缺血性心脏病心肌特征的CT扫描研究进展：心肌灌注成像

原创 赵喜同学 XI区

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冠状动脉疾病（CAD）对心肌的血流动力学影响可以通过几种不同的方法来进行。其中一种方法是心肌灌注成像（MPI）。传统上，MPI是由正电子发射断层扫描（PET）或单光子发射计算机断层扫描（SPECT）或最近三维MRI研究。这些方法目前无法对冠状动脉进行解剖评估。结合解剖和功能评估使用计算机断层扫描（CT）是理想的方法，因为它提供了使用一种模式进行完整的CAD评估的可能性。由于最近的技术发展，心肌CT灌注成像（CT-MPI）在功能评估方面具有潜力。有两种主要的CT方法来显示和量化心肌灌注，静态和动态CT-MPI。

如果不采取干预措施，心肌灌注损伤将不可避免地导致心肌损伤。灌注成像主要集中于发现缺血和梗死，而延迟强化成像则特别关注梗死的检测。延迟强化成像主要应用于MRI，这是目前评价心肌梗死（MI）的参考标准。然而，最近的研究表明，使用碘造影剂的CT也可以评估心肌的存活率。

来自荷兰和德国的学者最近发文，回顾心肌缺血和梗死的功能性心脏CT分析的不同选择，并对现有的技术进行综述。今天我们就一块学习一下。

心肌灌注成像

目前有两种主要的CT技术来执行MPI：静态MPI和动态MPI。静态MPI包括一个单一的心电图门控，碘造影增强CT心脏采集。静态CT-MPI可以使用单能量或双能量（SECT或DECT）设置进行。DECT是CT成像领域的一项相对较新的技术发展，具有不同的供应商专用解决方案，允许对碘浓度进行量化。静态CT-MPI成像通过观察单个时间点心肌内造影剂或碘浓度的分布，间接评估心肌灌注。与静态CT-MPI相比，动态CT-MPI可在特定时间段内获取多个图像，从而可视化对比剂的整个流入和流出。这种动态特性使心肌灌注的直接定量成为可能。图1显示了静态和动态CT-MPI之间的区别。

图1 静态（红线）和动态（红点）灌注成像的成像时间点示意图。每一个都捕捉到在主动脉（动脉输入功能）和心肌组织（组织衰减曲线）中测量的造影增强曲线的特定部分。这两种技术都可以在休息或压力下获得。蓝色方框代表休息时冠状动脉CT血管造影成像的最佳时间窗。

目前，PET-MPI是心肌灌注绝对定量的参考标准，SPECT可以进行视觉分析。然而，由于更高的空间分辨率和更低的成本，CT还提供了解剖学CAD评估。由于碘浓度与信号强度（HU值）在不同碘浓度范围内的线性关系，CT能够直接定量心肌灌注。这与MRI-MPI相反，在MRI-MPI中，钆与信号增强之间呈非线性关系，而钆浓度通常用于视觉MPI分析。

技术细节和要求

CT-MPI最重要的要求是合适的CT系统。对于静态CT-MPI，64排探测器CT系统是最低要求。较窄的探测器系统需要多个slab来完全心脏成像，这导致相对较低的时间分辨率，从而增加了整体扫描时间。扫描时间的增加会导致采集过程中心肌对比度增强的改变，从而导致假阳性和假阴性结果。早期DECT系统需要降低心脏采集的时间分辨率。然而，较新的DECT系统解决了这一限制，时间分辨率类似于SECT系统，取决于双能量成像方法。

动态CT-MPI通常使用双源CT（DSCT）和宽探测器CT系统（MDCT）（256-320排）执行。第二代和第三代DSCT扫描仪的特点是具有较高的时间分辨率（75或66ms），其覆盖范围为7.3和10.5厘米。使用穿梭扫描模式，包括交替的检查床来回移动和序列扫描。MDCT系统仅在少量的动态CT-MPI研究中使用，允许在一个机架旋转范围内使用一个球管和宽探测器（256或320排探测器覆盖8和16 cm）实现心脏覆盖。这些MDCT系统的缺点是时间分辨率（140 ms）降低，这可能导致运动伪影的增加和图像质量的整体下降。宽探测器MDCT系统能够在每次心跳时获取图像，获得的图像的增加将增加关于对比度的输入和流出的信息；然而，每增加一张图像都会以增加辐射剂量为代价。图2显示了DSCT穿梭扫描模式和MDCT宽探测器方法之间的区别。

图2 双源CT使用穿梭模式，使用两次采集合并成一幅图像，为第二代和第三代系统获得7.3或10.5 cm的z轴覆盖。宽探测器CT系统使用256或320排探测器，分别达到8或16 cm的z轴范围。这两种方法都允许全心脏成像。

辐射剂量

静态CT-MPI可以在所有CT灌注技术中的最低辐射剂量下进行，类似于CCTA成像，对于联合静息检查，报告的辐射剂量在2到9 mSv之间。动态CT-MPI的辐射剂量相对较高，因为需要进行的采集次数增加，因此有效剂量在5到13 mSv之间。然而，最近使用最新高端CT系统的研究显示，辐射剂量较低（5-9mSv）。动态CT-MPI辐射剂量可以通过应用新的采集技术来降低，这些技术只需要有限数量的最佳时间采集。此外，这些定时采集可用于常规CCTA评估。

将SECT与DECT CT-MPI进行比较表明，使用的辐射剂量相似。关于双源DECT成像的研究表明，与在120kV下获得的截面采集相比，DECT成像与辐射剂量水平的增加无关。基于探测器的DECT系统预计将产生与SECT相似的辐射剂量。然而，这些基于探测器的DECT扫描是在高管电压下进行的，因此，应降低管电流以保持类似的辐射剂量水平。

传统上，通过使用较低的kV水平（100kV而不是120kV）可以减少辐射照射，同时在高端CT系统中保持最佳图像质量。尽管如此，与SECT相比，低kV下的DECT扫描只会略微减少辐射剂量，因为DECT基本上需要低kV和高kV能谱。此外，双源DECT系统提供锡滤过（Sn），用于阻挡高能X线束（100/150 kV）的低能光子，从而改善能谱分离并降低总辐射剂量。

图像协议

检查准备

应指导患者在检查前24小时内不要摄入任何含咖啡因的物质（咖啡、茶、巧克力等），因为咖啡因会干扰负荷药物的效果。尤其是腺苷对咖啡因的竞争作用非常敏感，早期研究表明，瑞加德松受影响较小。

众所周知，限制心率的药物（如β受体阻滞剂）和扩张冠状动脉的药物（如舌下硝酸甘油）会影响心肌灌注；因此，建议仅在必要时使用它们，以达到CCTA成像的诊断图像质量。

CCTA、静息和负荷阶段扫描

传统上，MPI可以通过使用静息和负荷相采集来区分心肌缺血和梗死。缺血灌注缺损只在负荷图像上出现，而梗死缺损在静止和负荷图像上都存在。使用CT，这些功能采集可以与CCTA采集一起进行解剖冠状动脉评估。

对于静态CT-MPI，静止相位采集类似于CCTA，可使用标准CCTA协议进行。对于动态CT-MPI，需要单独采集CCTA。对于动态CT-MPI，使用CCTA、静息和负荷采集将导致高辐射剂量。因此，在一些动态CT-MPI研究中使用了仅负荷法。利用动态CT-MPI的定量能力，仍然可以区分缺血和梗死心肌。

争论的焦点是检查的顺序，最终将取决于哪个评估优先。在有高概率或已知冠心病的患者或有支架或旁路搭桥的患者中，心肌缺血很可能发生，功能评估比解剖评估更重要。在这些情况下，应首先进行负荷CT-MPI成像，消除对比剂污染的影响以及β受体阻滞剂和硝酸甘油对心肌缺血的抑制作用。对于CAD低至中等概率的患者，最好从CCTA（静态CT-MPI的静止期）开始，以避免在没有狭窄的情况下进行不必要的检查。成功的多次采集成像的一个重要因素是在每次检查之间留出足够的时间，以允许造影剂完全流出，以避免造影剂污染，并减少负荷药物对后续采集的影响。图3显示了完整心脏检查协议的示意图，包括CCTA、灌注和延迟增强成像。

图3 心脏成像方案的示意图，包括使用冠状动脉CT血管造影（或静态灌注成像情况下的静息灌注）的解剖学评估和使用静息/负荷CT心肌灌注成像的功能评估。可选的采集可用于使用延迟相成像检测心肌瘢痕形成。

负荷药物

对于负荷CT-MPI，使用药理学应激剂来实现最大充血，最常使用腺苷。然而，腺苷的使用导致不希望的短期副作用，例如支气管收缩。这在患有反应性气道疾病的患者中尤其明显，例如COPD，而这是CAD患者的常见合并症。尽管腺苷的短半衰期允许突然停止给药并迅速消失潜在的有害副作用，但它需要在采集和基于体重的给药期间连续静脉内给药。另一个越来越多使用的负荷药物是瑞加德松。与腺苷相比，它是一种有效的选择性冠状动脉血管扩张剂，起效快，半衰期长。因此，瑞加德松可以作为固定剂量推注给药，无需调整体重。此外，鉴于其选择性，副作用较轻，使其在COPD患者中也适用且安全。尽管如此，一些研究还报道了使用瑞加德松的负面影响，如心律失常发生率较高和救援剂氨茶碱使用增加。总之，负荷获取需要以140μg/min/kg的速率给予腺苷2-5分钟或单次注射0.4mg的瑞加德松。

采集时间

对于静态CT-MPI，扫描时序是一个重要因素。应在对比度增强曲线峰值处的首次通过对比度增强的早期动脉期期间获取图像。峰值的时间可以使用测试团注或团注跟踪技术来估计。根据测量位置（升主动脉或降主动脉）和HU阈值（150或250 HU），最佳时间延迟在2到4 s之间变化。

对于动态CT-MPI，时间采样率成为一个重要因素。一些研究表明，与真实灌注值和PET确定值相比，目前使用的有限时间采样率导致灌注低估。

动态CT-MPI的另一个重要定时因素是图像相对于心脏相位的定时。心肌灌注不是恒定的，而是在收缩期和舒张期之间变化。作为心肌收缩的结果，心肌灌注发生在舒张期并且是最大舒张末期。然而，收缩期成像提供了一些重要的优点。首先，在心脏收缩期间，心脏收缩，导致较小的心脏体积。这对于心脏覆盖范围有限的扫描仪系统是有益的。宽探测器MDCT研究主要在舒张期进行，同时仍然能够以最大探测器宽度捕获整个心脏。其次，收缩期的持续时间与心率无关，对心律失常的敏感性较低，这在负荷期间是有益的。最后，由于左心室体积减小和对比剂量减少，线束硬化伪影减少。

图像分析

定性分析

可以通过目视检查左心室短轴位图像上的对比度衰减来定性分析CT-MPI。为了更好地评估灌注缺陷，可以使用厚层图像，最小密度投影和窄窗宽。标准的AHA-17段模型用于描述灌注缺损。

另外，对于DECT静态CT-MPI，可以创建虚拟单能图像（VMI）。VMI图像提供了能够在多个能量水平重建的优点。低能量重建（例如，低于80keV）将导致对比度衰减的增加超过噪声水平的增加。这些图像可用于评估无法接受正常剂量造影剂的患者或给予的造影剂推注不理想时。高能重建（例如110keV和更高）可用于减少开花伪影或金属伪影，提高分析严重钙化斑块或支架的能力。

动态CT-MPI提供了可视化分析HU值随时间变化的差异的可能性。通常，这表示为基于定量MBF值的颜色编码的灌注图，表示每个像素的MBF值。该方法允许视觉检测血管疾病。图4显示了定性分析的所有选项的概述。

图4 缺血区域的组织衰减曲线（上图）低于心肌的正常区域，导致缺血心肌可见为低衰减区域（红色箭头，下图）。静态CT-MPI图像表示多个keV水平，显示了双能CT通过使用利用双重能量能力的变化keV水平来增强缺血区域的低衰减的可能性。蓝框图像代表传统的单能静态CT-MPI采集。最正确的图像显示基于定量心肌血流数据的短轴的动态CT-MPI颜色编码图（ml/100ml/min）。

半定量分析

尽管尝试使用诸如透壁灌注比等参数对单能获得的静态CT-MPI进行半定量分析，但视觉分析仍然优越。

目前，只有DECT采集才能使用碘浓度图对静态CT-MPI进行半定量分析，见图5。第三代DSCT和第一代双层CT（DLCT）系统用于碘定量的准确性显示非常准确。DSCT系统显示出稍微更精确的测量，特别是使用150Sn/70或150Sn/80kV组合，与DLCT系统相比具有更低的测量误差。快速kV切换系统显示出与DSCT系统类似的高精度。有限数量的碘定量研究表明，2.1至2.5mg/ml碘之间的阈值对于使用应激采集区分患病心肌和正常心肌是最佳的，而在静息时，可以使用1.0mg/ml碘的阈值区分梗塞心肌和缺血心肌。

图5 左图显示灰度DECT CCTA图像，缺血心肌和正常心肌之间的HU值有明显差异。正确的图像代表碘图，显示碘浓度的颜色编码图，再次显示缺血和正常心肌之间碘浓度的明显差异。

定量分析

使用动态CT-MPI的定量分析可以通过直接或间接方法进行。使用upslope method从组织衰减曲线（TAC）和动脉输入功能曲线（AIF）导出间接灌注参数。upslope method采用TAC曲线的最大upslope与最大AIF值之间的比率作为灌注的量度。该方法的主要优点是它相当稳健且计算容易，同时仅需要upslope，从而消除了在TAC峰值之后进行的所有采集，可能减少了辐射剂量。图6显示了基于衰减曲线的upslope method的基本原理。

图6 上图显示了用于计算心肌血流量的upslope模型的示意图。下图显示了定量灌注图，基于使用双室模型的反卷积方法结合所示的upslope方法，产生定量MBF值。与SPECT灌注图像相对应的灌注缺损可视化，显示出与正常心肌相比显着更低的心肌血流量值。

动态CT灌注数据的直接定量分析采用模型依赖的反卷积方法，类似于MRI灌注。对于CT-MPI，有几种模型可供选择。从这些模型中，可以确定心肌血流量（MBF）。CT灌注定量最常用的方法是一种混合方法，其中使用反卷积技术对曲线进行建模，然后使用upslope模型计算MBF。研究表明，不同模型之间的诊断准确率没有差异；但是，绝对值可能存在显著差异，当选择阈值来检测异常时，应考虑到这一点。图6显示了基于混合方法的灌注图示例，与SPECT灌注成像结果进行了比较。

绝对灌注值与相对灌注值

文献报道了检测灌注缺陷的各种绝对值和MBF阈值。这些值的变化可能是由患者群体、CT系统、图像协议和分析程序之间的差异引起的。一种解决方法是使用一种相对的方法来比较病人体内的健康心肌和缺血心肌。然而，使用相对值消除了评估整体灌注缺陷的好处。

一些研究报告说，相对MBF值比绝对MBF值具有更高的诊断准确性。然而，一项研究报告说，心肌血流储备的估计不如以PET灌注作为参考的单个MBF估计值准确。

MBF与MBV

心肌血容量（MBV）分析结合MBF有助于区分缺血和梗死心肌。MBV可以通过使用TAC的峰值增强来推导。在缺血心肌中，小动脉扩张以补偿冠状动脉狭窄引起的血流减少，使心肌中的MBV保持恒定。在梗死心肌中，这种代偿机制不可用，导致MBV降低。

诊断准确性

最大的静态CT-MPI研究（381例患者）是CORE320研究。与SPECT和有创冠状动脉造影相比较，这项研究的准确性为0.93，敏感性和特异性分别为80%和74%。另一项由Cury等人进行的多中心研究（110名患者）调查了静态CT-MPI与SPECT-MPI的准确性，其敏感性和特异性分别为90%和84%，总体准确率为87%。静态CT-MPI的荟萃分析表明，对于使用的各种图像协议和参考标准，平均敏感性和特异性在75-84%和78-95%之间。

总体DECT-MPI研究显示，与各种参考模式相比，具有良好的准确性。敏感性和特异性分别为89%和78%。对DECT-MPI采集的定量分析进行了有限数量的研究。他们表明，需要获取静息来区分缺血和梗死心肌。

对于动态CT-MPI，与静态CT-MPI相似，其平均敏感性和特异性分别在76-100%和74-100%之间。定量分析研究的重点是确定MBF阈值，以区分缺血心肌和正常心肌，其阈值范围在75到136 ml/100 ml/min。

关于心肌灌注的检查流程，参见：。

全文编译自：van Assen, Marly & Vonder, Marleen & Pelgrim, Gert Jan & Doeberitz, P. & Vliegenthart, Rozemarijn. (2020). Computed tomography for myocardial characterization in ischemic heart disease: a state-of-the-art review. European Radiology Experimental. 4. 10.1186/s41747-020-00158-1. 仅供专业人士参考，不用于商业用途。

2020年8月10日

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