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导读回顾性心电门控冠脉CTA
冠脉CT造影检查已经成为心脏病诊断的主要手段。以美国心脏病学会为首的权威机构发表的联合声明中提到，在一些临床情形下，CT冠脉造影被认为是诊断有无冠脉狭窄的“恰当”方法。而要可靠地显示并分析细小的冠状动脉（直径通常在2-4mm），就要求CT图像有优良的图像质量及尽可能高的分辨率。本节我们详细介绍回顾性心电门控技术的原理，时间分辨力的原理和改善时间分辨力的方法，为了更好的说明心电编辑的方法，我们精选了三个病例，帮您更好的学习心电编辑的技巧。对于三低扫描的技巧我们也有一个病例介绍。通过图文并茂的方式展示其原理及技巧，希望能对您的日常工作有所帮助！
本系列文章包含以下部分内容。
1.回顾性心电门控冠脉扫描基本原理
2.时间分辨力-原理和方法
3.心电编辑的方法与技巧
4.室性早搏的心电编辑技巧
5.绝对时相的使用技巧
6.心律不齐的心电编辑
7.SOMATOMPerspective冠脉CTA低剂量及对比剂注射方案优化策略：我怎么做？
1前言
CT的应用已有30多年历史，近年来心脏成像一直是CT发展的重要领域。心脏的搏动在给成像带来巨大挑战的同时，也推动着心脏CT技术的飞速进步。CT技术的发展一直紧紧围绕着提高时间分辨率、空间分辨率以及z轴的覆盖范围这三个主要方面1。其中最关键的无疑是时间分辨率。Temporalresolution通常被译为时间分辨率。率，是一个比值的概念，而temporalresolution是一个以毫秒为单位的参数，所以笔者认为译为时间分辨力更恰当。
2什么是时间分辨力：
时间分辨力表示的是图像重建数据的采集时间，是评价CCTA图像质量的重要参数[1]。它由两个因素决定，CT转速和图像重建数据量，比如转速为ms的CT，采用°数据重建图像，则得到时间分辨力为ms的图像；采用°数据重建图像，则得到时间分辨力为ms的图像。图像时间分辨力越高，其重建数据采集时间越短；图像时间分辨力越低，其重建数据采集时间越长。
3高时间分辨力的重要性：
由于受到心脏规律搏动的影响，冠脉处于规律运动的状态，所以想要获得清晰的冠脉图像，就需要使用冠脉处于相对静止期时的数据重建图像。而低时间分辨力图像的数据采集时间长，很可能包含了冠脉的运动期相，而高时间分辨力图像相对低时间分辨力图像，运动伪影更少，更利于诊断[3]。并且，心脏的相对静止期会随着心率的加快而明显缩短，所以当时间分辨力不够高时，需要对受检者心率有所限制。比如一般64或层CT冠脉检查需要服用倍他乐克将心率控制在65bpm以下[4]。因此，我们需要能够获得更高时间分辨力图像的CT，来提升图像质量、提高检查效率，满足临床对高心率、复杂心律的检查需求[1,2,4]。
4如何提高时间分辨力：
1提高转速
提高转速是提高时间分辨力最直接有效的方式。冠脉CTA的开展正是由于CT转速的提高而逐步普及。但提高CT转速也是最困难的方式，从16层CT的0.5s到64层CT的0.35s，层CT的0.3s，Flash双源CT0.28s，再到目前旋转速度最快的Force开源CT的0.25s，每一次转速的提升不仅是简单地提高驱动力的问题，还必须要解决由于机架高速旋转产生的巨大离心力所带来的机械工程和极高的采样速度等相关的一系列问题[1,7,8]。
2半扫描重建技术
基于CT成像的基本原理，可以通过减少图像的重建数据量来提高时间分辨力，即半扫描重建技术。半扫描重建技术是由PartialScanreconstruction（部分扫描重建）发展而来。对于采用扇形束的CT，重建断层图像需要的最小数据称之为PartialScan。部分扫描重建的扇形数据必须覆盖的投影角度为°加上扇形X射线的宽度，大约为°，因此图像时间分辨力也大约相当于°数据的采集时间（转速的三分之二）。为了获得更好的图像时间分辨力，可以应用优化的HalfScanreconstruction（半扫描重建）。首先，将部分扫描数据的扇形束结构转换为平行束结构，这一过程称为rebinning，即数据的重新排列，经过运算，将数据转换为°的平行束数据。但这样会出现扫描野内不同位置时间分辨力不同的情况，可能达到旋转时间的2/3，也可能低至旋转时间的l/3。这时，我们需要用时间敏感度曲线的半高宽（类似于层敏感曲线）来表示断面图像的时间分辨力，这一数值等于旋转时间的一半。所以，尽管同一层图像内时间分辨力有差异，但是图像整体的时间分辨力等于旋转时间的一半。需要特别注意的是，在冠脉扫描时，为了获得稳定一致的时间分辨力，应该将心脏定位于扫描FOV的中心[1,8]。
图1半扫描技术的基本原理
半扫描（“half-scan”）原理基于平行光束扫描的图像重建数据。在扇束几何扫描数据(a)获得与扇束投影角α和扇形光束角β转化为平行束几何形状(b)与平行光束投影角Θ和平行光束位置使用面元重置”rebinning”）技术和二维插入。不完全平行投影中采集的扇束数据在重建中被忽略。数据转换范围可以平滑过渡加权从而减少数据不一致导致的伪影。
3多扇区重建技术
在一些情况下，仅仅应用半扫描重建技术，即使目前旋转速度最快的CT所提供的时间分辨力还是不能满足心脏CT成像要求。这时，就需要依赖其他的数据处理技术来提高时间分辨力，如多扇区重建技术。该技术的原理是利用同步心电信号，从不同的R-R间期收集同一层面、同一期相但不同角度的投影数据，组成图像重建所需的全部投影数据，然后再通过Z轴线性插值和心脏半扫描
重建算法得到所需期相的冠脉图像。但多扇区重建技术存在两大问题：第一，多扇区重建技术只能对某些特定心率达到成倍增加时间分辨力的效果。只有当心率与CT转速恰好不同步，同一期相不同扇区的数据能够很好匹配并组成完整的度平行重建数据，重建数据才会被平均的分配到每一个扇区，达到成倍增加时间分辨力的效果。当心率与CT转速恰好同步，同一期相的不同扇区的得到的是一样的角度的重建数据，与单扇区是一样的效果。当心率与CT转速部分不同步时，重建数据会不平均的分配到每个扇区，图像时间分辨力介于上述两种情况之间。如图2所示。
图2a对于双扇区重建同时系统转速和心率完全不同步时，第二个子扇区的数据与前一个没有重叠，因此时间分辨力为Trot/4.
图2b如果系统转速和心率部分不同步时，来自最长时间数据间隔的子扇区的数据决定了图像的时间分辨力。
第二，由于多扇区重建中一幅图像应用的是不同R-R间期的数据，所以要求在扫描期间内，不同R-R间期心脏的运动必须保持一致，也就是说，扫描期间内患者的心率不能发生显著变化，否则不同R-R间期的数据就不能够准确的匹配，导致图像质量下降。一些研究的结果也验证了这一点，只有在心率波动范围低的前提下，应用多扇区重建才能改善冠状动脉图像的质量。第三，由于多扇区重建技术要求心脏的每个z轴方向上的位置在所需的每个心动周期的各个时相都要有探测器覆盖，所以螺距必须受到心率和采用扇区数目的限制，螺距过大将会数据缺失。具体公式如下：
N表示探测器排数，S表示扇区数目，Trot表示转速，TRR
表示RR间期时间。
从公式中我们可以得知，扇区数目越多，螺距越小。而螺距越小，扫描曝光时间越长，患者接受的辐射剂量也会大幅增加。因此，有研究建议应该尽量避免使用多扇区重建[1,9,11]
图3使用转速为0.33s/rot的设备，至多四扇区重建的自适应多扇区重建技术的时间分辨力变化情况。使用四扇区重建时，只在特定的心率时时间分辨力会增加到Trot/8.使用四扇区重建时，随着心率的微小变化，时间分辨力变化非常明显。最大值和最小值均强烈依赖设备转速。时间分辨力在临床中可能很难预测，因为时间分辨力随着心率和转速而变化非常剧烈，特别是使用三扇区或四扇区重建时。
图4三扇区重建数据，每个扇区由于心率不同和转速影响而时间宽度不一致。a第一个心动周期的数据由于最长的时间数据间隔，决定了时间分辨力。但是由于冠脉解剖位置在连续的心动周期中会有轻微的移动，这可能导致数据不一致性和模糊伪影。b在这个例子中,冠状动脉造影显示右冠中心线在连续的三个心动周期中的位置变化。
4软件算法技术
iTRIM（IterativeTemporalResolutionImprovementMethod）是一项用来提高时间分辨力的新型CT图像算法。iTRIM的算法原理是基于运动伪影的出现并不会显著改变图像CT值直方图的观察结果。首先，采用°数据和加权滤波反投影法重建图像（WFBP图像），并计算出图像中每个像素和它周围小区域内的所有像素CT值的直方图。然后，使用°数据进行迭代循环运算得到图像。为了加快迭代运算的收敛速度，°数据重建的WFBP图像将作为迭代运算的初始图像。迭代循环运算包括两个步骤：第一步，初始图像将被更新为采用°数据和SART（SimultaneousAlgebraicReconstructionTechnique）算法的图像（iTRIM图像）。第二步，经过SART迭代运算得到iTRIM图像后，每一个像素都会根据在初始图像得到的CT值直方图，被加以校正。与WFBP图像CT值直方图相符合的像素不会被改变；CT值偏离WFBP图像CT值直方图的像素会被加以校正。最后，在完成迭代循环运算后，将会执行运动探测技术以进一步改善图像。运动探测技术是通过重建相邻心脏期相的图像作为运动参考图像，并比较之前得到的WFBP图像和运动参考图像之间的差异，并会对差异做阈值设定。运动差异低于最低阈值的区域将会使用WFBP图像（°数据）；运动差异高于最高阈值的区域将会使用iTRIM图像（°数据）；为了让图像更平滑，对运动差异介于高低阈值直接的区域，使用WFBP图像和iTRIM图像线性融合的图像。目前，iTRIM技术只配置在SOMATOMPerspectiveCT机型，将单扇区时间分辨力提高到ms[12]。
图5：冠脉图像重建对比：（a）使用°度投影的传统重建算法（WFBP），运动伪影非常明显；（b）使用°度投影的传统重建算法，无法清晰成像；（c）使用°度投影的iTRIM冠脉自动对焦技术，消除运动伪影，图像清晰完美.
图6A为SOMATOMDefinition的原理图，B为SOMATOMDefinitionFlash的原理图。使用两个球管同时曝光每个探测器只需采集约1/4圈数据即可完成心脏的重建，使得时间分辨力提高约一倍。
图7舒张期相对静止期持续时间与时间分辨力的关系心率在90bpm以下时，需要时间分辨力达到ms，心率在90bpm以上时，需要至少ms的时间分辨力。
图8Flash双源CT肥胖患者冠脉CTA扫描方案，通过牺牲时间分辨力，使用超过°的数据来改善图像质量。需要注意的是，即便使用了最多的ms时间分辨力的数据，此时间分辨力依然高于常见的单源CT。
5多球管多探测器技术
提高时间分辨力还可以应用多球管多探测器技术，也就是目前临床上所应用的双源CT。双源CT配置了两套X线球管和探测器，两套系统在X-Y平面上间隔90°，并且扫描时同时采集数据。在扫描过程中，每套系统只需要旋转90°就可以采集到所需要°的投影数据，这样就相当于在单个R-R间期内实现了双扇区重建，同时还消除了不同R-R间期数据不能准确匹配的问题，使单扇区重建的时间分辨力提高到66ms。双源CT的时间分辨力得到空前提高，可以进行不限制心率的冠状动脉扫描，不需要服用降低心率的药物，即使是高心率的病人，也可获得满意的图像质量，真正满足了冠状动脉CT成像进入临床的需[7]。相对于其他宽体单源CT，双源CT的时间分辨力明显提高。
表1目前各型号高端CT的时间分辨力
由于转速的限制，目前单源CT还不能达到ms以内的单扇区时间分辨力，因此在数据采集前需要控制患者心率以保证检查成功。
5时间分辨力的特殊应用：
提高时间分辨力能帮助我们获得更清晰的图像，但由于只采用°数据重建，所以图像噪声会增大，尤其是对于体型肥胖的受检者。虽然图像时间分辨力高了，但过大的噪声也影响了诊断。针对这类受检者，双源CT提供了特殊的检查方案，扫描完成后可以选择采用了多于°数据重建，降低图像噪声，提高图像质量，但需要对心率做相应控制。但即便是这样，时间分辨力依然高于常见的单源CT。
6时间分辨力的展望：
根据心电理论，心脏的每一个节律周期活动中，都是电活动在前，机械活动在后，两者相差40ms左右，这就是心脏的绝对静止期。所以，当CT最大时间分辨力达到40ms甚至更高时，可以在心动周期的任意瞬间清晰成像，真正做到无限制心率扫描[12]。这需要克服巨大的工程机械难题、更创新的设计、更先进的图像算法，或许在不远的未来就会实现。
7未完待续：
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