服务
中心
登录
收藏
联系

  • 官方微博

  • 微信订阅

  • 兴趣部落
通知
分享
建议
顶部
收起

【经典课程】CT血管造影技术的演变

发布时间:2015-06-09作者:器械科-转载

640.jpg

通过螺旋CT结合图像容积处理,CT血管造影于20年前诞生了。由一系列的CT与图像处理技术的创新所引发的,经过之后的15年,推翻传统血管造影术---此前的70年一直是无可争议的血管疾病的诊断参考标准, CT血管造影术成为了诊断和显示大多数心血管异常首选产品。

本文回顾了CT血管造影术的演进,从其发展和早期挑战到成熟产品,提供对于心血管疾病发现和治疗独有的视野。所选的临床挑战,包括急性主动脉综合征、周围血管疾病、主动脉支架术、经导管主动脉瓣移植和评估及冠状动脉疾病,这些是关于CT血管造影是如何改变我们对心血管疾病诊断和治疗方法,并呈现了对比的例子。最后,结合最近推出了多能谱成像的功能,组织灌注成像及由迭代重建致减少辐射剂量等探索,思考对于CT血管造影术持续改进与发展。

概要

•  受卓越的技术进步所驱动,CTA(CT血管造影术)已经成为诊断并管理血管性疾病的主导影像方式。

•  CTA提供了对急性主动脉综合征病理生理学和自然历史的新见解。

•  优化的CTA技术可以综合评价外周血管性疾病。

•  经导管心血管治疗的进步,包括主动脉支架与主动脉瓣膜植入技术,与CTA所提供的新见解是相关的。

•  CT技术的创新提供了前所未有的机遇,进一步增强了CTA的安全性和临床价值。

过去的20年,血管性疾病的诊断与定性方面发生巨大的转变。随着CTA(CT血管造影)、对比剂增强法MRA(磁共振血管造影)和主动脉瘤腔内支架修复等技术的引入,20世纪90年代已成为血管性疾病诊断与治疗的黄金时期。

1990年代早期,几乎每一例准备接受血管手术、需要确诊肺栓塞、疑似创伤性主动脉损伤、颅内动脉瘤或者肾性高血压的病人,都要进行传统的诊断性血管造影检查,该项技术诞生于1924年(1),并在1953年(2)引入了Seldinger 穿刺导丝引导技术之后,被大幅改良并沿用至今。

结合注射器、胶片(自动)替换盒、透视、平片、减影技术的稳步提高,直接动脉造影术已经发展为各种血管性疾病诊断与定性的参考标准。这项技术的优势在于具有较高的空间分辨率,并且可以同时进行介入诊断与治疗。

它的局限性包括费用、不适和侵入性检查所带来的风险,尤其是无需同时进行干预治疗的时候;不能显示血管壁、血管外周组织和终末器官实质的情况;基于投影采集的性质导致三维(3D)辨别能力差;必须多次注射对比剂和反复曝光来显示空间相互关系;选择性的动脉注射对比剂导致远端管腔显示受限。

MRA(磁共振血管造影术)1986年(3、4)首次报道,这是一个令人兴奋的新技术,它依赖于流动-增强模式,待技术进一步改进,它将成为血管性疾病诊断的一种主流模式。

同时,常规CT采集10mm层厚标准(5),已经被视为一项趋于成熟的技术,正广泛应用于医疗诊断中,但是对血管性疾病评价有限,仅可以通过跟踪腹主动脉瘤的横断面图像评估主动脉破裂的风险。of CT血管造影(CTA)得以实现的主要技术支持是在1990年临床上引入了螺旋(6) (7)扫描,标志着进入容积CT时代。它的主要贡献是取代了“步进扫描”(step and shoot)的采集模式。该模式是在一次横断位图像采集的时候,扫描床是静止的,而在下一次机架旋转重启扫描前,扫描床前移至下一个扫描位置。螺旋扫描是在扫描床进动中连续采集,可在单位时间内覆盖更大的扫描范围。

其他方面的优势是可以采集静脉团注对比剂的首过(动脉期),当它流经特定的血管区域。在早期,床速受限于机架每转的层厚,例如,机架每转1秒,层厚3mm,则床速为3mm/秒。另一个限制就是X光球管热容量,它限定毫安量(也因此噪声增加),及扫描时间小于30秒,结果同样的扫描参数下最大覆盖范围是9cm(8)。

第一篇描述CT血管造影(CTA)的文章发表在1992年11月的放射学(Radiology)杂志上(9,10),并且展示了快速容积覆盖与3D可视化的可能性。

从1991年到1998年,单排螺旋CT限制了CTA进入到各个不同的血管领域。采用大于1的扫描螺距之前,一个层厚3mm,30秒的扫描,最大覆盖的范围是9cm,因此,限制了在颅外颈动脉(10)、Willis环(11),肾动脉(12,13)(图 1a)及近端腹主动脉(13)中的早期应用。

而3mm层厚是最多用于多平面重建(MPR)与3D容积再现(VR)重建,早期的CTA研究者能有效地利用螺旋CT5mm层厚重建的横断面图像来评价中心肺动脉(14)与胸主动脉(15)。

随着临床引入1~2之间的扫描螺距(16),,最大的解剖覆盖范围增加了1倍,为扩大其临床应用铺平了道路,包括急性主动脉综合征(AAS)的评价、创伤患者主动脉损伤的探查及制定动脉瘤治疗计划的关键环节-主动脉定性和定量分析。

随着研究关注在CT血管造影(CTA)扫描技术和后处理的提升,新的CTA的临床应用可以拓展到整个血管内腔、管壁以及终末器官的容积重建(14,17-22)。

随着CTA临床应用的潜力,行业寻求进一步(更大)容积覆盖通过更快机架旋转及每转可采集更多层面的多排并行探测器的开发。

1998年推出的早期多排探测器CT具有4排探测器和0.5s的旋转时间,对于相同层厚,单位时间增加了8倍的容积覆盖范围(8,23)(图 1b,1c)。

15年后,今天多排探测器CT已经发展到320排探测器,机架旋转时间最快达到270ms,并且在一些案例中双源CT允许在最多数秒内,进行亚毫米各项同性的大范围容积采集。

快速容积覆盖还能极大地减少对比剂的使用量,而无明显的血管丢失(24)。

随着多排探测器CT进入(临床),几乎所有长轴方向覆盖范围的限制都消失了,为CT血管造影(CTA)在下肢动脉系统(25),全头颈部血管系统(23),胸、腹主动脉系统(23),和上肢动脉(26)系统的成像铺平了道路。

到2002年,最后一个动脉系统-冠状动脉成像依然存在问题。然而采用4排与8排CT的冠脉血管造影的概念验证调查发表(27),16排冠脉CT血管造影(CTA)进入临床实践,伴随64排CT在2005年诞生冠脉血管造影(CTA)成为了主流。

高速的CT的飞速演变与摩尔定律保持一致,它预示着晶体管集成化的密度大约每2年倍增。

除了影响采集电路系统,摩尔定律还适用于计算机性价比的快速增加,而没有用于重建高分辨锥形束容积采集的费用和时间的增加,这由许多层面组成,这些是没有临床实用性的。

摩尔定律也直接成为CT血管造影(CTA)最终临床应用的推动者:因为一层接着一层的CTA图像并不有效和直观,可视化的CT血管造影包括表面遮盖显示,最大密度投影,和容积再现(VR)(图1b,1c)。

1CT血管造影的演变

(a):1991年12月获得的肾动脉CT血管造影图像。9厘米的纵向覆盖,采用3mm的准直线束需要30秒螺旋扫描时间。当时,表面遮盖技术是唯一的三维显示手段。最大密度投影和容积再现成像需要在高度专业的计算机系统上进行脱机处理(参考文献13)

(b):随着1998年的四排螺旋CT的引进,使主动脉-髂动脉系统(从胸廓入口开始直到腹股沟)作为一个整体仅通过一次图像采集并成像成为了可能。容积再现技术所展示的CTA图像,使用4x2.5mm的螺旋扫描模式在28秒内扫描完成。图片充分显示了主-髂动脉钙化和腹主动脉瘤(参考文献8)

(C):2001年使用容积再现技术展示的CTA图像,使用16 x1.25毫米螺旋扫描模式,仅用了21秒的时间,就完成了从颅底至踝的动脉系统扫描,离1991年第一例螺旋CT的 CTA成像只隔了10年,但是CT的扫描速度则增加了近25倍。

然而,早期数据集仅包含数十层截面,每个所需的视图方向需要很长时间在昂贵的工作站上来计算完成。

今天,许多供应商都可以提供在廉价计算机上运行的软件,基于数千幅增强CT断层图像的高级光影效果,这些软件可以获得交互式的高分辨率容积再现(VR),如自动去骨和曲面重建。

CTA数据分析已经发展成这种模式:先经专用的后处理解决方案进行定制的可视化和定量分析,然后再行横断面重建进行分析。

由于巨大的技术进步,CTA已经发展到可以为心血管疾病的诊断与治疗方面提供非常重要的见解。虽然许多CTA的应用改变了临床诊疗的标准并且值得不断的精细化,但我们还是选择特别关注的三个方面,CTA拓宽我们对人类血管性疾病(急性主动脉综合征(AAS)和外周动脉疾病)的理解,其中有指导疾病治疗方面引导(主动脉内支架置入和经皮主动脉瓣膜置换)的新策略,以及这新技术提供进一步优化(对冠心病的诊疗)的承诺。

急性主动脉综合征(AAS):新知识重新定义疾病分类

AAAS是指一系列急性的,威及生命的主动脉异常,以突然出现的剧烈胸部或背部疼痛为特征(28)。

CT血管造影(CTA)不仅彻底改变了对AAS的诊断与治疗(29),而且当扫描采集与心电图(ECG)同步时,就从根本上更易理解AAS的症状(30),它正成为对AAS进行诊断、定性、制定治疗计划的一项优越技术。除了克服因升主动脉搏动所导致误诊与虚假的病理结果(30,31),心电图的同步能对主动脉根部及相关的冠状动脉窦进行正确评价。

无运动伪影干扰的图像能够可靠的识别原发性内膜撕裂的位置,夹层的位置和程度,以及所累及的分支动脉,这对指导治疗非常重要(图2,3)。在病理学上一些常见但至今无法可视化的征象(例如,壁间血肿【IMH】内的血池与侧支血管(32))与在活体诊断图像上以前认为无法探测的细微病变能力(即,局限性夹层(30,33))等已由CT血管造影(CTA)技术引导并发展出了急性主动脉病变新的分类方法(34)。

(a-c)CT横断位图像:

(a)主动脉根部水平不规则线样阴影(箭头)

(b)升主动脉中段没有夹层皮瓣

(c)升主动脉远端可见夹在真、假腔之间的夹层皮瓣(细箭)

(d)VR重建展示夹层,近端夹层撕裂皮瓣下垂向下通过主动脉瓣膜(箭头)。细箭所指远端升主动脉的夹层皮瓣。在无ECG门控的时候,这些细微的发现并不可见。

2  45岁,男,A型急性主动脉夹层

640.png

a)上方:无心电门控的CTA显示升主动脉运动伪影,模糊;下方:12小时后,心电门控 CTA示:升主动脉近端内膜皮瓣(箭头),伴随一个侵蚀边缘的局限性内膜撕裂。局限性内膜撕裂的边缘(大箭头)和主动脉壁破坏形成的突起(小箭头)清晰可见。这些微妙细节如果没有使用心电门控是不可见的。

(b)VR重建显示腔内一侧150px长的损伤。一个小的破损皮瓣(细箭)代表撕裂的起始端,并一直延伸到主动脉弓的近端。虚线,代表撕裂的边缘。

图3  升主动脉局限性内膜撕裂


传统的AAS分为主动脉夹层、IMH与穿透样动脉粥样硬化性溃疡(penetratingatherosclerotic ulcer,PAU)(34,35),现在可通过CTA分析重新定义。

CTA技术带来的最重要的见解之一是,IMH除了发生在多种典型的主动脉夹层外,还可以发生在任何急性主动脉异常中,包括全部各种夹层,穿透样动脉粥样硬化性溃疡,以及任何病因(动脉粥样硬化、相关的连接组织、霉菌、甚至创伤后、医源性以及非医源性因素)(图4)导致的主动脉瘤破裂。

(a)横断位CT部分展示150px的降主动脉瘤(A)。IMH(开放箭头)在动脉瘤的下缘,伴有内膜钙化(细箭头)与中纵膈内持续出血(粗箭头)。

(b)斜位薄层MIP的CTA成像显示IMH(开放箭头)在动脉瘤(A)下缘,长条状的血液(实心箭头)贯穿纵膈扩展到胸膜腔,一个大的血肿(H)占据了右半胸廓的近一半位置,与低密度的胸腔积液和强化的右肺膨胀不全有明显的区别。


因此,IMH可以被认为是伴随急症如主动脉夹层,PAU,和主动脉瘤破裂的影像征象,而非目前通常所认为的IMH只是AAS一个独特“条件”的征象(34,35)。而且,主动脉夹层和PAU,与主动脉瘤破裂的IMH伴随征象也引出了这样一个问题:为什么AAS不包括主动脉瘤破裂(30)。

由ECG门控的CTA揭示了另一个完全不同的概念,它认为AAS是一系列疾病的表现,由三个主要的病理过程引起:第一组,血管中层病变导致的主动脉夹层和其变异;第二组,PAU,是动脉粥样硬化进展的表现,然后是内膜病变;第三组,主动脉瘤破裂,其临床表现与主动脉夹层和PAU明显不同(表)(30)。注意,IMH并不是这个分类的一部分,因为它可以伴随以上三病理过程,是急性过程的指征。

表:急性主动脉综合征

            描述

1              复杂主动脉夹层:主动脉夹层与变异(中层病变)

1a             经典的主动脉夹层*

1b             IMH

1c             局限性内膜撕裂(局限性夹层)*

2              PAU(内膜病变)*

3              主动脉瘤破裂*

*病变发生可与或者不与IMH相关

由于有着共同的病理改变,代表主动脉夹层及其变异的第一组病变都是动脉壁中层病变。典型夹层的征象是主动脉壁内形成一个通道或者假腔,后者通过撕裂的内膜与真腔分离(图2)。

血液常常通过撕裂的内膜流向假腔,然后再通过一个或多个撕裂破口流回真腔。无论有无明确的撕裂内膜片,当假腔内新鲜血液凝固时,就可以称之为IMH或者撕裂变异。

少数有中层病变的患者,出现表浅或者部分撕裂(相当于原发性内膜撕裂),但并没有形成一个单独的流出道,或者造成壁内血液的存留。这些少见的病变称之为局限撕裂或者局限性夹层,与典型夹层对比往往具有细微的影像改变(30,33,36)(图3)。

具有中层病变的患者,其病变进展迅速,以主动脉夹层,IMH和局限撕裂为特征,这些特征常常重叠出现(图5)。

a)正常心脏外周胸主动脉壁的分层结构:内膜、中膜、外膜。大部分主动脉壁的结构是中层(灰色)。内膜和外膜(如图,黑色主动脉壁的内外轮廓)在CT上是不可见的。所有主动脉夹层变异都发生在主动脉壁的中层。

(b)经典的主动脉夹层发生在中层结构的外三分之一,将血流分成两个通道。注意,分隔真、假腔的组织实际是中层结构,应称之为内中膜皮瓣。

(c)当分离的中层结构中充满静止血液而非流动血液时,称为IMH。

(d)局限性内膜撕裂实际指部分撕裂(箭头)穿透内膜和中膜内层,残余的中膜/外膜暴露,这导致动脉壁圆周局限性“膨胀”(箭头)。


第二组病变代表PAU,其特点是在增厚的病变内膜上,溃疡穿透了内膜的弹性层到达了主动脉壁的深层,这可能与IMH相关。伴有PAU的IMH病变通常比合并中层病变(夹层变异)的单纯IMH预后更差(37)。

第三组病变是主动脉瘤破裂,最常发生在腹主动脉(图4)。不稳定动脉瘤的特征是一层慢性的血栓包裹新鲜血液(新月征),壁内出现血液和瘤周滞留。

几乎所有AAS以及并发症的结构特征可以由现代CTA进行评估。这种综合形态学评估的普及为AAS自然病程提供了独特见解,可以精确分类,并有利于外科手术的实施和血管内治疗。

随着多排探测器CT的应用,整个下肢动脉,包括从腹股沟上方流入动脉至腹股沟下方流经动脉的CT血管造影成为了可能(25)。最初受限于需要1分钟的扫描,2-3mm的层厚,而现在64排CT使用亚毫米级别的层厚,也只需要10秒钟就能完成扫描,尽管无需如此之快的扫描速度。

下肢动脉血管造影(CTA)的纵向扫描范围通常是从胸12椎体水平到足底,扫描野25-750px,以保证足够的层面内分辨率,层面间分辨率(Z轴分辨率)通常是0.7-1.25mm(38)。虽然采用当前最先进的CT扫描设备,动脉血管造影(CTA)图像数据的采集是相对直接而简单,而与血管内对比剂到达保持同步,需要特别注意病变的下肢动脉,对比剂团注经过可能会延迟(39)。

一个简单的解决方案是特意将扫描时间延长到40秒,并且可以预设一个可选的从膝关节上缘水平到足尖水平的附加扫描程序(39)。

随着多排螺旋CT的发展,外周血管CT血管造影需要先进的图像处理工作站,以适应由1000 – 2000幅CT横断面重建图像组成的数据组(40)。因为观察横断面原始图像既不切实际又无法充分与治疗医师全面地信息交流,所以下肢动脉CTA的一个重要挑战就是可视化和后处理。

传统的3D血管成像技术,如最大密度投影(MIP)和容积再现(Volume Rendering),对于外周动脉疾病的患者常常会受限,因为近一半病人有严重的血管壁钙化或内置支架。这些妨碍了相应血管在诊断上与治疗上的可视化(41)。

血管管腔面的分析最好由曲面重建来完成,可以是每个动脉分支分别重建(25,42)或是多支血管的曲面重建(43)。下肢动脉图像的后处理工作比较耗时,要在大量容积检查数据中获得标准化的下肢动脉树图像,可由指定的专门技术人员或一个集中的3D实验室来完成。

下肢CT血管造影(与磁共振血管造影)因为其广泛的适应症(38),最重要的是指导外周动脉疾病患者的治疗计划(44),事实上已经取代了诊断性动脉内造影。其他适应症还包括急性下肢动脉缺血,创伤及解剖成像,如之前的游离皮瓣移植术(45),或疑有功能性或解剖性的运动员腘动脉受压综合征(图6)及髂动脉内纤维化(38)。

图6 :19岁,篮球运动员,在球场上跑步的时候腿部出现疼痛。CT血管造影诊断为腘动脉受压综合征。(a)跖屈应力体位(负荷状态),VR图像显示,双侧腘动脉闭塞(箭头所示),同时小腿远段动脉几乎没有显示。(b)VR使用相同的数据、运用多层次交互显示方法显示下肢肌肉,腘动脉闭塞的位置(箭头所示)相当于腓肠肌内侧头部的水平,和图a相同(c)VR-CT血管造影示静息状态下、中立位,腘动脉和小腿动脉的正常图像。(d)负荷状态下,腓肠肌内侧头部水平的双侧异常腘动脉(箭头所示)(e)静息状态下,腓肠肌内侧头部水平的双侧腘动脉

640.png

在外周动脉病变的情况下,下肢CT血管造影的目的并不是进行确诊-----诊断通常基于患者的症状、临床检查以及无创性检查如踝-肱指数,进行综合评价,其优势和意义在于呈现病变的程度和累及范围,指导治疗方案的选择。

外周动脉疾病中需要实施临床干预的主要是两类疾病:患者生活受限的重度间歇性跛行(Fontaine IIb级)和重度下肢缺血(静息痛和/或组织缺损,Fontaine III级和IV级)(图7)(46)。对于跛行患者,治疗的目的主要是缓解症状,且通常局限于膝关节以上的病变。对于重度下肢缺血的患者,要进行血运重建,从而预防组织缺损和截肢,这需要对膝关节上下的血管进行积极的血管内治疗和/或外科手术的干预。

(a)最大密度投影(MIP)

(b)多路径曲面重组(MPCPR)视图,下肢CT血管造影示双侧下肢弥漫性动脉粥样硬化性病变。髂总动脉3cm范围的闭塞,导致右下肢的血供严重损害(1),髂外动脉长度为2cm的重度狭窄(2),股浅动脉近中段狭窄(曲线箭头所指的长约125px的闭塞)(3),右侧胫后动脉起始部位发生闭塞,腓动脉在踝关节以上部位进行了代偿性血运重建(4),导致跨越踝关节处出现两支供血动脉原因。髂总动脉起始段75%的狭窄,导致左下肢血供受损(5),其造成的血运障碍重于髂外动脉的90%以上的狭窄(6,7)股浅动脉中段3cm长的闭塞(8),股浅动脉远端中等程度的狭窄(9),左侧胫前动脉自起始部位至远端的10cm范围的闭塞(10),腓动脉在踝关节以上水平进行了代偿性血运重建(11),使得跨越踝关节处出现两支供血动脉。

在MIP图像上被血管壁钙化所掩盖的病变(1,2,5,6,7),而在MPCPR视图上没有被钙化所掩盖,显示清晰。由于MPCPR图像是沿着血管中心进行重建,此时所呈现的非血管结构可能并不是标准的解剖关系。比如,在MPCPR图像中,腘动脉一侧的卵圆形高密度结构,代表的是股骨外侧髁和胫骨平台的侧面结构。

图7:右下肢动脉缺血,并脚趾坏疽。

640.png

最近的一项综合分析报导:对于间歇性跛行患者,下肢动脉CT血管造影非常精确,敏感性达95%(95%可信区间:92%,97%),特异性96%(95%可信区间 93%,97%),而且能够探测到50%以上的狭窄和闭塞(47)。MR血管造影被报告有相似的敏感性(92%-99.5%)和特异性(64%-99%)(48)。

在MR血管造影和CT血管造影这两种技术间的一项随机对照试验,比较了临床应用,患者的预后与成本,没有发现明显的统计学差异:CT血管造影有较高的诊断信心和更少的患者需要额外的血管成像,基于CTA的血管重建术后的临床疗效也更好些。MRA的成本比CTA平均高438美元(95%可信区间:255美元,632美元)(49)。膝关节以下的动脉由于受到动脉钙化的影响,故下肢CT血管造影(CTA)准确性有所下降,但是对于间歇性跛行的患者,膝关节以下血管并非治疗的主要目标,所以对这部分人群,这项技术缺陷没有太大的意义(50)。

然而,对于下肢重度缺血,同时伴有糖尿病和动脉壁钙化的病人,就需要慎重考虑这一点,而MR动态血管成像技术在这类疾病的成像方面就具有较大的优势(51)。但是,最近的研究数据表明,对于重度下肢缺血的病人,CT血管成像技术也同样可以提供准确的信息(52)。

最近,在关于CT的商业宣传中,CT双能量成像技术开始出现。理论上,在两种不同的X线能级(如 140kVp和80kVp)采集得到CT投影数据的基物质分离,可以使得碘钙分离(53)。虽然在近端大血管中能成功地鉴别高密度的血管(包含碘对比剂的血管)和高密度钙化(大的钙化斑块或骨皮质),但是双能CT还不能可靠地分离膝关节以下的小动脉血管内的钙化和碘剂,而在这些部位,这种物质分离是非常需要的(54,55)。

这可能是由于小动脉中对比剂的衰减值较低(源于部分容积效应),以及在噪声干扰下,血管壁钙化的衰减值也较低(主要是由于和当前CT系统有限的空间分辨率相关的部分容积效应)所致的低信号强度造成的。伴随着CT技术的进步,空间分辨率的进一步提高,更优秀能谱分离技术的出现,以及新的迭代重建技术的运用和后处理技术的发展,这些小的技术限制终将被克服。

主动脉腔内修复术  

Endovascular Aortic Repair

第一项:主动脉腔内支架植入术

1991年首次报告采用腔内支架植入的血管内修补主动脉瘤技术之后(56),“腔内支架”植入术即在1990年代迅速发展并商化(57)。关注于主动脉瘤最常见的类型,这些支架最初开发用于修补肾动脉水平以下的腹主动脉瘤,但很快,被扩展到修复胸主动脉瘤方面(58)。

在主动脉支架植入之前,主动脉瘤的修复还专属于外科开放手术。由于手术暴露为外科医生提供了主动脉的直接可视化,因此修补前很少要求提供主动脉特征的影像,而主要关注在明确暴露动脉瘤的上、下边界范围和相应的手术风险上及基于主动脉阻断位置(59)。手术中直接主动脉直径的测量,并由模拟植入物来确定其长度。

相对而言,腔内支架植入则需要术前主动脉成像,以定性和定量的分析。这些分析包括确定支架经动脉走行路径的匹配性,近端固定、封闭区,以及远端封闭区。对主动脉分支的识别、鉴别非常重要,包括主肾动脉、副肾动脉、肠系膜上下动脉,髂内动脉,以避免由主动脉支架引起动脉分支闭塞而导致的终末器官缺血,并且可以预测分支的栓塞部位,从而将发生II型内漏的风险降到最低。最后,对主动脉和髂动脉的定量测量非常必要,这有助于确定所需支架的规格尺寸:包括支架近端、远端的直径以及支架的长度。

虽然现在仍然以传统的血管造影技术作为评估标准,但是它在预测评价主动脉特征方面有一定的局限性,它不能确定动脉瘤血栓的来源,并且投影、放大率、视觉差异也会对测量值的精确性产生影响。由于主动脉相对于CT扫描床的纵轴是弯曲、倾斜的,所以通过CT轴位图像所测得的直径数据并不可靠,并且和观察者的主观性有一定的关系(60)。然而主动脉直径的轴位测量和其头-足方向的长度值被常规应用于确定支架的尺寸(61,62)。血管内超声(在美国)成为传统成像方法外一个非常受欢迎的辅助技术,它在测量支架的直径和长度值方面的精确性,被吹捧为远远精确于通过CT轴位数据重建所测得的值(63),但是在美国对于用于腔内支架测量最终被否定(图8)(64)。

图8:(a)矢状位,37.5px层厚MIP图像,显示腹主动脉瘤(AAA),其内可见血管内超声导管(空心箭头) 斜穿过主动脉瘤近端颈部(实性箭头)。由血管内超声导管相对瘤颈腔中轴平均倾斜21.1° ± 2.6的角度范围的图像,所测得的偏心率和瘤颈水平横截面的最大直径值要大于在CT正交截面所测得的值。(b)图为血管内超声图像(c)图为与瘤腔中轴线垂直,在计划放置支架位置的水平进行CT双斜位重建,箭头所示为肾静脉。主动脉偏心率:血管内超声测量值为为0.68,CT测量值为1.0。血管内超声导管的倾斜可能是导致大多数轴向测量值高估的原因,超声伪影也会干扰对血管壁位置的判定。注意观察超声图像所探测到的主动脉前壁到左肾静脉之间的距离。CT图像表明,这些高回声大多是伪影。(d)自动提取主动脉至右髂动脉段血管,并沿着血管中心线对每个层面进行斜位重建,然后计算出沿着中心线方向的每个横截面的平均直径。箭头所表示的点是CT横截面视图所对应的位置。在曲线中可以看到一个很小的峰(左侧箭头所示),它表示右肾动脉的起始部位最下方层面,对应支架近端的位置,峰旁显示其直径为18mm。中间最长的箭头表示瘤体最大直径,58mm。从主动脉转换到右侧髂总动脉时,横截面大小的变化非常突然(短箭头),随后直径进一步减小,表明已经过渡到右侧髂外动脉,其起始处直径只有8mm(右侧长箭头)。CT重建图像不仅可以显示各截面直径值,还可以计算整个血管路径的长度,及各节段的长度

640.png

作为一种近似各向同性容积数据采集技术,CT血管成像区别于上述血管内超声成像,它可以进行笛卡尔二维重建、曲面重建(42)以及容积再现(VR)重建(65)。血管自动分析功能,可以定量测量横截面面积、长度,动脉的曲度或扭转程度,克服了二维技术的限制,获得了真正的垂直于主动脉管腔及分别以血管的内、外壁作为参考标志的测量值(图8)(66)。CT血管造影技术,作为对主动脉瘤进行特征性成像和指导腔内支架植入计划的唯一的检查技术逐渐被接受,但直到21世纪早期才被大力认可。

在主动脉内支架手术的早期,对修复的自然进程所知甚少。由于支架计划的异常复杂,术前影像学评估的能力有限,诸如近远端封闭区是否完美,以及会否血液从主动脉中返流到动脉瘤内,支架是否会随着时间的变化而发生移位或断裂,因此术后需要更多的随访观察相比传统修补术。在腔内支架的临床试验中,将传统的血管造影和投影放射学结合在一起,作为成像标准,以识别动脉内漏、支架的移位,然而,CT血管造影很快出现作为一种更高级的检查方法,发现动脉内漏(67,68)和发现支架的移位和解体(图9)(69)。

上述这些要归功于CT断面采集技术可以去除重叠结构,并且对低浓度碘的检查具有更高的敏感性,其对内漏发现可能源于碘剂在进入瘤腔之前,经过远处起源的侧枝循环时,已经受到动脉血流的稀释(70)。最近公布的数据表明,MR成像对内漏检测可能比CT血管造影更敏感,特别是在使用血池造影剂时(71)。在这样的病例中主动脉瘤在不断扩大,CT图像上却无法发现明显的内漏,这时MR图像可能是一个非常有用的辅助手段。由于CT血管成像可以显示髂主动脉的解剖形态、位置,以及在有或无造影剂的情况下显示腔内支架整体状况的多种功能,使之成为腔内支架植入术后随访的首选检查(72)。

图9胸主动脉降部行腔内支架术后1年,CT血管造影。(a)曲面重建显示,支架近端在主动脉弓远端曲度较小的部位脱落,并导致造影剂流向支架的周围,向下行,然后螺旋形向远处扩散(箭头)。(b)冠状斜位重建,主动脉弓远端的支架位置固定欠佳,主动脉周围大部分区域充满内漏的血流。(箭头所示)(c)225px长度的降主动脉瘤的横轴位图像(放置腔内支架时,其长度测量值为175px),箭头所示为动脉瘤腔的内漏。(d,e)VR图像显示支架远端多个横向支架环(窄箭头所示)和纵向支柱(粗箭头所示)的断裂。清晰显示支架断裂的末端及环的高度分离,表明远端部位支架移位严重,并失去了整体性。可能会导致近端支架的移位、IA型内漏的发生和主动脉瘤的扩大。

640.png

第二项:经导管主动脉瓣植入术(TAVI

上世纪90年代,以主动脉腔内支架植入术为代表的革命性技术彻底改变了传统的主动脉瘤修复方法。二十年后,  经导管主动脉瓣置换术(TAVR)作为一个创新、颠覆性技术的出现用于伴严重的主动脉瓣狭窄而无法手术及高风险患者(73,74)。

2002年,Cribier等首次报告了TAVR经静脉手术的方法(75)。随后,一系列经血管的手术方法被开发应用,包括最常规的通路,经股动脉通路,还有经主动脉通路,经锁骨下动脉通路和经心尖通路,迄今为止,在世界范围内已经开展了60000多种应用方法。

相似于主动脉腔内支架植入术,第一代TAVR的开展很大程度上得益于很久以来应用的影像技术---超声心动技术的支持,它可以对主动脉瓣的局部解剖进行评价。由此得到可行但并不完美的早期效果(73,74),并导致了一些争议即除了评估外周血管通路之外,没有CT特征性影像。这种争论是由于忽略了TAVR术后产生了严重的并发症,包括主动脉瓣返流,可由随后的经食道超声心动图确诊(76),并通过对主动脉环的全面和细致的评估后而缓解

人们日益意识到,即使轻度的主动脉瓣返流病人的预后也要比只是微量返流病人有更差的预后(77)。随访发现术后30天和1年,分别有12.9%和6.8%的TAVR患者有中到重度的主动脉瓣返流,相于PARTERNER A试验的外科手术患者的发病率分别只有0.9%-1.8%(73,74)。虽然主动脉瓣返流受多种因素影响,如瓣膜钙化的严重度和偏心性及主动脉瓣解剖位置的异常,这在病因学上具有重要的意义,但主动脉环相关的被低估的经导管的心脏瓣膜尺寸也是一个公认的重要影响因素(78)。

要了解TAVR,首先要对主动脉环的非圆形形态引起重视。卵圆形的几何外形是造成主动脉瓣返流的主要原因(76)。在应用经胸壁二维超声心动技术的时候,主动脉环卵圆形结构曾被忽视,只有在CT心电门控血管造影图像上,卵圆形结构才清晰呈现(79,80)。进一步的, CT血管造影和经食道超声心动图可以对主动脉根部进行动态成像,并观察到主动脉环轮廓和形态随着心脏的周期性跳动而变化,形态的变化会受到主动脉-二尖瓣的连续性,左心房压力,和心脏血容量等因素的影响(81)。

具有各向同性容积成像及高时间分辨率的心电门控CT血管造影可提供全心周期的、可重复性的、精确的主动脉环测量值,一种可靠的测量主动脉环面积和周长的方法,它已被证实能很好地预测主动脉瓣的返流(78)。

近来,经导管心瓣膜支架尺寸测值是基于面积测量而非直径显示了更好的重复性,且一再证实对主动脉环的过高估测。这种技术已被证实能够减少主动脉瓣返流的发生及降低其严重程度,与经胸壁超声心动技术比较,减少了过分地低估或高估主动脉环的大小(82)。因此,源自CT血管造影技术的测量正成为TAVR支架瓣膜选择的标准,来优化主动脉换的尺寸测量并确保主动脉环扩边的可控性,最近有关集成了CT血管造影的TAVR支架瓣膜尺寸测量之后,大大降低了主动脉瓣返流发生的报道是令人鼓舞的(82,83)。

虽然一些研究者赞同综合多排螺旋CT的周长测量标准,但不同的工作站所测得的主动脉环的周长还是有明显差异(81)。无论是采用测量周长还是面积,CT一直可提供可重复的和精确的主动脉环的测量,这对于有轻度以上级别的主动脉瓣返流的病人来说,它比经食道3D超声心动技术测量的值更准确。对于经导管心脏瓣膜置换术而言,这些测量方法可以提供比任何二维直径值测量法更加可靠和综合性的评价,能更好地预防人工瓣膜尺寸高估及瓣环扩张。

在主动脉根部情况不佳的情况下,如左室流出道有明显的钙化,或佛氏(valsalva)浅窦,这些技术可用于适度减小人工瓣膜扩张的尺寸,或者对气囊小心地不完全充气的情况下使瓣膜张开。而未来将需要更多的研究来确定测量主动脉瓣环的最佳方法,使得主动脉瓣返流程度最小化和血管损伤之间达到最佳的平衡。毫无疑问,在过去的5年里,CT已经改变了我们对主动脉环几何结构的认识,并成为指导TAVR手术计划必不可少的组成部分。

10 (a,b)TAVR术前采集的图像(a)经胸壁超声心动图(b)84岁,男性,严重主动脉狭窄症状,多排螺旋CT检查。二维超声心动图测量主动脉环直径24.7mm,选择26mm直径的经导管心脏瓣膜(面积132.75px2),尽管主动脉环在CT图像上的面积测量值是100px2,通常根据这个测量值,会推荐使用23mm的经导管心脏瓣膜。(c)术后CT图像上显示环形但没有完全展开的经导管心脏瓣膜,原因是在单一的二维图像上测量椭圆形结构,明显高估瓣膜的尺寸。

640.png

短短20年的时间,CT血管造影已从一个新兴的成像方式,演变为一个关键的临床工具,在体内几乎所有血管性疾病的诊断和治疗中起着主导的作用。本期内容着重从冠脉疾病的CT血管造影,从临床价值、对特异性心肌缺血、辐射剂量等方面进行总结和探讨。

自1990年代以来,CT技术的快速发展实现了几乎所有血管的CT血管造影应用程序。然而,一个最重要的动脉---冠状动脉的CT血管造影依然无法开展。由于位于心脏的表面,冠状动脉一直不断地在运动。提高CT血管造影时间分辨率的策略就是要“冻结”心脏运动,并且能够清楚地显示冠脉及邻近的心脏结构。

虽然CT冠脉造影可以追溯到1990年代中期使用前瞻性心电门控触发扫描的电子束CT(84),但除了一些研究中心之外其有限的应用阻碍了电子束CT技术的发展。当多排探测器CT在1998年首次推出时,其时间分辨率远比100 – msec的电子束CT低得多。尽管降低CT床速使得回顾性心电门控的全心动周期采集叠加投影成像大大拓宽了冠脉CT血管造影的临床应用(27),然而对于四排多层螺旋CT而言,回顾性门控的实用性还是有限的。

4年中,16排多层螺旋CT的出现和更快的机架旋转大幅度地提高了冠脉CT血管造影 (85),它随着CT技术的每一次进步而继续发展和提高。今天,冠脉CT血管造影的不断发展,确立其在怀疑冠脉疾病(CAD)诊断检查中的作用(图11)。

图11:63岁,男性,高血压和高脂血症,呈现弥漫性胸部疼痛和气急。2年前的常规血管造影发现尚正常。

(a)心电门控CT血管造影显示的曲面重建显示左前降支(LAD)中段广泛非钙化斑块,造成严重的狭窄(箭头)。

(b)由覆盖整个心动周期的1 0组序列重建获得的局部心肌室壁运动的彩色编码图可映射冠脉病变与前壁和左室心尖部运动机能的减退的心功能的结果(紫色)(箭头)。

(C)冠脉病变(箭头)在随后的常规血管造影被证实。

640.png

在患者已知或怀疑有CAD的背景下,通过CT血管造影评价解剖已一再证明CAD无创性评估的整体高效性和无可匹敌的阴性预测值(86-88)。在一个包括了28项研究,涉及1286例患者的多元分析中,采用与现在稍有点过时的,64排螺旋CT技术检查冠脉狭窄50%或以上的冠脉CT血管造影,并使用常规冠脉造影为参考标准的研究,该研究报告了患者的敏感度为99%,特异性为89%,阳性预测值93%,阴性预测值为100%(89)。每支血管分析的阴性预测依然是100%。

在当前对于疑似稳定性心绞痛的指导原则中,CT血管造影术已被指定为在大多数情况下适宜于轻到中度的、之前为非诊断的或模棱两可的检查结果的患者(92)。比照慢性胸痛,急性胸痛的诊断方法更不确定。只有一小部分患者有足够明确的体征和症状证明直接推荐采用常规血管造影(93),而大多数患者被归为中等风险,定义为30% ---70%的有意义的CAD预测概率(92)。对于这些患者,需要额外的检查来避免在急诊或胸痛诊所长时间的留观所致的风险和费用。CT血管造影俨然成为一种最有效的方法可靠地排除这些疾病(93 - 95)。

两个主要的多中心随机临床试验,涉及1370例和1000例急性胸痛患者的CT血管造影与传统的护理的对比,发现在急诊科和短期急诊留观者有明显较高的直接出院率,而无主要心血管不良事件发生率的增加(93,94)。

而证据支持冠脉CT血管造影的临床常规使用目前高于任何其他的CT血管造影应用,且疑似CAD患者此类应用的数量也高于采用其他所有CT血管造影者,对CT血管造影广泛用于胸痛患者的评估所致的成本问题的过度担忧已导致在美国高度多样化的补偿和冠脉CT血管造影的利用。

这是5年后的两组关于主要不良心脏事件的低中度风险患者分析分别表明有26%-33%的CAD相关费用的减少而无不良心血管事件或与CAD相关的住院治疗的增加,接着初期评价了CT血管造影与单光子发射CT(SPECT),一线心功能评价的传统方式(95,96)。

对于冠脉CT血管造影表现的一个重要关注在于其阳性预测值不如其阴性预测值那样完美准确。鉴于鉴别诊断中CAD临床症状的高发病率,依然担心, 常规使用冠脉CT血管造影所致的假阳性结果将增加下游成本。

两种新型方法正在出现即可以通过功能信息与标准的形态学评价CT心肌灌注显像和CT血流储备分数(FFR CT)将大幅度提高冠脉CT造影的阳性预测值。前者的技术已经通过CT技术的不断进步而实现,而后者的技术要依赖于复杂的后处理及冠脉CT血管造影数据的分析。

在当前的临床实践中,冠脉病变的血流动力学相关性正是源自于利用SPECT,正电子发射断层扫描术(PET)的心肌灌注,及至最近,心脏MR灌注成像,为冠心病的风险分层,指导治疗策略和结果预测提供了方法(97)。

最初CT洞察到的心肌血供来源于诊断,“静态”的冠脉CT血管造影检查。心肌衰减模式被用来定性地评估心肌的血容量,作为心肌灌注的一项指标在首过动脉期。低密度区域伴随着相关冠脉的狭窄预示着有意义的CAD血流动力学的改变(98)。然而,这种方法的重大的局限性是近似的心肌灌注测量包括在扫描时可变的正常心肌强化及无法去量化结果。

最近CT技术的两个进步使得基于CT的心肌灌注测量变得更加完美。先前文章中谈到在下肢动脉血流评估中消除管壁钙化影响的话题,双能CT有这个潜力来解决心肌内的碘浓度问题(99)。这种方法能够改进心肌血供的CT评价结果,其与MR及SPECT灌注成像(100)相对照而大幅增加相应的解剖信息。双能CT也已被证明能够改进图像质量和减少伪影如射线硬化等在CT灌注成像方面的传统局限性(101)。在双能技术用于改善心肌灌注评价中,当在心肌灌注的首过动脉期中被用于单期项采集的一部分时,它的定量能力是有限的(98)。

这后面的问题可以通过第二个进步来解决,即当对比剂流经心肌时提供宽探测器和快速穿梭容积成像,从而得到动态CT心肌灌注成像(图12)。动态碘对比的CT灌注能提供一个绝对定量测定心肌血流量,它优于MR(心肌灌注),后者的心肌信号与钆浓度之间呈非线性关系(102)。

图12:71岁,男性,冠心病史,三支冠脉搭桥术后,复发心绞痛。

(a)药物负荷试验,具备时间分辨率的CT心肌灌注图与冠脉CT血管造影解剖图叠加显示移植到左前降支(黑色箭头)的左内乳动脉闭塞,与之关联的负荷诱导的灌注缺失的在左室前壁心肌(白开箭头)。

(b)健康的(实线)和病变的心肌(虚线)在整个CT灌注持续时间内的衰减值(时间密度曲线)显示缺血心肌有持续的轻度强化。

(c)药物负荷SPECT研究呈现的灌注缺失与CT灌注结果有很好的关联,在相同的位置(箭头)。

640 (1).png

动态CT灌注测量研究支持阈值在75-90ml˙100ml-1˙min-1,低于该值冠脉病变应考虑有血液动力学意义(103 - 105)。对动态CT灌注的一个担忧是与大范围采集相关的辐射剂量的增加;但是,据报道辐射剂量是类似于SPECT灌注成像(105),即获取灌注信息的传统方法。

此外,随后将要讨论的,迭代重建方法的进步对于CT将进一步减少辐射。

然而用CT评价心肌灌注的这些成果目前还相对处于初期阶段,但是将单一设备用于心脏缺血疾病检查,获得全面的解剖和功能评价,其吸引力还是无比巨大的。正当撰写这篇文章的时候,来自众多的单和多中心测试进行中的临床性能数据正期待着CT灌注在CAD诊断方法中所起的作用。

以往稳定型心绞痛的治疗专注于通过造影测量血管直径减少的解剖狭窄血管的重建。最近的数据表明由侵入性测量血流储备分数(FFR)确定的病变特异性缺血所导向的血管重建可提高无病生存率,高于仅根据血管造影术(106)。

冠状动脉FFR是以一比值来衡量,即以药物诱导血流最大化后,冠状动脉狭窄远端的收缩压除以升主动脉收缩压。已经证明目测乃至定量评估血管狭窄与传统的造影或冠脉CT血管造影一起对于病变特异性缺血可提供有限的信息(106,107)。计算流体力学的进展和基于图像的建模以及冠脉CT血管造影图像质量的持续改进,已可以从常规的静息冠脉CT血管造影的图像来计算冠脉血流和压力(108,109)即允许FFR的计算而无需修改成像协议,增加图像,增加射线照射,或添加药物应激剂。

冠脉的血流量和压力可采用流体力学调节方程式(Navier-Stokes)推导获得,但直至最近依然没有计算能力或合适的非侵入性的冠脉模型被使用来推算无创的FFR。更完整的方法关于详述FFRct推导的基础超出了本文的范围,并已在其他文章有详细的描述(110)。

而只有一个新的进展,有越来越多的证据表明,以侵入性FFR为参考标准,高性能的FFR CT对于病变特异性缺血诊断有高的诊断准确性(图13)。最重要的,所有直至现在发布的数据显示FFRCT比单一的冠脉CT血管造影具有优势。

图13:70岁,女性,伴胸痛。(a)冠脉CT血管造影显示50% -70%左前降支(LAD)狭窄(箭头)。(b)冠脉造影显示LAD狭窄(细箭头),它测得的狭窄在定量冠脉造影为58%。FFR测值为0.88,伴随LAD远端的负荷传导为腺苷诱导充血(粗箭头),表明缺乏功能(血流动力学)意义。(C)FFR CT计算值的彩色编码映射到CT血管造影VR(容积再现)图上显示LAD狭窄(细箭头)。FFR CT值为0.85于狭窄远端(粗箭头)在FFR实际测量位置见b图。

640 (2).png

一项前瞻性,多中心的国际试验发现,FFRct在所有诊断测量方面的表现已超越CT血管造影而成为缺血的预报者(108)。对于病变特异性缺血,FFR CT比CT血管造影显示有更高的识别能力(曲线下面积:0.90 FFR CT vs 0.75冠脉CT血管造影,P =0.001)。研究人员还发现,CT血管造影显示的传统的解剖狭窄特征在FFR CT上只极少被加得上。

此外,一个明显的临床挑战,58%的患者通过定量冠脉血管造影至少有一支为40%-69%狭窄,其中47%的病变与经FFR发现的缺血相关。对于这些中等度冠脉狭窄,FFRCT展示了诊断准确性,敏感性,特异性,阳性预测值,和阴性预测值分别为86%,90%,83%,82%,和91%,比对的标准CT血管造影相同各项测值分别为56%,90%,26%,52%,和75% (111)。

最近,一个更大规模的试验证实,在逐一病例分析中,对于冠脉狭窄50%或更高所致缺血预测FFRct优于传统CT血管造影,显示更好的病变识别率 (曲线下面积:0.81和0.68,P =0 .0002)(109)。当一个决策规则被用一项分析:只有2毫米或更大的血管被包含在其中且所有血管狭窄小于30%被认为是非缺血性时,FFRct的表现是非常令人满意的,准确率达到了92%,而以CT血管造影为基础的鉴别血管狭窄的准确率为68%(P<0.0001)。

而当最后主要的应用进入到临床邻域,结合了CT制造商非凡的技术发展,图像处理和分析的进步,以及来自于放射学和心脏病学领域研究人员的奉献精神和创造力使得用于冠心病(CAD)的CT血管造影术经历了其应用层面的最为深刻的转变。基于迄今为止获得的知识和进一步创新的轨迹,冠脉CT血管造影有望不久的将来在CAD的诊断和治疗中将发挥重大作用。

对于由CT利用率增加带来的潜在风险,普通出版物和专业文献中对此的关注度也在推进。这些关注主要集中在辐射(112),特别是对儿童(113)。然而,依然有大量的不确定性存在于医学成像时由辐射所诱发癌症的随机风险。根据现有证据,一个成年人,医学成像的有效剂量在短时间时间内低于50 毫西弗(mSv)单个程序或100毫西弗(mSv)的多个程序,其风险很可能过低而不被流行病学检测发现,或可能是不存在的(114)。

然而,由于这些不确定性,医学影像必须始终保持警觉以确保医疗成像程序被用于适当的指征和采用最低的辐射剂量,即获得必要的临床信息以至于成像的风险不超过因其而来的好处和在最低允许剂量下扫描(115)。

这些原则的实现是由于CT技术的最新进展,特别是迭代重建算法的重新引入和改良代替了背投影过滤法(116),这大幅地减少了CT血管造影术的辐射剂量,并将继续做进一步改良和发展(117)。

在短短的20年里,CT血管造影已从一个新兴的成像方式,无法涵盖大多数血管领域,演变为一个关键的临床工具,在体内几乎所有血管性疾病的诊断和治疗中起着主导的作用。CT的采集和图像处理技术的科技发展促使伟大的创新和重要的发现,没有迹象表明这种趋势会放缓。事实上新的CT扫描仪形态的演变发展,替代性的原始数据重建策略,和成熟的后处理技术为CT血管造影术的进一步发展铺平了道路,在预测心血管病变的临床重要性和指导它们的有效治疗方面提供更多的关联性。


中国康复器具协会 | 中国医疗器械行业协会 | 中国医学装备协会 | 国家食品药品监督管理总局 | 中华人民共和国国家卫生和计划生育委员会 |  中国医疗健康产业发展策略联盟 | 中华医学会