CT血管造影最新进展（上）

原创 赵喜同学 XI区

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计算机断层血管造影（CTA）由于其精度高、可用性高和周转时间快速，已成为血管疾病成像的主流手段。高质量的CTA图像现在可以常规地获得高各向同性的空间分辨率和时间分辨率。CTA的进展集中在改善图像质量，提高采集速度，消除伪影，减少辐射和碘造影剂的剂量。双能CT提供了材料组成分辨能力，可用于描述病变特征、优化对比度、减少伪影和减少辐射剂量。深度学习技术可用于分类、分割、量化和图像增强。

最近，来自梅奥诊所的学者对CTA的最新进展进行了综述，我们一块学习一下。

扫描技术

多排CT扫描仪现在是血管成像的常态，目前的CT扫描仪探测器排数范围从4到320排。宽阵列或容积CT扫描仪具有高达16厘米的大z轴覆盖范围。整个心脏可以以1个 R-R间期成像，从而最大程度地减少心律不齐引起的运动伪影。可以在几秒钟内扫描全身，从而可以最小化运动伪影。由于仅需要短时间的对比度，因此总对比度体积也减少。这些扫描仪的辐射剂量也较低。通过使用心电（ECG）门控，也可以在同一研究中获得冠状动脉的无运动图像。一项关于320排容积CT扫描仪的研究使用了无药物的前瞻性心电图触发（HR≥70次/分[bpm]时R-R间期为40%-50%，HR<70bpm时R-R间期为70%-80%）以获得较低辐射剂量的主动脉根部，主动脉瓣和冠状动脉的无运动图像。

炫速大螺距模式（Flash模式）是最新一代双源扫描仪可用的几种采集模式之一。所有这些模式都可以在有或没有ECG门控的情况下使用。两个x射线管都可以以相同的能量操作，通过ECG门控可以实现高达66ms的时间分辨率，从而可以生成主动脉根部和冠状动脉的无运动图像。或者，x射线管可以在不同的能量水平下操作（稍后讨论），提供双能量信息。使用大螺距模式，由于来自另一个x射线管的数据填充了数据间隙，因此可以以高达3.4的螺距扫描患者而没有伪影。

由于超快速采集，整个主动脉可以在2秒内扫描（图1）。这种快速扫描引起的运动伪影的消除对于不能遵守屏气指示的患者是有益的，特别是在急诊室和住院患者中设置快速扫描消除了儿科需要镇静/麻醉的需求。多重血管联合，如主动脉和冠状动脉或心脏，头部和颈部可以在1次采集中快速扫描，节省辐射和对比剂量。

图1 在双源CT扫描仪中获取的无门控大螺距螺旋CTA扫描（Flash模式）的三维（3D）容积重建主动脉。扫描在不到2秒钟内完成。

这些扫描的图像质量高于传统的CTA，运动伪影较少，血管衰减相似。Flash模式可以在没有ECG门控或有ECG门控触发的情况下执行。这两种模式的质量已被证明是可比的。即使没有ECG门控，也可以获得主动脉根部无运动图像。

ECG门控的添加并没有显着减少儿童的运动伪影。也可以使用Flash模式获得诸如心脏和肺动脉的相邻结构的无运动图像。如果心率和变异性低（HR<63 bpm；变异性<1.2 bpm），也可以在同一研究中获得冠状动脉的无运动图像（图2）。

图2 （A）无心电门控的双源CT扫描仪的大螺距模式获得的胸主动脉三维容积再现重建。（B）同一病人的最大强度投影（MIP）重建显示了良好的冠状动脉显示（箭头）。

由于重叠投影数据减少，Flash模式下的辐射剂量较低。对于全主动脉成像，辐射剂量比传统CTA低50%至72%。这种模式下对比剂的剂量也较低，因为只有在很短的扫描时间内需要动脉对比度。大螺距模式以及70 kV管电压和迭代重建可以在120 kV扫描的相同图像质量下实现81%的辐射剂量节省和33%的对比剂剂量节省。使用具有51%对比剂量和38%辐射剂量减少的大螺距模式获得了高质量的肾动脉图像。胸部，腹部和骨盆的经导管主动脉瓣置换术（TAVR）CTA仅使用20 ml对比剂进行。

较高的图像噪声是大螺距模式的挑战，因为存在较少的冗余投影值。即使具有较高的噪声，如果实现良好的对比度，则主观图像质量与标准螺距模式相当。一项研究显示腹主动脉的图像质量比胸主动脉差，而其他研究显示即使腹主动脉也有良好的质量。

噪声对于病态肥胖的个人和低电压技术的应用是一个重大的挑战，因为球管饱和（tube saturation）。噪声可以通过使用迭代重建技术来减少。ECG门控Flash模式采集需要缓慢（<70 bpm）和稳定的心率，因为使用前瞻性ECG技术从单个心动周期收集数据，因此不能提供功能信息。在某些情况下，由于采集较快，对比剂推注可能会调整。

低管电压CT

血管CT通常在120至140kV的管电压下进行。因为较低的光子通量，在较低的管电压（<120kV）下扫描具有较低的辐射剂量的优点。但较低的光子通量会增加图像噪声，因此需要在高达1500 mAs的管电流中进行补偿性增加。因此，这种技术通常仅限于儿童和瘦体型的成人，通常在肥胖个体中避免使用。迭代重建算法也可用于通过降低噪声来维持图像质量。低kV扫描的另一个优点是由于碘的光电衰减较高而引起的较高对比信号，因为x射线能量接近碘的k边界，即33.2keV。峰值电压为80kV的x射线光子的平均能量为43.7keV，峰值电压为73kV的x射线光子的平均能量为33.2keV。

在使用低至70kV的管电压的几项CTA研究中已经显示了保持图像质量的辐射和对比剂量节省（图3）。对具有100kV和30ml碘化对比剂的256层CT的研究实现了辐射剂量减少70%，诊断性能与标准CT相当。主动脉CTA可以在90 kV下进行，对比度降低60%，血管增强与120 kV研究相似。在80 kV时，可以节省65%的辐射剂量，节省30%的对比剂量。与混合图像相比，双能CT的80 kV扫描还改善了血管衰减，诊断性能和次优研究的挽救，虽然有更高的噪声水平。在不到一半的辐射剂量和1.2ml/kg的较低对比剂容积下，可以获得70kV的CTA，具有相当的诊断性能。下肢CTA使用70 kV，大螺距采集和迭代重建可以实现81%的辐射剂量减少和33%的对比剂容积减少。另一项双源CTA研究还使用70 kV和80 mAs，在定时推注后使用30 ml对比剂，以在外周动脉疾病中产生高质量的图像。基于自动选择管电压选择的研究发现，可以在不影响图像质量的情况下实现20%的对比剂剂量节省。另一项使用基于自动衰减的管电压选择（70-150 kV）和个性化的低容积对比剂方案的类似研究表明，无论管电压如何，主动脉CTA的质量都很好。

图3 冠状位重建（A）和容积渲染三维重建（B）的主髂动脉CTA，15岁男性，70kV采集。

双能CT

双能CT（Dual energy CT，DECT）利用组织/材料在不同能量水平上的不同衰减特性，将它们与常规CT分离。通过计算一个体素在2种不同能量下的衰减以及2种或3种主要材料的衰减系数的先验知识，可以估计出不同组织对每个体素的贡献（2种材料或3种材料的分解）。双源和kV快速切换是常用的基于x射线源的技术，而双层探测器是基于探测器的DECT技术。除了常规图像外，DECT还生成虚拟单能成像（VMI）、碘图、虚拟平扫（VNC）和有效原子序数图（关于双能量的实现方法与临床应用，参见：；）。

VMI模拟单能x射线束获得的CT图像。在双能CT中，通过不同比率的基对图像的线性组合，可以产生40～200keV（千电子伏）的VMI。在70keV下的VMI与传统的120kV图像具有相同的衰减，但是噪声和伪影较低。低能量水平下（<70keV）的VMI显示出更高的碘对比信号，因为更接近碘的k-边界，光电效应更大。这种特性有利于减少碘对比剂的负荷（图4），挽救次优的增强检查，从常规CT扫描生成CTA质量的图像（图5），改善侧分支的可视化，并提高病变的显著性。增强对比度的最佳VMI能量范围为40至60 keV，具体取决于血管和供应商，有些扫描仪在低能量水平下具有较高的噪声，而其他扫描仪则始终具有较低的噪声。例如，1项双层CT研究发现50keV是主动脉CTA的最佳能量水平，其衰减（91%）、对比/噪声比（CNR）（85%）和信噪比（108%）高于传统的120kV水平，挽救了所有次优的增强研究。低能量VMI已用于不同血管床的低对比剂剂量研究，造影剂剂量低至25ml，碘浓度低至15g，造影剂减少达70%，图像质量和CNR保持不变。使用低能量VMI可以改善小分支血管的显示，如支气管动脉、肋间动脉和椎动脉显示。对包含移植物周围间隙和内漏的检测表明使用低能VMI，即使在常规非CTA中也能改善扫描。更高能量VMI（>70keV）可以用来减少一些伪影，如线束硬化、金属伪影和钙晕（图6）。VMI 90 keV显著降低腋静脉和锁骨下静脉高密度造影剂产生的低衰减和线束硬化伪影。诊断评估的最佳结果是在130 keV时，在较高keV值下观察到的伪影过度校正。（更多单能谱图的临床应用价值参见：）。

图4 （A）传统的120kV冠状动脉CTA显示胸主动脉的不透明性差，严重限制了血管评估。（B）相应的40keV-VMI显示血管信号明显改善，可以评估胸主动脉。

图5（A）传统CT扫描的动脉血管系统三维容积重建图像显示上腹主动脉、肠系膜主要血管和右髂远端血管明显截断。（B）从40 keV VMI获得的同一动脉血管系统的3D体积渲染图像可以完全显示上腹部主动脉、主要肠系膜血管和右髂骨远端血管（箭头）。

图6（A）在120 kV下冠状位重建CT图像显示支架材料上有大量的伪影（箭头所示）。（B）同一患者在100keV时的VMI冠状重建CT显示支架上的钙华伪影明显减少（箭头所示）。

碘图是通过三种材料分解得到的，碘图可以在VNC图像上以灰度或彩色叠加的方式显示。它提供了对比度增强的客观测量（毫克每毫升），与Hounsfield单位（HU）无关。碘图可以用来区分高密度病变的对比CT，出血，或钙化（图7）。只有对比剂增强与高碘摄取有关。碘图也可以帮助描述肿块，特别是血栓，它没有显示出明显的碘摄取。一项关于kV快速切换扫描仪的研究显示，1.74mg/ml是区分左心耳血栓和混合性造影剂伪影的临界值，但这个数字因扫描仪和器官而异。碘图用于评估实质灌注，特别是心脏和肺。在心脏，碘图可用于检测心肌缺血，其敏感性和特异性高于常规CTA。碘图或其衍生物，如肺血容量图，可用于提高急性肺栓塞、慢性肺栓塞、慢性血栓栓塞性肺动脉高压的诊断效能和预后。静脉期成像的彩色碘图覆盖增加了对微小内漏的检测，准确率为100%，同时与单能量双期相研究相比节省了28%的辐射剂量（图8）。碘图也有来自高原子序数金属，如铂栓塞线圈，的较低伪影。

图7（A）常规增强CT扫描显示右腹股沟区有一个大肿块，具有高衰减区（箭头），与主动性外渗和血肿有关。（B）在同一水平上的虚拟平扫图像显示，高衰减存在于平扫CT（箭头），表明这不是一个主动的对比度外渗。（C）碘图显示病变处没有碘摄取（箭头）。这些发现表明肿块是由血肿引起的，而不是造影剂外渗所致。

图8（A）腹主动脉瘤腔内修复术患者的轴位CT扫描显示排除的动脉瘤囊内有细微的高密度区，提示动脉内漏（箭头）。（B）同一水平的碘图显示内漏的可视化程度提高（如箭头所示）。

虚拟平扫（VNC）图像来自与碘图相同的3物质分解算法，混合图像减去含有碘的像素即为VNC图像。由于VNC图像与实际平扫具有相似的衰减和噪声，因此它们可以取代多期血管CT协议的真实平扫（TNC）图像，实现50%的辐射剂量节省。图像质量不会受到影响，尽管一些钙也可以被去除，因为它不是3种基础材料之一。通过仅获取延迟的静脉相图像，从40 keV低能量VMI或双源扫描仪中的低能量采集（80 kV）并生成虚拟动脉相重建，可以实现高达68%的进一步辐射剂量减少（图9）。该技术在检测内漏方面具有非劣效的图像质量和高诊断性能（96%–与真实动脉期图像相比，100%灵敏度，特异性，准确性）。VNC本身或与碘图一起可用于表征对比CT中遇到的高衰减病变。在VNC中可见出血，但在碘图中未见出血，而在碘图中可见外渗对比，但在VNC中未见（见图7）。同样，与三期扫描方案相比，VNC和碘图可用于检测和定位胃肠道出血，具有高诊断性能（曲线下面积，0.94）和30%的辐射剂量节省。

图9（A）静脉期CTA冠状位重建显示排除的动脉瘤囊（箭头）和血管内动脉瘤修复（EVAR）。（B）在同一水平重建的虚拟平扫图像显示动脉瘤囊内没有高衰减（箭头）。（C）在40 keV时，VMI显示出比静脉期图像高得多的衰减（箭头），相当于动脉期图像（虚拟动脉重建）。仅获取静脉期可显著节省辐射剂量。

CTA在评估外周动脉疾病方面具有很高的准确性。该评估需要高质量的最大密度投影（MIP）和没有骨骼的三维（3D）重建。传统的基于阈值的骨减影技术耗时且可能侵蚀邻近骨的血管，导致高估管腔狭窄或模仿闭塞。DECT可以使用钙，碘和血液的3材料分解或钙和碘的2材料分解产生骨去除图像。具有骨的体素被分配低衰减值（即，1024HU），因此可以容易地生成无骨MIP和3D体积渲染（VR）图像（图10）。DECT直接法花费的时间大大减少，并且比传统技术更强大。DECT MIPs优于单能去骨法MIPs（敏感性97.2%vs 77.1%；特异性94.1%vs70.7%；准确率94.7%比72.0%），骨附近血管侵蚀较少。主动脉和股动脉区域以及旁路移植物的表现较好，但在膝关节，小腿和踏板动脉较差，尤其是在关键肢体缺血患者中。有严重钙化的血管，DECT MIPs的表现优于单能MIPs（91%-96% vs 57%-74%）。在扫描仪中央视野（FOV）以外的区域可以看到不完全的去骨，可以手动去除。一些钙化斑块也可以作为骨骼去除。通过等中心定位和区域配准可以提高分辨率。

图10 双能量直接去骨的轴位CT图像，含有骨的体素的低衰减值为-1024HU（箭头）。

在传统的CTA中，钙化斑块不能被清除，因此MIPs不能准确地对狭窄进行分级。通常需要生成额外的曲面多平面重建图像来精确量化管腔狭窄。使用DECT，钙化斑块可以通过形态学标准去除，以分离斑块和骨（图11），从中可以生成管腔CTA MIP图，这节省了额外的后处理（图12）。与骨去除DECT图像相似，骨盆动脉和股动脉的钙化斑块去除效果更好，尤其是钙化严重的大血管（>5mm）。过度去除斑块可能导致对管腔狭窄的高估。骨去除加斑块去除技术的诊断性能略低于单纯的DECT去骨技术（敏感性84%；特异性56%；准确率75%），在主动脉髂层面的诊断效果更好。因此，研究结果应始终与原始图像相关。最近发展了一种以钙为主要原料的改进的三材料分解算法，具有完全和选择性的去钙法。这些数据集具有更高的CNR和更高的精度（96.5%比93.1%），图像质量相当。这项技术可以潜在地减少在严重钙化的血管中CTA结果的不确定和假阳性。

图11 斑块的彩色编码图像，硬钙化斑块的颜色编码为红色（箭头），管腔的碘对比剂编码为蓝色。

图12（A）双能直接去骨MIPs显示双侧股浅动脉存在广泛钙化，排除了管腔狭窄的评估。（B）双能直接去骨加钙化斑块去除显示双侧浅表动脉明显狭窄。

DECT在胸部比传统的去骨算法更快、更优越，除了阈值或区域增长技术外，还需要多个剪辑平面。小分支血管，如肋间动脉，不受DECT直接去骨的侵蚀。整个胸部可能不适合较小的x射线管视野，但是，随着最新一代扫描仪的出现，这不再是一个问题。先进的算法可用于从同时给药的高原子序数对比剂（如口服钽、钨或铼对比剂）中分离血管内碘化材料，钽出现在碘图中，铼出现在虚拟平扫图像中。DECT还没有普及，涉及额外的成本，可能需要为大多数扫描仪提供新的协议。后处理可能需要额外的时间，但可以在扫描仪上实现自动化处理。在kV快速切换系统中，材料特定图像上存在更高的线束硬化/条纹伪影。

编译自：Rajiah P. Updates in Vascular Computed Tomography. Radiol Clin North Am. 2020;58(4):671-691. doi:10.1016/j.rcl.2020.02.011 仅作为专业人士交流使用，不用于商业用途。

2020年8月31日

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