雙層探測器能譜CT的特點及臨床應用

羅春材，李濤，楊立

中國人民解放軍總醫院 第一醫學中心 放射診斷科，北京 100853

引言

常規CT發出的X線是具有混合能量的射線，只能根據組織衰減區分幾種物質，很多物質的衰減是重疊的。根據X線的能量，組織的衰減有特定的分布。雙能量CT能夠根據不同的能級下組織的衰減，進一步區分組織。基于雙層探測器的能譜CT成像是一種新的雙能量技術，其能譜的分離發生在探測器的水平。本文就雙層探測器能譜CT的特點及臨床應用做一綜述。

1 CT能量成像的技術原理

眾所周知，醫用X線是電磁波，組成粒子是光子。常規CT只能獲得總衰減信息，可以識別不同密度的物質，但卻無法識別等密度的不同物質。在診斷能量范圍內，X射線光子與物質的相互作用有三種類型：光電效應、康普頓效應和相干散射。由于相干散射屬于小概率事件，可忽略不計。X線經過物質后產生的光電效應和康普頓效應共同決定了物質的衰減曲線。其中光電效應衰減與X線光子的能量呈負相關，X線光子能量越低，光電效應越強，X線光子能量越高，光電效應越弱，然而康普頓散射衰減則隨著X線光子能量的改變時變化不明顯。通過對X線衰減系數的分解，可獲得額外的信息，衰減系數相同的不同物質，可通過分解后兩種效應比例的不同進行物質識別和區分[1]。CT能量成像能夠區分不同的物質，原理是利用不同物質的X線衰減值（CT值）的不同。CT是通過測量X線在穿透物體中的吸收來成像的。能譜成像的實現是基于硬件的物理基礎和軟件技術支持，包括高壓發生器、X線球管和探測器材料及其重建技術的重大突破[2]。正確理解雙能量CT的先進性，需要掌握這些基本原理。

2 雙能量CT成像方法

雙能量CT的獲得常有三種方法：① 以西門子為代表的雙源雙能量CT通過兩套球管和探測器系統以不同的管電壓（140 kVp，80 kVp）進行雙能量減影分析，兩個球管呈一定角度排列，一個球管產生高kVp的X線，另一個球管產生低kVp的X線，兩套系統獨立采集數據信息，并完成圖像數據空間匹配；② 以GE公司為代表的寶石能譜CT是通過快速切換X線管球發出的管電壓(140 kVp，80 kVp)，能譜柵成像技術獲得單能量成像；高壓發生器在0.25 ms內完成140 kVp和80 kVp高低能量的周期性切換，并能維持穩定的輸出電壓波形，進行兩個能量的數據采集，實現投影數據空間的能譜分析；③ 以Philips公司為代表的雙層探測器能譜CT，是使用立體的雙層探測器分別探測單源的持續的管電壓發出的一種X線的高能級及低能級的光子，轉換成兩組能量數據，并重建出能量圖像，從而實現“同時、同源、同向”的能譜成像。雙能量成像的分類方法和版本有分三種：雙源技術、快速kVp切換技術、雙層探測器技術[3‐5]；也有分為五種：雙源技術、快速kVp切換技術、雙層探測器技術、濾片分離技術、序列采集技術[6‐7]。

3 雙層探測器能譜CT圖像特點

雙層探測器能譜CT可以獲得常規混合能量的圖像和以能譜為基礎的圖像。前者將接收高、低能量的探測器的數據結合起來，采用濾過反投影或迭代重建技術，獲得類似單一能量CT獲得的混合能量圖像，用于常規的臨床診斷。后者產生了以光電效應和康普頓效應為基礎的圖像，并由此進一步產生附加了物質成分的圖像，包括碘密度圖、虛擬平掃圖、尿酸圖、單能級圖像（40～200 keV），有效原子序數圖，組織強化圖，電子密度圖、鈣抑制圖、雙能量散點圖等[8]。具體內容如下：① 碘密度圖可以準確地進行血管或器官內碘的定量分析[9]；② 增強圖像去除碘的影響獲得虛擬平掃的圖像；③ 尿酸圖只顯示尿酸的影像，而其它組織均顯示為黑色，用于評價尿路結石和痛風；④ 單能量圖像指人體組織在某一種純凈單能量下獲得的圖像，選擇低keV的圖像，能提高不同組織間的對比度，提高小病灶的檢出率，更加清晰的顯示病變內部特征；選擇高keV圖像能去除硬化和金屬偽影；雙層探測器能譜CT可以獲得40～200 keV的單能量圖像，單能量圖像可以更好地觀察組織的衰減隨著能級的變化而變化，值得注意的是雙能量CT獲得的單能圖像，并非真正的單能圖像，而是通過數學模型的方法解析和重建出的模擬單能圖像；⑤ 有效原子序數圖是基于組織的有效原子序數不同獲得的彩色編碼圖，通過能譜物質分離過程計算出來的光電效應和康普頓散射效應系數代表了組織空間分布的功能，系數的比例與物質的有效原子序數成比例，有效原子序數描述了物質的組成，代表了更高水平的物質差異；⑥ 組織強化圖基于物質分離技術，可單獨顯示強化組織（可去骨）[8]；⑦ 電子密度圖是由于光電效應數據和康普頓效應數據經過線性整合生成，可直接定量電子密度[8]；⑧ 鈣抑制圖基于雙層探測器CT技術通過對鈣物質的識別，對含鈣組織的CT 值進行修正，使用者可根據目標組織含鈣量的多少選擇合適的抑鈣指數X（范圍為25～100），鈣抑制圖設置了76個不同的級別，實際應用中，可通過實時調節來確定針對目標組織的最佳的抑鈣指數[1]，凸顯骨髓質等軟組織成分[8]；⑨ 雙能量散點圖是利用物質在兩種不同能量的X線下衰減系數的差異來進行物質分離和鑒別的一種能譜分析工具，基于雙層探測器的CT掃描技術，通過120 kVp常規掃描，選擇其中的160 keV圖像為橫坐標軸賦值，以及40 keV圖像為縱坐標賦值，然后進行不同ROI（顏色標記）的勾畫就獲得了不同物質的散點圖分布（相應顏色標記），可用于等密度病灶（如急性腦缺血）的鑒別診斷[10]。

4 雙層探測器能譜CT的臨床應用

雙層探測器能譜CT的應用范圍廣闊，較常規CT掃描，能提高圖像識別，提供更多的影像學信息。Rajiah等[11]的研究結果顯示81%的CT檢查由于無法獲得足夠診斷信息，需要進一步檢查，而基于雙層探測器的技術可保證每一次常規CT掃描都有能譜信息，可以根據需要隨時進行回顧性能譜分析，這對臨床意味著可額外提供78%的診斷有用信息，并減少約30%的漏診。

4.1 雙層探測器能譜CT 在增強識別、血管優化中的應用

增加血管內對比劑的可視化。使用雙層探測器能譜CT進行血管成像，利用單能量圖像，可以有效提升對比劑的密度，對比劑的密度大幅上升將改善血管造影不佳的情況，減少額外對比劑的使用以及多余的輻射劑量，尤其適合腎功能不良的患者。另外，血管成像質量在雙層探測器能譜CT低能級單能圖像也會增加，圖像的信噪比和對比噪聲比增高，有利于發現血管內的病變。最近的研究顯示使用雙層探測器能譜CT成像全身血管，50 keV單能級圖像是平衡圖像噪聲和對比噪聲比的最佳單能級圖像；與混合能量成像全身血管相比，50 keV可以縮減50%的對比劑用量獲得相同甚至更好的圖像質量[12]。富血供的病變由于碘的密度高，在低能量圖像與周圍組織對比好而更加突出。少血供的病變，如胰腺癌，在低能量圖像由于與周圍正常胰腺的對比增加也會表現得更加突出[13]。

4.2 雙層探測器能譜CT 在縮減偽影、優化解剖中的應用

CT掃描中常常會出現線束硬化偽影，金屬偽影以及鈣化的blooming效應偽影。高能級的單能圖像可以縮減和消除金屬偽影，特別是低原子序數的金屬偽影，如不繡鋼、鋁。Hickethier等[14]報道了使用高能級單能圖像縮減冠脈支架的偽影，提高支架的成像質量。高原子序數的偽影如栓塞的彈簧圈，可以通過碘密度圖進行評價。線束硬化偽影和鈣化的blooming偽影也可以通過高能級的單能圖像縮減[15]。已經有文獻報道使用雙層探測器能譜CT高能級單能圖像縮減后顱窩線束硬化偽影、髖關節假體偽影、脊柱、盆腔、四肢等植入物偽影的報道[16‐20]。Zopfs等[21]研究發現虛擬單能級圖像和去金屬偽影重建圖像的組合有利于最大程度地減少顱內金屬圈和金屬夾周圍的偽影。

4.3 雙層探測器能譜CT 在物質分離、組織灌注中的應用

有效原子序數、碘密度圖和鈣‐尿酸圖用來評價尿路結石、痛風、粥樣硬化斑塊的成分、腫瘤或器官的灌注、腫瘤對治療的反應、頭頸部CTA的去骨等。由于對尿酸結石和鈣結石的管理不同，因此評價尿路結石的成分非常重要。尿路結石的成分可以通過有效原子序數圖及尿酸圖來顯示[22]。關節的痛風結晶也可以通過尿酸圖來顯示。碘密度圖可以用來評價器官的灌注，如心肌的灌注、肺的灌注。心肌灌注可以用來評價心肌缺血。Oda等[23]的對照研究表明，雙層探測器CT在心肌的ECV定量方面可與MR高度一致，而且空間分辨率更高。肺灌注可以用來評價小的肺栓塞[24]。Si‐Mohamed等[25]通過直接比較研究發現：雙能CT與單光子發射CT在肺灌注評估中定量分析存在強相關性且定性分析高度一致。同時發現，雙能CT對肺灌注缺損顯示的銳利度更高且輻射劑量更低。

4.4 雙層探測器能譜CT在虛擬平掃、降低射線劑量中的應用

研究顯示除了皮下脂肪以外，由雙層探測器雙能CT增強掃描獲得的虛擬平掃圖像，組織的CT值與真正的平掃圖像CT值是相似的[26]。Nagayama等[27]研究結果表示虛擬平掃與真實平掃存在強正相關性（相關系數r=0.92），但與真實平掃相比會略高估腺瘤的CT值（平均偏差，11 HU<0.001）。另外，有研究顯示雙層探測器能譜CT與常規的單層探測器相比，臨床適應癥廣泛，能夠獲得能譜信息而無需增加射線劑量[28]。虛擬平掃可以替代真正的平掃，從而降低患者的射線劑量[29]。

4.5 雙層探測器能譜CT 在其他方面的應用

Laugerette等[30]研究結果表明：基于雙層探測器CT定位像可快速、可靠地測量骨密度，結果與DXA高度一致，所以骨密度測定這種檢查在未來可能成為CT檢查的一種額外福利。Ng等[31]研究發現 在測試的兩種肝臟自動提取方法中，采用能譜數據進行肝臟自動提取的準確性優于常規CT值。還有研究使用雙層探測器能譜CT對比增強及非對比增強技術，分析血栓的成分[32]。

5 總結

總之，雙層探測器能譜CT技術是一種新的雙能量成像技術，可以提供能譜信息。雖然一般認為140 kVp的能譜分離更好，但實際上140 kVp和120 kVp都有足夠的能譜分離，在物質定量方面也幾乎是等效的[8]。在血管成像方面、器官灌注方面具有優勢。盡管雙能量CT都能夠準確評價碘濃度，但雙層探測器能譜CT低能級單能圖像，可以獲得更低的噪聲、更高的影像對比，更好地顯示病變，增加影像診斷信息，提高診斷信心[9,33]。雙層探測器能譜CT技術擁有很好的前景，值得我們在用好常規檢查的基礎上，開拓出新的應用途徑，幫助臨床診療。