1、Dominik FleischmannDepartment of Radiology Stanford University,追赶心脏 心脏CT发展史,2nd Symposium on Multislice CT of the Chinese Society of Radiology & Stanford University, School of Medicine August 13-15, 2009 Dalian, China,追赶心脏 心脏CT发展史 背景,全球心脏疾病负担持续上升 由于寿命延长、饮食和生活方式 冠心病是主要死因 每年死亡人数一千七百万,1972年, 临床CT诞生高时间、
2、空间分辨率心脏成像是一道难题 2001年, 引入16和64排CT (2004) 许多概念和创新孕育于19721999 年间，甚至更早；对心脏CT发展起到重要作用 心脏CT的需求推动CT全面发展 (球管, 探测器材料, 采集模式, 重建技术),追赶心脏 心脏CT发展史 内容提要,Computed Tomography (于1972年发布),Sir Godfrey N. Hounsfield 1919-2004,Alan M. Cormack 1924-1998,1979 诺贝尔医学与生理学奖,1972,source,detector,attenuation,平移旋转扫描方式 EMI扫描仪,平行束
3、投影,160 采样 180 角度 (每 1),160 采样 180 角度 (每 1),平移旋转扫描方式 EMI扫描仪,扫描时间: 4.5 分钟 !,平行束投影,source,detector,右冠右前位,CT和心脏运动,问题: 快速运动 ! 心动周期 1 s (1000 ms) 理想时间分辨率: 50毫秒,冠脉造影 (导管),CT和心脏运动,问题: 快速运动 ! 心动周期 1 s (1000 ms) 理想时间分辨率: 50毫秒,冠脉造影 (导管),解答: (a) 更快扫描 (b) ECG门控扫描(或重建),右冠右前位,前瞻触发 平移-旋转扫描的结果 (EMI 5000)(快速 注射 300mL
4、 Conray 30% I.V., in 7 min),Sagel SS, Weiss ES, Gillard RG, Hounsfield GN, et al. Invest Radiol 12:563-6, 1977,ECG 门控 CT,测量射线衰减 180 (+扇角) 机架旋转,锥形束球管探测器旋转扫描 (第三代机械CT),机架 旋转 单层 CT (70-80ies) 2 s 单层 CT (90ies) 1 s,解答 ？ (a) 更快扫描 (b) ECG门控扫描(或重建),CT和心脏运动,右冠右前位,冠脉造影 (导管),Harell GS, Guthaner DF, Breiman RS
5、, Wexler L. et al: Radiology 123:515-517, 1977,ECG 门控 CT,A technique of post data-acquisition correlation of the angular projection data using the electrocardiogram as a reference signal is described. This method produced seven “stop action“ images of the heart and resulted in delineating morphologi
6、cal detail not recognizable on the conventional CT scan.,ECG后门控,THIS SLIDE MOVE FORWARD ONE COUNT,解答 ？ (a) 更快扫描 (b) ECG门控扫描(或重建),CT和心脏运动, 单层图像 okay, 但是对整个心脏仍然太慢,Computed Tomography: 心脏 CT 的重要技术,滑环技术 机架和主机无电缆连接, 允许连续快速机架旋转 亚秒机架旋转 螺旋 CT (1990)CT 从 2D 进入 3D (容积数据) 影像技术时代多层CT (1999 to date)探测器排数增加 (2, 4
7、, 8, 16, 64, 320 ),CT和心脏运动,Problem: fast Motion ! Cardiac cycle 1 s (1000 ms) Ideal temporal resolution: 50 msec,解答： (a) 更快扫描 (b) ECG门控扫描(或重建) 心脏容积成像,右冠右前位,冠脉造影 (导管),解答： (a) 更快扫描 (b) ECG门控扫描(或重建) 心脏容积成像,CT和心脏运动,4-channel CT (2000),retrospective ECG-gating,ECG同步CT (冠脉CTA, 门控胸部),前瞻触发 (点射) - 每隔一个R波触发扫描
8、 (80-175ms) - 无(最小)重复辐射 - 需要平稳心律 后门控 (小螺距螺旋) - 冗余螺旋数据采集 (螺距 0.2) - 同步纪录ECG - 仅选取所需时相的投影数据 前瞻触发大螺距螺旋扫描 - 双源独有,ECG 后门控,t,1,2,3,4 1mm spiral 1.5 mm TI (pitch: 0.375) 1.2mm Seff heart in 30s,t,360,360,360,360,360,360,0,1.5,1,1.5,2,2.5,3,0,360,3.5,360,4 sec,ECG 后门控,4 1mm spiral 1.5 mm TI (pitch: 0.375) 1
9、.2mm Seff heart in 30s,运动伪影消除 相位相关,(30% RR),(15% RR),(90% RR),(60% RR),33 yo woman, Marfans gated chest,Aortic Root Aneurysm, Mitral Valve Prolap se and Mitral Anulus Disjunction,(64x0.6mm) Dual-Source Scanner,ECG同步CT (冠脉CTA, 门控胸部),前瞻触发 (点射) - 每隔一个R波触发扫描 (80-175ms) - 无(最小)重复辐射 - 需要平稳心律 后门控 (小螺距螺旋) -
10、 冗余螺旋数据采集 (螺距 0.2) - 同步纪录ECG - 仅选取所需时相的投影数据,冗余辐射 剂量增加 基于心电管电流调制,Hausleitner et al. JAMA. 2009;301:500-507,心脏 CT血管造影的剂量估计,Range of medians: 329-2147 mGy*cm 4.6 - 30.1 mSv,n=1965 patients, at 50 study sites,Dose-length-produt (mGy*cm),心脏 CT血管造影的剂量估计,Hausleitner et al. JAMA. 2009;301:500-507,Range of m
11、edians: 329-2147 mGy*cm 4.6 - 30.1 mSv,n=1965 patients, at 50 study sites,Dose-length-produt (mGy*cm),ECG同步CT (冠脉CTA, 门控胸部),前瞻触发 (点射) - 每隔一个R波触发扫描 (80-175ms) - 无(最少)重复辐射 - 需要平稳心律 后门控 (小螺距螺旋) - 冗余螺旋数据采集 (螺距 0.2) - 同步纪录ECG - 仅选取所需时相的投影数据 前瞻触发大螺距螺旋扫描 - 双源独有,前瞻ECG触发,t,360,360,360,360,360,360,0,1.5,1,1.5
12、,2,2.5,3,0,360,3.5,360,4 sec,4 x 2.5 mm sequential every 2nd RRheart in 30s,前瞻ECG触发 MDCT心脏扫描 (4-Channel MDCT, 42.5mm) 2000,左室血栓,探测器 (2009),Detector rows Detector Channels (n mm) width (cm) (n) GE Discovery 750HD 64 0.625 mm 4 cm 64 Philips Brilliance iCT 1282 0.625 mm 8 cm 256 Siemens AS+ 642 0.6 3.
13、8 cm 128 Siemens FLASH 2642 0.6 2128 Toshiba ONE 320 0.5 mm 16 cm 320,RSNA 2008 technical exhibition,2 flying focal spot,56 男性 胸痛 (急诊),prospectively gated coronary CTA, 5s scan time (betablocker, HR 62 bpm),GE-VCT 64 x 0.625mm,320-row Coronary CT,prospectively gated scan 160mm coverage, in less than
14、 a heart beat single gantry rotation 350ms,courtesy E. Nguyen, Univ. Toronto, Canada,19岁男性, 冠脉畸形 LAD起于RCA, 间隔支,前瞻触发冠脉CTA,无冗余辐射, 因此显著降低辐射 - (低至 2-3 mSv) * 更宽探测器 (4-, 8-, 16-, 64-) 允许更大每圈容积覆盖范围和更短扫描时间 宽探测器和短扫描时间不等同于时间分辨率 !,* Earls (2008) Radiology 246 Scheffel (2008) Heart 94 Stolzmann (2008) Radiolog
15、y 249,测量射线衰减 180 (+扇角) 机架旋转,锥形束球管探测器旋转扫描 (第三代机械CT),CT时间分辨率 = 采集 180 投影数据的时间, 1/2 机架旋转时间,单源,多 X光源,扫描时间短 (每幅成像) 时间分辨率高,from: Webb S. From watching of shadows: the origins of radiological tomography. Adam Hilger, Bristol (1990),三x光源对应三组探测器设计. 该系统只需要旋转120 即可采集全部 (360)投影数据.,Franke 专利 (1977-79),14个球管, 半桶状
16、荧光屏, 14台电视摄像机 滑环技术 15 转/分 (4s 机架旋转时间) 240 连续层 0.9mm 层厚 1/60 秒 (17ms; for 20sec) 机架重量: 13 吨 (Mayo monster),Dynamic Spatial Reconstructor (DSR), Mayo Clinic, 1980,多 X光源,EL Ritman, JH Kinsey, RA Robb, BK Gilbert, LD Harris, EH Wood. Three-Dimensional Imaging of Heart, Lungs, and Circulation. Science, N
17、ew Series, Vol. 210, No. 4467 (Oct. 17, 1980), pp. 273-280,半圈重建, 需要180投影数据 (+扇角),对于多源CT 时间分辨率如何计算 ?, 1/4 机架旋转时间, 若用双源,CT时间分辨率 =采集 180 投影数据的时间,时间分辨率 (2009),Gantry TemporalRotation Resolution(ms) (ms) GE Discovery 750HD 350 175 ms Philips Brilliance iCT 270 135 ms Siemens Definition 330 85 ms * Siemen
18、s FLASH 280 75 ms * Toshiba ONE 350 175 ms,* 1st generation, *2nd generation Dual Source CT,案例,48 岁男性 房颤69“ (175cm) 225 lbs (102kg) BSA 217HR: 32-115,48 岁男性 房颤69“ (175cm) 225 lbs (102kg) BSA 217HR: 32-115,后门控 (几乎无调制) 110 mGy; 1593 mGy*cm; (27 mSv),Dual-source CT, 85ms temp. resolution,syst (81% RR),
19、diast (32% RR),edited (-600ms),旋转阳极球管,改进 烫阳极 Coolidge 球管 (1913),GE Performix Tube,现代CT旋转阳极球管 明显变大 双 (取代单) 轴承阳极 热容量仍然有限,Straton tubePhoto: Courtesy of Siemens,Rotating Vacuum Vessel“ 飞焦点X光球管技术,Rotating Vacuum Vessel“ 飞焦点X光球管技术,Motor,Schardt et al. Medical Physics 2004; 31:2699-2706 (Coolidge, General
20、 Electric Company, US Patent 1.215.116, 1917),优点 重量轻, 机架旋转快 冷却率 4.8MHU/min 飞焦点 (4640 shifts/s),双源 CT: 技术 (第一代, Siemens Definition, 2005),双球管双探测器 飞焦点技术 FOV (A) 50cmFOV (B) 26cm双能 时间分辨率至少 85ms,Flohr, Eur.Radiol 2005,后门控, mindose 70-70, 100kV: 11.49 mGy, 192 mGy*cm 3.26 mSv,Dual-source CT, 85ms temp. r
21、esolution,第二代双源 CT: 技术 (Siemens SOMATOM Definition Flash, 2009),两球管夹角 94 FOV A: 50cmFOV B: 33cm 2100 kW 2640.6mm 38.4mm 探测器 使用双球管 大螺距 (3) 扫描 (flash mode),Siemens SOMATOM Definition Flash,单源 CT: z轴无漏扫螺距上限 1.5 双源CT: 可高达3.2, 受 SFOV影响,SFOV,z-direction,Petersilka, Eur J Rad (2008) 68, 362-368,ECG同步 CT (冠
22、脉CTA, 门控胸部),前瞻触发 (点射) - 每隔一个R波触发扫描 (80-175ms) - 无(最小)重复辐射 - 需要平稳心律 后门控 (小螺距螺旋) - 冗余螺旋数据采集 (螺距 0.2) - 同步纪录ECG - 仅选取所需时相的投影数据 前瞻触发大螺距螺旋扫描 - 双源独有(Flash Mode),Siemens SOMATOM Definition Flash,Flash Cardiac (0.28 s rotation, pitch 3.2, 2x64x0.6 mm) 进床速度 440 mm/s,1.58 km/h 0.98 mph,在低到中等心律: 于一个心跳、舒张期内、扫描整
23、个心脏！ 辐射剂量为点射模式的 2/3！,扫描时间 (120 mm heart): 0.27 s时间分辨率 (每幅图像): 75 ms,第二代双源 (FLASH) 冠脉 CT,89 kg; 230mA; 100kVp; DLP: 64 mGy*cm; 0.89 mSv,Stephan Achenbach, Univ. of Erlangen, Germany,1972年, 临床CT诞生高时间、空间分辨率心脏成像是一道难题 2001年, 引入16和64排CT (2004) 许多概念和创新孕育于19721999 年间，甚至更早；对心脏CT发展起到了重要作用 心脏CT的需求推动CT全面发展 (球管, 探测器材料, 采集模式, 重建技术),追赶心脏 心脏CT发展史 内容提要,2nd Symposium on Multislice CT of the Chinese Society of Radiology & Stanford University, School of Medicine August 13-15, 2009 Dalian, China,THANK YOU ,Department of Radiology Stanford University,
