能譜CT成像原理及臨床應(yīng)用價值研究

張磊

河南省南陽市中心醫(yī)院CT影像科，河南南陽473000

能譜CT成像原理及臨床應(yīng)用價值研究

張磊

河南省南陽市中心醫(yī)院CT影像科，河南南陽473000

自從射線成像技術(shù)被應(yīng)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域之后，CT設(shè)備經(jīng)歷了巨大的進(jìn)步與改善，已成為臨床疾病檢查與篩查的首選，為疾病的診斷帶來了巨大的推動作用。近年來，隨著多層螺旋CT的出現(xiàn)，成像技術(shù)及后期影像處理技術(shù)的發(fā)展，CT已在臨床疾病檢查、篩查、診斷、定位與治療等方面廣泛應(yīng)用。CT成像原理主要基于單能量成像、能譜曲線、有效原子序數(shù)、X線與物質(zhì)相互作用、能譜成像技術(shù)支持等，不僅有助于疾病的診斷和定量分析，而且為疾病數(shù)據(jù)分析，資料保存提供有效支持。在心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、運(yùn)動系統(tǒng)、腫瘤定位診斷、靶向治療、物質(zhì)分離與鑒別等方面均得到廣泛應(yīng)用，在臨床與科研應(yīng)用中具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用價值。

能譜CT；體層攝影術(shù)；成像原理；臨床應(yīng)用

CT自20世紀(jì)70年代問世以來，得到了飛速的發(fā)展，1972年第一臺頭部CT被應(yīng)用于臨床檢查，之后掃描部位得到不斷延伸，成像重要部件探測器也得到不斷改進(jìn)和進(jìn)步，使CT影像更加清晰，為臨床醫(yī)師提供了大量疾病診斷依據(jù)［1］。CT發(fā)展經(jīng)歷了單筆型束掃描、扇形束掃描、反扇束掃描、動態(tài)空間掃描、電子束掃描、單層螺旋掃描和多層螺旋掃描幾個重要發(fā)展階段，掃描部位和應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，不僅實(shí)現(xiàn)了物質(zhì)成分分析、鑒別、定量等，而且對人體各個系統(tǒng)均可清晰掃描成像，特別是在腫瘤病灶的定位、大小測量以及靶向治療方面得到廣泛應(yīng)用，大大提高了疾病診斷的準(zhǔn)確性和可靠性。為了能量技術(shù)的發(fā)展和臨床應(yīng)用需要，CT相關(guān)研究也越來越多，為了普及臨床醫(yī)師CT成像技術(shù)，更進(jìn)一步推廣其臨床應(yīng)用，該文將對能譜CT成像原理進(jìn)行系統(tǒng)介紹，并對其臨床應(yīng)用價值進(jìn)行全方位探討。

1　能譜CT基本成像原理

1.1單能量成像

CT通過X線管發(fā)射不同強(qiáng)度的X射線，X射線束穿透選定的掃描層面，遇到不同密度的物質(zhì)，其衰減程度不同，探測器接收到沿X線束方向的不同物質(zhì)吸收、衰減之后的射線，將其設(shè)定為已知值，各層面總體射線衰減值為未知值，通過系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成X射線衰減值，組成該掃描區(qū)域的射線掃描值，然后運(yùn)用迭代方法求出每一體素的X射線衰減值，利于圖像重建技術(shù)，將被掃描區(qū)域的X射線衰減值轉(zhuǎn)換成不同密度組織的黑白影像。X射線的能量主要取決于管電壓和管電流等復(fù)合因素，當(dāng)X線管的管電流增大時，其發(fā)射出的電子數(shù)增多，X射線強(qiáng)度變強(qiáng)，能量變大，穿透力增強(qiáng)；臨床常用X線管電流與掃描時間的乘積來表示X射線的量，單位為毫安秒（mAs），以X線管電壓表示X射線的穿透力和能量，其穿透力與射線個數(shù)無關(guān)，主要取決于X射線的能量。X射線本質(zhì)也是一種電磁波，其主要包括特征能譜和連續(xù)能譜兩部分；X線管電流與靶極作用，致使靶極原子內(nèi)層電子軌道發(fā)生偏移，脫落原來軌道，外層電子被吸收進(jìn)來，在電子填充時產(chǎn)生輻射光子，形成不同頻率和波長的能譜射線，能譜射線的能量與線管電壓和電流有密切關(guān)系。高能量的電子在原子核電場的作用下，速度受到控制，能量受到一定損失，被損失的能量通過X光子的形式向外輻射，形成連續(xù)的射線能譜，射線能量各種各樣，也就是射線的連續(xù)能譜。每種不同密度的物質(zhì)對X射線都有不同的衰減能力，當(dāng)X射線掃描檢查層時，人體內(nèi)不同密度的組織、病灶、骨骼等吸收不同量的線束，形成獨(dú)特的X線吸收曲線，當(dāng)X線的能量高于40KeV時，CT成像系統(tǒng)顯示為一平滑曲線，每兩個X線能量采集點(diǎn)決定一條吸收曲線［2］，許許多多的X線能量采集點(diǎn)進(jìn)行圖層重疊，便形成一個清晰的單能量圖像，也就是CT掃描影像。

1.2X線與物質(zhì)相互作用

X線傳統(tǒng)能力很強(qiáng)，但其波長較短，當(dāng)X射線掃描人體指定區(qū)域時，X射線穿透掃描區(qū)域內(nèi)的器官、組織、骨骼、病灶、腫瘤時，射線能量被不同密度的物質(zhì)所吸收，形成射線能量的衰減，不同密度的物質(zhì)吸收X射線能力不同，導(dǎo)致射線能量衰減程度不同；這種X射線與掃描區(qū)域內(nèi)物質(zhì)的相互作用稱之為光電效應(yīng)。CT通過計算機(jī)設(shè)備對X射線能量衰減變化規(guī)律收集掃描數(shù)據(jù)，任何物質(zhì)都有其對X線衰減的特征吸收曲線，并且任何物質(zhì)的X線吸收系數(shù)可由其他任意兩種基物質(zhì)的X線吸收系數(shù)來決定；物理學(xué)家常將水與碘作為兩種不同射線衰減基物質(zhì)對，利用其對射線吸收系數(shù)不同，將CT探測器接收到的不同投影數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，重建出不同掃描曲線，最終形成CT掃描影像。

1.3有效原子序數(shù)和物質(zhì)分離

每種物質(zhì)的X射線吸收系統(tǒng)都不相同，但任何物質(zhì)的X射線吸收系數(shù)都能夠用其他兩組基物質(zhì)的吸收系數(shù)來表示，也就是說任何物質(zhì)對X射線的吸收能力都能夠通過其他與之相近吸收系數(shù)的基物質(zhì)來表達(dá)其X線衰減效應(yīng)，因此就可以用已知的某種物質(zhì)評價出該物質(zhì)的密度和空間分布，將其作為比對目標(biāo)，而實(shí)現(xiàn)物質(zhì)組成成分的初步分析及物質(zhì)分離，并產(chǎn)生物質(zhì)分離圖像。若某種物質(zhì)對X射線的吸收系數(shù)與其他物質(zhì)或化合物的X射線衰減系數(shù)相同，那么該物質(zhì)的原子序數(shù)就可以作為某種化合物的原子序數(shù)，X射線對檢查區(qū)域進(jìn)行掃描，然后通過計算機(jī)得出掃描區(qū)物質(zhì)原子序數(shù)，可用來對某種物質(zhì)的監(jiān)測、鑒別和分離［3］。

1.4能譜成像技術(shù)支持

①CT設(shè)備中的瞬時變能高壓發(fā)生器能夠通過快速管電壓開關(guān)控制線管電壓，使其能夠在0.5 ms以內(nèi)進(jìn)行80～140KVp電壓間切換，達(dá)到射線能量及其反應(yīng)速度加快的效果，有效提高空間分辨力，降低高頻噪音，實(shí)現(xiàn)清晰CT圖像。②瞬間切換的高低不能能量射線在穿透掃描區(qū)后應(yīng)被準(zhǔn)確接收，寶石探測器比傳統(tǒng)稀土陶瓷探測器和鎢酸鎘探測器性能更加穩(wěn)定，反應(yīng)速度更快，余暉效應(yīng)更低，能夠準(zhǔn)確接收快速轉(zhuǎn)換的X射線，為能譜成像提供可靠數(shù)據(jù)。③動態(tài)變焦球管可以動態(tài)改變球管焦點(diǎn)，系統(tǒng)根據(jù)不同焦點(diǎn)選擇與之匹配的焦點(diǎn)，從而得到高質(zhì)量的影像數(shù)據(jù)。④自適應(yīng)迭代重建技術(shù)將收集掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行多次迭代運(yùn)算，將實(shí)際掃描獲得的投影數(shù)據(jù)與理論計算所得數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)比較，運(yùn)用迭代法進(jìn)行反復(fù)修正，直至找出最精確、最接近目標(biāo)值的數(shù)據(jù)；即使在斷層顯像數(shù)據(jù)中，也能夠通過迭代重建技術(shù)得到高質(zhì)量的CT影像。

2　能譜CT成像臨床應(yīng)用

2.1硬化偽影去除

CT在成像過程中管電壓在80～140KVp間反復(fù)切換，雖然是一個峰值電壓，但實(shí)際所反映的是一個連續(xù)kV值的混合電壓，在不用峰值電壓下，產(chǎn)生能量各異的X射線，不能能量的射線光子在穿透掃描區(qū)域內(nèi)不用密度的物質(zhì)時，被不同密度物質(zhì)吸收不同量的光子，導(dǎo)致射線衰減；當(dāng)射線穿透高密度物質(zhì)時，射線會被硬化，在高密度物體周圍出現(xiàn)暗影或條索狀陰影，這種現(xiàn)象被稱之為射線束硬化效應(yīng)。偽影的出現(xiàn)嚴(yán)重影響了影像質(zhì)量，為臨床疾病診斷帶來一定的影響，容易造成疾病漏診或誤診，甚至引發(fā)醫(yī)療事故。因此偽影的去除一直是臨床研究的重點(diǎn)，雖然不能夠完全消除，但可通過一些手段進(jìn)行干預(yù)，以降低偽影對影像質(zhì)量的影響。能譜CT的去偽影技術(shù)可通過糾正X線掃描高密度物質(zhì)之后產(chǎn)生的“光子饑餓”現(xiàn)象，提升掃描信號強(qiáng)度，有效抑制射線硬化而產(chǎn)生的偽影［4］。對進(jìn)行過骨科手術(shù)，放置有金屬材料的部位進(jìn)行掃描時，能譜CT能夠單能量去除金屬植入物所產(chǎn)生的偽影，提高影像質(zhì)量；同理，能譜CT也能夠去除心臟起搏器、人工關(guān)節(jié)、整形植入物等所引起的影像偽影，使其在骨科、心臟系統(tǒng)、關(guān)節(jié)等方面得到良好應(yīng)用。

2.2低劑量掃描的應(yīng)用

肺組織內(nèi)有大量氣體，對X線吸收能力較弱，采用低劑量掃描不僅可以得出更加清晰的影像，而且還能夠降低射線強(qiáng)度，減少輻射和設(shè)備耗損。曾有學(xué)者研究指出，30 mAs的管電流不僅能夠得出清晰肺部掃描影像，而還能夠發(fā)現(xiàn)包括2.5 mm磨玻璃結(jié)節(jié)的肺部病變；目前低劑量CT在國外已經(jīng)用于早期肺癌篩查，使用低劑量CT掃描能夠提高病變的檢出率，降低死亡率。CT單能量成像技術(shù)還能夠顯著提升手足肌腱掃描影像質(zhì)量。可不用通過口服降心率藥物減緩心率，利于CT掃描一樣能夠得到清晰影像。低劑量CT掃描不僅可以顯示其擴(kuò)張腸管內(nèi)的氣液平面，而且能提示梗阻原因。低劑量的CT掃描腎、輸尿管等部位，單能量成像技術(shù)和有效原子序數(shù)能夠使輸尿管結(jié)石、腎結(jié)石等檢出準(zhǔn)確率高達(dá)95%，并可以根據(jù)有效原子序數(shù)確診結(jié)石類型，因此在泌尿系統(tǒng)也得到廣泛應(yīng)用。

2.3物質(zhì)分離鑒別方面的應(yīng)用

能譜CT能夠利于能譜曲線與射線吸收系數(shù)，成像出不同的影像，通過被掃描物質(zhì)的原子序數(shù)圖，可準(zhǔn)確地對所掃描的病灶成分進(jìn)行鑒別分離。比如能譜CT能夠準(zhǔn)確對動脈粥樣硬化斑塊中的纖維成分、脂質(zhì)成分及血栓樣組織進(jìn)行區(qū)分，通過顯示的斑點(diǎn)大小，可對斑塊中脂質(zhì)成分含量進(jìn)行評估，初步判斷斑塊的穩(wěn)定性。能譜CT掃描碘基圖像對肺灌注十分敏感，能夠準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)端微小栓子，對肺栓塞評價具有重要意義，已成為評價肺栓塞的首選檢查［5］。能譜CT還能夠?qū)⒐浅上駨腟AOM影像中去除，消除鈣化影像，能夠有效評估骨髓情況，在骨挫傷后骨髓損傷的探測中廣泛應(yīng)用。

2.4能譜CT在腫瘤定位、診斷鑒別中的應(yīng)用

能譜CT影像的單能量圖像能夠顯示不同能量水平物質(zhì)的不同影像特征，利于單能量圖像和物質(zhì)分離圖像技術(shù)，選擇合適的能量水平，以達(dá)到提高微小病灶檢出率。單能量成像的射線衰減曲線有助于對掃描區(qū)域內(nèi)不同物質(zhì)的區(qū)分定性，不同組織的腫瘤和不同性質(zhì)的腫瘤，其單能量衰減曲線也不相同，對其圖像進(jìn)行分離，有助于腫瘤的定位、診斷和分級；通過對CT成像能譜進(jìn)行綜合分析，不僅能夠準(zhǔn)確定位腫瘤位置，而且還能夠?qū)δ[瘤大小進(jìn)行初步測定，評估腫瘤的浸潤程度，是否出現(xiàn)轉(zhuǎn)移和淋巴結(jié)腫大，進(jìn)一步判定腫瘤病例類型、惡性程度及其分期，為臨床資料診斷和治療提供資料支持和準(zhǔn)確信息，有效提升治療診斷準(zhǔn)確率和治療有效性［6］。

3　結(jié)語

通過對能譜CT成像基礎(chǔ)原理進(jìn)行總結(jié)分析，使臨床醫(yī)生對能譜CT有一個更進(jìn)一步的認(rèn)識，在臨床工作中，能夠正確運(yùn)用，以提高疾病診斷準(zhǔn)確率和輔助檢查科學(xué)化。作為醫(yī)學(xué)技術(shù)的一項(xiàng)重要輔助項(xiàng)目，能譜CT從疾病篩查到診斷治療，經(jīng)歷的質(zhì)的飛躍，不僅為疾病篩查、診斷提供可靠依據(jù)，而且還為臨床疑難疾病的確診、治療提供更加準(zhǔn)確的協(xié)助，特別是腫瘤微創(chuàng)靶向治療，CT在其中擔(dān)負(fù)著重要作用。我們相信，隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，能譜CT技術(shù)將會在臨床應(yīng)用更加廣泛。雖然我們對CT成像給予了充分肯定，但仍要客觀看待，準(zhǔn)確分析其存在的不足與缺陷，為其技術(shù)改進(jìn)和修正提供依據(jù)，為醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的發(fā)展和研究指明方向。

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Research on Energy Spectrum CT Imaging Principle and Its Clinical Application Value

ZHANG Lei
Department of CT Imaging，Nanyang Central Hospital of Henan Province，nanyang，Henan Province，473000 China

CT equipment has experienced enormous progress and improvement and has been the preference of the clinical disease examination and screening since the X-ray imaging technique was applied to the medical field，which brings an enormous promotion effect on the diagnosis of diseases，in recent years，with the emergence of multi-slice spiral CT and development of imaging technique and post imaging processing technique，CT has been widely applied in the clinical disease examination，screening，diagnosis，location and treatment，CT imaging principle not only contributes to the disease diagnosis and quantitative analysis，but also providing effective support for the disease data analysis and data preservation mainly based on the monokinetic imaging，energy spectrum curve，effective atomic number，interaction between x-ray and matter and energy spectrum imaging technology support.And CT is widely applied in the cardiovascular system，nervous system，urinary system，locomotor system，tumor location diagnosis，molecular targeted therapy，physical separation and identification，and has a broad development space and application value in clinic and scientific research application.

Energy spectrum CT；Body section radiography；Imaging principle；Clinical application

R81

A

1672-5654（2016）10（b）-0033-03

10.16659/j.cnki.1672-5654.2016.29.033

張磊（1983.3-），男，河南南陽人，本科，醫(yī)師，研究方向：影像診斷。

（2016-07-11）