GPS三家光子计数CT大PK：PCCT的K-edge血管成像-器械之心

我们今天来接着看最后一部分：光子计数探测器CT（Photon-counting CT, PCCT）。

在原文中对PCCT介绍的内容比较薄，大家如果想看exactly的英文原文的中文翻译可以看这一篇公众号的推文。

在本期中，Lotus主要就血管方面的K-edge成像给大家展开一下。

其他的PCCT的心脏的内容，发现要想讲明白先得铺陈很多原理，我肝不动了，等我缓一闸，再给大家更新。

K-edge 成像与造影剂

在#157的文章中，我们详述了K-edge成像。

PCCT的多能量箱的特性，能够完成常规双能量CT所无法完成的K-edge成像。

PCCT能量箱的解读详见#046

目前应用于CT扫描的碘造影剂的K-edge为33.2 keV，

目前应用于CT的X射线球管的能够产生比较稳定的光子的能量范围为40keV-100keV，

现有的球管无法完成碘造影剂的K-edge成像。

K-edge在这一范围内的元素（集中在元素周期表第6行）有：

钆：gadolinium ，64号元素，元素符号Ga(50.2 keV)
镝：dysprosium，66号元素，元素符号Dy(53.8 keV)
钬：holmium，67号元素，元素符号Ho (55.6 keV)
镱：ytterbium，70号元素，元素符号Yb (61.3 keV)
铪：hafnium，72号元素，元素符号Hf(65.4 keV)
钽：tantalum，73号元素，元素符号Ta (67.4 keV)
钨：tungsten，74号元素，元素符号W (69.5 keV)
金：gold，79号元素，元素符号Au(80.7 keV)
铋：bismuth，83号元素，元素符号Bi (90.5 keV)

目前随着各个厂家不断推出自己的PCCT技术，在关于K-edge成像上，有点儿兵家必争之地的那个意思，

导致Lotus如果脱开产品讲技术，形而上地往起拔，有点难。

所以下面Lotus将会史无前例地按照设备厂家和设备名进行解读，如果哪家厂商觉得Lotus写得有侵权啊啥的问题，

郑重说明一下，我这人没得什么节操，💰到位可以删文。

不要整我，新人怕怕，谢谢配合。

言归正传，

在双能量提出伊始，受限于能量积分探测器的能量精度，关于 K-edge成像只能停留在理论分析上。

Lotus相信随着PCCT技术的不断完善， K-edge成像会成为日后临床领域的标准成像方式。

钆基造影剂

基础信息：

钆：gadolinium

64号元素，元素符号Ga

K-edge：50.2 keV

碘基和钆基造影剂被广泛使用，并获准用于人体。

碘主要用于传统的 X 光成像技术，而钆主要用于磁共振成像（MRI）。

钆造影剂也可以用于CT成像，但是CT系统对钆造影剂的敏感性较低，

因此需要较高的钆造影剂浓度才能达到良好的基于钆造影剂的成像效果。

目前，光子计数CT（PCCT）的光子计数效率更高，因此有望提高对造影剂的灵敏度。

此外，PCCT能够实现K-edge成像，能够实现碘和钆双造影剂成像。

具体来说，

K-edge在 33.2 keV的碘和 K-edge在 50.2 keV的钆可被置于 PCCT 中的不同的能量分区中，从而在不同的单能级上实现相互分离。

西门子2能量箱：NAEOTOM Alpha

在目前的商用光子计数CT上由于没有特意设置过能量箱的阈值（在#157中提到了，完成K-edge成像的最关键的参数是能量箱宽度w），

因此体模研究表明，无法在上述CT系统上观察到钆造影剂的K-edge（Ref 96），

如下图左图（图a）所示，可以看到来自PCCT（NAEOTOM Alpha）的钆造影剂，无论何种浓度，CT衰减并没有在其K-edge 50.2 keV处发生明显的上升。

来自PCCT（NAEOTOM Alpha）的钆造影剂曲线（图a）与来自能量积分探测器CT（Somatom Definition Flash）的钆造影剂曲线（图b）几乎保持一致。

即

现有的商用光子计数CT还暂时无法完成K-edge成像，

且经批准用于人体的钆浓度几乎达不到临床相关的衰减水平。

具体来说，

研究假设临床可接受的CT衰减值为100HU，

而目前临床可接受的1.25 mmol/L和2.5 mmol/L的钆造影剂在任何单能量水平都无法达到100HU。

研究表明，若要达到100HU的水平的话，需要

40keV：5 mmol/L的钆造影剂浓度（103 HU）
50keV：10 mmol/L的钆造影剂浓度（118 HU）
90keV：25 mmol/L的钆造影剂浓度（114 HU）

作为对比，8.75 mgI/mL碘造影剂在 100 keV时可达到 106 HU。

在#157的讲解当中我们提到了，

根据大约1 mL/kg的人体标准剂量的浓度为300-370 mgI/ml细胞外造影剂，以3-8 ml/s的速度静脉注射，

经心脏循环稀释并通过肺部后，动脉系统中的浓度会降低或稀释至约10 – 20 mgI/ml。

也就是说，

对于现有的商用光子计数CT来说，还暂时无法完成安全剂量下足够对比度的钆造影剂的CT成像。

不过值得注意的是，成熟的K-edge成像通常需要进行剪影的后处理重建以增强其显示效果，

基于现有商用光子计数CT的后处理算法的开发，有望实现钆造影剂CT成像。

GE 8能量箱深硅PCCT

在#087的文章中，Lotus为大家带来了深硅PCCT（Deep-Silicon PCCT）的相关解读。

在最近的钆造影剂的K-edge研究中，采用第三代深硅PCCT原型机：8能量箱，5个固定能量箱阈值（33、44、52、60 和 80 keV）以及3个可调节能量箱阈值（Ref 97）。

研究使用了碘造影剂和钆造影剂的模拟了正常直径为3.5mm、存在钙化斑块（下图绿色箭头）、或软斑块（下图橙色箭头）的血管体模，进行了能量积分探测器（Revolution Apex）和深硅PCCT的成像对比。

如下图所示，其中虚拟单能量图（VMI）的窗位/窗宽为 WL/WW= 650/850 HU，碘图为 WL/WW = 12.5/17.5 mg I/ mL ，钆图为 WL/WW = 12.5/20 mg Gd/mL：

可以看到，

PCCT系统的空间分辨率明显提高，并且能够显著减少晕状伪影（blooming artifacts）。

基于钆的物质分离图像能够更好的将血管与背景的组织分离开。

下面的右图（图B）的结果中可以看到，

当使用15. 7 mg Gd/mL进行增强成像时，在深硅PCCT系统（黑色实线出现了先升高，后下降的CT值衰减特性）中能够识别到钆造影剂的K-edge。

由于现行CT球管的能量范围限制，无法完成对碘造影剂的K-edge成像（具体为什么不能详见#157的文章碘造影剂部分），

但是可以看到，

8能量箱的深硅PCCT系统的碘（50 mg I/mL）在40keV下的CT衰减，相较双能（2个能量箱）能量积分探测器（EID）来说，更接近理论上（蓝色虚线）的碘衰减。

钨基造影剂

基础信息：

钨：tungsten

74号元素，元素符号W

K-edge：69.5 keV

西门子2能量箱Count T

在最近的钨造影剂的K-edge研究中，

采用最新的双源PCCT原型机（Count T）：2个可调节能量箱阈值，在研究中将第一个能量箱的阈值T0定在了20keV，第二个能量箱阈值可以从50keV到90keV逢5keV进位（Ref 98）。

如下图所示模拟的3处钙化斑块（1为最小直径为1.5mm的软钙化斑块，2为最小直径为1mm的钙化斑块，3为最小直径为3mm的致密钙化斑块）的血管体模上的扫描结果表示，

下图显示了狭窄程度最高的上图中的钙化斑块3的分别使用钨造影剂和碘造影剂进行血管成像的PCCT重建图像比较。

可以看到，在 70 keV VMI 重建中，钨造影剂和碘造影剂显示出相似的血管增强。

然而，在70 keV VMI 图上，无论哪种造影剂的钙化结构的衰减都很高，即使在没有可见伪影的情况下，准确划分残余管腔也是一项挑战。

临床经验表明，在存在致密斑块的情况下，伪影会进一步妨碍对管腔狭窄的评估。

可以看到，

使用钨造影剂的 VNCa 图像中，通过物质分解减去钙，可以更好、更清晰地观察钙化结构和对残余管腔进行评估。

相比之下，在相同的实验条件下，使用常规碘造影剂的 VNCa 图像，碘和钙的分离不够充分，

基于碘的VNCa 图像中并没有去除所有的钙化结构。

这项对最新一代心血管模型的研究证实了钨基造影剂与 PCD-CT 材料分解相结合的巨大潜力。
斑块特征描述和狭窄评估的另一种方法是在较高能量下重建 VMI，因为在较高能量下，严重钙化引起的晕妆伪影会大大减少。

然而，当 VMI 能量大于约 70 keV 时，碘衰减会迅速降低，因此基于碘造影剂无法使用高keV完成成像。

钨在高达 200 keV的 VMI 能量下仍能保持较高的衰减，使得血管腔和斑块在 VMI 能量大于 70keV时仍能可视化。

此外，基于钨的高keV的CTA可以提高血管狭窄评估和斑块组成方面的图像质量，尤其是在钙化斑块密集的情况下。

在该研究中，从 40 keV 到 140 keV 的 VMI 重建以 20 keV 为单位进行重建的钨造影剂和碘造影剂PCCT图像如下图所示：

可以发现，

在较高能量下（VMI > 60 keV），斑块组成中钙化密集和钙化不密集区域的可视化效果更好。

此外，血管腔的划分也随着能量的增加而增加。

然而，当能量≥80keV，只有在钨增强 CTA 中才能发现明显增强的管腔。

钨造影剂的这一特性，能够很好的满足血流评估和斑块特征描述（如脂质成分）的评价需求。

飞利浦5能量箱PCCT

心脏瓣膜病理学的一个特点是，病变会对瓣膜本身的功能产生影响。

因此，除了直接观察和描述病变外，还必须验证瓣膜各组成部分的动态变化。

钨具有不透射线性，机械瓣膜的瓣叶是用钨制成的，可以通过 X 射线评估瓣膜的运动情况。

然而，

金属伪影可能会妨碍对机械瓣膜检查的正确解读，不仅妨碍精细分析，有时甚至只能看到瓣膜结构。

在这种情况下，

只对瓣叶成像的钨的 K-edge成像似乎是一个很有前景的成像方式，例如，钆基造影剂的CCTA。

在最近的钨造影剂的K-edge研究中，

采用最新的浮动5能量箱PCCT原型机：成像能量区间为30keV-120keV（Ref 99）。

如下图所示的2种瓣膜（A：SJM-s25；B：SJM-s17）进行了基于钨造影剂的K-edge成像，

由于钨的K-edge为69.5keV，将PCCT的能量箱的阈值调节为30keV, 50keV, 60keV, 69keV, 和80keV。

如下图图B所示，钨K-edge成像可观察到含有钨的致密结构——即金属瓣膜的瓣叶（主观评分中位数 = 4）。

与能量积分双层探测器CT（CT7500） DEDL-CT 图像（上图图a）相比，

钨 K-edge 图像上的瓣叶更清晰（主观评分中位数 4 vs 3 ; P < 0.001）。

在图b中，由于瓣膜小叶是唯一的被钨覆盖的结构，因此只有瓣膜小叶可见。

由于视野中没有可能混淆的瓣环运动伪影，这可能更容易检测出人体瓣膜功能障碍。

与传统的非钨 K-edge 的 PCCT 和能量积分双层探测器CT相比，PCCT 钨 K-edge成像得到的图像有着最低的晕状伪影和金属伪影。

但是，非常重要的一点是，

在进行 K-edge成像时，必须根据特定的元素的K-edge值调整 PCCT 的能级。

由于采集的模式为能量CT模式，仍可以从同一采集图像中重建常规图像和其他能谱图像，从而提供瓣膜其他部位和邻近组织的信息。

金基造影剂

基础信息：

金：gold

79号元素，元素符号Au

K-edge：80.7 keV

在 K-edge成像的候选材料中，金纳米粒子的应用已取得了令人鼓舞的成果。

此外，金纳米粒子具有对体内应用非常重要的高度生物相容性、密度极高和粘度低的特点。

飞利浦5能量箱PCCT

在实验中，使用 11 只雄性新西兰白兔，

在诱导主动脉球囊损伤之前，11 只兔子中有 7 只被喂食 1% 胆固醇饮食（安全饮食）2 周+ 6 周，然后换成饲料喂养 10 周（Ref 100）。

体重和性别相同的4只兔子以普通饲料喂养，作为健康对照组。

对于上述兔子，在注射 3.5 mL/kg 金纳米粒子（每mL含65 mg金原子）前后，分别于 5min、45 min、1 Day和 2 Day进行体内成像。

采用最新的浮动5能量箱PCCT原型机：成像能量区间为30keV-120keV（Ref 100）。

由于金的K-edge为80.7 keV，因此5个能量箱的设置为30–53, 53–78, 78–83, 83–98和 98–120 keV。

在随访结束时，以 2 mL/s的速度静脉注射 1 mL/kg碘造影剂（400 mgI/mL [Iomeron, Bracco]），进行主动脉 CT 血管造影。

研究设计下图所示：

动脉粥样硬化斑块内巨噬细胞吸收金纳米粒子的示意图如下图所示，可以看到金纳米粒子（AuNP）显示为黄点，巨噬细胞（Macrophage）和泡沫细胞（Foam cell）显示为紫色，脂质核心（Lipid core）显示为白色，钙化（Calcification）显示为红色，泡沫细胞中的灰色结节为脂滴【含有脂质的巨噬细胞为泡沫细胞】

下图为利用体内光子计数 CT 分子 k-edge 成像方法，结合 k-edge 造影剂金纳米粒子（AuNP），检测和量化钙化动脉粥样硬化斑块中的巨噬细胞的结果：

左图为传统 CT 图像，可以发现钙化和金纳米颗粒的CT衰减较为相似，这妨碍了巨噬细胞负荷的定性和量化。

右图为PCCT 金 k-edge 图像，可以发现其可以完成金纳米颗粒的量化，达到特异性、无创性的巨噬细胞负荷成像，以完成对易损斑块的定量化判断。

展望

低渗透压碘化造影剂（low-osmolality iodinated contrast media，LOCM）的分子具有高亲水性和高溶解性的特点，这有助于在最终制剂中实现低粘度和低渗透压。

此外，造影剂分子必须高度稳定，这是生产和确保高压灭菌的要求。

就耐受性而言，造影剂必须具有尽可能低的蛋白质结合力，并且不会被人体代谢掉。

此外，造影剂的安全性也必须有保证，需要确保造影剂能迅速、完全地被肾脏排出体外，并将潜在的不良反应降至最低。

可以说，低渗透压碘化造影剂为其他为CT研发的造影剂设定了高标准。

因此，

新的造影剂要想与 LOCM 竞争，就必须具有可比的特性，包括高亲水性、溶解性和稳定性，

以及低粘度、渗透压、蛋白结合力和不在体内代谢。

自X射线技术诞生之初，有关替代造影剂元素的研究就一直在进行。

虽然人们对碘以外的许多元素进行了研究，但由于种种原因，目前还没有一种元素进入市场。

开发具有碘以外的对比元素（如原子序数较高的元素）的对比剂可为医学成像带来诸多益处。

与碘相比，这些造影剂在 X 射线衰减方面具有更好的能量区分度，可以使成像方案更加灵活，降低辐射剂量，并为物质去成分化（如虚拟去钙）提供新的机会。

此外，使用不含碘的造影剂可消除已知过敏或甲状腺疾病患者出现不良反应的风险。

广泛应用于MR的钆造影剂可以用于CCTA成像，通过K-edge成像方式以实现更好的对致密的钙化斑块的观察和评估。

除了碘和钆造影剂外，

目前，钨（K-edge=69.5 keV） 作为原子序数较高的代表性元素，能谱衰减非常适合 K-edge成像。

且钨化合物具有良好的耐受性和高溶解性，具有很大的作为医用造影剂的潜能。

另外一种有前景的元素为铪，在大鼠体内，直径为 3 nm 的新型铪分馏颗粒可通过肾脏清除排出体外。

此外，金纳米粒子具有对体内应用非常重要的高度生物相容性、密度极高和粘度低的特点，

如果将金纳米粒子引入CT成像，可以实现CT下的活体分子影像研究。

需要注意的是，在进行 K-edge成像时，必须根据特定的元素的K-edge值调整 PCCT 的能级。

因此，浮动的能量阈值的多能量箱PCCT能够更好的适应K-edge成像的挑战。

参考文献

【对应Ref 96】Baubeta E, Laurin Gadsböll E, Will L, Holmquist F, Aurumskjöld ML. No gadolinium K-edge detected on the first clinical photon-counting computed tomography scanner. J Appl Clin Med Phys. 2024;25(4):e14324.
Holmes TW, Yin Z, Bujila R, et al. Ultrahigh-Resolution K-Edge Imaging of Coronary Arteries With Prototype Deep-Silicon Photon-Counting CT: Initial Results in Phantoms. Radiology. 2024;311(3):e231598. doi:10.1148/radiol.
Jost G, McDermott M, Gutjahr R, Nowak T, Schmidt B, Pietsch H. New Contrast Media for K-Edge Imaging With Photon-Counting Detector CT. Invest Radiol. 2023;58(7):515-522.
Si-Mohamed SA, Sigovan M, Hsu JC, et al. In Vivo Molecular K-Edge Imaging of Atherosclerotic Plaque Using Photon-counting CT. Radiology. 2021;300(1):98-107. doi:10.1148/radiol.2021203968