作者：樊荣荣，施晓雷，孙安，望云，范丽，萧毅，海军军医大学第二附属医院放射诊断科

随着人口老龄化问题的凸显及人们饮食结构的改变，心血管疾病的发病率及死亡率呈逐年上升的趋势。心血管疾病的早诊、早治对患者的预后非常重要。CT血管造影(CTA)检查是诊断心血管疾病的主要手段，但基于单层探测器的传统CT采集的是单一CT值图像，对心血管疾病的早期诊断价值有限，且图像对比度差，易受线束硬化伪影、钙化伪影等影响。

双层探测器光谱CT(dual-layer spectral detector CT，SDCT)是一种利用两个探测器采集及分离低能光子和高能光子，生成各种光谱重组数据的新技术，能够弥补传统CT的局限性，提高疾病的诊断准确率，在临床中的应用越来越广泛。本文从SDCT的原理、冠状动脉CTA图像优化、心肌疾病及“黑血”技术的临床应用及进展方面进行综述，并对SDCT的未来进行展望。

1. SDCT的设备特点及常用心血管成像参数

1.1 SDCT的设备特点

SDCT在一套X线球管上施加一个电压，两层探测器分离低能和高能数据：顶层吸收低能光子，底层吸收高能光子；除了常规(多能)图像外，从两个探测器层同时获得的投影数据也可用于生成光谱图像。

用于心血管评估的光谱图像包括虚拟单能量图像(virtual monoenergetic image， VMI)、碘密度图(iodine density， ID)、虚拟平扫(virtualnon-contrast， VNC)图像和有效原子序数(Z Effective)图像。SDCT技术的一个重要特点是，所有患者都可以获得光谱信息，而无需提前设定扫描方案或暴露于额外辐射。图像的视野(FOV)大，可以在全视野下使用，最小旋转时间为0.27 s，具有完整的时间和空间配准。因此可以实现同源、同时、同向的成像模式，对心脏等生理学搏动的结构具有较高的临床应用价值。

1.2 SDCT与其他双能CT的区别

实现双能CT的技术除了上述基于探测器的方式外，还有以下四种基于能量源的方式：

(1)双源技术：两个X线管/探测器系统相隔约90°，分别独立采集高能和低能数据信息，需前瞻性设定扫描方案，且FOV较小，存在交叉散射情况，具有同时、不同源、不同向的特点，需要对扫描图像进行配准；

(2)快速kVp瞬时切换技术：在单一球管的高低双能之间瞬时切换，在“几乎相同”方向完成扫描，能产生几乎完全匹配的双能图像，具有同源、几乎同时、几乎同向的特点，需要对扫描图像进行配准；

(3)快速kVp旋转切换技术：利用宽体探测器在不同电压下完成扫描，连续扫描两次，或在一次螺旋扫描中每圈切换一次电压，两次成像数据空间匹配，在患者不动情况下理想对齐。具有同源、几乎同向、不同时的特点；

(4)滤片分离技术：球管准直器有两个不同的预滤器，由“锡”和“金”组成的滤片交替过滤X线，通过双重能谱纯化技术，获得同源双光谱成像。具有同源、同时、同向的特点，也需要对扫描图像进行配准。

1.3 用于心血管疾病诊断的光谱CT参数

常用的参数包括VMI图像、ID图像、VNC图像和Z Effective图像。VMI图像通过光电效应和康普顿散射的线性组合创建，可以在40～200 keV的能级范围内生成，低能级单能图像有助于增强血管对比度，高能级单能图像有助于减少伪影。

另外根据X线能量的变化，不同物质会呈现不同的X线吸收衰减能力，即每种物质都有其特征性的X线吸收曲线，根据该原理可以获得能谱曲线，能够用于分析冠状动脉斑块成分，如钙化、脂质坏死核和纤维组织等。该方法在颈动脉斑块成分分析中得到验证，Li等对颈动脉剥脱术患者的术前CTA与术后斑块病理进行对照分析，发现脂质成分的光谱衰减曲线呈向上倾斜的曲线，而纤维组织感兴趣区(ROI)的光谱曲线呈向下倾斜的曲线。

光电效应和康普顿散射图像也可用于将体素中的部分组织分离(例如碘和水)，在高能量和低能量下分别具有特定的衰减特性，这种方法可用于生成ID图像，水样组织被抑制而含有碘的像素被保留可生成无水碘图，ID图像和无水碘图均以mg/ml为单位显示碘密度，也可用于碘的定量。

相反，在VNC图像中，碘化像素被虚拟衰减值替换，虚拟衰减值相当于在没有注射对比剂的情况下每个像素中包含的组织的衰减，不含碘的像素保留原始衰减值。Z Effective图像是利用X线的衰减，推算未知元素的原子序数，基于此，若某种化合物或混合物的衰减效果与某种元素相等，则该元素的原子序数被称为该化合物或混合物的有效原子序数，以彩色或灰阶图像显示，可以量化测量Z Effective的数值。

2. 光谱CT在血管显示中的应用

2.1 优化图像对比度

在传统CTA检查中会存在对比剂外渗、患者血管条件差或扫描时相选择不当等情况，导致血管内对比剂浓度较低，图像对比度低，影响疾病诊断。若重新扫描，将产生较多的辐射暴露及对比剂用量。SDCT在低能量下生成VMI的光谱数据可提高图像对比度，避免重复扫描，研究表明低能级VMI图像可以将图像对比度提高到与图像质量较好的常规图像相当的水平。

Huang等发现在冠状动脉CTA检查中采用50 keV单能级重组时，使用半量对比剂即可达到与常规剂量相当或更优的图像质量。Yi等在降低辐射剂量并使对比剂的剂量减少至常规扫描的一半时(3 ml/s， 36 ml碘对比剂)，评估主动脉和冠状动脉在单能级40～60 keV的图像质量，研究发现与常规图像相比，图像质量的客观评价优于传统的120 kVp和100 kVp图像，光谱图像中的噪声更低。这些优势对于肾功能不全或者肾衰竭风险的患者具有重要意义。

2.2 冠状动脉狭窄的评估

冠状动脉CTA是临床上检测冠状动脉狭窄的理想方法，诊断冠状动脉病变的敏感度和阴性预测值均较高，然而，由于钙化斑块会导致钙晕和线束硬化伪影，特别是对冠状动脉严重钙化的患者诊断准确率不高，会导致冠状动脉狭窄存在高估。研究表明，SDCT的VMI图像能够减少上述伪影，使冠状动脉CTA评估冠状动脉狭窄准确率得以提升。

Xu等以数字减影血管造影(DSA)结果为“金标准”，发现在冠状动脉钙化严重的患者中，100 keV的VMI图像对钙化斑块引起的血管腔狭窄的诊断效能最高，诊断准确率达92%，对于高Agatston评分(≥1000)的患者，100 keV的VMI和Z Effective图像可进一步降低假阳性并提高诊断准确率。

近年来，经皮冠状动脉介入术(PCI)已成为冠状动脉粥样硬化性心脏病患者的重要治疗手段，该手术的主要并发症是支架内再狭窄，由于容积效应影响，常规CTA评估支架再狭窄准确率受限，特别是直径<3 mm的支架或厚度较厚的支架。减影技术是显示支架管腔最新的手段，Qin等探讨了SDCT的VNC和VMI图像的减影图像评估支架内狭窄的可行性，研究表明与常规图像相比，50 keV和100 keV的VMI与VNC的减影图像能更好地显示冠状动脉支架管腔，有助于支架内再狭窄的评估，基于100 keV与VNC减影的图像对冠状动脉支架内腔显示最优。Amanuma等报道，冠状动脉CTA减影技术使支架内狭窄的评估能力和直径<3 mm支架诊断的准确率显著提高。

2.3 钙化积分及非钙化斑块成分的评估

冠状动脉钙化积分是冠状动脉钙化斑块的量化指标，是心血管事件的独立危险因素。研究表明SDCT的VNC图像能够评估钙化积分，省去了常规平扫的扫描过程，减少辐射剂量。Gassert等采用SDCT的VNC图像评估的钙化积分与常规CT平扫的钙化积分对比，发现两者的一致性较高(ICC=0.95)，证实了VNC图像能够用来评估冠状动脉钙化积分，省去常规平扫扫描时间，同时使患者的辐射剂量降低。

但VNC重组会低估了斑块密度和斑块体积，导致VNC的钙化积分偏低，导致这一现象的原因目前尚不明确，推测可能是双能量CT扫描模式降低了线束硬化伪影和钙化斑块的晕状伪影，因此测量值略偏低。目前没有厂家能够提供针对SDCT的VNC图像的拥有美国食品与药品管理局(FDA)或欧盟批准的Agatston评分软件，因此VNC图像评估钙化积分需要进一步探索。

存在正性重构、坏死的脂质核心、点状钙化及“餐巾环征”的非钙化斑块，被认为是高危斑块，研究表明该类斑块的存在与心血管事件密切相关。目前，常规CT虽然能够区分钙化/非钙化斑块，但由于常规CT分辨率的不足及血管内对比剂的影响，使其分析非钙化斑块内成分存在较大困难。SDCT具有分离不同组织，提高组织间对比度的能力，因此能够用来分析非钙化斑块的成分。

Nakajima等以血管内超声(IVUS)为“金标准”，比较Z Effective图像与VMI图像区分脂质斑块和纤维斑块成分的准确率，研究表明Z Effective图像评估斑块成分的准确率高于VMI图像，两者的曲线下面积(AUC)分别为0.91、0.79，表明Z Effective图在临床上可用于脂质斑块和纤维斑块的分类。Chen等通过比较高危与非高危斑块在40 keV的VMI图像上的CT值、有效原子序数、能谱曲线斜率，发现三者对高危与非高危斑块的鉴别均有价值，其AUC分别为0.883、0.806和0.807。

3. 光谱CT在心肌疾病中的应用

3.1 提高CT心肌灌注图像质量

CT心肌灌注可以评估血流动力学上显著的冠状动脉缺血，用于识别心肌灌注缺损。然而，常规CT的分辨率通常受到线束硬化伪影的影响，易导致冠状动脉血流的错判。研究表明，在CT衰减图像上叠加碘图或有效碘图能够提升碘分布缺损检测的敏感度，有利于心肌缺血的诊断。Fahmi等的研究表明在增强峰值期相的传统CT上有伪影导致的低密度区，在SDCT的70 keV图像能够得到改善，从而使冠状动脉血流的判定更准确，因此，SDCT成像可以使灌注缺损更加明显，同时也可以使混杂伪影最小化。这方面需要进行临床研究，以确定这是否能减少心肌灌注CT的假阳性结果。

3.2 优化心肌延迟强化的图像质量

在临床上，心肌延迟强化图像能够用来评估心肌纤维化的程度和病变累及的范围，对心肌梗死和非缺血性心肌病具有重要意义。目前，在心脏MRI扫描中，定量评估心肌纤维化及心肌瘢痕程度主要采用心肌初始T1-mapping值、钆对比剂增强后T1-mapping值及细胞外容积(extracellularvolume， ECV)值。

碘对比剂与钆对比剂的药代动力学是相似的，碘对比剂可用于CT心肌延迟成像，是心脏MRI扫描的替代方案，特别是MRI扫描禁忌症的患者。但由于常规CT的软组织分辨率较MRI低，并且存在线束硬化伪影，导致CT心肌延迟成像在临床应用受限。SDCT能够在高能级和低能级下对不同组织具有不同的X线吸收，大大提高了常规CT组织分辨率，且其VMI技术能够有效地校正来自胸壁的线束硬化伪影。

Oda等探讨SDCT在心肌成像的应用，比较了120 kVp的常规成像、50 keV VMI图像和ID图像的对比噪声比(CNR)和图像质量，并以心脏增强MRI评估的ECV为“金标准”，比较心脏增强CT评估ECV的一致性，结果表明碘延迟期重组的图像中，50 keV VMI图像的CNR和图像质量优于常规图像和ID图像，基于碘密度计算的ECV结果与钆对比剂计算的结果具有高度相关性(r2=0.94)。

4. SDCT相关新技术

4.1 SDCT的“黑血”技术

在急性主动脉综合征中，壁内血肿的检测具有困难。由于能谱CT能够创建VNC图像，被提出用于改善壁内血肿的检测。然而，在VNC图像上，主动脉腔和血管壁之间的对比度仍然较低，因此难以检测到血管壁的细微增厚。

磁共振血管成像(MRA)技术通过抑制主动脉管腔内血液的信号，从而促进主动脉壁的显示，提供了获得“黑血”图像的可能性，但MRI扫描耗时较长，在紧急情况下不推荐使用。基于相似的原理，SDCT技术团队通过光谱CT图像中改进的成对材料分解或减影技术抑制主动脉腔内血液的密度，进而得到类似磁共振“黑血”的图像，提高了血管壁的显示。Rotzinger 等研究了“黑血”技术在血管CTA中的应用，研究表明光谱CT“黑血”技术可显著提升瓣膜、血管壁的可视性，更利于瓣膜病及血管壁病变的确诊。

4.2 SDCT与深度学习技术结合

目前，SDCT与深度学习技术结合主要应用于两方面，一是心脏分割，二是VNC钙化积分。左右心室大小和结构可用于预测心源性猝死或卒中的风险，右心房容积是预测右心收缩功能障碍的独立风险因素，在CT检查中进行心脏分割具有临床价值，但常规CT分辨率低，难以精确评估。光谱CT能够提高组织分辨率，研究表明SDCT的VMI图像结合深度学习卷积网络模型，可以提高心肌分割的准确率。

采用SDCT的VNC图像能够评估冠状动脉钙化积分，与常规CT平扫评估的钙化积分一致性较高。Mu等探讨深度学习算法评估VNC钙化积分的准确性，该研究纳入365例光谱CCTA图像，从VNC图像得到钙化积分，在不同厂家、不同类型的机器中的图像作为测试集，结果表明该深度学习算法适用于所有常规冠状动脉CTA图像。

来源：樊荣荣,施晓雷,孙安,等.双层探测器光谱CT在心血管疾病中的应用与研究进展[J].临床放射学杂志,2024,43(09):1621-1624.

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