来源：XI区

图1 心脏成像中的光子计数探测器计算机断层扫描

图2 能量积分与光子计数探测器的概述。能量积分探测器使用闪烁体（例如氧化硫酸钆）吸收X射线并将其转换为可见光，然后通过光电二极管检测并转换为电信号。光子计数探测器（PCD）使用碲化镉或碲锌镉探测器直接将射入的X射线转换为电子云，由像素化阳极收集。不同颜色的电子信号表明光子的不同能级，突显了PCD的能量分辨能力。

PCD-CT技术的一个关键特性是使用较小的探测器元件，从而增强了空间分辨率。结果是，可以实现层厚低至0.2 mm的高分辨率成像，而EID-CT系统通常提供0.6 mm的层厚。其次，PCD-CT增强了能谱成像，超越了传统CT系统的能力。通过计数每个入射光子并测量其能量，探测器可以将这些光子分类到不同的能量范围内。这种方法相比传统的EID双能CT，可以更好地分离X射线光子能量，改进组织类型和材料的区分。此外，它还能实现包括虚拟无碘（VNI）图像、基于增强扫描的虚拟无钙图像以及虚拟单色图像（VMI）等高级图像重建。

目前，所有主要供应商都在开发PCD-CT系统，并报告了在人类中的应用。然而，目前只有一个商用系统（NAEOTOM Alpha, Siemens Healthineers）。   

随着这些进展，PCD-CT在心脏成像中的应用越来越普遍。预计另一款来自佳能公司的原型扫描仪也将推出。今天分享一篇文章，详细讨论PCD-CT在心脏疾病中的具体应用、潜在的优点和局限性。

冠状动脉疾病

         
冠状动脉钙评分

冠状动脉钙化（CAC）评分通常使用Agatston方法在CT平扫（层厚2.5-3 mm）上进行量化，作为冠状动脉粥样硬化的指标，并可预测心血管事件。一项模拟研究显示，通过常规临床扫描协议获得的CAC评分在传统CT和PCD-CT之间相似。但PCD-CT的更高空间分辨率在较小层厚（< 1 mm）下能显著提高CAC体积的检测和估计准确性。这种提升的分辨率可能允许检测到更微小的钙化。然而，随着CT技术的不断进步，识别极小钙化的临床意义及其对患者管理和预后的影响成为一个重要考虑因素。

除了提升的检测能力外，PCD-CT技术还可能避免平扫CAC评分的需求。基于增强冠状动脉CT血管造影（CCTA）进行CAC评分具有减少扫描时间和降低辐射剂量的优势，尤其是因为CAC评分通常需要更高的kV设置。随着光谱成像技术的引入，各种研究探索了从增强图像中提取虚拟平扫（VNC）图像来估算CAC评分的算法，这些图像通过将水和碘分解成两种材料生成。然而，这种方法一贯被发现会低估CAC评分，甚至引发假阴性，从而对其临床实用性产生担忧。

为应对这一限制，推出了一种新算法，可从增强扫描中去除碘，仅在生成的VNI图像中保留钙。一项患者研究显示，与VNC图像相比，VNI图像在CAC量化准确性上表现更佳；然而，在VNI重建中，CAC评分的显著低估问题依然存在。同样，Sharma等人报告了VNI重建相对于VNC的更佳表现。然而在他们的研究中，VNI重建高估了CAC评分。结果差异可能源于VNC和VNI图像的软件版本及重建方法的不同。

目前，VNC和VNI重建均不足以完全替代传统的平扫采集用于CAC评分。尽管VNI重建可能最终消除平扫CAC评分的需求，但这些算法在临床应用中仍需进一步优化。图3a展示了使用PCD-CT进行CAC评分的示例。

图3 使用光子计数探测器CT（PCD-CT）进行的冠状动脉疾病评估。a 使用PCD-CT在增强、真实平扫、虚拟去碘和虚拟平扫图像上的钙化动脉钙评分。与真实平扫图像相比，左前降支（LAD）动脉的钙化斑块在虚拟去碘图像上更为显著，在虚拟平扫图像上则不那么显著。b 一名66岁患有稳定性心绞痛及多重风险因素的男性冠状动脉超高分辨率成像。左前降支的多平面重建（MPR）图像显示血管壁广泛钙化。MPR和横截面视图显示在LAD近端和中段无显著狭窄。c 使用超高分辨率PCD-CT进行支架成像。对一名67岁典型胸痛的男性患者进行冠状动脉CT血管造影，使用PCD-CT的超高分辨率模式。患者有LAD和左回旋支（LCX）动脉支架置入史。多平面重建图像显示LCX中支架通畅。然而，在LAD中，支架远端出现支架内再狭窄的迹象。3D容积渲染清晰显示了LAD和LCX中的支架。相应的侵入性冠状动脉造影确认了LAD中的支架内再狭窄和LCX中通畅的支架。   

冠状动脉评估

CCTA已成为疑似冠状动脉疾病患者的关键一线诊断测试。然而，冠状动脉狭窄的准确量化仍面临挑战，尤其是在冠状动脉广泛或高密度钙化的患者中。这些钙化会导致开花伪影，通常导致狭窄严重程度的高估和假阳性诊断。先前的荟萃分析表明，CCTA在患者层面上检测到显著狭窄时，其灵敏度为99%，特异性为89%，阳性预测值中位数为93%，阴性预测值为100%。

双源PCD提供的高空间分辨率和高时间分辨率在减少开花伪影方面起到关键作用。即使在超高分辨率（UHR）模式下，这种高分辨率也是PCD-CT技术的一个显著特征，使其能够比传统CT系统提供更详细和精确的成像。尽管不同系统和分辨率模式的层厚有所不同，但通常比传统EID-CT更薄（最小可达0.2 mm）。在UHR模式下，建议使用专门的锐利卷积核来最佳显示冠状动脉斑块和血管腔。图3b展示了UHR成像的示例。

在涉及14名患者的初步研究中，PCD-CT的UHR模式相比传统EID-CT，在相似剂量下提高了CCTA检查的图像质量和诊断信心。此外，一项模拟研究表明，UHR CCTA显著减少了开花伪影并改进了狭窄量化，表明其准确性更高。在Koons等人的一项研究中，对具有高密度冠状动脉钙化的患者进行了EID-CT和UHR PCD-CT的对比，结果显示，UHR PCD-CT通过减少开花伪影使直径狭窄百分比平均减少了11%。因此，基于冠状动脉疾病报告和数据系统，34个狭窄中有13个在狭窄严重程度类别上得到了降级，具体来说，9个从轻度降为极微，3个从中度降为极微，1个从中度降为轻度。此外，有2个从极微升级为轻度。需要注意的是，该比较未包括ICA等参考标准。

虽然PCD-CT的UHR模式提高了空间分辨率，但其固有的能谱成像功能同样重要。McCollough等人将利用光谱功能的标准分辨率PCD-CT与EID-CT进行了比较，结果显示PCD-CT在100 keV下有效减少了钙开花伪影，降低了直径血管腔狭窄百分比的视觉估计值。PCD-CT的光谱功能还提供了一种去除钙的重建算法，使得可以在不受开花伪影影响的情况下评估血管腔。Nishihara等人通过PCD-CT的去钙成像算法的研究显示，诊断准确性优于传统图像，并提高了严重钙化冠状动脉病变的图像解读能力。

最近，Hagar等人的一项研究集中在评估UHR PCD-CT检测重度主动脉瓣狭窄患者冠状动脉疾病的诊断准确性，这些患者被推荐进行经导管主动脉瓣置换术（TAVR）。以ICA为参考标准，该项前瞻性研究涉及68名患者，中位CAC评分为414（第25–75百分位数：125–1246）。结果显示，检测到≥50%狭窄的灵敏度为96%，特异性为84%，阳性预测值为77%，阴性预测值为97%，总体准确率为88%。   

鉴于现有证据表明PCD-CT能够有效减少开花伪影并提高狭窄评估的准确性，这一技术有潜力减少冠状动脉疾病诊断中的假阳性。在CCTA已具有较高的阴性预测值的基础上，PCD-CT甚至可能提高特异性，即使在严重钙化的患者中也是如此。这种改进可能会减少不必要的ICA和重复扫描，从而提供更为人性化的诊疗方式，最终降低成本并减少辐射暴露。

冠状动脉狭窄的功能性评估

通过CT衍生的血流储备分数（FFR_CT）对冠状动脉狭窄的功能性评估提供了另一种减少不必要ICA的有前景方法。PCD-CT观察到的冠状动脉狭窄可视化增强和开花伪影减少可能直接影响FFR_CT计算。Zsarnoczay等人展示了PCD-CT与FFR_CT的可行性，显示与传统EID-CT的高度一致性。此外，在一项涉及TAVR患者的研究中，Brendel等人发现PCD-CT与人工智能衍生的CCTA狭窄量化和FFRCT结合，可能在260名患者中的121名（46.5%）中避免ICA。这些发现强调了FFR_CT与PCD-CT结合的潜力，通过减少不必要的侵入性操作来优化患者管理策略。这对TAVR群体等体质虚弱患者尤为重要。

支架成像

在传统CT中，由于开花和线束硬化伪影，支架内再狭窄的评估仍然具有挑战性。然而，PCD-CT在提高先前置入支架患者CT的灵敏度和特异性方面显示出前景。关键在于选择合适的采集和重建参数，以适应支架成像。特别是在管电压为120或140 kV的情况下，结合锐利的支架专用卷积核的UHR成像效果最佳。目前，高分辨率在评估支架腔方面提供了最大的附加价值。然而，将光谱成像与UHR模式结合起来，有望进一步提高支架评估的诊断能力。

在Hagar等人的研究中，使用UHR PCD-CT评估了18名患者的44个支架的通畅性，与依赖于视觉评估的ICA相比，显示出较高的诊断准确率（89%）。该研究报告了卓越的灵敏度（100%）和特异性（87%），高阴性预测值（100%）以及显著的阅片者一致性，表明UHR PCD-CT在支架评估中的潜力。尽管这些发现令人鼓舞，但在PCD-CT被视为排除支架内狭窄的最终替代方法之前，还需要更多的证据。图3c展示了PCD-CT支架成像的示例。   

心肌纤维化

心肌纤维化的评估在当前实践中的应用

迄今为止，心脏磁共振成像（CMR）中的延迟增强（LE）技术被认为是无创评估心肌梗死、瘢痕及存活性（viability）的参考标准。LE成像在CMR中的应用不仅限于对心肌梗死的评估，还对任何导致局灶性心肌纤维化的病理具有重要意义。LE成像的原理基于对比剂在扩大的细胞外间隙中的积累和滞留。在急性或慢性心肌损伤患者中，细胞外体积（ECV）增大，可能是由于水肿和心肌细胞膜破裂，或者是由替代性纤维化引起的。局灶性纤维化通常通过目测或半定量评估，而弥漫性纤维化则通过原生T1和ECV映射进行定量测量。LE_CMR和T1/ECV映射能够通过可视化典型的LE_CMR模式以及原生T1和ECV图谱来区分缺血性和非缺血性疾病，如肉芽肿病、淀粉样变、扩张型心肌病和心肌炎。此外，LE_CMR上纤维化的存在和程度可能影响治疗方案，并与预后高度相关。

图4 光子计数探测器 CT 成像方案是冠状动脉评估和延迟增强成像的一站式解决方案。常规冠状动脉 CT 血管造影 (CCTA) 方案的持续时间约为 10 分钟，额外的延迟增强 (LE) CT 采集将总持续时间延长至约 15-20 分钟。不同中心的采集时间可能有所不同。只有在使用造影剂 5-10 分钟后进行细胞外容积 (ECV) 评估时才需要进行血细胞比容评估。平扫是可选的，因为它可以重建为虚拟的非碘图像。

多项研究建议在第三代双能CT扫描仪中进行LE_CT成像，作为一个合适的替代方案，相比CMR受益于更高的空间分辨率，并超越了单能CT扫描仪的分辨能力。然而，CMR仍然是参考标准，因为LE_CT的实施主要受到相对较低的对比噪声比的限制。PCD-CT可能改善这一问题，受益于显著更高的空间分辨率和改善的对比噪声比。使用LE_PCD-CT的初步案例研究显示，超增强模式与LE_CMR可视化的模式非常相似。

多能量采集可能会进一步增强PCD-CT的灵活性，因为这一方法使得同时给药的多种对比剂的分离成为可能。Symons等人在一项心肌梗死的闭塞-再灌注犬模型中展示了这一概念的可行性。通过在PCD-CT中结合碘、钆和软组织图谱，梗死的心肌可以与血池和正常心肌组织相对照，达到足够的区分，与CMR和组织病理学相比较。这在理论上可以在同一扫描中同时评估冠状动脉（使用碘）和纤维化（使用钆）。

CT细胞外容积测量

基于CMR平扫和对比后T1映射，ECV_CMR计算的定量分析反映了细胞外空间的程度。这一技术提供了重要的额外信息，不仅因为其能够量化纤维化的程度，还能够检测弥漫性纤维化和在LE_CMR成像中不易显现的早期细微纤维化变化。   

数项研究将心脏CT中的ECV成像（ECV_CT）与ECV_CMR进行了比较，在评估弥漫性心肌纤维化方面，提供了一个吸引人的替代方案。一项对17项研究的最新荟萃分析显示，ECV_CT与ECV_CMR之间具有良好的符合性和优秀的相关性。ECV_CT可以使用与ECV_CMR相同的原理进行计算，但不依赖于T1信号的差异，而是基于以亨斯菲尔德单位为单位的衰减差异。在双能CT中，ECV_CT计算的碘密度衍生方法使用生成的碘特异性图像，并不需要平扫数据。

ECV_CMR测量之前已经显示出在预后相关性方面的临床意义。在ECV_CT测量中也报告了类似的趋势。ECV_CT升高与心力衰竭住院、重大不良心脏事件和/或全因死亡风险增加相关，在多种心血管疾病的干预后病例中同样如此。

Mergen等人的一项最新研究确认了在PCD-CT中进行ECV测量（ECV_PCD-CT）的可行性，通过对30名接受PCD-CT进行术前规划的重度主动脉狭窄患者的LE扫描中的碘比率进行测量。然而，该测量与ECV_CMR测量没有进行比较。相比之下，Aquino等将29名因多种心血管指征接受CMR的患者的PCD-CT结果与CMR匹配，显示ECV_PCD-CT与ECV_CMR之间的强相关性（r = 0.82–0.91，p < 0.001）和良好的可靠性（组内相关系数0.81–0.90）。这些结果表明，ECV_PCD-CT可以作为ECV_CMR测量在心血管成像中的一个合适替代。图5展示了LE_PCD-CT和ECV_PCD-CT与LE_CMR图像的比较示例。

图5 最近被诊断为心肌梗死的 59 岁女性的短轴位光子计数探测器 CT（PCD-CT，a 和 b）和心血管磁共振图像（c 和 d）。图像 a 显示的是 PCD-CT 左心室细胞外容积 (ECV) 图，基底内外侧段的 ECV 有局灶性增高。图片 b 显示的是计算碘图，碘保留呈缺血性模式，与心血管磁共振的晚期钆增强区域相对应（图片 c）。图像 d 显示短轴 cine 图像（使用钆后），其中观察到基底内外侧段信号强度增加和区域室壁运动异常，表明发生了心肌梗死。

未来方向与挑战    

PCD-CT作为一种新型成像技术，展现了良好的前景，尤其是在心脏成像方面。除了之前提到的应用外，还有几个其他可能性值得考虑。

其中一个可能性是利用PCD-CT改善定量斑块特征化。与参考标准重建相比，PCD-CT的超高分辨率（UHR）模式显示出更低的总斑块体积和钙化斑块成分。添加光谱信息可能改善使用虚拟单色成像（VMI）重建的斑块量化。然而，需要标准化协议来确定哪些VMI最适合用于斑块体积评估。通过将高分辨率和光谱信息结合，PCD-CT能够详细描述斑块特征，包括富含脂质的坏死核心、点状钙化和斑块溃疡。这种详细的特征描述为评估斑块脆弱性和破裂风险提供了有价值的见解，这在确定患者预后和优化治疗策略中至关重要，即使是在无症状患者中也同样适用。

PCD-CT还可能在心包脂肪组织（EAT）成像中发挥作用。冠状动脉周围EAT的密度和范围作为血管炎症的标志，似乎对不良心脏事件具有预测价值。Mergen等人开展了一项研究，在一个模型中评估了不同VMI能量水平下PCD-CT对冠状动脉周围EAT的衰减测量。70 keV的VMI重建在与传统120 kV CT相比时，提供了最精确的脂肪衰减估计。在Risch等人的一项研究中，从PCD-CT血管造影数据集中得到的虚拟平扫重建与真实平扫系列相比，提供了一致的EAT体积测量，从而减少了辐射剂量和获取时间。这些发现可能有助于标准化冠状动脉周围EAT的评估。

多项研究已调查心肌灌注CT的可行性，表明其与CMR灌注成像相比具有类似的准确性。然而，碘图的评估可能由于束硬化和其他伪影而受到限制。PCD-CT可能通过减少这些伪影以及其提高的空间和时间分辨率而展现优势。将CT灌注与冠状动脉CT（CCTA）和延迟增强（LE）成像结合，在中度狭窄患者中（当血流动力学意义不确定时），有助于在一次PCD-CT检查中评估心肌缺血、冠状动脉解剖和心肌组织生存能力。这为关于再血管化的临床决策提供了一站式服务。在一项案例报告中，Polacin等人通过平扫PCD-CT检测到低密度心肌，并在来自PCD-CT血管造影图像的双能碘图中观察到相同区域的碘浓度降低，与在LECMR上可视化的缺血性透壁瘢痕相对应。

在瓣膜介入的术前和术后成像中，使用PCD-CT也可能引起关注。在术前规划中，更高的空间分辨率和减少的晕状伪影使得能够可靠地描绘重要的解剖结构。特别是在接受经导管主动脉瓣植入术（TAVR）的患者中，将LE_PCD-CT纳入其术前扫描协议甚至可以提供预后见解。除了之前提到的预后含义外，TAVR患者的术前ECV测量可以预测预后。此外，LE_PCD-CT可以帮助检测该人群中合并的心脏淀粉样变性。其识别具有预后意义，可能影响治疗策略。另一方面，在瓣膜介入的术后成像中，PCD-CT的其他优势也很有价值，例如金属伪影减少和光谱重建。这些方面有助于解决植入瓣膜中不断增加的梯度所带来的诊断困境，使得能够更准确地评估植入瓣膜，并区分术后并发症，如血栓和绒毛形成、生物瓣膜退化性疾病和心内膜炎。   

另一个由PCD-CT技术应用带来的预期前景是可能实现对比剂和辐射剂量的减少。Yu等人的研究表明，PCD-CT下的碘对比剂与水的对比噪声比比传统CT提高了25%。这意味着降低对比剂中的碘浓度可能足以实现充分的腔道可视化。此外，PCD-CT相关的增强对比噪声比可能导致辐射剂量的减少。多个研究已检验这一假设，表明辐射水平减少范围在30%至60%之间。上述PCD-CT的可能结果不仅改善了图像质量，还可能有助于减少临床成像程序中与对比剂和辐射暴露相关的风险。

所有之前讨论的PCD-CT的可能性和好处使其成为新的标准的有力候选者；然而，与PCD-CT在心脏成像中的应用相关的某些限制值得提及。首先，尽管登记系统可以提供关于PCD-CT诊断性能的见解，但需要大规模的临床试验来建立其临床效用和影响。这些研究对于探讨PCD-CT等先进技术是否能够减少下游测试、提高成本效益和通过更好的风险分层与个性化治疗方法改善患者结果至关重要。其次，各中心的成像协议和后处理技术标准化对于重现和比较结果是必不可少的。此外，PCD-CT扫描仪的可用性相对有限且成本较高，因为生产仍处于相对早期阶段。随着PCD技术的逐步成熟，生产成本可能会下降。解决成本效益问题对于将PCD-CT纳入常规临床实践至关重要。

最后，PCD-CT所提供的扩展可能性强调了心血管放射科医师与成像心脏病专家之间加强合作的必要性。这种合作对于识别相关指征、正确解读PCD-CT图像以及定义适当的PCD-CT扫描协议至关重要。

总之，PCD-CT目前通过其高空间分辨率、减少的钙化光晕、最小化伪影、精确的狭窄分级和支架成像能力，增强了诊断准确性。这些进展提高了患者的风险分层。展望未来，组织特征化，特别是通过将UHR成像与光谱信息结合，以及术前和术后成像将变得越来越重要。此外，PCD-CT在不影响图像质量的情况下降低辐射剂量和对比剂体积的潜力，提高了患者安全性。这项技术可以减少对侵入性程序和进一步检查的需求，从而改善患者结果并优化医疗资源的利用。

文献原文：Sharma SP, Lemmens MDK, Smulders MW, Budde RPJ, Hirsch A, Mihl C. Photon-counting detector computed tomography in cardiac imaging. Neth Heart J. 2024 Nov;32(11):405-416. doi: 10.1007/s12471-024-01904-5.  仅供专业人士交流目的，不用于商业用途。

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