能谱CT成像原理及临床应用价值研究

张磊

河南省南阳市中心医院CT影像科，河南南阳473000

能谱CT成像原理及临床应用价值研究

张磊

河南省南阳市中心医院CT影像科，河南南阳473000

自从射线成像技术被应用到医学领域之后，CT设备经历了巨大的进步与改善，已成为临床疾病检查与筛查的首选，为疾病的诊断带来了巨大的推动作用。近年来，随着多层螺旋CT的出现，成像技术及后期影像处理技术的发展，CT已在临床疾病检查、筛查、诊断、定位与治疗等方面广泛应用。CT成像原理主要基于单能量成像、能谱曲线、有效原子序数、X线与物质相互作用、能谱成像技术支持等，不仅有助于疾病的诊断和定量分析，而且为疾病数据分析，资料保存提供有效支持。在心血管系统、神经系统、泌尿系统、运动系统、肿瘤定位诊断、靶向治疗、物质分离与鉴别等方面均得到广泛应用，在临床与科研应用中具有广阔的发展空间和应用价值。

能谱CT；体层摄影术；成像原理；临床应用

CT自20世纪70年代问世以来，得到了飞速的发展，1972年第一台头部CT被应用于临床检查，之后扫描部位得到不断延伸，成像重要部件探测器也得到不断改进和进步，使CT影像更加清晰，为临床医师提供了大量疾病诊断依据［1］。CT发展经历了单笔型束扫描、扇形束扫描、反扇束扫描、动态空间扫描、电子束扫描、单层螺旋扫描和多层螺旋扫描几个重要发展阶段，扫描部位和应用范围不断扩展，不仅实现了物质成分分析、鉴别、定量等，而且对人体各个系统均可清晰扫描成像，特别是在肿瘤病灶的定位、大小测量以及靶向治疗方面得到广泛应用，大大提高了疾病诊断的准确性和可靠性。为了能量技术的发展和临床应用需要，CT相关研究也越来越多，为了普及临床医师CT成像技术，更进一步推广其临床应用，该文将对能谱CT成像原理进行系统介绍，并对其临床应用价值进行全方位探讨。

1　能谱CT基本成像原理

1.1单能量成像

CT通过X线管发射不同强度的X射线，X射线束穿透选定的扫描层面，遇到不同密度的物质，其衰减程度不同，探测器接收到沿X线束方向的不同物质吸收、衰减之后的射线，将其设定为已知值，各层面总体射线衰减值为未知值，通过系统转换成X射线衰减值，组成该扫描区域的射线扫描值，然后运用迭代方法求出每一体素的X射线衰减值，利于图像重建技术，将被扫描区域的X射线衰减值转换成不同密度组织的黑白影像。X射线的能量主要取决于管电压和管电流等复合因素，当X线管的管电流增大时，其发射出的电子数增多，X射线强度变强，能量变大，穿透力增强；临床常用X线管电流与扫描时间的乘积来表示X射线的量，单位为毫安秒（mAs），以X线管电压表示X射线的穿透力和能量，其穿透力与射线个数无关，主要取决于X射线的能量。X射线本质也是一种电磁波，其主要包括特征能谱和连续能谱两部分；X线管电流与靶极作用，致使靶极原子内层电子轨道发生偏移，脱落原来轨道，外层电子被吸收进来，在电子填充时产生辐射光子，形成不同频率和波长的能谱射线，能谱射线的能量与线管电压和电流有密切关系。高能量的电子在原子核电场的作用下，速度受到控制，能量受到一定损失，被损失的能量通过X光子的形式向外辐射，形成连续的射线能谱，射线能量各种各样，也就是射线的连续能谱。每种不同密度的物质对X射线都有不同的衰减能力，当X射线扫描检查层时，人体内不同密度的组织、病灶、骨骼等吸收不同量的线束，形成独特的X线吸收曲线，当X线的能量高于40KeV时，CT成像系统显示为一平滑曲线，每两个X线能量采集点决定一条吸收曲线［2］，许许多多的X线能量采集点进行图层重叠，便形成一个清晰的单能量图像，也就是CT扫描影像。

1.2X线与物质相互作用

X线传统能力很强，但其波长较短，当X射线扫描人体指定区域时，X射线穿透扫描区域内的器官、组织、骨骼、病灶、肿瘤时，射线能量被不同密度的物质所吸收，形成射线能量的衰减，不同密度的物质吸收X射线能力不同，导致射线能量衰减程度不同；这种X射线与扫描区域内物质的相互作用称之为光电效应。CT通过计算机设备对X射线能量衰减变化规律收集扫描数据，任何物质都有其对X线衰减的特征吸收曲线，并且任何物质的X线吸收系数可由其他任意两种基物质的X线吸收系数来决定；物理学家常将水与碘作为两种不同射线衰减基物质对，利用其对射线吸收系数不同，将CT探测器接收到的不同投影数据进行转换，重建出不同扫描曲线，最终形成CT扫描影像。

1.3有效原子序数和物质分离

每种物质的X射线吸收系统都不相同，但任何物质的X射线吸收系数都能够用其他两组基物质的吸收系数来表示，也就是说任何物质对X射线的吸收能力都能够通过其他与之相近吸收系数的基物质来表达其X线衰减效应，因此就可以用已知的某种物质评价出该物质的密度和空间分布，将其作为比对目标，而实现物质组成成分的初步分析及物质分离，并产生物质分离图像。若某种物质对X射线的吸收系数与其他物质或化合物的X射线衰减系数相同，那么该物质的原子序数就可以作为某种化合物的原子序数，X射线对检查区域进行扫描，然后通过计算机得出扫描区物质原子序数，可用来对某种物质的监测、鉴别和分离［3］。

1.4能谱成像技术支持

①CT设备中的瞬时变能高压发生器能够通过快速管电压开关控制线管电压，使其能够在0.5 ms以内进行80～140KVp电压间切换，达到射线能量及其反应速度加快的效果，有效提高空间分辨力，降低高频噪音，实现清晰CT图像。②瞬间切换的高低不能能量射线在穿透扫描区后应被准确接收，宝石探测器比传统稀土陶瓷探测器和钨酸镉探测器性能更加稳定，反应速度更快，余晖效应更低，能够准确接收快速转换的X射线，为能谱成像提供可靠数据。③动态变焦球管可以动态改变球管焦点，系统根据不同焦点选择与之匹配的焦点，从而得到高质量的影像数据。④自适应迭代重建技术将收集扫描数据进行多次迭代运算，将实际扫描获得的投影数据与理论计算所得数据进行反复比较，运用迭代法进行反复修正，直至找出最精确、最接近目标值的数据；即使在断层显像数据中，也能够通过迭代重建技术得到高质量的CT影像。

2　能谱CT成像临床应用

2.1硬化伪影去除

CT在成像过程中管电压在80～140KVp间反复切换，虽然是一个峰值电压，但实际所反映的是一个连续kV值的混合电压，在不用峰值电压下，产生能量各异的X射线，不能能量的射线光子在穿透扫描区域内不用密度的物质时，被不同密度物质吸收不同量的光子，导致射线衰减；当射线穿透高密度物质时，射线会被硬化，在高密度物体周围出现暗影或条索状阴影，这种现象被称之为射线束硬化效应。伪影的出现严重影响了影像质量，为临床疾病诊断带来一定的影响，容易造成疾病漏诊或误诊，甚至引发医疗事故。因此伪影的去除一直是临床研究的重点，虽然不能够完全消除，但可通过一些手段进行干预，以降低伪影对影像质量的影响。能谱CT的去伪影技术可通过纠正X线扫描高密度物质之后产生的“光子饥饿”现象，提升扫描信号强度，有效抑制射线硬化而产生的伪影［4］。对进行过骨科手术，放置有金属材料的部位进行扫描时，能谱CT能够单能量去除金属植入物所产生的伪影，提高影像质量；同理，能谱CT也能够去除心脏起搏器、人工关节、整形植入物等所引起的影像伪影，使其在骨科、心脏系统、关节等方面得到良好应用。

2.2低剂量扫描的应用

肺组织内有大量气体，对X线吸收能力较弱，采用低剂量扫描不仅可以得出更加清晰的影像，而且还能够降低射线强度，减少辐射和设备耗损。曾有学者研究指出，30 mAs的管电流不仅能够得出清晰肺部扫描影像，而还能够发现包括2.5 mm磨玻璃结节的肺部病变；目前低剂量CT在国外已经用于早期肺癌筛查，使用低剂量CT扫描能够提高病变的检出率，降低死亡率。CT单能量成像技术还能够显著提升手足肌腱扫描影像质量。可不用通过口服降心率药物减缓心率，利于CT扫描一样能够得到清晰影像。低剂量CT扫描不仅可以显示其扩张肠管内的气液平面，而且能提示梗阻原因。低剂量的CT扫描肾、输尿管等部位，单能量成像技术和有效原子序数能够使输尿管结石、肾结石等检出准确率高达95%，并可以根据有效原子序数确诊结石类型，因此在泌尿系统也得到广泛应用。

2.3物质分离鉴别方面的应用

能谱CT能够利于能谱曲线与射线吸收系数，成像出不同的影像，通过被扫描物质的原子序数图，可准确地对所扫描的病灶成分进行鉴别分离。比如能谱CT能够准确对动脉粥样硬化斑块中的纤维成分、脂质成分及血栓样组织进行区分，通过显示的斑点大小，可对斑块中脂质成分含量进行评估，初步判断斑块的稳定性。能谱CT扫描碘基图像对肺灌注十分敏感，能够准确发现远端微小栓子，对肺栓塞评价具有重要意义，已成为评价肺栓塞的首选检查［5］。能谱CT还能够将骨成像从SAOM影像中去除，消除钙化影像，能够有效评估骨髓情况，在骨挫伤后骨髓损伤的探测中广泛应用。

2.4能谱CT在肿瘤定位、诊断鉴别中的应用

能谱CT影像的单能量图像能够显示不同能量水平物质的不同影像特征，利于单能量图像和物质分离图像技术，选择合适的能量水平，以达到提高微小病灶检出率。单能量成像的射线衰减曲线有助于对扫描区域内不同物质的区分定性，不同组织的肿瘤和不同性质的肿瘤，其单能量衰减曲线也不相同，对其图像进行分离，有助于肿瘤的定位、诊断和分级；通过对CT成像能谱进行综合分析，不仅能够准确定位肿瘤位置，而且还能够对肿瘤大小进行初步测定，评估肿瘤的浸润程度，是否出现转移和淋巴结肿大，进一步判定肿瘤病例类型、恶性程度及其分期，为临床资料诊断和治疗提供资料支持和准确信息，有效提升治疗诊断准确率和治疗有效性［6］。

3　结语

通过对能谱CT成像基础原理进行总结分析，使临床医生对能谱CT有一个更进一步的认识，在临床工作中，能够正确运用，以提高疾病诊断准确率和辅助检查科学化。作为医学技术的一项重要辅助项目，能谱CT从疾病筛查到诊断治疗，经历的质的飞跃，不仅为疾病筛查、诊断提供可靠依据，而且还为临床疑难疾病的确诊、治疗提供更加准确的协助，特别是肿瘤微创靶向治疗，CT在其中担负着重要作用。我们相信，随着医疗技术的发展和进步，能谱CT技术将会在临床应用更加广泛。虽然我们对CT成像给予了充分肯定，但仍要客观看待，准确分析其存在的不足与缺陷，为其技术改进和修正提供依据，为医学影像技术的发展和研究指明方向。

［1］李小虎.能谱CT的原理与临床应用价值［J］.中国医疗器械信息，2011，10（1）：1-5.

［2］任庆国.CT能谱成像的基本原理及临床应用［J］.国际医学放射学杂志，2011，34（6）：559-563.

［3］雷立昌.能谱的临床应用与研究进展［J］.中国医学影像技术，2013，29（1）：146-149.

［4］惠萍.CT能谱成像在消除金属移植物伪影中的应用价值［J］.中华放射学杂志，2011，45（8）：740-742.

［5］黄仁军.能谱CT的临床应用与研究进展［J］.放射学实践，2015，30（1）：81-83.

［6］林晓珠.CT能谱成像的基本原理与临床应用研究进展［J］.中华放射学杂志，2011，45（8）：798-800.

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

张磊（1983.3-），男，河南南阳人，本科，医师，研究方向：影像诊断。

（2016-07-11）