计算机断层扫描血管造影术（CTA）被认为是无创评估和诊断血管异常的金标准。CTA利用静脉注射高流速碘造影剂后靶血管充分强化。CTA的主要优点是应用广泛、采集时间短、空间和时间分辨率高，而主要缺点是电离辐射暴露。此外，使用碘造影剂也存在一定风险。然而，对于大多数解剖区域而言，CTA在安全性、成本以及准确性方面都远远优于以导管为基础的侵入性血管造影技术；尽管CTA已在临床上应用于多个血管区域，但仍存在一些局限性，影响了血管评估的可靠性，尤其是需要评估较小的动脉时。
目前最先进的临床CT系统都配备了能量积分探测器（EID），可提供具有定量信息的图像，如组织特异性图像和碘浓度图。多年来，这项技术的空间分辨率和对比度分辨率一直在小幅提高。光子计数探测器（PCD）是一种不同的检测概念，有望极大地改变临床CT成像。与传统的EID相比，光子计数探测器具有多种潜在优势，这些优势可以结合起来，改善和扩大CTA的诊断范围。
来自意大利的学者介绍了光子计数CT在血管成像领域的临床应用，之前分享的心血管（参见XI区：双源光子计数CT：心脏CT和冠脉CTA应用概述）及神经血管（参见XI区：双源光子计数CT：神经血管临床应用概述）的应用不在今天的讨论范围之内。
1.光子计数CT技术
PCD（上图）和传统EID（下图）的示意图。
EID由闪烁元件和隔膜组成。闪烁体将入射的X射线转化为可见光，然后被光电二极管吸收，产生与沉积能量成正比的电信号，其中还包括电子噪声。隔膜将光线引向传感器。
相反，PCD由单层厚的半导体二极管组成，在二极管上施加很大的电压；进入的X射线光子被直接转换成电子信号。电子信号经过放大和整形，其峰值高度与单个X射线光子的能量成正比。
由于PCD不需要隔膜，因此对像素间距没有技术限制，其尺寸可以大大缩小，而不会对几何检测效率产生负面影响。这就提高了空间分辨率，可用于生成更清晰的图像和显示更精细的细节。
在传统的EID中，衰减主要来自X射线管光谱中的最高能量。这会影响对比噪声比（CNR），因为不同材料之间的对比在低X射线能量下会增强。相反，PCD对所有光子均匀加权，能为低能光子提供更好的信号，从而改善碘和钙等低能高衰减物质的信号，实现最佳的CNR。能量分辨能力也是PCD消除电子噪声的关键。探测器的电子系统会计算有多少脉冲的高度超过了预设的阈值水平。通过将下阈值设定在高于电子噪声电平的水平，电子噪声产生的信号（其特点是振幅较低）就会被有效地剔除，只有进入的光子产生的脉冲才会被计数。最低阈值能量约为20 keV。在此能量阈值以下，X射线管的主光束中没有X射线，因为它们被预滤波器滤除了。
电子噪声的消除、CNR的提高和小物体的可视化有助于提高剂量效率，从而促进了新的低剂量CT采集的发展。PCCT与传统CT之间的比较研究表明，PCCT能够以较低的辐射剂量（减少43-50%）进行扫描，同时保持相似或更好的客观或主观图像质量。此外，不仅辐射剂量可能降低，碘造影剂浓度也可能降低，这对肾功能减退的患者尤其有益。
除了能量加权，利用PCCT光谱数据能量信息的另一个主要机制是材料分解。从一些能量选择图像中应用物质分解算法可生成一组基础图像图。基图的数量取决于光谱数据的数量（N个光谱数据对应N个基图），并可通过施加质量或体积守恒约束增加到N+1。每个基础图像图都包含通过逐体素方法显示的等效材料浓度。基础材料图像可以直接显示，揭示某种材料（如造影剂）的分布情况，也可以通过处理获得虚拟单色图像（VMI）、虚拟平扫图像或特定材料的彩色叠加图像。由于基于EID的CT获取的是两种能量状态下的数据，它可以将一种造影剂（如碘）从背景中准确分离出来，但却无法区分两种具有高原子序数（高Z值）的对比材料。PCD根据脉冲高度区分不同能量的光子，可同时进行多能量（N≥2）采集，具有最高的空间和时间配准，且无光谱重叠。能量方案数量的增加提高了每种光子能量的测量精度，从而获得更好的特定材料或加权图像，并改进定量成像。事实上，造影剂和钙等物质的浓度可进行定量评估，与采集参数无关。使用多能量测量的另一个好处是可以量化诊断能量范围内具有K-edge的元素，从而可以使用金、铂、银、铋或镱等碘替代造影剂，或设计新型造影剂，如针对特定细胞或酶的纳米粒子。这一独特的机遇为分子和功能CT成像以及多种造影剂同时成像扫清了道路。正如在动物或概念验证研究中明确证实的那样，PCD可以在采集时在每个体素中明确区分两种以上的造影剂，它们在同一生物系统中具有不同的药代动力学。对于每种成分，都可以生成单独的定量图，显示其具体分布情况，从而有可能提供更多的临床信息。
PCCT的另一个重要优点是减少了常见的图像伪影。消除电子噪声可明显减少条纹和阴影伪影。恒定加权可减少线束硬化伪影。尤其是高能量仓图像在提高对线束硬化效应的免疫力方面具有最大的优势。PCD由于提高了空间分辨率（减小了体素尺寸和部分体积），并改进了材料分解，从而减少了金属和钙化。
2.PCCT在心脏和神经成像之外的血管应用
下图总结了PCCT在血管方面的一些潜在应用。
PCCT在血管成像领域的潜在应用（除外心脏血管及神经血管的应用）
2.1 肺血管
肺血管疾病包括急性和慢性肺血栓栓塞症、肺动脉高压、先天性畸形和炎症性血管炎等多种不同病症。
肺栓塞（PE）是由血栓栓塞物引起的肺动脉堵塞，与高发病率和高死亡率相关。
多排CT可快速准确地排除和诊断PE，已成为首选成像方式。双能量计算机断层扫描（DECT）可在任意能量水平（以keV为单位）重建VMI，具有同时提供形态和功能数据的优势。碘图可准确描绘PE在实质灌注方面的后果，提高对小闭塞栓子的检测能力，并能对灌注缺损体积进行定量分析。灌注缺损的程度与不良临床预后相关，可用于识别需要加强监测和治疗的高危患者。下图显示了肺实质的PCCT碘灌注图。在模型研究中，PCCT在VMI重建方面取得了可喜的成果。它显示出碘定量的准确性和与基于EID的CT扫描仪相似的VMI CT值，同时提供了完美的时空对准以防止运动伪影、高空间分辨率以及改善图像噪声和CNR。因此，使用PCCT获得的VMI可以改善病灶检测，促进造影剂和辐射剂量的减少。Yalynska等人在活体中评估了PCCT不同VMI能量对诊断PE的影响，结果发VMI能量（70keV）对应的肺动脉衰减和图像噪声水平最低。此外，虽然最低VMI能量（40keV）获得的信噪比最高，但50keV的主观PE可见性最好，这几乎可以肯定是由于图像噪声和硬化伪影的数量减少所致。重要的是，使用PCCT时，低单能图像可促进碘衰减，有助于减少肺部CT血管造影的碘造影剂用量。
肺实质的PCCT碘灌注图。图中显示的是在动脉期通过常规心电门控螺旋采集整个胸部获得的肺实质PCCT碘灌注图（(A)轴位；(B)冠状位）。碘图在所有区域的均匀分布代表了肺实质的正常动脉灌注。
在Kopp等人的研究中，使用临床前PCCT和标准及高分辨率(HR-CT)模式的传统CT对一个定制的肺部模型和一只兔子的肺部进行了成像。一位经验丰富的放射科医生认为，与HR-CT图像相比，PCCT图像在空间分辨率和肺血管可见度方面显示出更高的图像质量。
Hagen等人使用PCCT和DECT扫描了100名连续的肿瘤患者，结果表明使用PCCT可以显著降低增强胸部CT的辐射剂量（根据体型特异性剂量估算，剂量降低了43%），而不会影响图像质量。结合肺血管和主动脉的测量结果显示，与DECT相比，PCCT的CNR明显更高。
PCCT性能的提高为更好地检测和量化近端和远端肺血管树的变化打开了大门。在慢性血栓栓塞性肺动脉高压（CTEPH）和COVID-19的情况下，准确监测远端肺血管受累情况尤其重要。CTEPH目前被归类为第4类肺动脉高压（PH），是一种罕见的进展性疾病，需要及时诊断和治疗。CTEPH不仅涉及近端肺动脉中的持续性血栓，还涉及微血管病变，而微血管病变对疾病的发生和发展至关重要，会导致严重的血液动力学问题。肺血管是COVID-19的可能靶点，损害的病理生理学涉及多种机制。微血管病变和微血栓的形成在COVID-19相关低氧血症中发挥了作用。因此，早期准确识别肺血管征象有助于改善COVID-19患者的预后。
一项对60名患者进行的研究表明，钆螯合物可作为一种替代造影剂，用于对禁用碘造影剂的患者进行肺血管CT检查。92%的患者血管增强效果良好/极佳，并提供了诊断信息。不过，肺血管的衰减值（350-400HU）远低于典型的碘基CT检查。钆是K-edge CT成像的理想候选物质，但DECT却无法实现。由于K-edge两侧能量箱的阈值设置会在对比度和噪声水平方面对光谱图像质量产生很大影响，因此K-edge周围两个能量箱的最佳分区至关重要。有几种方法可以优化能量仓宽度。通过PCCT进行K-edge成像有望提高整体图像质量（信噪比和对比-噪声比）和钆增强CT血管造影的诊断价值。
2.2 肝脏血管
准确、稳健地定义肝脏血管结构，即肝脏血管分割，对于肝脏疾病的诊断、射频消融和手术治疗至关重要，在肝脏移植项目中，对于准确选择潜在供体也起着重要作用。由于肝脏和血管解剖结构的高度可变性以及血管与周围组织之间的对比度普遍较低，在常规增强肝脏CT图像中进行肝脏分割仍具有挑战性。Baek等人证实，PCCT可增强肝脏中注入碘的血管结构的对比度，从而实现准确的肝脏血管分割。他们提出了一种用于肝脏血管分割的深度学习方法，并将其用于PCCT和传统CT图像，这些图像是用腹部模拟模型生成的，对肝脏血管进行了碘增强。PCD-CT数据集是利用多能量信息创建的。在三维血管结构可视化方面，使用PCD-CT进行的分割优于使用传统CT进行的分割，而且在许多情况下，可以避免对血管外围部分的错误分割。
Si-Mohamed等人在成年大鼠体内评估了高空间分辨率PCCT对两种造影剂（钆和碘）的分辨能力，两种造影剂同时使用，一种是腹腔注射，另一种是静脉注射。造影剂在造影剂图中有明显的视觉分隔，器官和血管轮廓清晰。重要的是，肝静脉和肠系膜血管等非常小的结构也能全程检测到。
2.3 胸腹主动脉
使用支架移植物进行血管内动脉瘤修补术（EVAR）是治疗腹主动脉瘤开放手术的有效替代方法。然而，在25%的患者中，EVAR会因内漏而变得复杂。CT血管造影是术前计划和术后监测的参考标准。尽管三期CT扫描具有优势，但与单期CT相比，其相关辐射暴露本身就很高。虽然单期双能量CT采用分段团注技术和虚拟平扫图像重建可显著降低辐射剂量，且不会影响内漏检出率，但无法精确确定内漏类型（低流量或高流量）。Dangelmaier等人在腹主动脉瘤模型中证实，PCCT与双造影剂注射（钆和碘）相结合，可取代平扫、动脉期和延迟期的多期CT扫描，有效捕捉内漏动态。得出的材料图可以区分碘、钆和钙，从而在单次扫描中可靠地区分造影剂渗漏和动脉瘤内钙化，并显著减少辐射暴露。关于多种造影剂的成像，Symons等人在体外和体内的大型动物模型中证明了使用PCCT的可能性，即使用四个能量仓来分离三种造影剂（钆、碘和铋）。在主动脉划定的感兴趣区内，钆和碘的时间-衰减曲线显示出造影剂的明显区别。
Sigovan等人证明了PCCT在金属支架存在的情况下改善血管成像的能力。他们用PCCT原型、双能量CT系统和64排CT系统对一只新西兰白兔的腹主动脉进行了成像，这些支架由不同的金属组成，放置在含有羟基磷灰石球的塑料管内，模拟血管钙化。与其他CT系统相比，PCCT的能谱和空间分辨率更高，可显著减少开花伪影，因此能更清晰地描绘管腔和显示支架的金属网。此外，PCCT的铂特异性K-edge成像技术可使铂支架清晰可见，并消除其他背景和造影剂的影响。
Higashigaito等人的研究首次评估了在临床环境中获得的造影剂增强腹部PCCT的质量。39名患者同时接受了PCCT和基于EID的CT，并使用相同的造影剂方案。在PCCT中，VMI以10 keV间隔（40-90 keV）进行重建。与传统的EID-CT相比，在同等辐射剂量下，以40、50和60 keV重建VMI的临床PCCT显示血管结构（腹主动脉、下腔静脉和门静脉）的CNR明显更高。这一改进可用于进一步优化辐射剂量和/或造影剂用量。与该研究一致，Euler等人在一组40名患者中发现，在40和45 keV下使用VMI对胸腹主动脉进行PCCT血管造影与相同辐射剂量的EID-CT相比，CNR显著增加。与正常体重患者相比，超重患者的PCCT CNR增益高出34%。最近，同一研究小组发表了一项涉及100名同时接受EID-CT和PCCT扫描的患者的研究，该研究分为两组。第一组有40名患者，两组扫描采用相同的造影剂方案，与EID-CT相比，使用50 keV VMI的胸腹主动脉PCCT在CNR（增加25%）和整体主观图像质量（考虑图像噪声、血管衰减和血管清晰度）之间实现了最佳权衡。在第二组60名患者中，PCCT扫描时的造影剂用量减少了25%。结果发现，在减少造影剂用量的情况下，EID-CT和50 keV的PCCT在CNR和主观图像质量上没有差异，这表明PCCT所能实现的图像质量提升可以有效地转化为低造影剂用量方案。
腹主动脉PCCT血管造影。腹主动脉的PCCT血管造影显示，肾下段有严重的动脉粥样硬化改变，多个动脉瘤节段一直延伸到肾动脉干(A-D)。在（A,B）中，CPR显示了主动脉和右髂动脉-股动脉，而在（C,D）中则显示了主动脉和左髂动脉-股动脉。钙化遍布主动脉壁和髂动脉-股动脉，对评估动脉粥样硬化导致的管腔缩小没有影响。
腹部动脉的PCCT血管造影。一名主动脉和髂总动脉动脉壁均有严重钙化的患者的腹部动脉PCCT血管造影（A-D）。曲面薄层MIP重建显示广泛的严重钙化（B,D），这可能会影响管腔评估，而在（A,C）中，无论动脉壁钙化程度如何，可视节段都完全可以评估。双侧肾动脉看起来非常宽且通畅（B,D）。
2.4 肾脏血管
容积渲染CTA已成为无创评估肾脏血管病变的重要方式，包括肾动脉狭窄、肾动脉瘤和夹层等动脉病变，以及血栓形成、脾肾分流和血管内肿瘤扩展等静脉病变。此外，CTA还能准确显示肾脏血管结构的变化，在进行任何类型的肾脏手术或介入放射手术之前都应检测到这些变化。
PCCT的固有优势对评估肾脏血管也特别有益。首先，实现剂量效率高的高空间分辨率成像可能会影响多种诊断途径，如儿童肾动脉狭窄（RAS）的检测。事实上，与成人相比，儿童肾动脉的口径较小，而且经常出现二阶和三阶分支狭窄，这可能会影响CTA在诊断儿童RSA时的效用和性能。此外，由于分辨率有限，CTA很难识别继发于小血管炎的动脉瘤，这一点已得到广泛认可。一项技术可行性研究在模型、动物和八名人体受试者身上测试了高分辨率PCCT方案（等中心0.25 mm），结果表明该方案提高了空间分辨率，降低了图像噪声，尤其是在肺部图像中能更好地显示远端血管。
PCCT的另一个重大临床优势体现在其多能量功能上。在RAS和冠状动脉疾病中，纤维组织是最主要的斑块成分，其次是纤维脂肪、坏死核心和致密钙组织。由于缺乏对患者和病变选择有利的预测指标，经皮血运重建动脉粥样硬化RAS的临床获益受到限制。对RAS斑块组成的准确评估可帮助识别那些在支架植入过程中更有可能导致栓塞的病变。在这种情况下，多能量PCCT成像与装载新型CT造影剂的纳米粒子相结合，可以克服目前传统CT的局限性。特别是，在动物实验中已证实，专为单核细胞和巨噬细胞吸收而设计的金纳米粒子可在动脉粥样硬化斑块中积聚。Cormode等人在动脉模型中证明，PCCT能够准确区分金纳米粒子造影剂、碘基造影剂和富钙材料，从而显示了对斑块进行复杂病理生理学特征描述的潜力。
3.外周动脉疾病
外周动脉疾病（PAD）是指外周动脉树的任何部分部分或完全阻塞，主要由动脉硬化引起。CTA是对PAD进行横断面成像的首选图像模式，因为它能让我们勾勒出动脉树的轮廓并确定动脉粥样硬化的负荷量。然而，密集钙化的存在可能会影响诊断的准确性，因为密集钙化会造成开花和部分容积伪影。这些伪影可导致高估狭窄性疾病。此外，钙化和碘化管腔的衰减特性可能不相上下。
PCCT本身可以通过提高空间分辨率和材料分解来减少开花，因此可以对PAD进行更详细和无创的表征。Li等人根据双能和多能CT图像的材料分解，开发了一种无需分割即可量化血管狭窄百分比面积的方法。计算机模拟证明了这种方法能够减少局部容积和开花效应。在不同狭窄严重程度、血管直径和钙化密度的模型上进行的实验表明，四阈值PCCT图像比DECT和两阈值PCCT图像能更准确、更精确地测量血管狭窄程度。此外，直接在四阈值PCCT图像上进行三物质分解可生成钙、碘和水图像。
最近的一篇综述强调，超高分辨率CT（UHR-CT）与先进的后处理技术（如减影技术）相结合，使我们能够减少钙华的影响。不过，这种方法目前尚未得到充分验证，而且会降低剂量效率。基于PCD的CT系统也采用了UHR成像技术。对人体模型和尸体标本进行的一项研究表明，与UHR-EID图像相比，UHR-PCD图像的噪声减少了29%，在图像噪声相同的情况下，可节省50%的潜在剂量。
目前，还没有系统的研究证明PCCT在外周动脉疾病的无创成像和治疗规划方面的活体性能。
股浅动脉的PCCT血管造影。双侧股浅动脉的PCCT血管造影实影渲染图（A）和薄层MIP（B），股浅动脉存在严重的弥漫性动脉粥样硬化钙化斑块。右侧股浅动脉近端和中间三分之一处闭塞，通过右侧股深动脉广泛侧支。非常细的侧支动脉在后处理图像上很容易观察到。
股浅动脉的PCCT血管造影。股浅动脉三维容积渲染图（A）和薄层MIP（B）PCCT血管造影，双侧股浅动脉存在严重的弥漫性动脉粥样硬化钙化斑块（A,B）。双侧股浅动脉近端和中间三分之一处闭塞（（A,B）：箭头所指处），股深动脉广泛侧支。非常细的侧支动脉在后处理图像上很容易观察到。
4.结论
PCCT的主要优点，如空间分辨率、信号和对比度的改善、噪声的显著降低、剂量效率和多能量能力，可能为进一步提高CTA的诊断和预后价值提供了机会。无论如何，还需要进行更广泛的研究，以证明如何将PCD的理论优势和已被证实的优势转化为临床实践。
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