CT 能量成像技术原理和应用

刘兴龙，孙宏，李琛玮，宋志巍，王静，王立志

西门子（中国）有限公司

CT 能量成像技术原理和应用

刘兴龙，孙宏，李琛玮，宋志巍，王静，王立志

西门子（中国）有限公司

专栏——CT能量成像技术

编者按：CT能量成像（或称CT能谱成像）作为一项崭新技术已经应用于临床和科学研究，能够完成常规CT不能实现的功能。如物质分离，重建基物质图像，包括水基像、碘基像，提高了微小病灶检出率，实现模拟平扫，减少了辐射剂量。能谱曲线形态特征对区分不同物质或组织有帮助，或许对肿瘤的定性诊断提供线索。直接去骨，去钙化斑块、选择性优化不同期相血管成像、减少或去除颅底射线硬化伪影和金属伪影、区分不同种类的肾结石，并依有效原子序数判定结石类型及显示痛风石，肌腱等，丰富了影像检查手段，有助于提高影像诊断水平。

任何一项新技术在发展中都有不断地改善过程，如进一步提高CT的工程学设计，进一步降低辐射剂量等。目前的CT能谱成像是基于X 射线源，而不是基于探测器的能量成像，重建的单能量图像并非在同源、同时、同向的“三同“条件下完成。对于物质分离技术，改进迭代算法方面尚有很大发展空间。某些结论性意见需大量的临床对比研究予以证实。相信随着研究的深入，CT能量成像/ CT能谱成像将在临床和科研中发挥越来越大的作用。

本期专栏特邀张挽时教授担任栏目主编，从CT能量成像技术原理和应用，双能成像技术的最新进展等方面对这一崭新技术进行介绍，以期提高读者对CT能量成像技术的总体认识和了解。

栏目主编：张挽时

张挽时，空军总医院主任医师，文职一级、享受国务院颁发的政府特殊津贴，第四军医大学放射科教授，北京医科大学研究生毕业，医学硕士。在国内较早从事CT和磁共振临床研究，多次在美国学习和培训。经常在国内外学术交流中做报告或主持人,文章多次入选北美放射年会(RSNA)，并英文报告。有良好英文交流能力，曾为欧洲放射学会主席Raiser做口译。曾获军队医疗成果二等奖和多项军队科技进步奖。承担全军医药卫生科技科研攻关课题和首都医学发展科研基金项目。现为北美放射协会会员、中国医学影像技术研究会常务理事，总后卫生系列高评委委员、空军后勤科技进步奖主任评委、多家医学影像学杂志编委。主编《耳鼻咽喉影像诊断学》，《临床副鼻窦影像诊断学》，《临床MRI鉴别诊断学》三部，发表论文230余篇。

目前CT能量成像技术已经在临床工作实践中被逐渐广泛应用起来，但由于CT能量成像技术与传统的CT成像技术有较大不同，所以本文基于目前应用最为广泛的双源法CT能量成像技术对CT能量成像技术的原理和应用进行述评。期望有助于读者对CT能量成像技术有总体的认识和了解。

CT能量成像技术；双源法；能谱纯化技术；低剂量成像

VOL.27 No.09

CT能量成像技术并不是一个崭新的名词，而是早在20多年前就出现的一个概念[1]。但是直到2005年双源CT问世后，CT能量成像技术才真正在临床工作实践中被逐渐广泛应用起来[2]。由于CT能量成像技术与传统的CT成像技术有较大不同，所以本文拟就CT能量成像技术的原理和应用进行述评。期望有助于读者对CT能量成像技术有总体的认识和了解。

1 CT能量成像技术原理

目前，在CT能量成像技术的扫描环节有很多种技术，在理论上有单球管不同kV两次扫描法、单球管kV快速切换法、“三明治”探测器法、双源法等。但在临床工作实践中能够使用的只有三种技术，即单球管不同kV两次扫描法、单球管kV快速切换法和双源法，其中能够在CT日常工作过程中常规使用CT能量成像技术只有一种，即双源法。在下面的介绍中，为了能够更加全面地介绍CT能量成像技术的特点，本文将侧重介绍双源法CT能量成像技术。

CT能量成像技术是指CT在两种能量的X射线条件下（最主要是kV的变化）分别对被照射物质进行成像，利用被照射物质在不同kV条件下产生的X射线衰减值的差异性在二维能量空间内对被照射物质进行定位和成像显示，从而可实现对被照射物质的识别、定性和定量分析，提高CT图像质量，减少X射线辐射剂量等应用。

无论采用什么样的CT能量成像技术，获取被扫描物质在两种能量X射线条件下的不同CT值是进行CT能量成像应用的前提（图1）。在获取了被扫描物质在两种能量X射线下的CT值后，被扫描物质就可以在二维能量空间内被定位，然后利用医学图像处理方法学中的数学方法就可以实现对被扫描物质的识别、定性和定量分析了。换句话说，单源CT是在一维空间内（单一管电压）获取处理信息，而能量CT成像技术是在二维空间内（高低两种管电压）获取处理信息（图2）。

当代CT技术在实现CT能量成像技术时面临的三个最主要的问题是： 两种kV条件下分别成像，如果在成像时间上存在前后差异，如何在二维能量空间中在对被照射物质定位前进行准确的图像配准的问题； 两种kV曝光条件下，如何解决X射线剂量过高的问题； 如何提高被照射物体被识别能力，从而提高CT能量成像应用的效果和范围。下面以双源法为例来介绍这三个问题是如何被解决的。

双源法采用同时同步采集的方式来解决两种kV条件下图像的配准问题。由于重建出一幅CT图像只需要180°的相位数据，所以双源法CT能量成像技术只需两个球管（分别设定低kV和高kV）同时同步旋转180°即可同时得到被扫描物质在不同X射线能量下的CT图像（图3）。由于是同时同步成像所以CT图像的配准问题就不复存在了，从而从根本上解决了图像配准问题。

双源法采用能谱纯化技术（Selective Photon Shield，SPS）解决了CT能量成像技术能量过高（与常规单源CT相比）的问题。双源法对高千伏球管发出的X射线辐射能量频谱中的，与低千伏球管发出的X射线辐射能量频谱重叠的低频能量光子进行选择性滤过，从而使得整个X射线辐射能量频谱图的形状和曲线下面积都发生变化，用于成像的X射线能量频谱图形状不再是单一的双尖峰分布，而是四峰分布（图4），X射线能量频谱图的形状和曲线下面积都发生了变化，曲线下面积（mAs）和光子平均能量（kV）与单源CT的X射线能量频谱都不一样。从而使得双源法的CT能量成像技术有可能在实际使用过程中，减少成像的X射线辐射剂量，这已经被相关研究证实[3-14]。

曲线下面积（mAs）和光子平均能量（kV）与单源CT的X射线

能量频谱都不一样，成像剂量可低于常规单源CT。

常规CT所能采用的一些低剂量成像技术可在双源法的CT能量成像技术上使用，从而进一步降低双源法CT能量成像技术的成像剂量。如自动毫安调节技术（CARE Dose 4D）、适应性射线屏蔽技术（Adaptive Dose Shield，ADS）、迭代重建技术（SAFIRE）、敏感器官射线屏蔽技术（X-CARE）等都可以在双源法能量成像技术上使用。

双源法采用的SPS技术同时也能够提高被扫描物质的识别能力（图5）。在数学识别算法不变的前提下，在没有使用SPS技术之前，碘和骨在二维能量空间内被识别的能力是碘（右边绿点）和骨（右边蓝点）到黑色直线（数学识别算法）的距离之和（红色线段长度之和）。而在使用了SPS技术之后，碘和骨在二维能量空间内的位置都发生了水平左移，由于碘（造影剂）的有效原子序数大于骨，所以碘水平左移的距离大于骨，从而在新的二维能量空间位置上，针对于相同的数学识别算法，碘和骨更容易被识别显示，即蓝色线段长度之和大于红色线段长度之和。根据实验室数据，SPS技术的使用使得被扫描物质的识别能力最大提高了80%。

双源法的CT能量成像技术提供了三种kV组合用于满足不同的检查目的。80 kV和Sn140 kV：应用于四肢和头颅，增加双能量对高密度物质的识别能力，如骨和碘剂，同时最大程度优化射线辐射剂量；100 kV和Sn140 kV：应用于体部，保证获得优秀的密度分辨率；140 kV和80 kV；传统方法，用于突出能量分辨率。

2 CT能量成像技术应用

在获取了高低kV的CT能量图像后，在二维能量空间内可根据不同的数学应用模型来实现不同的临床应用或用于科学研究。从医学图像处理方法学的角度可分为图像分割、图像分析和图像优化显示三大类，在这三大类应用中有13项应用获得了美国FDA认证。下面举例说明。

2.1 图像分割应用

2.1.1 低剂量CTA成像去骨功能

在头颈部CTA成像中双源法的CT能量成像技术可以仅用一次曝光扫描即可获取头颈血管的CTA去骨图像（图6）[15]。同时还有以下特点： 检查的稳定性大大提高，图像质量稳定，颅底的骨性结构一键式去除干净； 受检者接受的射线剂量低于常规单源CT，在本例中双源法的CT能量成像技术的检查剂量仅为0.8 mSv，比常规单源CT低30%； 对受检者和操作者的要求难度明显下降。

2.1.2 低剂量CTA成像钙化斑块去除功能

使用双源法的CT能量成像技术可以在一键式获取CTA去骨图像的同时，还可以一键式获得血管树的去除钙化斑块功能（图7）。此功能的诊断意义：① 在自动去除体部的骨性结构的同时，可以一键式去除血管壁上的钙化斑块，从而更形象直观准确地显示钙化斑块对血管管腔的影响；② 受检者接受辐射剂量低于单源CT的常规体部CTA辐射剂量。在本例中，受检者接受的辐射剂量是2.28 mSv。

2.1.3 肌腱韧带成像功能

CT能量成像技术不但能够提供密度图像对骨性结构进行诊断，而且能够采用彩色编码技术直观特异性显示肌腱、韧带的形态；三维VRT图像直观显示肌腱韧带的形态学信息（图8），能够为外科医生手术治疗方案的制定提供直观而准确的解剖信息。

2.1.4 虚拟平扫成像功能

双源法CT能量成像技术能够在获得被扫描部位的增强后的诊断信息的同时，还可以获得虚拟平扫的图像（图9），即平扫的诊断信息，使得医生仅仅通过一次增强扫描就可以获得受检者的增强图像和平扫图像，减少了曝光次数，也就减少了医患双方接受的X射线辐射剂量[16]。虚拟平扫剂量和常规单源CT剂量在同一水平。此外，CT能量成像技术还可以定量测定病变的含碘量，有助于对病变进行定性分析；对于软组织内的高密度物体可减少伪影；与常规平扫加增强相比，一次双能扫描得到虚拟平扫和增强图解剖位置完全对应。这里应该强调的是虚拟平扫在CT技术发展上的意义：首次实现了容积数据的时间轴上的分割。

2.1.5 CT能量成像在自发性颅内低压脊髓脑脊液漏诊断中的应用

CT的能量成像技术可用于自发性颅内低压脊髓脑脊液漏诊断（图10），与常规CT比较，能量扫描由于可以区分碘对比剂和其他高密度物质（如骨质，钙化等），诊断对比剂外漏更加明确，更加直观，容易被临床医生理解。这里需要指出的是能量成像剂量小于常规CT相同部位的成像剂量[17]。

2.2 图像分析应用

2.2.1 肺灌注功能的定性和定量评估

对肺部的病变导致的肺灌注异常能够进行定性和定量的评估（图11）。其诊断意义是： 仅通过一次曝光扫描，不但能够得到常规的CT密度图像信息，更能够得到肺的灌注信息，从而提示肺组织的受累情况、肺功能的改变及提示可能的小病灶的存在； 而肺灌注定量分析则可更为准确地评估肺灌注异常的程度[18]； 双能量肺灌注检查不仅适用于肺栓塞病变，也同样适用于肺炎、慢阻肺等肺部其他病变； 检查的辐射剂量和常规单源CT处于同一水平或更低。

2.2.2 肺异常肺血管CAD显示

可对异常的肺部血管能够进行特异性辅助显示（图12），提示可能的病变存在，如微小栓子等。在本例中，患者左下肺静脉血管树充盈不良，提示可能左下肺静脉口处栓子的存在。其诊断意义：① 仅通过一次曝光扫描，不但能够得到常规的CT密度图像信息、肺的灌注信息，还能够对血管进行选择性色彩编码，从而提示可能发生栓塞的肺血管，尤其是细小的肺血管；② 由于人眼对色彩的敏感性和分辨率要远高于黑白色，所以通过颜色的变化，可以提示医生在细小肺血管上的细小栓子的可能性，从而提高微小栓子的检出率，降低漏诊率。使得放射科医生不但易于发现细小栓子，也容易对栓子进行解剖定位。

2.2.3 肺结节CT能量成像功能

CT能量成像技术能够对肺部的结节进行成像，使得对肺部占位性病变的诊断信息更加丰富（图13）：提供碘含量的分析、容积测量、肿瘤负荷测定等参数，使得肺部结节的诊断更加明确、直观。而且一次曝光成像可以同时得到常规的密度图像和能量图像。CT能量成像技术的辐射剂量和单源CT在同一水平或更低。

2.2.4 泌尿系结石成分定性分析

CT能量成像技术能够对泌尿系统结石成分进行定性分析（图14）。通过对结石类型的分析，对于推测结石的发病原因，缩小尿结石的代谢评估范围，避免一些不必要的进一步检查；指导治疗和判断预后均有非常重要的临床意义。而常规的单源CT是不能够对泌尿系结石成分进行定性分析的[19]。

2.2.5 小关节痛风结石诊断功能

CT能量成像技术通过仅对活体小关节的CT平扫（图15），即可测定该扫描范围内是否存在尿酸结晶及尿酸结晶的分布，以起到诊断痛风和鉴别诊断（特别是血液检查正常的患者）的作用。CT能量成像技术也可以同时获取常规CT密度图像，可用于薄层观察和MPR、各种3D重建，直观、准确显示痛风石的部位、范围、对骨质的侵犯情况，对临床判断病情的严重程度、推测预后，特别是确定治疗的方案（包括是否适合手术及手术方式）、治疗后疗效的观察等均有重要价值。CT能量成像技术的检查剂量与单源CT的相同部位成像剂量处于同一水平[20]。

2.2.6 活动性脑出血鉴别诊断功能

双源法的CT能量成像技术对于怀疑脑出血的患者进行检查时可以获取造影剂的分布碘图并用彩色编码技术进行显示（图16），在除外动脉瘤、动静脉畸形等血管性病变时，可在获取常规CT诊断信息的同时，能够在高密度病灶中识别可能的造影剂分布，除外钙化、可能的出血或持续出血情况。同时也可对含碘量进行定量评估。

2.2.7 肺氙气功能成像

双源法的CT能量成像技术不仅可获取常规的形态学诊断信息，而且可以获取肺的功能学诊断信息，测量含碘量（图17）。

2.2.8 心肌灌注功能

双源法的CT能量成像技术不仅可以同时获得形态学和功能学成像，还可同时获得冠脉形态和心肌灌注信息（图18）。不但能够对冠状动脉进行诊断，而且能够同时对心肌的灌注情况进行评估；CT能量心肌灌注成像技术利用人眼对色彩的敏感性高于灰阶变化的特点，采用彩色编码技术对可能的心肌灌注变化情况进行直观显示和定量评估，并能够与对冠脉的诊断评估结合在一起进行观察，两方面互相印证，有利于放射科医生作出更全面准确的诊断。CT能量成像技术对心肌灌注检查的剂量低于单源64层CT常规单纯冠脉检查的辐射剂量[21]。

2.2.9 能谱曲线在辅助鉴别病变病理类型中的应用

CT能量成像技术提供的能谱曲线在一定程度上可辅助鉴别病变的病理类型（图19）。三种肾上腺占位的病理类型如果仅通过形态学信息是很难明确病理类型的。但是如果采用CT能量成像技术的能谱曲线技术，则可有助于对病变的病理类型进行鉴别（图20）。在本质上能谱曲线的不同是不同浓度碘的曲线或原子序数差别较大的不同物质的曲线，其在辅助鉴别病变的病理类型方面的应用有待进一步的研究。

2.3 图像优化显示应用

2.3.1 造影剂优化显示功能

在相同的观片条件下，使用双源法的CT能量成像技术可有效提高在下腔静脉中的造影剂和临近组织的对比差异，能够提升图像质量（图21）。在本例中下腔静脉的CT值平均被增加了25.3%。

2.3.2 抑制/消除金属伪影的应用

采用CT能量成像技术中的能谱曲线功能可有效抑制/消除金属伪影[22]（图22）。在相同的观片条件下，能够使诊断信息更加明确。

2.3.3 软组织优化显示应用

CT能量成像技术的能谱曲线功能可有效优化软组织的优化显示（图23），使得诊断信息的表达更加清晰。

由以上的介绍我们可以注意到三点：一是CT能量成像技术可以同时提供常规的密度图像；二是CT能量成像技术的检查剂量低于常规单源CT；三是CT能量成像应用只是CT能量成像技术众多种应用中的一种。所以基于双源法的CT能量成像技术是可以常规使用的。

3 总结

本文基于目前应用较为广泛的双源法CT能量成像技术对CT能量成像技术的原理和应用进行述评，期望有助于读者对CT能量成像技术有总体的认识和了解。展望未来，绿色低剂量的CT能量成像技术必然能够进一步扩大CT应用的范围和深度，临床实践是检验CT能量成像技术的唯一标准，可以预测通过开展广泛而深入的临床研究，CT能量成像技术的显著临床意义必将得到进一步验证。

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Principle and Application of CT Dual Energy Imaging Technology

LIU Xing-long, SUN Hong, LI Chenwei, SONG Zhi-wei, WANG Jing, WANG Li-zhi
Siemens Ltd. China Healthcare Sector

CT Dual Energy imaging technology is now being used widely in clinical work. There is obviously difference between CT Dual Energy imaging technology and traditional CT imaging technology. In order to help readers to understand the principles and applications of CT Dual Energy imaging technology in general, this paper introduces the knowledge of CT Dual Energy imaging technology based on Dual Source CT Dual Energy imaging technology, which is most often used in current CT routine work.

CT Dual Energy imaging technology; Dual Source method; selective photon shield; low dose imaging

TH774

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.09.001

1674-1633(2012)09-0001-072012年第27卷 09期

2012-07-10

作者邮箱：xinglong.liu@simens.com