度（370 mg/mL）对比剂120 kV 常规扫描所得的影像[38]。有研究者[39-40]发现，相比于VMI 及混合影像，40～50 keV VMI+在主动脉CTA 检查中能够进一步优化噪声和提高CNR。

Kristiansen 等[41]比较了能谱半剂量组和传统CT常规剂量组的下肢动脉CTA 成像质量差异，发现能谱组最佳VMI 主客观评估均优于传统CT 组。能谱成像不仅提升了下肢动脉CTA 成像质量，也具备改善评估管腔的潜力。Wang 等[42]发现应用55～60 keV VMI 重建下肢动脉CTA 影像，不仅较混合能量影像各段下肢动脉CT 值及CNR 显著提升，诊断下肢动脉狭窄（≥50%） 的敏感度和特异度分别达到93.18%和95.45%，与金标准数字减影血管造影具有高度一致性。而Zhang 等[43]发现应用90 keV VMI 可以对下肢动脉支架术后病人更准确地评估。

2.5 静脉 静脉成像仍是CT 血管成像中的一项重大挑战，由于对比剂经体循环后被稀释，静脉血管对比度往往难以达到诊断要求。例如下肢静脉或下腔静脉可通过足背直接注入对比剂来进行成像，但这种直接法成像影响因素较多，并且操作复杂，难以广泛应用于临床。能谱低keV VMI 允许在不增加对比剂剂量的条件下有效提高静脉成像的对比度，改善间接法静脉成像的质量。

相关研究表明应用低keV VMI 可以显著提高各部位静脉对比度，如Wang 等[44]研究显示，60 keV VMI 联合40%权重ASIR 组影像门静脉CNR 明显高于120 kV 组，同时影像噪声无差异。另一项研究[45]发现，在降低25%对比剂剂量的情况下，60 keV VMI组门静脉影像CNR 高于混合能量组，且主观评分无差异。Martin 等[46]则评估了VMI+与VMI、线性混合影像在门静脉血栓检出上的差异，结论得出40 keV VMI+CNR 最高，具有最高的敏感度和特异度（96%；96%）。多项研究[47-49]表明，下肢静脉在40 keV VMI上可得到最佳成像效果，除了能够更好地检测深下肢血栓，还适用于下肢静脉曲张或冠状动脉搭桥术前等各类病人的检查，同时在提升细小静脉成像质量方面，VMI 也有出色表现。付等[50]评估了100 例病人能谱扫描后的腹部静脉期影像，对胃结肠静脉干成像的最佳keV 值进行评估，发现40 keV VMI 中的胃结肠静脉干及其分支血管结构显示最为清晰，主、客观评价均取得最大值。Nakayama 等[51]研究还发现在肾上腺静脉取样术前获取40 keV VMI 进行评估，取样手术的成功率高达95%；Wang 等[52]同样认为应用40 keV VMI+在取样术前可取得最佳的肾上腺静脉可视化。

3 小结与展望

与传统成像相比，VMI 的应用可以显著提升影像对比度或降低金属伪影，能谱曲线和有效原子序数图能够提供更准确的斑块表征，碘图直观地展示了组织血流灌注情况。综上，能谱CT 突破了传统单能成像的限制，在血管成像方面有着重要作用，具有更广泛的临床和科研价值。

能谱CT 最新发展成果——光子计数探测CT（photon-counting detector CT，PCD-CT）已经问世，其成像原理为直接利用半导体材料将X 线光子转换成电子-空穴对，通过在半导体两端施加高电压，使电子被阳极接收而产生电子信号。对于给定的X线光子，由阳极上的电荷沉积产生的信号的脉冲高度与光子的能量成正比，当检测到的光子的能级超过与计数器能量阈值时，光子计数则增加，这一过程是由光子计数探测器（photon-counting detector，PCD）的关键组件——专用集成电路完成的，因此来自PCD 的信号携带有关每个单独检测到的光子的能量信息，从而利用被检物体的衰减能量信息重建不同能量段的图像实现能谱成像。已有的实验性研究表明PCD-CT 在诸多方面带来了提升，例如更高的空间分辨率、更低的电子噪声、提高组织结构间的对比度、更有效地降低光束硬化和金属伪影等[53]。相信在不久的将来，PCT-CT 的发展能够为CT 血管成像带来更多可能性。