2040年的心脏成像技术概述

目录

1. 导读

2. 背景

3. 冠状动脉CT血管造影将实现全自动化

4. 冠状动脉CT血管造影术包括对冠状动脉血流和压力梯度的估计

5. 冠状动脉CT的主要用途将用于预防性心脏病

6. 光子计数CT将取代传统CT用于冠状动脉评估

7. 光子计数CT将实现常规斑块表征和定量

8. 下一代心脏CT将变得更像MRI

9. 下一代心脏MRI将变得更像CT

10. 多模态成像具有无限潜力

11. 心脏代谢成像将加速发展

12. 将开发心脏相位对比CT

      

1. 导读

     

这篇文章的主要内容是关于心脏成像技术在未来二十年内的发展趋势和预测。它列出了未来二十年内心血管成像领域的十大发展趋势，包括自动化冠状动脉CT成像、冠状动脉CT血管造影术包括对冠状动脉血流和压力梯度的估计、光子计数CT将取代传统CT用于冠状动脉评估等。文章还讨论了这些技术在诊断和治疗心血管疾病方面的应用，并提出了一些未来可能的研究方向。

2. 背景

这里有两类心脏病。最常见的一类是冠状动脉的动脉粥样硬化性疾病。当我们20多岁时，动脉粥样硬化疾病开始影响我们的冠状动脉，但在30年或更长时间后表现出来。肥胖和糖尿病的迅速发展加速了疾病的进程。其根本原因是动脉粥样硬化斑块，在美国每年导致超过80万例心肌梗死。大多数患者在心肌梗死后存活下来，这些患者有缺血性心力衰竭和致命心律失常的风险。

另一类心脏病是起源于心肌本身的非缺血性疾病。这些异常可能是由于收缩不足（如肌肉营养不良）、浸润性疾病（如纤维化、淀粉样变性）、心律失常或多种其他原因造成的。这些情况还会导致心力衰竭和/或致命的心律失常事件。

无创成像（超声心动图、核磁共振成像、CT、核成像）在确定缺血性和非缺血性心脏病方面都非常精确。对于缺血性心脏病，过去十年的量子成像进展是在CT上对冠状动脉的常规描述。对于非缺血性心脏病，在过去20年中，通常使用MRI，进展被更好地描述为稳步改善。相应地，常规核成像在冠状动脉疾病中的应用已经减少，而在特殊情况下进行分子成像诊断的机会仍然存在。在本文章中，我们概述了心血管成像的十大发展趋势，其中一些极有可能发生，而另一些则是未来20年的理想发展。在几乎所有的例子中，我们都希望人工智能（AI）能够支持或完全实现这些进步。

3. 冠状动脉CT血管造影将实现全自动化

冠状动脉的CT正变得非常普及。在CT血管造影术普及的过程中，心脏成像长期以来一直受到后处理困难的困扰。对于冠状动脉评估，心脏科医生对单个复杂病例进行1小时或更长时间的分析在10年前并不罕见。如今，即使没有人工智能，冠状动脉成像也可以使用软件，在几秒钟内自动分割所有主要的冠状动脉。在许多情况下，这足以指导四条心外膜冠状动脉（左主干、左前降支、左旋支和右冠状动脉）的介入治疗。展望未来，人工智能将使所有较小分支血管甚至完全冠状动脉闭塞区域的自动分割取得进展。

然而，冠状动脉分割只是第一步。狭窄程度的估计仍然困难——视觉分析辅以对主要狭窄的手动测量。共有17个冠状动脉节段。人工智能方法将实现可靠的全冠状动脉树提取和所有主要和次要冠状动脉分支的自动狭窄测量。

4. 冠状动脉CT血管造影术通常包括对冠状动脉血流和压力梯度的估计

前面提到的快速、详细的分割算法将自动输入人工智能软件，以提高我们对冠状动脉狭窄压力梯度的估计。由于其复杂性，用于估计这些压力梯度的技术目前在远程数据处理实验室处于场外。在未来，我们预计会立即进行常规的冠状动脉流量和压力估计。技术人员将整个冠状动脉检查拖放到冠状动脉处理软件中。由于流量分析将在1-2分钟内进行，而目前为2-24小时，因此下一代云处理将在心脏成像仪的控制下进行。将快速显示突出显示所有冠状动脉狭窄的软件分析，包括引起症状的概率估计和介入治疗的必要性。

5. 冠状动脉CT的主要用途将用于预防性心脏病

动脉粥样硬化斑块是冠状动脉CT的主要诊断目标。目前，斑块的治疗主要基于HMG-CoA（即3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A）还原酶抑制剂（他汀类药物）的使用。它们的使用抑制胆固醇合成，从而减少动脉粥样硬化斑块的形成。然而，降低胆固醇的辅助疗法已经可用，包括减少胆固醇吸收的药物和PCSK9单克隆抗体。

他汀类药物是在40多年前被发现的。大约20年前，这些药物被证明可以将主要心血管事件减少20%-30%。但最近使用血管内超声的临床试验表明，目前剂量的他汀类药物只能减缓动脉粥样硬化斑块的进展。在许多患者中，在他汀类药物治疗期间，斑块继续形成，尽管速度较慢。虽然我们接受200 mg/dL的“正常”胆固醇水平，但斑块形成的实际逆转仅发生在70 mg/dL或更低的胆固醇水平下。

我们目前的他汀类药物策略导致了成功者和失败者：成功者在晚期动脉粥样硬化疾病发展之前死于其他原因，而失败者在60多岁、70多岁和80多岁时尽管接受了他汀类药物治疗，但仍有典型的冠状动脉疾病症状。在接下来的10年里，冠状动脉CT血管造影术将通过对总冠状动脉斑块的常规量化。治疗1-2年后，将使用斑块体积及其成分的冠状动脉CT血管造影术指标（如软斑块与钙化斑块）来判断治疗成功与否。因此，冠状动脉CT血管造影术将允许以类似于肿瘤学中维持化疗的方式治疗动脉粥样硬化斑块：终点将是动脉粥样硬化斑块的稳定或减少。未来先进斑块疗法（如单克隆抗体）的临床试验将表明，随着患者年龄的增长，动脉粥样硬化疾病的减少除了可以降低心肌梗死的发生率外，还可以保留心肌功能。

6. 光子计数CT将取代传统CT用于冠状动脉评估

在过去的十年里，具有64个探测器的多节段CT扫描仪成为进行冠状动脉CT血管造影术的最低要求。具有256或320个检测器部分的更先进的CT通过在单个心跳内获取冠状动脉CT血管造影图像来减少运动伪影。但是，尽管有更多的断层切片，CT的空间分辨率（0.5–0.6毫米）在过去15年中没有改变。对于冠状动脉（2至3毫米管腔大小或更小），目前的CT空间分辨率不足以对狭窄和斑块体积进行常规、可靠和可重复的量化。CT制造商已经以更高的辐射剂量为代价缓解了低空间分辨率CT的问题。一个更可行的长期解决方案是使用光子计数CT。光子计数CT目前产生的空间分辨率大约翻了一番。这对于直径小于2mm的小冠状血管的斑块体积和管腔分析的准确和可重复性分析至关重要。光子计数探测器理论上可以实现空间分辨率的进一步翻倍（约0.12毫米）。

与双源CT相结合，常规高时间分辨率并且高空间分辨率（0.2mm或更小）将是心血管成像的未来标准。这些发展将改善心外膜大动脉和小动脉的自动分割，并将实现斑块体积的常规量化。对于传统的CT，高空间分辨率需要更高的辐射剂量。

幸运的是，光子计数探测器由于其优越的灵敏度，部分缓解了这个问题。我们预计，人工智能技术将允许比目前使用的辐射剂量更低的辐射剂量，并且使用光子计数CT可以实现更高的辐射剂量减少和更高的对比度分辨率。

7. 光子计数CT将实现常规斑块表征和定量

目前，冠状动脉钙被归类为硬斑块；所有其他斑块成分都被认为是软斑块。这种简单化的二分法导致了目前使用的定性描述符，如 “斑点钙化征”——这两种都表明斑块不稳定。光子计数CT将减轻硬斑块的晕染效应，使斑块成分能够更准确地去卷积。无碘扫描也可以作为光子计数CT采集的固有部分生成，以改善斑块分割，而无需技术人员进行进一步规划。同样，多光谱光子计数CT（空间分辨率是当前CT的两倍）的主要障碍是辐射剂量。需要部署人工智能方法进行高级图像重建，以减轻噪声和心脏运动的影响。

8. 下一代心脏CT将变得更像MRI

CT在冠状动脉评估中的优越性已得到充分证实。然而，与MRI相比，心脏CT对几乎所有其他形式的心肌疾病都有影响。在非缺血性心肌病患者中，一系列浸润性、功能性和遗传性异常会导致肌肉异常收缩以及肌肉成分的改变。目前，与MRI相比，CT在这些情况下的实用性较低。其中一个原因是CT对软组织碘的敏感性低。尽管MRI使用的造影剂剂量（钆）比CT使用的碘低约10倍，但MRI软组织对比度仍然比CT高约10倍。

心脏核磁共振造影的主要应用是晚期钆增强，用于识别心肌瘢痕。如何将CT用于此应用程序？为此，将开发光子计数CT的AI重建方法，大大改进CT识别心肌瘢痕的能力，从而取代MRI。除局灶性瘢痕外，弥漫性心肌纤维化还与多种终末期心肌病（包括高血压和瓣膜性心脏病等常见疾病）有关；弥漫性心肌纤维化最终导致心力衰竭。对于这些情况，CT将变得与MRI一样准确。使用心脏CT以低至25msec的时间分辨率采集四维（4D）电影图像，并进行1-mSv剂量采集是可能的。有了这些方法，CT将完成与MRI大致相同的工作，但只需要2-3秒，而目前标准心脏MRI检查需要45分钟。

9. 下一代心脏MRI将变得更像CT

到目前为止，我们主要关注心血管CT。CT的进步是逐步的（由于硬件发明，如光电计算CT），而MRI的进步通常更为缓慢。尽管如此，MRI的逐步发展仍然是必要的。今天，一次典型的心脏核磁共振检查大约需要45分钟。图像通常一次采集一个二维剖面。在45分钟的会话期间，获得5到10个不同的脉冲序列，每个脉冲序列具有不同的目的。患者屏住呼吸的次数可以是30次或更多，导致患者精疲力竭。将其与在一到两次心跳中获得的4D心脏CT进行比较。长时间的心脏核磁共振扫描效率很低，只有大约10%的整个检查用于获取图像。

下一代心脏MRI将由单个脉冲序列组成，允许4D重建多个图像对比度和电影成像。在自由呼吸期间，此主序列将持续约5分钟。心电图是以无线方式同时采集的。心脏成像医生将有三个决定要做：是否需要钆造影剂？如果不是必需的，将合成钆后类MRI扫描。第二个问题是，是否需要4D成像？血流成像对于估计压力梯度以及心外和心内分流至关重要。在这两种情况下，技术人员都将通过按钮运行序列；人工智能驱动的脉冲序列优化将识别适当的标志和成像参数。技术专家的角色将发生变化，在检查过程中主要关注患者的安全和舒适。MRI扫描室将发出安静的嗡嗡声，这是由于整个房间的噪音消除技术与当前的振动状态相比，提高了患者的舒适度。

心脏成像仪的第三个决定是：是否需要对冠状动脉进行专门的成像？冠状动脉的心脏核磁共振成像进展缓慢。用MRI精确监测冠状动脉和其他血管斑块是目标。除了心脏的多光谱电影图像外，下一代MRI研究人员能否可靠地生成0.2毫米空间分辨率的冠状动脉图像（带有斑块和钙的描绘）？与CT相比，能否以类似或优越的方式评估冠状动脉内血流动力学？如果没有，心脏MRI检查将专门针对那些需要流量和压力估计的患者，至少在AI算法能够从心脏CT合成类似结果之前。

10. 多模态成像具有无限潜力

预计到2040年，心力衰竭将流行；可能约有一半的患者会出现射血分数保持不变的心力衰竭。然而，在大多数患者中，通常没有具体的诊断。终末期心脏以胶原沉积、细胞外空间扩张和收缩减少为主，所有这些都是非特异性的描述。分子成像的进展在提供早期诊断和指导更具体的治疗方面具有巨大的潜力。

PET成像与CT的结合已经成为肿瘤学的变革。相比之下，PET和MRI的结合基本上是不必要的（尽管前列腺特异性膜抗原PET/MRI是一个明显的例外）。但是对于心脏来说，心脏特异性示踪剂大多不存在，这将推动PET/MRI混合应用的基本原理。然而，与CT一样，分子成像也在逐步创新。心脏成像的一个优势是，心脏中的许多关键分子标记物已经被鉴定，包括交感神经支配、胶原形成和前体、炎症以及静息和心肌应激期间的代谢前体和副产物。

与PET相结合，分子成像标记物有可能对心脏病诊断产生重大影响。继续强调心肌疾病的分子标志物可能会促使我们彻底重新思考诊断算法。

11. 心脏代谢成像将加速发展

如前所述，大多数心力衰竭患者都有不明原因的肌肉衰竭。在过去的50年里，由于对疾病起源缺乏了解，导致美国600多万心力衰竭患者的治疗几乎没有进展。最近，钠-葡萄糖协同转运蛋白2（SGLT2）抑制剂已被批准用于治疗射血分数降低的成人心力衰竭，并被提议作为功能保留者的治疗方法。

心脏所使用的代谢途径是复杂的。氙129超极化MRI的最近批准可能刺激超极化MRI在其他心脏应用中的进一步可用性。在许多非特异性诊断的患者中开发详细的心脏代谢图可能有助于加速心力衰竭治疗方法的更专业化开发。

与心律失常类似，无论是起源于室上性还是心室性心律失常，离子失衡已被确定为心肌组织基质的关键成分，以及炎症和代谢异常。几十年来，人们一直在寻求利用MRI直接或间接成像离子变化的能力。离子成像可以通过复杂的参数标测、多核MRI或心肌造影成像的突破来实现。

12. 心脏相位对比CT将得到发展

传统的x射线成像依赖于身体对x射线的吸收来产生对比。相比之下，相位对比x射线利用x射线光子的产生显著改善的x射线软组织对比度，可能与MRI的对比度相当。尽管相位对比x射线技术的潜力已经为人所知几十年了，但临床应用仪器的开发却极具挑战性。最近，一种称为暗场x射线成像的相位对比方法已被用于胸部射线照相。肺的软组织对比度显著，与多个空气-组织界面有关。一种早期的临床前方法使用光子计数检测器进行相位对比成像来评估动脉粥样硬化斑块。该方法的潜力是使用更快速的x射线成像方法来实现类似MRI的软组织对比（但包括钙检测）。在实现相位对比CT（由于辐射剂量）、优化光子源和构建临床可行的仪器方面仍然存在巨大障碍。在其他成像领域（如乳腺和胸部成像）的应用可能会更容易开发。尽管如此，这一领域的发展将对几乎所有医学领域产生了影响。