双能量CT的多参数分析和临床应用

严福华 林晓珠

双能量CT的多参数成像

1. 双能量CT概述

能量CT是利用物质在不同X线能量下产生的不同的吸收来提供比常规CT更多的影像信息。能量CT成像的概念在二十世纪七十年代CT诞生时就被提出。1973年，CT的发明人Hounsfield先生在他对CT的描述中提到用多个能量点成像对物质的组成进行区分和定性。在二十世纪七十年代后期放射学界开始了早期双能量减影的临床研究和临床应用，之后由于成像技术的限制，能量CT成像的临床应用未能广泛推广。如今随着能量CT成像物理基础的深入研究和CT硬件和软件的整体发展和完善，能量CT成像重新成为热点，并逐步成为CT的主流方向之一。

2. 多参数成像

能量CT不同于常规CT的显著特征在于其实现了多参数成像，使得CT在原有空间分辨率、时间分辨率的基础上又增加了能量分辨率及理化性质的分辨率。能量CT成像和诊断过程中涉及的参数包括单能量图像、能谱曲线、多种基物质图像及相应基物质的定量浓度值和有效原子序数。每个参数所侧重反映的特性有所不同。

2.1 单能量图像和能谱曲线：单能量图像的CT值反映的是特定能量水平下X线穿过被检组织后所产生的衰减值，由于目前临床上所应用的能量CT的单能量成像并非真正意义上的物体在单色X线源的情况下获得的单能量成像，而是通过能量解析的方法获得相当于物体在单色X线源的情况下的单能量成像。单能量CT值与其所对应的能量水平间的变化关系在二维坐标系内构成曲线即为能谱曲线。不同的组织由于组织本身的密度、增强后组织内对比剂的含量不同，其能谱曲线表现也不同，从而能够达到区分和鉴别物质成分的目的。此外，研究显示单能量图像（65～70keV）与常规CT图像（120kVp）相比具有更低的图像噪声，更高的对比噪声比（contrast-to-noise-ratio，CNR）[1-3]。根据观察目标的不同，双能量CT可以提供显示特定病灶的最佳CNR的单能量图像。最佳单能量图像提高和优化了小病灶的显示，从而增加了肿瘤早期诊断的信心[4]。

2.2 基物质图像和有效原子序数：基物质图像是CT能量成像中非常重要的图像模式。理论上来讲任意物质的衰减曲线可用另外两种其他物质的衰减来表达，这另外两种其他物质亦称为基物质对。通常情况下基物质对并不代表确定物质的真实物理组成，而是通过这两种基物质的组合来产生相同的衰减效应，是对所需检查物质成分的一种相对的表达，它更多的是用来分离不同的物质，而不是确定某种物质，但是在某些特定的情况下它也能用来表达某种物质的真实含量，比如可用碘基图像来表示增强扫描时血管中碘的含量。在临床诊断过程中选择合适的基物质是很重要的，原则上要选择原子序数相差较大的两种物质进行配对，如水-碘、钙-水、碘-钙、尿酸-钙等；另外，可根据不同的诊断目的进行选择，如碘（水）基图主要用于反映增强后组织强化的程度，碘-钙基物质图主要用于区分高密度物质主要成分是对比剂还是钙化，而尿酸（钙）基图像主要用于显示痛风患者尿酸盐结晶的异常沉积，等等。基物质图像密度的高低用定量的指标来反映即基物质浓度，以mg/ml或100μg/ml来表示。目前临床上最为常用的基物质对为水-碘基物质，碘是CT对比剂的主要成分，碘基图像能够反映对比增强后被检组织内碘浓度的含量从而间接反映其组织血供状况，因此其临床应用的范围非常广泛。比如肺栓塞的检测，肺动脉栓塞早期阶段肺实质的密度尚未发生明显改变而局部肺组织的血流灌注已经下降，尤其当栓塞的血管较小或仅部分栓塞时，常规CT较难发现，而碘基图像能够显示栓塞动脉所对应的肺实质的低灌注区域。由于可以进行定量测定，碘浓度值对于肺栓塞严重程度的判断以及疗效评估都有指导作用[5]。碘基图像能够反映局部组织轻微的强化（少量碘的进入），而这种变化在常规CT上由于硬化伪影和CT值漂移的影响而难以显示。碘基图像的这种特征对于检测强化程度相对较弱的富血供小肿瘤如小肝癌、小胰岛细胞瘤等是非常重要的[6]。

水基图像在显示低密度病灶特性方面有着特殊的作用，比如肾脏囊性病变的鉴别，复杂性囊肿与囊性肾癌在常规CT上均显示为稍高密度，而在水基图像上复杂性囊肿往往显示为稍高于肾实质密度改变而囊性肾癌则显示为近似于肾实质密度[7]。另外一些胆囊结石在常规CT上显示为等密度，而在水基图像上则表现为高于胆汁密度，容易检出。水（碘）基物质图像由于基本不显示碘的成分，也叫做虚拟平扫，可用于结石、钙化的检测。

利用X线的衰减可以对未知元素的原子序数进行推算，基于此原理，对于化合物或混合物如果其衰减的效果等同于某元素，则该元素的原子序数被称为该化合物或混合物的有效原子序数。有效原子序数是CT诊断中一个全新的参数，目前常用于结石成分的分析，另外也会作为参数之一用于多参数联合诊断。对于有效原子序数的诊断价值还需要更多的临床和亚临床的研究结果来证实[8-9]。

在临床诊断中，一个指标的诊断价值有时是有限的，往往需要联合多个指标进行综合诊断才能取得更好的效能。多参数成像是双能量CT的优势，能够更加全面地反映被检组织的特性和功能状态，可以实现病灶检出+定性+血管成像的“一站式”检查，优化了临床检查流程，从而获得更加准确、全面的诊断信息。

双能量CT的临床应用

目前，双能量CT广泛应用于多个系统和器官的检查，如最佳单能量技术能够以成像血管为目标、血管周围组织为背景获得目标血管最佳的单能量图像，使得目标血管的CNR达到最高，可获得更加满意的CTA图像[10]。另外，常规CT血管成像常因血管壁的严重钙化、血管内置入金属支架或者动脉瘤弹簧圈栓塞或金属夹夹闭后的硬化伪影和（或）金属伪影而影响局部血管的观察。而单能量图像配合MARs技术能够有效降低硬化伪影，清楚显示局部血管情况。碘（钙）基图像能够显示去除钙化后的血管，对于钙化血管的狭窄评估的准确性将会有所提高。双能量CT的物质分离技术可对斑块进行定性、定量诊断，能谱曲线分析可以区分脂质斑块与纤维斑块，从而有助于对心脏病严重事件的发生起到预警作用。

双能量CT在腹部检查方面也有一定的优势，如胃肠道肿瘤的术前评估、肾脏囊性占位的鉴别、尿路结石成分的分析、腹主动脉瘤修补术后内漏的评估和肾上腺腺瘤密度的准确测定等[11]。在肝脏方面，有文献报道，采用虚拟平扫可以代替真实的CT平扫，以减少患者的辐射剂量[12]。肝脏双能量扫描时，动脉期的低能量图像，对富血供病灶的检出更加敏感[5]。增强扫描后伪彩的碘图可直观显示碘的分布，并能定量测定碘含量[13-14]。双能CT还可以敏感地检测少血供病灶的轻微强化，因而有助于鉴别恶性肿瘤和囊性病变[7]。另外，在肿瘤治疗后疗效的监测方面，双能CT具有重要价值。如原发或转移性肝癌可采用射频消融或抗血管生成靶向治疗达到杀死肿瘤细胞的目的，这些治疗可以改变肿瘤的灌注，而双能CT的碘图可反映出这些变化[15]。双能CT的物质分离技术可以敏感地区分病灶内部的成分，如钙、铁、脂肪和出血等，有利于病灶的定性，如腺瘤和肝细胞癌内部常常伴有脂肪变性，而钙化常常见于特异性炎症和黏液腺癌的转移等。

小 结

双能量CT的深入研究和发展为影像诊断提供了更多的信息和工具，在临床上实现了综合诊断和一站式检查，同时双能量CT作为一项新技术，为影像医学研究提供了开放的平台和手段。相信随着CT硬件和软件技术的不断发展和完善，双能量CT的临床应用会逐步深入和完善，也将会在疾病诊断中发挥更大的作用。