冠心病是导致人类死亡主要的心血管疾病, 及时准确的诊断是冠心病治疗的重要前提。过去十年, 随着技术不断革新和改进, CT冠状动脉血管造影(coronary computed tomography angiography, CCTA)已成为临床冠心病诊断及筛查的主要检查方法, 其较高的特异性和灵敏度, 无创、快速、经济的优点已被业内同仁认可^{[1, 2]}, 同时辐射剂量问题也引起全世界的关注, 美国食品与药品管理委员会(FDA)公布了美国心脏病委员会的研究结果:认为一次CT检查每产生10mAs的有效剂量就增加1/ 2000的癌变发生率^[3-5]。当前, 不少降低辐射剂量的新技术和新方法应用于临床, 笔者就冠状动脉CT成像低辐射剂量技术及进展进行综述。

1 扫描参数的优化 1.1 管电流

CCTA扫描时, 若管电流过低, 其量子噪声将导致信噪比的降低, 血管内支架和重度钙化的血管显示效果; 实际应用中, 应根据受检者的身体质量指数和扫描部位的解剖特点(膈肌位置、女性乳房体积、心胸比和肌肉或脂肪量等)进行个性化的选择, 在保证图像质量的前提下降低受检者的辐射剂量。

1.2 管电压

适当降低kV有效剂量将有较大幅度的降低; 降低管电压会使X射线束能量过低, 增加线束硬化伪影, 导致血管管壁显示模糊。行CCTA时, 随着管电压降低碘信号检测效率提高, 适当的降低管电压, 为降低对比剂注射流率及用量提供了空间。研究表明:管电压120kV与100kV扫描出来的图像质量差异无统计学意义, 而辐射剂量后者较前者却降低了38%。而Oda S等采用80kV的管电压保证图像质量的前提下降低了有效辐射剂量。^{[6, 7]}

1.3 扫描范围

常规CCTA一般将Z轴扫描范围定位于器官隆突下1cm到膈下1cm; 搭桥血管造影则需根据动静脉桥的不同进行不同的选择, 内乳动脉桥选择锁骨关节上为上界, 静脉桥扫描则定位于主动脉弓水平向下扫描。Sebastian等研究表明:使用定位扫描为标准的CCTA扫描长度明显长于基于钙化积分而定的扫描长度(约21mm), 因此使用钙化积分水平代替定位像扫描其受检者平均辐射剂量减少了16%^[8]。

1.4 螺距

是多层CT的重要参数之一, 它决定了CT容积扫描的速度, 在其他条件不变的情况下, 螺距越大扫描速度越快, 反之亦然。Stephan等使用双源CT对病人进行CTCA检查时, 采用3.2或3.4的螺距(闪螺)进行扫描, 经分析后的认为非肥胖病人若心律齐和心率较低的情况下, 采取前瞻性心电门控高螺距螺旋冠脉CCTA扫描, 可提供高质量的图像的同时降低有效剂量, 使其剂量小于1.0mSv^{[9, 10]}。

2 CT设备硬件的改进 2.1 电子束CT (EBCT electron beam CT)

亦称超高速CT, 其最大的特点是具有极高的时间分辨率。特别适用于心脏等运动器官的检查。GE公司生产的e-speed电子束CT综合了多层CT与传统电子束CT的优点, 扫描速度达到每周仅仅50ms, 为由于心率不齐或心动过速而无法进行CCTA检查的患者提供了无创性的影像学检查手段。Peter等通过多层CT与电子束CT的对比观察研究后发现, 后者的辐射剂量低于前者^[11]。而Paulo等在对2001到2008年间国际上发表的使用EBCT和CCTA两种心脏检查的方法行心血管疾病诊断的文献进行分析后, 认为多排CT已具有了代替电子束CT成为心血管诊断的能力^[12]。随着CT的不断发展和后处理软件的不断更新和完善, 尤其是后64排CT的问世, 使现在的CCTA技术已经可以应对心率较快的患者, 大有代替电子束CT的趋势。

2.2 Brilliance iCT

飞利浦Brilliance 256 iCT, 也称智能CT或极速CT。较高的时间和空间分辨率是其重要的特点, 与传统的64层CT相比, 扫描速度明显加快, 大大提高的时间分辨率; 其机架旋转速度从64排的0.35s/转提升至0.27s/转, 时间分辨率达至33.75 ms。它拥有80 mm宽的探测器, 两次心动周期就能完成心脏成像。以上两种技术的优势使受检者所需要的有效辐射剂量降至1~2 mSv, 同时能够获得较好的图像诊断质量。

2.3 Aquilion ONE (320排)

CT东芝公司的Aquilion ONE (320排) CT, 采用160mm的大面积量子探测器, 机架只需旋转一圈, 不需移动病床, 就能获取心底到心尖完整的全心范围扫描数据。由于其扫描方式无需螺旋扫描, 根除了以往CT螺旋运动带来的伪影, 冠脉清晰呈现, 全心扫描的时间分辨率仅仅0.35 s, 大大加速了传统多层螺旋CT全心扫描的时间。其超宽的覆盖范围使其冠脉扫描速度提高的同时, 缓解了CT扫描检查存在的辐射剂量过大的问题。

2.4 宝石CT

GE推出的宝石CT在心脏成像方面有其独特的优势。①全身高清成像:宝石探测器真正实现影像链的全面变革, 它将图像质量大幅度提高, 空间分辨率可以在2m的扫描范围内实现0.23mm的分辨率, 使用宝石探测器与全新的算法, 提高心脏CTA诊断的成功率。②低辐射剂量扫描:新型的宝石探测器材料与全新的HD重建引擎, 提高了患者的安全性, 明显降低辐射剂量。

2.5 双源CT

西门子推出的全新CT。是一种拥有两套X射线球管系统和两套探测器系统同时采集人体图像的CT装置。它具有83ms的时间分辨率, 不受心率的影响, 能够支持所有心率的心脏扫描, 完成从急性胸痛的评估到冠状动脉的成像和心脏功能分析。其小于0.4mm的空间分辨率, 使得细小的解剖结构也能高质量的成像。其次该系统具有78cm的大机架孔径和成像视野, 以及200cm的扫描范围和高压发生器的功率, 可对急症病人实施最恰当的扫描, 而不受病人体型或身体状况限制^[13]。

3 CT辐射剂量控制新技术 3.1 可变速扫描技术

根据病人的心动周期, 尤其是心率不齐的受检者进行扫描速度的调节。采用变速扫描技术, 可以在一次扫描中, 采用不同的速度进行扫描, 从而可以进一步缩短扫描时间, 增加病人流通量。尤其在回顾性心电门控扫描中, 采用变速扫描技术替代传统的恒速扫描, 对心率波动或心率与扫描速度不匹配进行了优化, 为降低受检者的辐射剂量提供了强有力的支持。

3.2 补偿时间(padding time)

或称冗余时间, 是用于心脏前门控扫描中的一项技术。心率稳定时, 采用padding time可设置为0, 剂量处于最低; 若心率波动时, 则根据其变化的幅度设置相应的padding time以适应心律波动对扫描和图像质量的影响, padding time越大, 降低剂量的效果越小。研究表明辐射剂量与补偿时间呈线性相关, 对于心率较低且稳定的受检者, 采用此项技术是对剂量和扫描成功率的有效调节手段^[14]。

3.3 心电控制管电流调节

是CCTA心电后门控螺旋扫描主要的心电调制技术, 涵盖自动调整和半自动调整两种方式, 根据受检者的心率及心律在其心动周期的收缩末期或舒张末期或者二者兼顾进行全剂量曝光, 可有效的降低辐射的剂量。Einstein等根据使用心电控制管电流调节与否对受检者进行扫描后发现, 心电控制管电流调节的技术可以有效的降低病人接受的辐射剂量^[5]。

3.4 自适应性心脏序列扫描

这是目前新一代双源CT升级至2008G版本后的新技术。实时检测受检者心电信号, 遇到异常R波, 根据之前3个正常R-R间期平均时间自动确定曝光触发时相。与传统ECG后门控螺旋扫描模式相比减少剂量68%。由于此技术曝光时间发生在心动周期的必需时相, 所以最好使病人的心率≤ 70次/min, 且心律平稳才能保证扫描的成功。

3.5 心脏前置滤线器

是一种专用的CCTA后处理技术。心脏滤线器在扫描中心正对心脏扫描的部位, 滤线器厚度变薄而周边扫描的范围缩小, 提高了靶器官X线穿透力, 图像质量提高的同时, 最大限度的保护了非扫描器官和组织。降低了受检者的有效剂量。

3.6 心脏后置滤线器

是为冠状动脉成像设置的一种智能性的后处理技术。其作用是对图像的噪声进行过滤, 最大化提升图像的信噪比, 消除部分相对较低的管电流所致的量子噪声对图像的不良影响, 在保持或增强分辨率的同时, 平缓的滤过噪声, 减少心肌等周围组织对冠脉的影响。

3.7 非对称屏蔽采集技术

在常规扫描的过程中, 成像开始与结束阶段的数据采集并不用于成像, 此时产生的无效射线是存在的, 而随着探测器宽度的增大, 其无效辐射的剂量也由此增加。非对称屏蔽采集技术正是基于以上现象, 采用非对称的启动和关闭准直器, 实现扫描过程成像前后的无效辐射降低, 剂量大约降低在25%。

3.8 心电编辑技术

采用此方法行CCTA扫描时, 若受检者存在心律不齐, 则可借助心电图编辑技术, 将错误的R波位置重新进行标志, 使其回到正确的相位中来。Hideyuki等对心率不齐受检者行CCTA时采用此项技术, 可提供有效的图像质量供临床诊断^[16], 当心动周期的期前收缩发生时适应性扫描技术能够自动识别并忽略扫描或者重复扫描, 使检查的成功率大大提高。

3.9 病人自动中心定位技术

扫描视野的等中心点是影响图像质量与辐射剂量的重要因素。CT扫描之前的重要步骤是病人体位的摆放, 受检者的扫描部位中心点与扫描视野的等中心点对齐利用自动管电流技术方可提高图像质量且降低有效曝光剂量。研究表明:使用自动定位技术, 比不使用者表面有效剂量减少30%。^[16]

3.10 迭代重建技术

通过对物体图像进行估算的综合投影, 比较出估算投影与实际物体的差异, 经过多次的迭代过程对图像进行校正, 使其形成优质的重建图像。与传统CT相比, 使用迭代重建算法重建的图像质量可在图像质量保证的前提下, 大大降低辐射剂量。^[17-19]

4 个性化扫描技术的选择 4.1 心电脉冲窗个体化选择

不同受检者心率的变化是图像质量重要影响因素。国外研究表明不同心率患者行CCTA扫描时根据心率不同选择相应的脉冲窗, 可使辐射剂量大大降低^[20-21]; 而对于心律不齐的受检者使用ECG前触发+轴扫方式, 屏气后心率波动大或心律不齐或偶发早搏者, 将触发时相定位在收缩末, 选择380ms曝光脉冲期, 结合扫描后心电编辑, 往往可以取得满意的效果。刘佳宾等在对有心率波动的患者进行分组检查, 得出结论:将重建时相选择在绝对延迟收缩末期可以减小由心率波动导致的MSCT冠状动脉成像中的阶梯状伪影, 提高了图像的成像质量^[22]。

4.2 前瞻性心电门控

根据实时的心电信号进行触发扫描, 采用多扇区扫描和重建技术。分为2种扫描方式:①ECG前触发+轴扫方式:即步进式触发扫描。按受检者预设的心电信号, 使用步进、曝光序列进行扫描。X射线的曝光呈脉冲式发生, 此脉冲宽度可根据受检者心率的变化而改变, 研究表明此法若用140kV的管电压对植入冠脉支架再狭窄患者行检查, 与回顾性心电门控扫描相比, 可在保证图像质量的前提下, 大幅度降低有效剂量^[23]。②ECG前触发+螺旋方式:与步进式触发扫描相比, 此技术采用大螺距(闪螺)进行扫描。随着螺距的增大, 扫描时间大大降低从而减少了受检者的辐射剂量。但是此技术的对心率和BMI的限制较高。不肥胖的心律齐和心率较低的病人采取前瞻性心电门控高螺距螺旋冠状动脉CTA扫描可提供高质量的图像而剂量小于1.0mSv^[9]。

4.3 回顾性心电门控

(ECG后触发+螺旋方式):根据受检者心律或心率, 回顾性选择冠状动脉在心动周期中相对低速时相的数据进行单扇区图像重建, 可弥补断面时间分辨力的不足, 有效降低冠脉运动产生的伪影。此法采用小螺距重复扫描, 可选择任意R-R间期感兴趣的"时-空"数据进行图像重建与分析, 此法冠脉成功率较高, 受限因素较少, 但采集数据的时间较长, 有效辐射剂量较高^[24]。

4.4 对比剂的量化

当管电压值降低时可同时使对比剂的用量降低, 随着X射线束能量的减少使得碘对比剂的强化程度提高(碘的K吸收界), 这样就能使血管与其周围组织的对比分辨率提高。由Rendon博士的提出并由其同事Lisa Ho领导的团队研究后指出, 用去脂体重可以更好的估计对比剂的剂量。此法可更加精确的估算病人的对比剂的用量。而对比剂的量化, 对不同病人行不同的对比剂注射方式, 可在保证图像质量的情况下降低受检者的由造影剂带来的肾脏负荷^[25]。

4.5 BMI值(Body Mass Index)对CCTA的影响

研究表明BMI的增加与冠状动脉CT值的衰减和CNR (对比噪声比)的减少是并行的, 高的BMI值不利于CNR, 可能是因为CT值的衰减而图像噪声的增加。对不同的受检者根据其BMI值采取不同的扫描方式, 可在保证图像质量的前提下, 降低受检者的辐射吸收剂量^[26]而有研究报道, 容积心脏CT的扫描中为使患者获得最佳图像及辐射剂量, 其管电流的设置由胸廓前后直径大小设定比BMI值更好。^[27]

冠状动脉CTA检查应遵从ALARA原则, 在为受检者提供优质图像的同时, 采取低辐射剂量技术降低受检者的辐射剂量, 依据病人条件的制定个性化的冠脉CT成像方案, 具有十分重要的意义。

5 前景与展望

随着CT技术的发展, CT对疾病的诊断越来越显现出极大的价值, 但是辐射剂量偏高一直是影响CT技术广泛应用的瓶颈。我们相信, CT设备的不断进步, 降低辐射剂量的综合措施逐渐完善, CT检查将会进入微辐射时代, 冠状动脉CTA检查辐射水平逐步接近自然本底。必将拓展CT检查的临床应用领域, 如冠脉肥胖患者冠脉及支架等复杂成像、低剂量肿瘤筛查、大范围联合扫描、灌注成像及多期联合成像、各类术前术后评估和复查随访等等。总之, 随着低辐射剂量技术的进展, CT技术将迎来更加美好的前景。