第43期: CT成像的下一个时代：光子计数CT

Title：Coronary CT Angiography with Photon-counting CT: First-In-Human ResultsYear：2022Journal Name：RadiologyIF/分区：11.105/Q1缩写表CAD =冠状动脉疾病， CCTA = 冠状动脉CT血管造影， DLCT = 双层CT，EID = 能量积分探测器， IQR = 四分位数范围，NPS = 噪声功率谱，PCCT = 光子计数CT， PCD = 光子计数探测器， TTF = 任务传递函数推荐理由 光子计数CT可能是CT成像的下一个时代：

Martin J. Willemink 教授和 Thomas M. Grist一致认为从1972年第一台临床CT的引入以来。传统的CT成像一直受到空间分辨率、辐射剂量，以及射线硬化伪影，对比度分辨率（如大脑灰白质识别）的限制，与传统EIDs相比PCDs的优势体现在1.更高效（可以检测到较低的辐射剂量，降低病人辐射剂量）2.更小（比传统探测器小两倍以上，所以大大提高了空间分辨率）3.更精准（PCDs能测量每个x射线光子的能量，更好的光谱分辨率可以降低碘造影剂的剂量，或使用替代造影剂如钆、铋）4.更好的对比度分辨率（这一优势有望提高PCDCT对软组织（如大脑）的低对比度分辨率）随着时间的推移，PCDs很可能会完全取代传统的EIDs。https://doi.org/10.1148/radiol.213203光子计数CT进行冠状动脉CT血管造影：

Veit Sandfort和David A. Bluemke教授认为相比于身体其他部位，冠状动脉 CT 有两个独特的需求：第一个是扫描范围广，第二个是非常快。Si-Mohamed and Boccalini等教授在这期发表的文章里首次利用光子计数CT进行了冠状动脉的成像，我们也期待着光子计数CT能够在更多非心脏成像上如（支气管动脉壁，急性中风的评估，腹部成像中同时评估多种造影剂）取得突破。在过去的30年里，我们经历了螺旋CT、宽探测器CT和光谱CT，每次CT似乎都已经达到了峰值。这一次CT用光子计数探测器则将再一次重塑自己。https://doi.org/10.1148/radiol.212943前言 冠状动脉 CT 血管造影 (CCTA) 目前被推荐用于评估许多心血管疾病，包括冠状动脉疾病 (CAD) 评估。CCTA 尤其重要，因为它在中低危急性胸痛人群中对 CAD 具有很高的阴性预测值，在中低危慢性冠状动脉综合征人群中对 CAD 具有高敏感性和特异性。CT最新技术的发展和大规模验证队列研究的存在使这成为可能。然而，传统的 CCTA 仍然具有有限的空间分辨率和软组织对比度，这削弱了其对小动脉和高对比度（如支架、钙化）和低对比度（如非钙化斑块）任务的诊断性能，并携带 X 射线剂量相对较高的风险。过去5年，光子计数CT（PCCT）技术在CT成像领域崭露头角。与传统 CT 相比，这种新模式具有更好的空间分辨率和软组织对比度，并减少了噪声、光晕和射线硬化伪影。这是因为新的能量分辨探测器，称为光子计数探测器 (PCDs)，可以分别记录每个光子的能量，从而可以更好地测量透射光谱。此外，PCD 的像素尺寸比传统 CT 使用的能量集成探测器 (EID) 更小，这限制了堆积效应，并且不需要用光学反射器覆盖每个检测像素，导致理论上比传统 CT（约 250 微米）高 2 到 3 倍的分辨率。总而言之，PCCT 系统已经有了长足的发展，最近的发展使人体成像成为可能。然而，目前PCCT 仍未针对 CCTA 进行测试。因此，在本研究中，作者旨在比较PCCT和EID双层CT(DLCT)对人类CCTA的图像质量和诊断可信度。材料和方法1.研究设计和研究对象：这项由机构审查委员会批准的前瞻性研究于2021年 1 月至 6 月在一家心胸大学医院（Hôpital Louis Pradel, Hospices Civils de Lyon, France）进行（Hospices Civils de Lyon，批准号：2019-A02945-52）；并且获得了研究对象的知情同意。研究对象由连续的被诊断为 CCTA 疑似或已知 CAD 患者组成。排除标准如下：年龄小于 18 岁，有碘造影剂禁忌症，或清除率小于等于 30 mL/min 的肾功能衰竭。(图1)

图1.研究对象的参与流程图2.PCCT和EID DLCT系统：使用的两种系统均由同一制造商（飞利浦医疗保健）制造。PCCT 系统是具有大视野（ 500 mm）的临床原型，配备由 2 毫米厚的碲化镉锌制成单层能量敏感 PCDs，像素间距为 270*270μm2，与专有的ChromAIX2应用专用集成电路相连。EID DLCT 系统是配备两层 EID（IQon CT，Philips Healthcare）的临床双层检测器系统，通过对每一层的投影求和来生成常规图像。两种系统的技术细节比较见表 1。3.临床成像方法：CCTA 采集——所有患者都接受了 CCTA 与两个 CT 系统相隔 3 天。CCTA 是在我们机构中使用标准参考方案进行的，在通过 20 号导管以 5 mL/秒的速度注射碘美普尔 (400 mg/mL) 团注后进行回顾性心电图门控螺旋采集，然后进行盐水冲洗 20 ml，4 ml/s。推注体积计算根据患者体重进行调整（患者体重<80kg则推注 65 ml；患者体重>80kg则推注 75 ml）。对于 PCCT，使用以 5 ml/s 的速度注射 20 ml造影剂，然后以 4 ml/s的速度用 20 ml盐水冲洗来进行推注试验。对于 EID DLCT，使用设置为 110 HU 的阈值对降主动脉中的感兴趣区域进行推注跟踪。患者在需要时接受舌下含服硝酸甘油（Natispray，Teofarma）和静脉注射 β 受体阻滞剂（盐酸艾司洛尔 [Esmocard，Orpha Devel Handels Vertriebs]）采集和重建参数——根据制造商的建议和三位经验丰富的心脏放射科医生(分别有30年、7年和7年的工作经验)，选择最佳图像质量的采集和重建参数（表1）。对于两个系统，PCCT管电压设置为120kVp电流固定在255mAs ，而EID DLCT使用自动曝光控制，DoseRight 指数为 28，对应于 255 mAs 的目标电流，适用于水当量直径为 29 cm 的成人患者平均体型。使用 220 mm 的视野在心动周期的舒张中期和收缩期（RR 间期的 40%–78%）之间重建数据。PCCT 的矩阵尺寸从512增加到1024，PCCT 的层厚从 0.67 mm减少到 0.25 mm，以传达其固有的空间分辨率能力，如先前的研究 。这些参数为 PCCT 生成了体素大小为 0.25 (z) ∙ 0.21 (x) ∙ 0.21 (y) mm 的超高分辨率图像，接近等中心处探测器像素的大小。两个系统都使用了混合迭代重建算法(iDose, Philips Healthcare)，EID DLCT 的级别设置为3，PCCT的级别设置为6，为因超高分辨率参数引起的噪声更高，噪音分别降低了25%和45%。

表1.采集和重建参数Task-based图像质量评估——使用 imQuest 软件执行基于任务的图像质量评估，使用噪声功率谱 (NPS) 评估噪声幅度和纹理，使用任务传递函数 (TTF) 和作为对比度函数的空间分辨率和用可检测性指数 (d9) 估计放射科医生检测某些病变的能力。用表 1 中总结的相同采集和重建参数，扫描 20 厘米直径的 ACR CT-464 QA 体模 (Gammex) 以测量NPS和TTF。计算骨和聚乙烯嵌入物上的 TTF和NPS，并结合任务函数计算可检测性指数来估计冠状动脉病变的可检测性，也就是说，可检测性指数较高则描述任务的能力更大。假设冠状动脉腔代表一个圆形信号，预成像高对比度为350HU，直径为4mm，假设非钙化斑块为低对比度为40HU，直径为2mm。聚乙烯嵌入物的 TTF 结果用于非钙化斑块的检测任务，而骨嵌入物的结果用于冠状动脉腔。计算可检测性指数的解释条件是变焦系数为1.5、观察距离为500mm和视场为 220mm。

表2：Task-based图像质量分析图像质量分析——为了客观分析图像质量，所有图像均由临床工作站（IntelliSpace Portal 12.0 版，Philips Healthcare）上的三名观察者以共识方式进行审查。分析了冠状动脉近端和远端管腔的客观图像噪声、血管衰减、射线硬化、信噪比和对比噪声比。为了分析主观图像质量，三位经验丰富的心脏放射科医师对图像类型和患者身份视而不见，以随机独立审阅了所有图像。允许根据个人喜好更改图像和窗口设置。评审员根据先前研究中定义的标准，使用五分制评分（1 = 不足，5 = 优秀）独立对图像进行评分，以评估以下结构的总体质量、诊断信心、总体噪声和诊断质量：冠状动脉壁、近端和远端管腔、钙化、支架、非钙化斑块、心肌、空腔、瓣膜、心包、冠周和心外脂肪组织，以及射线硬化、环形和金属伪影。此外，冠状动脉钙化、支架、非钙化斑块和运动伪影的锐度和明显度使用相同的等级进行分级。如果运动伪影评分大于 3，则认为患者的 CT 扫描具有足够的诊断质量。辐射剂量研究——记录剂量长度乘积和容积CT剂量指数。统计分析——使用 Prism 软件包（版本 9，GraphPad）和 R（版本 4.0.3，R Foundation for Statistical Computing）进行统计分析。数据表示为正态分布变量的平均值±标准差，以及非正态分布变量的中位数和四分位距 (IQR)。使用成对的双尾学生 t 检验或 Wilcoxon 秩和检验作为变量正态性的函数来比较连续变量。使用 d'Agostino-Pearson 检验测试分布的正态性。Cohen k系数用于评估每位放射科医生在 PCCT 和 EID DLCT 图像的质量得分之间的一致性。使用针对放射科医师调整的逻辑回归模型评估 PCCT 和 EID DLCT 图像之间主观质量评估的一致性，然后评估最佳方法的质量评分改善比例。Wald 检验用于比较放射科医师之间的结果。P <0.05 被认为表明存在统计学上的显着差异。这些参数被认为是独立的，并且没有使用多次测试的校正。结果 1.Task-based图像质量评估：表 2 显示了两种 CT 系统模拟病灶的 NPS、TTF 和可检测性指标。PCCT 图像的噪声幅度较低。PCCT图像的NPS的平均空间频率向更高的频率移动。在空间频率为 0.05 mm-1 和 0.68 mm-1 的 PCCT 图像中发现了两个 NPS 峰。对于这两种嵌入物，PCCT图像中50%和10%的TTF值向更高的频率移动。对于两种 CT 系统，骨插入物的 TTF 值分别为 50% 和 10%均高于聚乙烯插入物。对冠状动脉管腔和非钙化斑块的PCCT图像的可检测性指标分别高出2.3倍和2.9倍。2.临床研究：包括 14 名连续参与者（[61±17]岁；12 名男性 [86%]）（表 3）。98个节段中有8个冠状动脉节段由于强烈的运动伪影而被排除在外（PCCT 图像为 5 个 [5%]，EID DLCT 图像为 3 个 (3%)）。14 名患者中有 8 名 (57%) 在 PCCT 图像上出现环，而整体图像质量没有受到影响。14 名患者中有 3 名 (21%) 在 PCCT 和 EID DLCT 图像上都有金属伪影。

表3：研究人群的人口统计学特征客观的图像质量分析——PCCT 和 EID DLCT 图像之间的噪声没有显着差异（平均得分，分别为 50 ± 9 vs 43 ± 9；P = 0.06）。在近端和远端冠状动脉管腔中发现血管衰减存在显着差异，平均值大于 350 HU（均值， 分别为373 HU ± 140 和 359 HU ± 130对于PCCT图像），PCCT图像的射线硬化伪影明显低于EID DLCT图像(均值，分别为 8 ± 8 vs 22 ± 21, ;P <0.01)。关于血管衰减的差异，除了远端冠状动脉腔的信噪比(P=0.70)和左心室腔/主动脉和心肌的对比噪声比（P=0.13和P=0.09），EID DLCT图像的信噪比和对比噪声比较高（p<0.05）。与EID DLCT图像相比，PCCT图像的晕状伪影显著减少(分别为36.4%vs48.4%；P<0.001)。主观的图像质量分析——图2-5提供了参与者中的CCTA图像示例。PCCT和EID DLCT图像与所有放射科医生在整体图像质量上，诊断信心，冠状动脉钙化和管腔的诊断质量，钙化和支架的清晰度和明显性的评分一致性较差(所有k值≤0)；支架、非钙化斑块、冠状动脉壁、冠状动脉周脂肪组织以及非钙化斑块的清晰度和明显性略有一致(k值，0.01–0.20)；射线硬化伪影具有中等程度的一致性(k值，0.02–0.40)；放射科医生之间的意见没有显着差异。在放射科医生的整体图像质量和诊断置信度的评分中PCCT图像更高，中位数评分分别为5(IQR、2)和5(IQR、1)，而EID DLCT图像的中位数评分分别为4(IQR、1)和4(IQR，3)。PCCT 图像在放射科医师的所有标准中质量得分大于或等于 4（良好）的比例均高于 EID DLCT 图像（图 6）。对于冠状动脉钙化、支架和非钙化斑块，放射科医生使用PCCT图像对总体质量和诊断信心的评分改善比例分别为57%(95%CI：41，72)和55%CI：39，70)和100%、92%(95%CI：71，98)和45%(95%CI：28，63)（表4）

图2：44岁女性冠状动脉（A-E）光子计数CT(PCCT)和（F-J）能量积分探测器(EID)双层CT(DLCT)血管造影的图像。

图3：（A、C、E、G）冠状动脉光子计数CT(PCCT)和（B、D、F、H）能量积分探测器(EID)双层CT(DLCT)对三个不同患者的成像图像：44岁女性（A-D），75岁男性（E、F）和69岁男性（G、H）。

图4：69岁男性冠状动脉（A-E）冠状动脉光子计数CT(PCCT)和（F-J）能量积分探测器(EID)双层CT(DLCT)血管造影的冠状动脉钙化斑块图像。

图5：（A、C、E）冠状动脉光子计数CT(PCCT)和（B、D、F）能量积分探测器(EID)双层CT(DLCT)血管造影对两个不同患者的心脏瓣膜图像：52岁男性（A、B）和86岁男性（C-F）。

图6：显示了三名独立放射科医生对冠状动脉光子计数CT(PCCT)和能量积分探测器双层CT(EID-DLCT)血管造影获得的图像的主观图像质量分析结果

表4：冠状动脉PCCT与EID DLCT改善质量评分及其95%CI的比例3.辐射剂量研究：在成对的 CCTA 图像之间，PCCT 的平均管电流（255 mAs ± 0 vs 349 mAs ± 111，P<0.01）平均体积 CT 剂量指数（25.7 mGy vs 31.6 mGy ± 10.1，P<0.04）和平均剂量长度乘积（411 mGy vs 592 ± 171，P <0 .01）显着低于 EID DLCT。讨论 首先，我们证明了 PCCT 图像可以提高冠状动脉管腔、钙化和支架等高对比度任务的诊断质量、显着性和清晰度。这些发现与最近的研究结果一致，这些研究表明使用 PCCT 系统可以更好地描述体外支架和冠状动脉钙化。它们主要通过空间分辨率的增益来解释，如高对比度插入中的 TTF 值增加 1.9 倍以及体模研究中 PCCT 图像向更高噪声频率的转变那样。PCCT 系统的超高分辨率协议呈现了这样的结果，正如最近传统CT使用小的EIDs 的成像一样。然而，后一种系统无法提供 PCDs 带来的几个优势，例如能量分辨特性和剂量效率，这可能解释了更高的辐射剂量负担（本研究中的平均剂量长度乘积为 678.5 mGy 与 411 mGy）。有趣的是，尽管这些超高分辨率参数增加了噪声，但PCCT图像的噪声幅度略低，而PCCT图像的NPS峰值的幅度明显较低。这一重要方面可以用更高水平的迭代重建的贡献以及PCDs的剂量效率来解释，此外，NPS对PCCT图像显示出向高频的转变，正如之前对超高分辨率肺成像所证明的那样，这可能是由于PCDs和核滤波器的固有特性。总之，这些都是重要的技术方面，有助于解释PCCT系统的高空间分辨率能力，从而提高高对比度任务的可检测性。第二，低对比度的任务，如非钙化斑块的可视化也被PCCT更好地展示。这一发现得到了模型研究的支持，该研究报告了低对比度嵌入物的TTF增加了2.2倍，而PCCT的噪声幅度较低。总之，这些导致了可检测性的增加。正如最近的研究所表明的，客观和主观可检测性的提高可以通过与 PCCT 图像更好的软组织对比度来解释。与 EIDs 不同，由于每个入射光子的能量加权，PCDs 从低能光子传输更多对比度。随着线性衰减系数随能量的增加而减小，能量越低，对比度就越大。正如先前的研究中所建议的，由于 PCD 的多仓能力，电子噪声的减少也有助于这种现象。这可以通过以下事实来解释：最低阈值设置为刚好高于电子噪声水平，而使用 EID CT，电子噪声被添加到集成电荷中。第三，金属和束硬化伪影也减少，正如先前用人类PCCT肺成像报道的那样。这种改进的实际来源目前尚不清楚，但电子噪声的降低和空间分辨率的提高可能是其背后的原因。第四，除了改善CAD特征的质量外，心脏放射科医生还注意到不同的心脏结构，如瓣膜的质量有了显著的改善。这些结构对于经导管瓣膜植入的术前和术后CT血管造影具有重要意义，并可以进行更准确的评估我们的研究有局限性。首先，患者数量有限。其次，既没有研究 PCCT 系统的光谱能力，也没有研究狭窄测量的诊断准确性。最后，临床原型 PCCT 系统存在一些技术限制：z 覆盖范围为 1.76 cm，旋转时间为 0.33 秒，间距为 0.32，并且没有推注测试协议和剂量调整。这些因素，特别是不同的推注时间技术，可能导致扫描时间相对于造影剂注射的差异。因此，它们可以解释血管衰减的差异，从而解释信噪比和对比度噪声比。然而，这些局限有望在不久的将来得到解决，从而进一步提高图像质量和辐射剂量。总之，光子计数CT系统在提高冠状动脉CT血管造影的图像质量和诊断信心方面优于能量集成探测器双层CT系统，代表着在实现该技术在冠状动脉疾病成像方面的前景方面向前迈进了一步。