心脏双能量成像

双能量计算机断层成像（DECT）是一种新兴的成像技术，它包括利用两种不同的X射线谱能量采集两个独立的数据集（参见：CT能量成像五十年（1971-2021）：从双能量到多能量的探索）。

任何特定材料在不同能量水平下都呈现不同的X射线吸收特性。除了传统的单能量CT（SECT）外，DECT还提供了更多的应用，后者主要获得密度和解剖信息。

自首次出现以来，已探索了几种心脏DECT应用，如虚拟单能量图像（VMI）、虚拟平扫（VNC）重建和心肌灌注碘图，这些应用已证明可提高诊断准确性和图像质量，同时减少辐射和造影剂的使用。

尽管DECT的引入可追溯到十多年前，但这项技术的广泛应用仍存在延迟，主要原因是扫描仪可用性差，缺乏广泛的临床验证，以及缺乏预后研究证明其优于传统成像技术。

目前，正在进行多项研究，以进一步提高DECT的图像质量和诊断准确性，从而扩大心脏CT的应用。

DECT的基本原理

由于心脏和呼吸运动，心脏成像一直是一项具有挑战性的技术。在过去三十年中，技术发展，如多排探测器扫描仪、改进的机架旋转时间和采集以及后处理软件的进步，首先解锁了心脏SECT扫描，现在解锁了DECT。DECT成像可以通过不同的技术获得。由于心脏和冠状动脉是快速移动的结构，双源DECT（DS-DECT）和双层探测器DECT是唯一两种能够获得完全同步数据采集的DE技术，与其他策略相比，误配准风险更低。

DECT的一些最关键的成就是最近通过双源CT扫描仪获得的，该扫描仪现在允许管之间更宽的光谱分离，其中一个球管在70kV下工作，另一个在150kV下工作，提供80kV的最大差值范围。

这种改进意味着更准确的双能信息和改进的材料差异。此外，尽管在采集过程中应用了更高的能量，但X射线光谱的锡过滤的引入使得剂量水平得以显著降低（参见：能谱纯化技术的基本原理与临床应用）。然而，应考虑到，通过SECT达到的心脏成像低剂量水平不能通过DECT采集模式获得。此外，DECT技术使得“Flash”采集模式不能实现，因为如前所述，DECT需要两个X射线管以不同的管电压工作，而大螺距模式需要两个X射线管上的相同电压。

正如预期的那样，DECT检查的原始数据量大约是SECT检查的两倍。这些数据允许更多不同的重建，需要进行后期处理和解释，因此技术专家和放射科医生需要进行非常复杂和耗时的工作流程。希望这一工作流程能够不断改进，这要归功于直接在扫描仪或工作站上执行的自动化或半自动化后处理软件，这可能会大大减少分析和解释所需的时间。

最近推出的光子计数CT（PCCT）可以代表DECT时代的游戏规则改变者。与传统的DECT相比，PCCT能够计算X射线光子的总数及其能量分布，从而提高对比噪声比和能量分辨力。这转化为优越的噪声特性，特别是在低剂量扫描中，这在儿科成像或筛查成像中非常有用，例如钙化评分或解剖随访。此外，半导体材料代替闪烁体材料的存在，以及对探测器单元进行细分的选择，可以获得更高空间分辨率的图像（参见： 心血管超高分辨力成像的未来 ）。这可能有助于评估冠状动脉管腔和支架的通畅性，因为钙华和金属伪影（低分辨率部分体积效应的后果）可能导致对狭窄的高估。改进的空间分辨率也有助于更好地描述高危斑块特征，如薄帽纤维粥样斑块或微钙化，提高CCT预测值。PCCT允许“始终可用”的多能量辨别能力，有助于显著减少金属伪影，并对人工瓣膜、支架、ICD或任何其他心脏设备进行正确成像，从而改善对任何围手术期并发症的评估。

应    用

• 虚拟单能量成像（VMI）  

DECT是诊断成像中的一个转折点，其主要应用之一是处理单色重建的可能性，就像它们是使用单能量X射线束获得的一样，因此被称为虚拟单能量成像（VMI）。该应用程序可以通过优化对比噪声比来提高图像质量，并有助于减少伪影、造影剂剂量、患者的辐射剂量和检查时间。

虚拟单能图像通过后处理技术获得，该后处理技术计算所需水平的假想能量（keV）下的图像。几项研究表明，用非常低的keV进行重建，接近碘的K边界（33.2keV），可以改善血管对比度。然而，虽然减少keV的效果会增加图像对比度，但也会导致噪声显著增加，产生的图像无法用于诊断。

VMI+是Grant KL等人提出的一种新的重建算法。具体而言，该算法通过低能量下的高信号和中等能量下的优越噪声特性的区域空间、基于频率的复合来避免在较低计算能量下增加的噪声。他们的方法改进了图像后处理，允许重建达40keV，对比噪声比（CNR）和信噪比都有了显著提高。Zeng等人很好地总结了VMI+协议的应用如何在各个领域带来显著的益处，如肿瘤学、肺栓塞（Pe）、活动性动脉出血和肝脏损伤（参见：DECT单能谱图的临床应用）。然而，一些研究报告了定量和定性图像质量之间的有效匹配，因为很多读者不喜欢50-60 keV的图像，因为低于该keV的噪声过度增加，而对比度的增加并不能证明这一点。

缺乏标准处理算法和VMI的最佳值显然限制了该应用程序的推广，尤其是考虑到影响后处理操作的众多因素。

此外，De Cecco等人还表明，自主窗口调整和重新加工可提高阅片医生的可信度和性能，如噪声优化的VMI+系列中更好的肝脏病变检测率所证明的。一些作者报告了腹部DECT血管造影和DECT肺动脉造影中读者偏好和计算的优化窗口设置的差异。

一般来说，优选使用70keV VMI重建作为胸腹CT血管造影图像的最佳能量水平，而Albrecht等人建议，当发现血管对比度差时，在40keV或50keV下进行额外重建可能会有帮助。

目前，没有大规模的研究表明VMI在心脏或血管成像中具有更高的诊断准确性和有效性。然而，有几篇论文强调了这种应用在该领域的潜力，特别是在评估心肌病和心肌缺血的晚期碘增强，以及检测活动性腹部出血和内漏。此外，最近的研究探索了VMI在冠状动脉钙化（CAC）评分和量化心外膜脂肪组织衰减方面的潜力，以及开发旨在以较低辐射剂量获得更高质量图像的方案，尤其是用于经导管主动脉瓣置换计划。

72岁男性，延迟期碘增强双源DECT图像。在不同的虚拟单色图像值（A-D）下，左室间隔壁和心尖可见心内膜下延迟强化（红色箭头）。

此外，低keV VMI重建可能会增加碘的基线衰减，减少患者所需的造影剂量，正如先前在腹部和胸部血管CT应用中所证明的那样。当静脉造影剂给药令人不安时，如心脏或肾功能衰竭，或静脉通路困难的患者时，此功能似乎非常有用。

回顾性应用VMI（A–D）双源DECT对一例造影剂剂量时机不当的患者进行挽救；低keV重建增加了碘造影剂的衰减，允许更大的对比噪声比。

最近，Oda等人证明，在肾功能不全患者中，50keV VMI可使造影剂剂量减少50%，而不会降低冠状动脉CT血管造影（CCTA）图像质量。

Mangold等人还探讨了VMI重建对冠状动脉支架评估的影响，证明其可将辐射剂量降低至比120 kV SECT低49%。

Rotzinger等人证明，低keV VMI可改善体外血管区域分割。同一组观察到，在体内，低keV VMI可使碘剂量和注射速率降低40%，同时保持诊断图像质量，并改善内腔与脂肪和肌肉之间的CNR。

此外，Huang等人显示，与多色图像相比，50keV VMI可在CCTA中提供同等或改善的冠状动脉图像质量，该CCTA在双层探测器CT扫描中使用一半的造影剂。

此外，阅片医生的专业知识和主观性决定了窗口宽度和水平调整的进一步细化，这是一个重要因素，尤其是在心脏和冠状动脉成像中，通常需要更高的对比度质量。

伪影减少是DECT的另一个关键应用。影响和降低CCTA检查质量的主要伪影是线束硬化和钙晕伪影。VMI重建可以限制两者，尽管方式不同。

在心肌DECT中，线束硬化伪影主要影响左心室前壁和降主动脉。在大多数情况下，低能VMI重建可以解决这个问题，因为线束不能在较高的能级下硬化。

钙沉积的伪影通常会导致冠状动脉明显钙化和弥漫性钙化患者的非诊断性检查，或导致对狭窄程度的高估。同样的问题也适用于先前植入过冠状动脉支架的患者。SECT图像数据集受到支架、ICD或假体等金属设备的阻碍，从而产生线束硬化和光子饥饿伪影。

通过DECT扫描仪获得的高keV VMI可以通过简单地在后处理阶段将单能量水平调整到最佳值来减少这些伪影。最近的研究表明，在使用金属植入物的患者中，减少伪影的最佳单能水平范围为105至120keV。在这些情况下，高keV VMI重建（110 keV及以上）可以限制线束硬化伪影，提高图像质量和诊断。

此外，由于增加keV会降低对比度和整体图像质量，因此在不同keV水平下进行重建并优化研究窗口似乎很有用。因此，Ohta等人显示，与管腔相比，钙化斑块和非钙化斑块及脂肪在70keV时观察到最大对比噪声比，而与脂肪相比，70keV和120keV是非钙化斑的最佳VMI keV值。

• 虚拟平扫成像

DECT可以提供关于材料的选择性信息，因此能够突出显示灌注图中出现的碘信号，或者可以减去摄入量，例如虚拟平扫重建（VNC）。放射科医生可以通过一次采集获得造影前和动脉期的数据，从而使患者暴露在较低剂量的辐射中，而无需真正的平扫。VNC重建有助于区分造影剂和钙化，以及心脏和纵隔结构。使用具有双能量材料分解/抑制的高对比度VNC CT图像对冠状动脉钙化评分也是可行的。值得注意的是，VNC的绝对值通常低于真正的平扫图像。此外，VNC和对比增强的CCTA数据是从具有完美覆盖的单个图像中获取的，没有由于运动伪影而导致错误记录的可能性。这允许对增强进行准确的动态评估。

来自冠状动脉双源DECT血管造影的钙化评分。56岁男性的虚拟平扫（A）和对应的DECT（B）图像，在LAD上的虚拟Agatston得分为73。

• 虚拟去钙算法

材料分解是一个有趣的DECT工具，它将碘、软组织和钙作为冠状动脉分析的参考材料。具体而言，通过材质分解算法，可以高亮显示或减去特定组织。对于冠状动脉疾病，通常使用两对材料：碘钙和钙碘。第一种方法允许提取钙，以便准确评估狭窄；在后者中，钙从血管壁中去除，而碘保持不变，从而在存在钙化斑块的情况下更准确地量化狭窄。该算法通常与高能级冠状动脉的单色评估相结合(≥80keV），以减少钙晕和线束硬化伪影，并提供精确评估。最近的研究还探索了使用PCCT的新型钙去除图像重建算法的应用，并观察到该算法有可能减少严重钙化斑块引起的钙华伪影，改善管腔评估。

虚拟去钙重建可改善严重冠状动脉钙化患者的冠状动脉管腔可视化和诊断信心。然而，需要进一步的研究来评估这项技术是否能够有效地提高诊断准确性。

• 碘灌注图

碘灌注图是DECT最令人兴奋的应用之一。这些图是在典型解剖图像上合并碘选择性重建的结果，随后在工作站上手动强调碘信号。这是基于这样的原理：钆和碘造影剂具有相似的动力学，当心肌坏死发生时，两者都可以通过破裂的细胞膜进入细胞内空间。

冠状动脉双源DECT：（A）由于钙化斑块的存在，左旋冠状动脉显示严重的近端狭窄。（B）碘灌注图描绘了短轴LGE MR序列（C）中对应于心肌瘢痕（箭头）的下外侧壁灌注缺损（箭头），提示坏死。

需要强调的是，DECT灌注评估单个时间点的心肌血容量，而不是使用动态CT灌注技术，该技术允许通过时间对心肌血流量进行多期动态量化（参见：动态心肌灌注CT成像：原理、诊断性能与临床价值）。DECT灌注通常包括静态采集，以可视化“首过灌注”。由于多次采集，动态DECT灌注很少是较高辐射剂量的选择，因为SECT提供了更好的时间分辨率。

负荷CT是灌注成像的另一项重要技术，即使最佳药理学策略仍存在争议。然而，在静息采集前采集负荷图像以避免心肌造影剂污染，似乎是大多数中心的首选。

最近的许多研究表明，与心脏MRI、单光子计算机断层扫描（SPECT）和有创导管血管造影相比，引入碘灌注图可提高心脏CT扫描的诊断准确性。通过确保心肌内碘摄取的量化和心肌细胞外空间的更好定性评估，碘灌注图可以区分缺血和梗死，从而同时提供功能和解剖学信息。

心肌血容量可通过任何心脏DECT的碘图获得。然而，需要进一步的研究来建立心肌梗死和缺血的最佳采集方案。

碘图勾勒出心肌中的碘分布，有利于放射科医生对灌注缺陷进行更好的定性评估，增加了梗死检出率，尤其是与负荷CCTA相比。此外，心肌血供的定量评估可通过评估心肌碘摄取量（mg/mL）获得，与健康或梗死心肌相比，缺血心肌中碘浓度的平均值不同。

因此，通过碘灌注图进行定量和定性评估可能会潜在地提高心肌梗死和负荷性缺血的诊断准确性。

此外，最近的研究表明，碘灌注图可用于预测冠状动脉狭窄的血流动力学意义，最终勾勒出相应区域碘摄取量的减少。此外，灌注图可在检测延迟期增强组织中发挥作用，并最终有助于区分慢性或可逆性心肌缺血。然而，通过第一代DECT扫描仪获得的碘灌注图通常会使患者暴露于高辐射；因此，在这种情况下，先进CT技术的可用性是强制性的。

• 斑块成像和分析

斑块破裂和急性血栓性冠状动脉闭塞通常发生在薄帽纤维粥样瘤上，这是近年来易损斑块成像的主要目标。如所知，CCTA可以识别与易损斑块相关的许多特征，如低衰减、正性重构、点状钙化和餐巾环征（参见：冠状动脉高危斑块的CT诊断）。

由于DECT能够在不同能量下使用X射线，从而影响不同斑块元素（如纤维组织和坏死核心）的衰减值，因此它可以在评估高危斑块方面发挥作用。然而，关于DECT斑块成像的证据很少，而且常常相互矛盾。DECT可以很好地区分钙化斑块和非钙化斑块，与常规CT相比，在其他斑块类型的分类上没有真正的优势。然而，在最近的一项研究中，Obaid等人显示，在两个不同的能量水平（100和140 kV）下使用CCTA可以提高体外识别斑块坏死核心的灵敏度和特异性，而在体内检测坏死核心的诊断准确度仍不理想。

65岁男性患者的冠状动脉双源DECT表现为胸痛。（A）自动生成的右冠状动脉曲面重建显示狭窄度大于75%（绿色星号）。（B）使用单色冠状动脉重建的斑块分析显示在低keV（红色星号：钙化斑块；绿色星号：纤维斑块）下定量值（HU）明显分离。

此外，Tanami等人证明，在低能量环境（80 kV）下，CT分析对体外斑块特征的诊断性能优于区分富含脂质的斑块和纤维化斑块。此外，80 kV设置下CT衰减值除以140 kV设置的比值（Hounsfield比值[HR]，80:140）可以作为斑块分类的实用工具。

然而，需要进一步的研究来探索DECT在揭示非钙化斑块特征方面的潜在作用。在不久的将来，由于其更高的空间分辨率，PCCT可以在帮助勾勒出高风险斑块特征方面发挥关键作用，例如薄壁纤维粥样斑块或微钙化。

• 细胞外体积（ECV）

细胞外体积（ECV）是反应性间质纤维化或瘢痕替代性纤维化的标志物，在多种情况下，包括缺血性和非缺血性表现，ECV可能代表附加值。尽管心脏MRI是这方面的主要成像方式，但随着T1标测在临床实践中越来越多地采用，DECT作为具有良好可比性和准确性的替代技术越来越重要。值得注意的是，DECT的测量仅在碘图上进行，因此可以在错误记录最少的情况下进行准确的ECV定量。

在最近的一项研究中，Wang等人使用3T MRI作为参考标准，评估了DECT技术测定35例心力衰竭患者ECV的可行性和准确性，显示了两种技术之间的良好相关性。

Ohta等人使用单源DECT碘密度图像对23名患者的每个心脏节段的心肌ECV进行了评估，使用MRI T1标测作为参考标准，证明了区域或节段评估的两种方法之间的强相关性。

DECT限制

心脏DECT具有几个优点，提供了新的基本应用，可以提高放射科医生对临床环境的贡献。然而，应该承认一些缺点。首先，DECT扫描仪价格昂贵，大约比同等的SECT高出25%，这是由于制造的复杂硬件增加了成本。此外，这些扫描仪需要特定的复杂软件来充分利用这项技术，从而提高价格。此外，放射科医生和技术人员需要广泛的培训，以充分利用DECT的潜力。

此外，一些限制与多能量CT扫描仪的亚型直接相关。由于其较低的时间分辨率，快速kV切换DECT容易产生运动伪影，尽管这种扫描仪允许基于投影的VMI重建。

最后，两次序列扫描DECT和双光束扫描仪通常提供较高的时间分辨率，但两个能量数据集的误配准率较高。相反，双层探测器CT允许两个能量数据集的完美同时配准，即使它更容易被两层中的一层误配准。

结   论

DECT在心脏成像中的应用有几个优点，主要包括提高图像对比度、生成虚拟单能量图像、减少金属伪影和虚拟去钙图。此外，斑块特征、碘灌注图和评估延迟期碘增强以及量化DECT ECV。因此，DECT代表了一种尖端技术，它正在从根本上改变成像领域，超越了传统的材料密度概念。此外，通过其更高的空间分辨率和CNR，最近引入的PCCT可以代表DECT时代的一个突破性元素，允许新的临床应用，可以提高冠状动脉和支架内管腔的可视性。预计未来将有进一步的研究和技术优势，以加强DECT在临床实践中的应用。

更多干货，关注XI 区！

文献原文：Dell'Aversana S, Ascione R, De Giorgi M, De Lucia DR, Cuocolo R, Boccalatte M, Sibilio G, Napolitano G, Muscogiuri G, Sironi S, Di Costanzo G, Cavaglià E, Imbriaco M, Ponsiglione A. Dual-Energy CT of the Heart: A Review. J Imaging. 2022 Sep 1;8(9):236. doi: 10.3390/jimaging8090236. PMID: 36135402; PMCID: PMC9503750.

仅供专业人士交流目的，不用于商业用途。

打赏