HDCT成像原理及臨床應用價值

何文勝

安徽醫科大學第一附屬醫院 醫學工程部，安徽 合肥 230022

HDCT成像原理及臨床應用價值

何文勝

安徽醫科大學第一附屬醫院 醫學工程部，安徽 合肥 230022

本文主要介紹了多排CT在功能性成像方面的最新進展，著重闡述了HDCT（高清CT）能譜柵成像的技術原理、實現能譜成像的技術方法和臨床方面利用CT掃描、實現組織定性分離的應用價值。

HDCT；能譜成像；寶石探測器

0 前言

1 HDCT的能譜柵成像原理

自1895年倫琴發現X線以來，X線在醫學診斷方面發揮了重大的作用，但最大的且具有革命性意義的突破是1972年CT的研制成功，它首先用于顱腦疾病的診斷，很快擴大到全身檢查，直至今日成為醫學診斷中不可缺少的重要設備。

縱觀CT的發展，從頭顱掃描到全身掃描，從斷層掃描到螺旋掃描，從單排螺旋掃描到多排螺旋掃描，經歷了多次的創新，供應商所追求的設計理念都是為獲得更高的圖像分辨率、更好的圖像清晰度、更快的掃描速度、更少的X線劑量、更強大的采集功能、更完善的重建技術等。但當多層的發展受到硬件發展的制約時，如：不斷增寬的探測器，便產生了很多影響圖像質量的不利因素：超寬體探測器形成的大角度的錐形束造成錐形偽影，即所謂的“屋頂效應”而致CT值的失真；超寬體探測器引起超寬的Z軸掃描使散射線增加而致密度分辨率下降，影響體部臨床圖像的質量等。因此全球CT生產商開始尋求增加探測器寬度以外的其它CT設計技術，在2009年GE公司成功地推出了一款可用于功能性成像的HDCT，在設計理念上突破了過去20年內所使用的探測器材料范疇，使用了一種全新的檢測材料，具有極好光學特性的石榴石作為探測器基材，產生了能譜柵成像的概念。

X線在物體中的吸收主要是通過光電效應和康普頓散射兩種作用產生。光電效應是指光射入物質后，物質中的電子吸收光子能量并激發出自由電子的行為（圖1），康普頓散射是指入射光子與物質原子中的核外電子產生非彈性碰撞而被散射的現象。碰撞時，入射光子把部分能量轉移給電子，使它脫離原子成為反沖電子，而散射光子的能量和運動方向發生變化（圖2）。

圖 1 光電效應示意圖

圖 2 康普頓散射現象示意圖

物體在經X線照射后其質量吸收系數隨X線能量而變化，同一物體對應不同的X線能量有不同的質量吸收系數，因此用任意兩個能量點即可獲得物體的質量吸收曲線，不同物體則對應各自固定的特征吸收曲線，而CT值反映的正好是物體對X線的線性吸收，這就獲得能譜柵CT成像可定性分離不同物質的基理[1]。在單電壓所產生的連續能量X線CT成像過程中所獲得的物體質量吸收是平均效應，不同的能量所獲得的是不同的平均效應，CT值所反映的也是平均吸收系數，因此無法定性區分物質成份。

1977年CT物理學家Dr.Brooks RA著文闡明任何一種物質對X線的吸收都可用兩種“基物質”來表達[2]，最常用的基物質是水和碘，在已知水和碘在各能量點的吸收系數μ的情況下，可鑒別其他不同物質：

在單能的情況下，選擇任意兩個不同能量建立能量柵，測出被檢物質的兩個吸收系數μ(E1)和μ(E2)，結合水和碘在該兩個不同能量下的 μ(E1)水、μ(E2)水、μ(E1)碘、μ(E2)碘，便可測算出相應的a1和a2值，從而可獲得對各種物質的測定和分離。

2 HDCT能譜柵成像的實現

綜上所述，實現能譜柵成像的關鍵在于如何在單能掃描的條件下同時獲得雙能數據，HDCT采用了單源瞬時變能技術解決了這一問題。

2.1 高速瞬時高壓發生器

區別于傳統的高壓發生器，HDCT的高壓發生器采用了被稱之為快速管電壓開關的設計，可以使系統在0.5ms周期內對X線進行80kVp和140kVp電壓切換，實現瞬時變能目的[3]。

2.2 高速采集的新型探測器

對于探測器來說，X射線激發可見光速度越快越好，初始速度越快，可見光轉換速度越快，清空速度越快，余暉效應越小。為了獲得對X線快速檢測反應，HDCT探測器突破探測器傳統材料使用范疇，采用了具有極好的光學特性的石榴石為基材，俗稱寶石探測器，其可見光轉換速度達到0.03μs，比傳統材料加快了近100倍。寶石探測器也是能譜成像的硬件基礎，是能譜成像鏈上關鍵的環節。它在機架旋轉一次的時間內能夠實現2496次采集（比64排CT增加了2.5倍），實現了全身的空間分辨率與圖像質量的提高。能譜采集每圈實現128層的采集與101個單能譜的成像。

2.3 動態變焦球管

傳統的球管不能克服高、低毫安與大、小焦點之間的任意匹配，HDCT的球管使用非常耐用的燈絲材料，采用一個焦點，通過電磁場的聚焦和偏轉，實現動態變焦的技術，從而可以根據不同條件自動選擇需要匹配的焦點大小。

2.4 ASiR重建引擎

HDCT的DAS系統較傳統采樣率提高約2.5倍，采集速度達到了 目前最高的7131views/s ,且采用了全新的數據模型與算法，稱之為ASiR重建引擎，該種重建方式可在極低的劑量條件下實現高清晰成像，可使胸部掃描劑量降低26%~29%[4]，心臟成像可降低90%。

3 HDCT的臨床應用價值

3.1 組織的定性分離和定量測定

HDCT由于采用的能譜柵成像方法，這使得其能量時間分辨率達到0.5ms，是雙源CT的100多倍，同進可獲得101單光子能級成像，可使水、碘、鈣、鐵等單獨作為一個序列成像。提供了更多的組織信息，使得精確判定物質的組織成分成為可能。

3.2 MARs 去除硬化偽影技術

HDCT的單能譜成像和探測器材料的固有物理學特性，可以實現去除硬化偽影。

3.3 全身高清成像

由于新技術新材料的應用，使得HDCT的空間分辨率和低密度分辨率都得到了大幅度的提高，使CT圖像獲得了很高的清晰度，提高了臨床診斷率和鑒別診斷。

3.4 四維動態功能成像

傳統CT灌注局限于覆蓋范圍，無法明確病灶及供血動脈的位置。HDCT利用精準的控制系統實現了螺旋往穿梭式掃描技術，使得灌注覆蓋范圍遠遠超過探測器寬度的限制，可達到500排CT（312.5mm）的范圍，從而拓展了功能學診斷，可觀察動態狀況下的生理功能、病變性質、生理特性等。

3.5 全身低劑量成像

HDCT提高的探測器采樣效率，采用了全新的數據模型及算法，通過影像鏈的革命，實現了全身真正意義的低劑量掃描，傳統CT心臟平均使用劑量為12mSv，HDCT可實現0.1mSv心臟成像，只相當于10張胸片的劑量，因此使心臟平均放射劑量可降低90%左右，全身掃描放射劑量降低50%左右。

4 結束語

HDCT采用新的材料理念、新的設計理念實現了CT掃描技術革命性的突破，改善了圖像質量、降低了掃描劑量[5,6]，給臨床診斷提供了更廣更多的發展空間，為心臟冠脈能譜成像、心臟斑塊定性定量檢測、區分冠狀動脈鈣化和造影劑、大范圍灌注及動態CTA等奠定基礎。

[1] 鄭世才.CT技術和康普頓散射成象檢測技術[J].無損檢測,2000(9):423-428.

[2] 鄭世才.對ASTM E1742-2008標準射線照相質量級別規定的討論[J].無損檢測,2009(9):731-737.

[3] 梁長虹,黃飚.多層CT技術飛速發展,臨床應用不斷創新[J].中華放射學雜志,2006(9):901-902.

[4] 王爽.多層螺旋CT在肝臟掃描中的應用[D].北京:中國協和醫科大學,2007.

[5] Pfriyanka Prakash MD, Mannudeep K. Kalra MD,et al.Radiation Dose Reduction With Chest Computed Tomography Using Adapitve Statistical Iterative Reconstruction Technique:Initial Experience[J]. J Comput Assist Tomogr,2010,34(1)[Epub ahead of print].

[6] Daniele Marin,MD,Rendon C.Nelson MD,et al,Low-Tube-Voltage, High-Tube-Current Multidetector Abdominal CT:Improved Image Quality and Decreased Radiation Dose with Adaptive Statistical Iterative Reconstruction Algorithm—Initial Clinical Experience[J].Radiology,2010,254(1) [Epub ahead of print].

Principle and Clinical Application Value of HDCT Imaging

HE Wen-sheng
Medical Engineering Department,First Affiliated Hospital of Anhui Medical University,Hefei Anhui 230022,China

TH774

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.07.021

1674-1633(2010)07-0057-02

2010-04-12

2010-04-21

作者郵箱：hewenshengahmu@yahoo.cn

Abstract: This paper introduces the latest technology of functional imaging in multiple-phase CT,and expounds on the technical principle of Gemstone Spectral Imaging in HDCT(high-definition CT),also describes the application value of tissue decomposition by CT scanning.

Key words: HDCT; energy spectrum imaging;gemstone detector