雙能成像技術的最新進展

張唯唯，張華

東芝醫療系統（中國）有限公司科研培訓中心 CT研究室

雙能成像技術的最新進展

張唯唯，張華

東芝醫療系統（中國）有限公司科研培訓中心 CT研究室

自從CT發明后，能譜信息就開始被用來對物質進行區分和描述。為了實現一臺雙能CT，其設計需要滿足對放射源和探測器的要求，本文簡單介紹了目前市場上三款雙能CT，并著重觀察這三種不同設計的雙能CT對掃描劑量的影響。

雙能CT；雙源CT；快速kVp切換；旋轉kVp切換

0 前言

雙能CT的研究和使用最早可以追溯到20世紀70年代中后期，CT之父Hounsfield在1973年就提出“在同一層面采集兩幅圖像，一幅使用100 kV，另一幅使用140 kV……原子序數Z高的區域則因此被增強了。目前的實驗中亦顯示出碘Z=53能夠清晰地從鈣Z=20中區分開來”[1]。這短短的幾句話點出了雙能CT的一大特征：物質區分（material differentiation）[2]，也為能譜分析奠定了基礎。后來，有的學者和工程師們甚至把設計一款理想的雙能CT歸納為滿足“同源、同時、同向”的“三同條件”。在實驗室條件下，這些條件相對來說比較容易滿足，因為用來做實驗的水模和體模本身可以固定不動，只需要在同一層面用雙能采集，就可以近似的看作是同一被測物體在同一放射源下同時采集到的雙能數據。但是，在進一步的人體試驗中，則遇到了很大的挑戰。由于早期設備的CT密度值穩定性較差，掃描時間長，病人的運動引起偽影，空間分辨率不足及圖像后處理的困難等等[3]，而無法廣泛地應用于臨床，甚至銷聲匿跡很長一段時間。

可以說，正是這個“三同條件”一直困擾著許多學者和CT制造者，為了實現一臺可用于臨床的雙能CT，不得不做出一定的妥協。下面，我們從物理角度來看設計一臺能滿足臨床需求的雙能CT需要具備什么樣的基本條件，并著重觀察不同設計的雙能CT對掃描劑量的影響。

1 雙能CT的實現方法

首先，X射線源需要提供不同能量的X射線量子（X-ray quanta），并且能譜（spectrum）之間的重疊越少越好（兩能譜如果重疊的多，說明他們相似度大，平均光子能量（keV）類似，相當于用同一能量進行兩次掃描，所以物質區分的效果就不會好）。為了減少重疊最好的辦法就是增大兩次掃描中峰值管電壓（kVp）的差別（圖1）。一般來說，雙能采集中的高、低管電壓會分別設置在80 kVp和140 kVp。這是由于低于80 kVp的時候，多數的量子被人體吸收而無法打擊在探測器上；而高于140 kVp時，大量剩余量子通過人體直接打擊在探測器上造成軟組織對比不好。要想產生兩種不同能量的X射線，則可以使用兩個球管，每個球管使用不同的管電壓。另外，也可以使用同一個球管，令它能夠在高、低管電壓之間自由地切換。

另外，可以從探測器角度出發，使它能夠區別不同能量的X射線量子。一種設想是采用雙層或“三明治”探測器，使每層探測器對不同能量的光子有最大的敏感性及吸收（過濾）。這是一條比較難以實現的條件，因為目前多數的CT探測器是在每單個讀出間隔（readout interval）中對所有被探測到的光子進行熒光強度整合，而不對他們的能量進行區分。因此，要想實現這一構想，必須對現有的探測器材料進行較大的革新，目前尚未能應用到臨床上。

圖1 高、低兩能譜示意圖

第二，雙能采集到的圖像需要精確的匹配（registration）或對位。這個要求是從圖像后處理的角度考量的，因為在物質分解等的處理方法中，需要雙能圖像體素對體素的對應（voxel-to-voxel correspondence）。另外，在利用雙能圖像對比來觀察病灶時，準確的對位對診斷也有一定輔助作用。關于對位的要求，可以從兩個方面滿足，一個是從CT系統的硬件，比如提高旋轉時間（rotation time），就能在很短的時間內凍結物體的運動，一定程度上保證了對位。目前CT的旋轉時間已經非?？?，但不能無限制地縮短時間，因此，另外一個方法是從軟件上實現精確的對位，比如使用3D非剛性匹配（3D nonrigid registration）。但是這樣的軟件需要大量的數據處理，因此也增加了雙能圖像重建的時間。

這兩個要求是設計一臺雙能CT首先要考慮到的，也直接影響到他們的性能和由之帶來的掃描劑量的問題。而第三個條件，要求被研究的物質或組織的能譜屬性有足夠大的差別。這點在臨床應用上已經普遍使用，比如，對比劑碘的增強成像。只是在單能CT上，碘的密度分布圖不容易被單獨分離出來，雙能CT使用物質分解的后處理辦法，如基本物質分解（basis material decomposition）[4]和三物質分解（three material decomposition）[5]，把碘的密度圖單獨提取出來，更加有效和直觀地觀察被增強的組織中碘的密度分布（如果還能動態地觀察碘的密度分布，對評價器官的灌注非常有診斷價值），并在不增加掃描的情況下虛擬出平掃圖像（virtual non-contrast image）。下面我們由前兩個條件出發針對三種雙能CT的設計進行介紹。

1.1 雙源CT

該設備的特點是在同一個機架內設置了兩套圖像采集系統，每套圖像采集系統擁有各自的球管，高壓發生器，探測器和控制系統，只有降溫系統和圖像重建系統是彼此共享的，如圖2所示。

圖2 雙源CT系統示意圖

由于兩套獨立采集系統的設置，兩個球管可以分別在不同的管電壓和管電流下操作，并且獨立地采集和進行圖像重建。管電壓和管電流自由的調節可以使兩個采集到的圖像達到可能一致的噪聲水平，因此來自兩個探測器之間的投影數據亦有可能拼加在一起。

雙源CT系統的設計也會帶來一些實際運用中的弊端。由于機架的尺寸和內部空間的限制，兩個探測器很難達到一致的尺寸。在第一代雙源CT系統中，大的探測器能提供500 mm的視野（FOV, field of view），而小的探測器僅能提供268 mm的FOV。在第二代雙源CT系統中，兩個球管之間的夾角從90°增加到95°，小的探測器視野提高到了332 mm。盡管如此，大小不一的探測器尺寸或視野給圖像處理及分析造成不便，特別是對體積較大的病人。

兩個球管互相垂直亦會對同時激發出來的X射線帶來互相干擾和交錯散射效應（cross-scatter），造成射線不是直接打擊到與之對應的探測器上，并會造成雙能頻譜重疊的增加，削弱物質區分的效果。2008年，第二代雙源CT系統的發布中，錫濾線器（tin filter）被添加在高管壓的管球上，從而一定程度上降低了球管之間的相互影響，如圖2所示。這個濾線鏡的作用首先增加了高能譜與低能譜之間的分離效果，其次使高能譜變得狹窄（未加濾線器的球管的能譜相對較寬而容易和低能譜疊加），減少硬化偽影的影響。但是，濾線鏡同時減少了光子總輸出的數量，因此，管電流被增加到700 mA以增加光子的輸出，也增加了放射劑量。

1.2 快速kVp切換

該類型CT利用已有的高壓發生器在單圈旋轉內快速和頻繁地切換管電壓kVp，并分別在瞬時的高管電壓和低管電壓下采集數據，提供均為500 mm視野的雙能圖像，如圖3所示。

電子技術，計算機技術和新材料技術的發展使得快速kVp切換技術得到繼承和發展。它擁有一種復雜稀土氧化物的閃爍晶體（scintillator）為材質的探測器和高效率的數據采集系統（Data Acquisition System, DAS），成為快速kVp切換技術的物理保障。

圖3 快速kVp切換技術示意圖

在進行雙能圖像采集和分析的時候，快速kVp切換也有其不足之處。在進行雙能掃描的時候, 其單圈旋轉時間大約為0.9～1 s，比大多數CT單能掃描的單圈旋轉時間（約為0.5 s）長。這是由于在高、低管壓切換的時候有一個0.5 ms的時間間隔，加上頻繁的管壓切換次數，使得單圈的旋轉時間延長，導致劑量的增加。雖然可以在螺旋掃描的時候通過增大螺距來削弱這種影響，但是僅有4 cm寬度的探測器對大器官的成像，如心胸部和腹部，會產生對位不準和階梯偽影等降低圖像質量的效果。

理想的雙能圖像采集，需要每個管電壓保持在一個平穩的狀態，但由于快速kVp切換的時間間隔非常短（0.5 ms），在極端采樣的瞬時，同時調制出一系列高、低固定值之間切換的理想脈沖波來保持電壓水平是非常困難的。這也造成了快速kVp切換時管電壓實際上是受一個非理想脈沖波（曲線狀或正弦波）驅動而變化的。所以，管電壓在瞬時會在基準電壓水平上下波動，產生不穩定的高低信號源。如果這樣的波動變化加劇，會因管電壓過低而無法采集到低信號，或因管壓過高而采集到過多無用的高信號，對圖像的重建和處理產生嚴重影響。另外，管電流應該自適應管電壓的變化。可是，出于同樣的原因，通常很難調制出與管電壓值相反或相對的理想脈沖管電流?？尚械霓k法就是讓管電流保持在一個固定值而不隨管電壓的變化而變化，所以快速kVp切換的CT在做雙能掃描的時候，不管在高管電壓和低管電壓下，其管電流是固定不變的。同時，為了保證在低管電壓采集信號的時候，有足夠的光子輸出，管電流的值需要保持在一個高位。固定不變且較高的管電流值自然而然的會增加雙能掃描劑量的負擔。有文獻指出，在雙能圖像質量和單能圖像質量均接近的某LCD（Low Contrast Detectability）值的情況下，快速kVp切換CT對頭部體模及腹部體模的雙能掃描劑量最高能達到單能掃描劑量的1.5倍[6]。

圖4 普通單能成像和合成單色譜成像

快速kVp切換采用了“基本物質分解”（basis material decomposition）的方法，模擬在單色譜能量（keV）下投影出來的數據并依靠計算出來的基本物質對（水和碘）的密度圖“合成”出單色譜能量下的影像。由于純單色譜的能量不包含除本身以外的其他能量，（圖4）理論上，合成單色譜圖能夠完全移除硬化偽影。如果連續的以單色譜能量的小間隔（0.5～1 keV）為單位來合成一系列的單色譜圖，就能獲得多能級（100級甚至更高）的“能譜圖像”。在這一系列能譜圖像的不同區域選擇ROI并測量其CT值，就可以把這些值通過曲線連接起來并描繪成“能譜曲線”。因為不同區域的物質有其獨特的衰減系數和能譜曲線，通過觀察和比較這些能譜曲線，就能起到一定的“物質區分”作用。臨床上，能譜曲線甚至被運用到病灶的定性分析中，比如腫瘤的良惡性。但非常值得注意的是，這種物質區分的方法是建立在“真正和準確的單色譜CT值”的基礎之上的，也就是說，合成的單色譜圖像不能有硬化偽影和混合能量的存在，否則ROI內的組織就不能真正和準確地反映其自身的衰減系數，失去物質區分和能譜分析的效果。在最近的一篇文獻中[7]，已經有學者指出，通過對已知模體CT值測量結果的比較中，發現快速kVp切換CT的合成單色譜CT值不準確。另外，在低keV下, 被測量材料的合成單色譜CT值仍然掛靠了大量周邊的材料和物質，顯示出其CT值并非出自真正的單色譜態（圖5）。在試驗結果中[9]，可以清楚看到使用Brooks的方法后（也是快速kVp切換CT采用的基本物質分解的處理方法），合成單色譜圖仍存在大量的硬化偽影。綜上所述，快速kVp切換的雙能采集會增加掃描劑量，對能譜圖像的處理也不理想。

圖5 三種基本物質分解方法的效果比較（圖像摘取自[9]）

1.3 旋轉kVp切換

旋轉kVp切換是（圖6）一種相對較新的技術，與快速kVp切換不同的是kVp的切換不是在單圈內完成，而是在連續的掃描中每圈以高或者低kVp來掃描，并在每圈旋轉中保持kVp不變。

圖6 旋轉kVp切換CT示意圖

旋轉kVp切換對于寬體探測器和同時能采集超多層圖像的CT來說是比較可行的設計。采用寬體探測器設計的CT能在不移床的條件下完成16 cm以上寬的雙能圖像采集，加上快速的旋轉時間，最大程度保證了高低能量采集之間病人的對位。必須指出寬體探測器CT在雙能切換之間會有一個大約0.5 s的間隔，雖然相對于螺旋CT來說，這個參數偏高。如果輔助精確的非剛性匹配軟件，它就能充分解決時間間隔帶來的對位問題，這不但確保了雙能成像的圖像質量，也拓寬了雙能技術在大器官和運動器官的對比成像甚至功能成像上的臨床應用。對采用于比較窄探測器的螺旋CT，也可以運用旋轉kVp切換技術，但在每圈的旋轉之中，有半圈的時間里X線處于關閉狀態。這樣的設計一來是為了降低劑量，增加對病人的保護（X線只是在病人背部的半圈處于開啟狀態，這對病人的眼睛和胸部起到很好的保護作用）；二來大大節省了因為管電壓切換和雙能采集之間所需要的時間差，因為他們都可以在不發射X線的那半圈中來完成。

管電流能自由地調節并且自適應管電壓的變化是旋轉kVp技術的另一個優勢。首先，劑量會顯著的降低。這是通過在高管壓采取低管電流和低管電壓采取高管電流的方案通過手動或自動來實現的。在自適應的部分，自動曝光技術會根據掃描部位和預掃描自動推薦最能保持圖像質量，同時最節省劑量的管電流參數值。另外，雙空間的快速容積迭代技術，也能應用在雙能掃描協議中，進一步降低了劑量。其次，通過管電流的調節，雙能圖像的噪聲水平也可能保持一致。一直以來在使用“圖像空間”進行雙能圖像后處理的方法中，圖像質量或噪聲水平很難到達一致或近似的水平（80 kVp成像的特點是對比好，但是圖像的噪聲很大，不如140 kVp平滑），因此，對一些實際的臨床問題，比如雙能減影，虛擬平掃等，帶來很大的困擾。旋轉kVp切換技術通過靈活的管電流自適應調節技術，保證在最低劑量采集雙能圖像的同時也能匹配兩者的圖像質量。在物理模體實驗中，雙能圖像和單能圖像在幾乎一致的噪聲水平值時，雙能采集所用到的劑量比單能采集還要低（圖7）。由于這種有效的管電流和圖像質量的自動調節，也使得他們的光子總輸出能達到一致的水平，進一步減少能譜之間的重疊，增加了物質區分的能力。

圖7 旋轉kVp切換與劑量

2 雙能CT的臨床應用

自從雙能CT的推出，臨床上已經開發出很多成熟的應用，包括（頭頸）自動去骨，去鈣化斑塊，虛擬平掃圖像的重建，病灶中碘增強的定量分析，肺部對碘和氙分布的顯示，腎結石的成分分析，痛風的顯示和辨識等等。另外，雙能的圖像質量和顯示也比單能圖像更為優化，如通過混合產生的單能對等圖像（120 kVp equivalent image），噪聲、對比優化和提高后的圖像等。由于這些更有針對性或功能性的信息可以不通過增加劑量來獲取，所以他們應該在診斷中充分被重視和利用。

3 討論

本文從物理上簡述了雙能CT的設計理念和成像原理，并著重介紹了三款雙能CT的設計。一直以來被推崇的“同源、同時、同向”的設計理念，在制造出能實際運用在臨床上的雙能CT遇到很多的挑戰。這三款雙能CT的設計：雙源、快速kVp切換和旋轉kVp切換，無一不例外的需要對雙能數據包分開來采集。由之帶來的時間差，加上病人自主和不自主的運動，“同源、同時、同向”是不可能完全滿足的。盡管如此，現有的設計還是盡最大的可能考慮到“三同條件”，特別是針對“同時、同向”這兩個條件，并在圖像上和臨床上取得很好的效果。在放射劑量方面，能采用管電流自適應管電壓變化的旋轉kVp技術很好地降低了劑量，同時能優化圖像質量。在臨床上，除了廣泛應用的物質成分分析與碘圖的提取等，改善雙能CT設計，發開和拓展一些能提供功能性信息和臨床診斷價值的新應用，是值得進一步思考的問題。

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