CT及其衍生技术评价冠状动脉钙化病变的研究进展

纪欣强　单冬凯　王凡　赵润涛　杨俊杰

【摘要】冠状动脉钙化病变是引起冠状动脉CT血管成像在诊断冠状动脉疾病时的诊断准确性和特异性大幅降低的重要原因。然而，冠状动脉CT血管成像评价冠状动脉疾病患者冠状动脉钙化病变时，影像采集设备、重建后处理及模拟计算技术的选择和应用目前尚缺乏规范和指导。现对CT及其衍生技术用于冠状动脉疾病患者冠状动脉严重钙化病变诊断时的原理、选择以及临床应用做一综述。

【关键词】计算机断层扫描；冠状动脉疾病；冠状动脉钙化病变；无创影像诊断

【DOI】10.16806/j.cnki.issn.1004-3934.2024.03.009

Evaluation of Coronary Artery Calcification Using CT and Its Derivative Techniques

JI Xinqiang1，SHAN Dongkai2，WANG Fan1，3，ZHAO Runtao1，YANG Junjie1，2

（1.Medical School of Chinese PLA，Beijing 100853，China；2.Senior Department of Cardiology，The Sixth Medical Center，Chinese PLA General Hospital，Beijing 100048，China；3.Department of Cardiology，The Second Medical Center & National Clinical Research Center for Geriatric Diseases，Chinese PLA General Hospital，Beijing 100853，China）

【Abstract】Coronary artery calcification significantly diminishes the diagnostic accuracy and specificity of coronary CT angiography （CCTA） in the diagnosis of coronary artery disease （CAD）.However，the current state of the field lacks standardization and guidance regarding the selection and application of CCTA equipment，reconstruction，and simulation computing in the evaluation of coronary artery calcification in patients with CAD.This article provides an academic review of the principle，selection，and clinical application of these diagnostic methods in patients with coronary artery calcification who are diagnosed with CAD.

【Keywords】Computer tomography；Coronary artery disease；Coronary artery calcification；Noninvasive imaging diagnosis

对于怀疑稳定型冠状动脉疾病（coronary artery disease，CAD）的患者，目前的国际指南推荐无创检测作为一线诊断手段［1］。其中冠状动脉CT血管成像（coronary CT angiography，CCTA）设备易开展、操作简便、准确性高，已在临床中广泛使用。冠状动脉钙化病变的晕染伪影和部分容积效应可影响管腔边界和内部结构的测量，导致CCTA诊断CAD的准确性和特异性大幅降低［2-3］。在影像采集设备和重建后处理维度上，双源双能量CT成像（dual-source dual-energy CT imaging，DSCT）技术利用两种不同的X射线谱能量采集两个独立的数据集；光子计数CT（photon-counting CT，PCCT）技术可记录各个光子的相互作用，并使其转化为能量分辨CT技术；二者及其衍生的重建后处理技术对于冠状动脉严重钙化病变CAD的诊断均有较高价值［4-5］。在模拟计算技术中，CT心肌灌注（CT myocardial perfusion，CTP）和CT血流储备分数（CT-derived fractional flow reserve，CT-FFR）是近年来发展迅速的功能学评价手段，可明显提高CCTA诊断效能，并实现 “一站式”检查模式［6］。CTP技术可根据血流量的对比变化诊断心肌缺血，并定量计算心肌血流量（myocardial blood flow，MBF）［7］；CT-FFR技术可在CCTA图像基础上计算冠状动脉流体动力学信息，无需额外的辐射和操作，易于患者接受和临床推广［8］。现综述各技术用于冠状动脉严重钙化病变的进展，讨论比较几种 CCTA的影像采集设备、重建后处理及模拟计算技术用于冠状动脉严重钙化病变CAD患者诊断时的优劣，并探讨CCTA检查手段的选择。

1 CCTA的影像采集设备和重建后处理技术

1.1 DSCT及其重建后处理技术

DSCT能获取完全同步数据，图像错配率低，CCTA最前沿成果都是通过最新的DSCT获得的［9］。DSCT的两个X射线球管可提供80 kV的最大差值范围，这种改进意味着更准确的双能信息和更精细的密度識别［10］。多项研究及实践已证明以DSCT为基础的重建后处理技术可提高诊断准确性和图像质量，其中虚拟单能量图像（virtual monoenergetic images，VMI）、虚拟平扫（virtual non-contrast，VNC）重建和心肌灌注碘图在CAD诊断中的应用具有较好的效果。VMI可设定一个理想的能量水平完成图像后处理，并通过优化噪声比来提高图像质量，有助于减少造影剂剂量、辐射剂量和检查时间［11］。VMI可调整DSCT获得图像的能量水平，减少晕染伪影和部分容积效应［12］。既往研究［13］表明，高能量水平VMI（≥110 keV）可显著减少钙化晕染伪影，提高图像质量和诊断效能。VNC通过一次DSCT图像采集获得造影前和动脉期的数据，从而减低患者接受的辐射剂量。VNC有助于区分造影剂和钙化斑块，有研究［14］已证实其在冠状动脉钙化评分中的应用是可行的。DSCT获取的心肌灌注碘图联合CCTA诊断CAD，较心脏磁共振成像、单光子计算机断层扫描和有创导管血管造影具有更好的诊断准确性 ［15-16］。

1.2 PCCT及其重建后处理技术

与传统DSCT相比，PCCT能计算X射线光子的总数及其分布，从而提高对比噪声比和能量分辨率。PCCT半导体材料的使用以及探测器单元分类的精确选择可使PCCT获得更高空间分辨率的图像，有助于精确评估严重钙化冠状动脉管腔的通畅性［17］。获取同样的图像质量时，PCCT可显著减少辐射剂量，PCCT在颅骨中应用时辐射剂量可减少85%［18］，造影剂用量亦明显减少。最重要的是，在DSCT的基础上，PCCT在每个层面均可实现多能量数据（“颜色信息”）的扫描，这种多层面且标准一致的数据更加有助于CAD的诊断。Rajendran等［19］研究证实，“颜色信息”可解决冠状动脉钙化的晕染伪影这一难题。一项针对PCCT评估冠状动脉严重钙化病变患者冠状动脉狭窄情况的研究［20］发现，与DSCT完成的CCTA相比，只有PCCT完成的CCTA可评估严重钙化的冠状动脉管腔狭窄（环状钙化斑块，狭窄面积75%），识别管腔未完全堵塞，表明PCCT完成的CCTA具有评估冠状动脉严重钙化斑块的潜力，但该研究是利用人体模型进行的，临床研究尚在进行中。基于既往一种去除钙化的重建后处理方法［21］，Allmendinger等［22］在PCCT完成的CCTA中原创了一种新型去除钙化的重建后处理技术（PureLumen），可在人体模型中有效减少钙化病变引起的钙化晕染伪影，而且在运动状态下仍能保持诊断性能，目前正在进行临床研究进一步证实。Eberhard等［23］应用基于PCCT进行VMI重建评价冠状动脉钙化积分，发现其诊断准确性较好。

1.3 CCTA重建后处理技术

目前针对冠状动脉钙化病变，一些研究正在发掘CCTA重建后处理技术，用于弱化、去除钙化对冠状动脉评估的影响。Mannil等［21］在评价颈动脉CT血管成像中引入了一种可去除钙化影响的重建后处理方法，验证了这种方法的可行性。Li等［24］在CCTA中使用了一种去除钙化晕染伪影的重建后处理算法，与传统的重建方法相比，新的算法可有效减少晕染伪影，从而提高CCTA评估钙化严重病变CAD的诊断准确性。Okutsu等［25］通过CCTA获取的钙化斑块最大CT密度估算钙化厚度，与光学相干断层扫描测量钙化的传统方法相比，该方法能更准确地评价钙化斑块的范围。Otgonbaatar 等［26］的研究发现，在脑血管CT血管成像中，深度学习重建方法可提高CT血管成像的图像质量，但目前尚未应用于CCTA。

2 CCTA的模拟计算技术

2.1 CTP

CTP技术可分为动态CTP及静态CTP技术，二者在CAD的诊断、危险分层、治疗和预测预后中均具有较好的应用价值。其中，动态 CTP可通过使用心肌负荷药物提高心肌做功，根据CTP下心肌不同节段的造影剂密度模拟计算MBF的相对值和绝对值，量化评估相应区域的血供状态，从而间接反映相应冠状动脉的功能状态，可避免冠状动脉支架及钙化对管腔结构判断的影响，既往研究已证实了CTP在评估冠状动脉支架内再狭窄中具有较好的诊断效能［27］，而其在严重钙化病变CAD患者中的应用也具有临床意义［28］。在一项前瞻性研究［29］中，由MBF计算出的负荷心肌血流量比值在评价阻塞性CAD患者的冠状动脉病变时具有很好的准确性。El Mahdiui等［30］前瞻性纳入131例有稳定胸痛症状的患者，均行CTP及CCTA检查，根据Agatston评分（Agatston score，AS）分组进行多变量分析。结果发现，大多数冠状动脉严重钙化病变患者在CTP检查中发现药物负荷状态下心肌缺血的证据，进一步分析显示AS是CTP药物负荷状态下心肌缺血的唯一独立预测指标。CORE320前瞻性研究［31-33］以AS分层（1～300及≥400），计算ROC曲线下面积以评估CTP的诊断性能。结果显示，在疑似CAD或已诊断CAD患者中，合并冠状动脉严重钙化病变（AS≥400）时，联合CCTA和CTP比单纯使用CCTA或CTP有更好的诊断准确性，该研究推荐在冠状动脉严重钙化病变的患者中联合CCTA和CTP评估CAD。

2.2 CT-FFR

CT-FFR将血液视为牛顿流体，通过心肌体积和心肌血流间的关系模型、血管粗细和血流阻力间的关系模型，模拟计算出最大充血状态下冠状动脉的局部压力［34］。Zhao等［35］前瞻性纳入了来自CT-FFR CHINA研究中的305例患者（348支靶血管），分别在患者和血管水平上，分析各AS组的CT-FFR对血流动力学显著病变的诊断效能。结果显示，CT-FFR测量值误差与AS呈正相关，但冠状动脉钙化病变对于CT-FFR的诊断效能无显著影响。Di Jiang等［36］回顾性纳入442例患者的544支血管，发现无论随着钙化弧、钙化重构指数还是AS的升高，CT-FFR的诊断性能几乎不受影响，且均高于CCTA，但当钙化程度超过一定程度时，CT-FFR的诊断性能出现了一定程度的下降。Mickley等［37］前瞻性纳入FACC研究中AS＞399的CAD患者260例，在90 d的随访中评估了每个患者的CT-FFR、冠状动脉血运重建和主要不良临床事件之间的联系。结果发现，与最低CT-FFR相比，共定位CT-FFR可提高诊断的准确性和特异性。术后90 d随访CT-FFR＞0.80的患者，行冠状动脉血运重建的患者较少，均无主要不良临床事件发生。在TARGET研究［38］中，首次将CT-FFR应用于指导CAD的临床决策，并对预后进行随访，发现CT-FFR的临床应用具有较好的效果及经济学效益。

3 应用局限性

上述几种CCTA影像采集设备、重建后处理及模拟计算技术在诊断冠状动脉严重钙化病变的CAD时均具有各自的优势，但在临床验证及应用上仍存在许多问题。DSCT技术的一些缺点限制了其在临床上的使用及推广：DSCT仪器价格昂贵，成本大约比同等的单能量CT高出25%，其重建后处理系统的成本同样大幅增加；对进行扫描和后处理的医生和技师要求较高，需更系统化的培训和长时间的经验积累才能做到熟练和准确的操作；DSCT的两个能量数据集有出现错配的可能［39］。DSCT技术虽然通过VMI、VNC重建后处理可较传统CCTA 更加准确地评价严重钙化的CAD，但仍不能完全避免钙化晕染伪影的影响［13-14］；心肌灌注碘图虽可提高心脏CT扫描诊断CAD的诊断准确性，但目前尚无研究对冠状动脉严重钙化病变诊断效能的影响进行探讨［15-16］。PCCT技术虽在DSCT技术的基础上可获得空间分辨率更高、密度对比更明显的图像，其重建后处理技术如去除钙化重建（PureLumen）、VMI重建亦优于传统能量CT，但PCCT技术图像及后处理数据庞大，而且其临床推广才刚刚开始，许多研究仍停留在实验室阶段，其临床验证及应用尚需进一步探索［4，20］。在CORE320研究［31-33］中，研究者通過对较大样本量进行了分层分析，最终得出了在冠状动脉严重钙化病变的患者中推荐联合CCTA和CTP评估CAD的结论，但该研究纳入人群并非完全由冠状动脉严重钙化病变人群组成，且并未完全排除支架植入术后的患者。El Mahdiui等［30］虽然发现AS是负荷CTP心肌缺血的唯一独立预测指标，但该研究CTP检查采用静态CTP的主观评价方法，并未对心肌缺血进行量化评估。CT-FFR CHINA研究［35］结果显示冠状动脉钙化病变对于CT-FFR的诊断效能无显著影响，但该研究纳入的冠状动脉严重钙化病变患者的比例较少。Di Jiang等［36］发现无论随着钙化弧、钙化重构指数还是AS的升高，CT-FFR的诊断性能几乎不受影响，且仍高于CCTA，但当钙化程度超过一定程度时，CT-FFR的诊断性能出现了一定程度的下降；该研究还发现，与有创FFR对应的CT-FFR测量位置并非冠状动脉钙化病变最严重的位置，究竟是管腔最严重钙化处还是管腔最狭窄处引起了血流变化，还需进一步研究。Mickley等［37］研究发现与CT-FFR相比，共定位CT-FFR提高了诊断的准确性和特异性，但未对共定位CT-FFR优势是由钙化导致的非特异性缺血引起，还是由冠状动脉钙化晕染伪影造成的进行探讨。

4 讨论与未来展望

冠狀动脉钙化病变造成的晕染伪影对CCTA冠状动脉解剖学评价的影响很难消除，只有将CCTA影像采集设备、重建后处理及模拟计算技术互补、结合才能更准确地评价CAD患者的严重钙化病变。在CCTA影像采集设备、重建后处理技术方面，目前的临床应用还十分有限，只有硬件、软件设备成本进一步降低，操作更加简化，才能充分发挥这些技术的临床作用，降低严重钙化对CAD诊断的影响。在CCTA模拟计算技术方面，虽然既往多项研究［38，40］已证实了CT-FFR在CAD中评估病变、指导治疗的能力，但其诊断效能与反应局部压力的金标准有创FFR尚存在一定差距，故CT-FFR需探索冠状动脉钙化的范围和种类对其结果的影响，并探寻最理想的CT-FFR测量位置。ADVANCE研究［41］和Yan等［42］的研究聚焦于跨病变CT-FFR值变化——梯度CT-FFR（ΔCT-FFR），发现该指标能更准确地反映病变特异性冠状动脉血流压力变化，可一定程度上避免严重钙化病变对局部图像质量造成的影响。然而，ΔCT-FFR无法反映冠状动脉的全局情况，最近一项研究［43］引入全局ΔCT-FFR（global ΔCT-FFR，GΔCT-FFR）的概念，该研究发现在非阻塞性CAD的糖尿病患者中，GΔCT-FFR与5年随访的预后相关，这种改进风险分层的新指标可用于糖尿病患者冠状动脉整体血流动力学评估，为冠状动脉严重钙化病变CAD的诊断提供了新思路。CTP的优势在于其联合CCTA的“一站式检查”不仅可用于阻塞性CAD的诊断，也可同时为CAD患者再灌注治疗后微循环功能及远期预后的评估提供思路。然而，目前针对合并冠状动脉严重钙化病变的CAD人群进行的动态CTP研究相对有限，未来需更多针对性研究，并对其治疗、预后进行进一步探索。

相信随着DSCT、PCCT及其重建后处理技术在临床上不断推广，CT-FFR测量位置和范围更加优化，CTP获得更广泛的临床验证和普及，未来CCTA在评价CAD患者冠状动脉严重钙化病变中一定会有很大突破。

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收稿日期：2023-08-10

基金項目：国家重点研发计划课题（2021YFC2500505）

通信作者：杨俊杰，E-mail：fearlessyang@126.com