心血管疾病光子计数CT技术原理和冠脉评估
心血管疾病光子计数CT技术原理和冠脉评估
心血管疾病是全球范围内的主要健康问题，准确的诊断对于及时治疗至关重要。光子计数CT（PCCT）作为一种新型的能谱成像技术，通过其独特的探测器设计和能量分辨能力，为心血管疾病的诊断提供了新的可能性。本文将详细介绍PCCT的技术原理及其在冠状动脉评估中的具体应用。
计算机断层扫描（CT）是一种强大的诊断成像工具，在检测、表征和监测各种医学状况中发挥关键作用。传统的单能量CT主要用于解剖和形态评估，依赖于对比周围结构的定性评估，并且图像质量与选定的能量水平直接相关。相比之下，能谱CT超越了这些限制：它能够在多个能量水平或波长上获取和分析数据，从而根据材料的独特能量依赖性衰减特性进行区分。能谱信息的材料分解提供了组织成分的详细信息，显著改善了组织的表征能力，大大增强了诊断的精确性和全面性。此外，能谱CT还能精确评估组织中的碘浓度，并通过从增强对比图像中减去碘特异性信息，使解剖结构的可视化更为清晰，进一步提高了解剖图像的质量。双能量CT扫描（DECT）是能谱CT的重要进展，通过获取高和低能量水平的数据集，DECT克服了传统CT的局限性。光子计数CT（PCCT）则是一种全新的能谱成像技术，其光子计数探测器（PCD）通过计数单个光子并直接测量其能量，超越了传统的能量积分探测器，为X射线数据的获取和处理提供了独特的方法。
PCCT技术细节
PCD采用半导体材料构建，例如碲化镉、碲锌镉或硅，具备直接将入射光子转换为电荷的独特能力（见图1）。在探测器内部施加外部电压（通常在800至1000伏之间），在上侧的阴极和下侧的像素化阳极之间形成强电场。当X射线光子与探测器材料相互作用时，产生一个包含电子-空穴对的电荷云。电荷云在电场作用下被推向像素化的阳极电极，导致短脉冲电流。电子脉冲整形电路用于放大和转换感应的电流脉冲为电压脉冲。经过形状化的电脉冲高度与吸收的X射线能量成正比。采用“计数器”机制来量化超过预定能量阈值的脉冲。PCD使用多个能量阈值，并对所有脉冲进行比较分析，将入射光子分类为不同能量组或箱。这个过程使得能够根据它们的能量水平区分X射线光子。在现代PCCT系统中，能量箱或通道通常从2到8个不等。能量箱数量的选择可能取决于PCCT系统的具体设计和应用，对于不同的成像场景和临床目标，最佳数量可能会有所不同。
图 1 直接将 X 射线转换成电信号的光子计数探测器（下图）和传统能量积分探测器（上图）示意图。
PCCT的优势
PCD具备能量分辨能力，相较于传统的EID，带来多项优势。这些优势包括消除电子噪声、改善不同组织间的对比度、纠正由线束硬化引起的伪影，并实现多能量/多参数成像的可能性。
提升图像质量
在提升图像质量方面（噪声、对比度和伪影），PCD与EID有所不同。PCD通常设定能量阈值约在20-25 keV，远高于电子系统的背景噪声水平，因此电子噪声对PCD的计数速率影响不大。PCD的噪声抑制能力显著提升了图像质量，特别是在需要最小辐射暴露或成像大体型患者时，由于增加的衰减，图像清晰度和诊断准确性可能会受到挑战。
PCD对计数的X射线量子应用均匀加权，意味着所有符合最低能量要求的X射线光子在探测器信号贡献方面均等对待。相比之下，EID使用线性加权，较低能光子对整体探测器信号的贡献较小。由于材料区分信息主要集中在较低的X射线能量范围内，PCD-CT技术在成像低X射线衰减材料（如碘）时呈现出增强的对比度和优越的对比噪声比（CNR），特别是在较高的X射线管电压下成像碘时表现尤为显著。此外，PCD还通过为不同能量级的光子分配不同权重的加权方案，优化了特定材料的CNR。
线束硬化伪影是CT成像中常见的伪影之一，由于低能量光子与高能量光子之间的衰减差异引起。PCD通过恒定加权有效地减少线束硬化的影响，使各能量水平上的衰减测量得以正常化。特别是，在采用高能量阈值时，PCD对束硬化效应表现出最佳的抵抗能力。
显著提升的图像质量使得PCCT成为开发新型低剂量成像方案的前景技术。在CT成像中，减少辐射剂量至关重要，因为必须仔细权衡患者暴露于辐射的潜在风险，与高质量诊断图像的必要性相比。多项研究表明，PCCT能够在有效减少辐射剂量的同时，保持高水平的图像质量。
多能谱采集
多能谱采集在能谱CT中扮演了关键角色。物质分解算法根据不同能量水平下X射线的特有衰减特性，将未知组织分解为特定的材料。所收集的能谱信息量与材料或基础的数量相对应，可以通过应用质量或体积守恒约束增加到N + 1，这可能在物质分解过程中引入不准确性。物质分解算法生成特定材料的图像，可以显示和测量CT体积中特定元素的存在，并生成能量选择性图像。预选材料（如碘、脂肪和钙）可以从特定材料图像中减去，生成虚拟平扫（VNC）图像，其图像质量与真实平扫图像相当，可能消除专门的平扫需求，从而减少辐射剂量和扫描时间。另外，碘可以叠加到灰度图像上，生成具有颜色渐变的碘图，突出显示扫描区域内碘的分布和浓度。
能量选择性应用包括虚拟单色图像（VMI），模拟以千电子伏特为单位获取的扫描图像。低keV图像增强碘对比度和病变显著性，尽管会增加噪声。相反，高keV图像显示的对比度较低，但可以减少束硬化伪影。中间能量（60-75 keV）获取的图像提供了平衡的对比度和图像噪声，非常适合评估软组织。
通过在两个能量区域收集数据，EID具有区分成像区域内最多三种材料的能力。然而，双能谱CT容易受到光谱重叠的影响，从而降低物质分解的准确性。相比之下，PCD通过脉冲高度分析能够准确区分≥3种材料，并且能够在能谱CT中实现多能谱而无需考虑光谱重叠。增加能谱CT中能量区段的数量能够获得更优越的物质特定或加权图像，更准确地识别底层组织组成，并为诊断成像开辟新的可能性。
能谱CT中多能量测量的另一个重要好处是根据其独特的K边界能量增加图像的物质分解。这种方法被称为K边界成像，依赖于调整采集能量阈值以捕捉目标材料在K边界处的独特能量转移。K边界成像为使用非碘对比剂（如金、银、铂、铋和镱）提供了机会，并为针对特定细胞或酶的纳米粒子等新型对比剂的开发打开了可能性。这些机会开启了一种全新的CT方法，实现了同时多对比剂成像、功能性和分子成像。多材料成像使得能够准确确定同时给药的不同对比剂的精确分布，或者同时显示具有不同分布特性的各种对比剂。分子成像能够详细揭示细胞和分子在实时内发生的动态相互作用和活动，提供了无法通过传统的诊断成像实现的生物过程的体内表征和测量。
提升的空间分辨率
除了其能谱成像能力外，PCD还提供了比EID更高的空间分辨率。在PCD中，消除了像素间的死区，使得像素尺寸可以减小，而不影响几何效率。像素间距可以精细到等效中心处的0.15至0.225mm。
心血管疾病PCCT临床应用
冠状动脉评估
冠状动脉CT已经成为调查冠状动脉病变的主要诊断工具，被推荐作为首选检查。然而，在存在严重钙化斑块或小型支架时，准确评估冠状动脉管腔以及分析斑块成分仍然存在挑战。
严重钙化的存在可能导致传统成像中的光晕伪影，可能使检查结果无法确定或导致狭窄的过度估计。在这种情况下，PCCT减少光晕伪影的能力被证明特别有益。Koons等人的研究表明，在模拟包含不同大小和形状钙化的冠状动脉中，PCCT相比传统CT显著改善了钙斑的可视化，并清晰显示了通畅的管腔。此外，在一个环形斑块引起血管横截面积显著减少75%的案例中，只有PCCT生成的图像能够分辨出管腔内碘的存在，突显了PCCT在检测可能被传统CT忽视的部分阻塞中的独特能力。Si-Mohamed等人在其14例患者的体内研究中证实，使用PCCT减少光晕伪影有助于改善管腔通透性的评估。Li等人提出了一种创新方法，利用多能量CT图像的物质分解来量化狭窄百分比。模体实验表明，四阈值PCCT方法在减少估计误差方面比DECT和两阈值PCCT更有效，特别是在存在密集钙化的情况下。此外，在四阈值PCCT图像上应用三基物质分解模型，创造了显示钙、碘和水分布的独特图谱，增强了物质识别的特异性，并提供了对成像结构组成的宝贵洞察。
尽管CT是冠状动脉支架植入后患者随访的有用非侵入性成像技术，但由于支架导致的光晕伪影、体积平均和射线硬化的部分影响，准确评估支架管腔以及识别支架内通透性和支架内再狭窄（ISR）仍然具有挑战性。Mannil等人的体外比较研究表明，与使用相同成像参数的传统CT相比，PCCT采集具有多种好处，如改善支架管腔的清晰度、减少噪声、减少光晕伪影以及更好的整体图像质量。此外，多项独立研究证实，与标准分辨率PCCT和传统EID-CT相比，超高分辨率PCCT展示了更优越的冠状动脉支架管腔可视化和减少金属光晕伪影的能力。Feuerlein等人检测了一个复杂的场景，使用具有六个能量阈值的PCCT系统扫描了类似冠状动脉支架内部的低密度钙化斑块，并显示出与装有钆填充血管腔的衰减类似的结果。钆K边界成像使得区分血管内钆基造影剂、钙化斑块和支架材料成为可能，并成功减少了射线硬化伪影。PCCT在减少光晕伪影和准确显示支架及冠状动脉管腔方面的优势也已在体内得到证实。Bratke等人的体外研究证明了PCCT在非侵入性检测ISR方面的好处。传统CT和PCCT均能够识别嵌入对比剂填充血管模体中的冠状动脉支架的软斑样狭窄。然而，使用PCCT可以准确定义七种支架的残余管腔，而传统CT却从未能实现这一点。PCCT的增强功能应该会减少对侵入性冠状动脉造影的需求，特别是在涉及严重钙化冠状动脉和小型支架的情况下。
图2 PCI术后患者的冠状动脉和左心室的PCCT心血管造影。该图显示了一位慢性肺栓塞患者的PCCT心血管造影，采用了3D实影渲染显示（A），中间支(MI)近端支架（图A中的箭头）（B），首过静息灌注图像（带有彩色编码灌注叠加的光子40 keV）（C），以及3D体积渲染与冠状动脉解剖和彩色编码灌注图的叠加（D）。图显示了显著的支架内再狭窄（图B中的箭头），导致静息期首过灌注中的分段灌注延迟/缺损（图C中的箭头）。在图D中显示了再狭窄与灌注缺损之间的对应关系（箭头）。该扫描是在商业全身双源PCCT扫描仪（NAEOTOM Alpha，Siemens Healthineers，德国埃尔朗根）上进行的，层厚为0.2/0.4mm，重建增量为0.1/0.2mm，FOV为140–160mm，在轴位重建图像上的分辨率矩阵为512 × 512/1024 × 1024，使用Bv48-60-72的卷积核，并使用量子迭代重建的最大强度（QIR 4）进行扫描；扫描采用了回顾性心电门控和管电流调制。显示的空间分辨率为0.10/0.20mm。
冠状动脉钙化（CAC）评分
作为评估动脉粥样硬化负担和预测主要心血管结果风险的重要指标，具有一致性和可重复性。Agatston方法、钙体积测定和钙质量评分测定是三种主要的CAC评分量化方法，其中Agatston评分是最常用的。传统CT扫描受部分容积效应影响，因而对小型钙化的识别能力受损，可能导致对CAC负担的低估，同时开花伪影可能导致CAC负担的高估。研究表明，相比传统CT系统，PCCT在检测和表征小型钙化方面具有增强能力。此外，PCCT上的单能重建显示出准确评估CAC的潜力，当QIR强度增加和单能级升高时，CAC评分有所降低。
在使用尸体心脏进行的研究中，PCCT和传统CT的Agatston评分显示出强烈的相关性和一致性，以及良好的扫描间可重复性。UHR PCCT相较于传统CT能够减少钙化开花伪影，并提高CAC量化的准确性，显著降低体积估计的平均绝对百分比误差。此外，PCCT在保持高敏感性的同时，辐射剂量显著降低，这可能为CAC筛查的实施提供了可能性，以便检测潜在的冠状动脉疾病。
PCCT具备固有的能谱能力，能够在没有碘造影信号的情况下进行图像重建，避免了平扫的必要性，从而降低了患者的总辐射剂量负担。Emrich等人评估了一种名为PureCalcium的新虚拟去碘（VNI）重建技术在CAC评分精度中的应用，相比虚拟平扫（VNC）重建和真实平扫（TNC）采集，PureCalcium重建显著提高了CAC评分分类的准确性和CAC量化的精度。根据最近的研究，VNI重建的Agatston分数受心脏运动影响较小，表现出对CAC分数的低估较少。
尽管CAC评分可作为动脉粥样硬化斑块负担的替代指标，但其对于识别易损斑块并不十分实用。易损或高风险斑块通常具有较大的坏死核心、薄的纤维帽（小于65微米）、炎症（主要表现为巨噬细胞浸润）、血管生成、斑块出血、微钙化和决定<75%管腔狭窄的正性重构。因此，综合考虑斑块负担和类型可能有助于改善动脉粥样硬化的成像和风险预测。广义上讲，斑块类型的成像评估可以分为斑块组成的解剖评估和关于疾病活动的分子数据。
传统基于EID的CT结合复杂的分割软件，可以帮助区分冠状动脉斑块的各种成分，基于它们的X射线衰减特性，包括识别钙化斑块、非钙化斑块和混合斑块等。然而，标准CT成像中，非钙化斑块的成分，如纤维和脂肪组织，其密度轮廓通常存在重叠，准确区分它们具有挑战性，而部分容积效应也增加了量化测量的难度。PCCT在这些方面可以应对挑战，通过其较低的噪声和增强的空间分辨率，能够改善对非钙化和富含脂质的冠状动脉斑块的识别能力。
Rotzinger等人的研究比较了PCCT和传统EID-CT在模拟不同患者体型（小、中、大）中的性能。由于其超高分辨率模式，PCCT在所有情境中都能够改善对模拟的非钙化和富含脂质冠状动脉斑块的识别能力。Bouseel等人的研究使用PCCT扫描了尸体冠状动脉中获取的钙化斑块和富含脂质的非钙化斑块，PCCT通过分析光谱衰减和碘造影剂浓度的差异，清晰地识别了正常动脉壁、富含脂质斑块、钙化区域和相邻脂肪组织。Mergen等人的研究确认了从PCCT图像中提取冠状动脉斑块的准确性。Vattay及其同事的研究表明，PCCT导出的VMI对斑块成分的衰减值和相应体积具有重要影响，为不同斑块类型的精确评估提供了技术支持。
通过分子成像技术，可以评估冠状动脉斑块的疾病活动，如炎症和新血管生成。初步的研究已证明，PCCT结合金纳米颗粒的K边界成像技术，在分子和细胞水平提供了重要的生理数据。Cormode等人的研究表明，PCCT能够准确区分用于巨噬细胞的金纳米粒子造影剂、碘造影剂和钙化组织。Si-Mohamed及其同事的研究显示，PCCT在动脉粥样硬化模型中表现出优越的性能，增强了金浓度与巨噬细胞之间的相关性。
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文献原文：Meloni A, Maffei E, Clemente A, De Gori C, Occhipinti M, Positano V, Berti S, La Grutta L, Saba L, Cau R, Bossone E, Mantini C, Cavaliere C, Punzo B, Celi S, Cademartiri F. Spectral Photon-Counting Computed Tomography: Technical Principles and Applications in the Assessment of Cardiovascular Diseases. J Clin Med. 2024 Apr 18;13(8):2359. doi: 10.3390/jcm13082359. 仅供专业人士交流目的，不用于商业用途。
2024年9月6日