能谱CT的特点及临床应用

段勇 李洪利 滨州医学院附属医院国有资产管理处 （滨州 256600）

能谱CT的特点及临床应用

段勇 李洪利 滨州医学院附属医院国有资产管理处 （滨州 256600）

多排螺旋CT技术的广泛应用及计算机后处理技术的不断发展，使能谱CT成像从理论走向实践。与常规多排CT相比，能谱CT及时实现了包括单能量图像、能谱曲线、基物质图像及相应基物质的定量分析、有效原子序数等多参数成像，为疾病的早期发现、定性甚至定量诊断提供可靠依据，为临床实践和科研提供更为广阔的发展空间。

能谱成像 单能量成像 临床应用 物质分离与定量分析

计算机技术的不断成熟，为CT技术的完善和发展提供了条件，仅仅40年的时间，CT的发展经历了从实验室阶段→非螺旋CT阶段→螺旋CT阶段→多排CT阶段，每一个阶段的进步都带来难以想象的临床应用。近些年，伴随着探测器、高压发生器、球管、数据采集系统等硬件的不断改进，CT技术的发展迎来了一个新的时代，能谱CT研究逐渐显现出其独特的优势，给临床带来巨大的帮助。

1.能谱CT设备硬件的新发展

能谱成像对硬件有极高的要求，需要同时满足“同源、同时、同向”，即为避免空间位置移动，要求同时（瞬时）完成高低能量输出、同时（瞬时）进行高低能量数据采集[1]。这意味着保持输出能量稳定的前提下，瞬时完成两次高低能量不同的扫描，并保证更大的数据输出信息量，以完成重建，这都需要硬件上相互配合、精心设计。上世纪90年代初期，科学家已经完成了能谱成像的理论基础研究，但硬件的发展不足以实现临床应用，随着探测器、球管技术、高压发生器、计算机技术的高度发展，如今能谱CT成像得以实现。

1.1 探测器

探测器的发展经历了从气体探测器到固体探测器，而能谱CT要求更快的转化速度、最低的余晖和更高的稳定性。新型的宝石探测器，在宝石结构的基础上通过元素置换添加了相应的稀土元素，使得探测器的性能有了很大提高，对X线的初始响应速度达到0.03us，比固体探测器速度提高了100倍，余晖效应仅仅是原来的1/4，而且有更高的稳定性，极大满足瞬时能量切换技术对探测器的要求[2]。

1.2 球管技术

球管是X线产生的核心部件，要完成高低压能量的瞬间切换，势必导致焦点的漂移。动态变焦技术，不采用固定焦点，而是通过偏转磁场的聚焦，根据不同条件自动选择匹配的焦点[3]，保证了不同高压条件下焦点的稳定性，并通过mAs的独自优化实现高低能量下图像质量的匹配。

1.3 高压发生器瞬时电压切换技术

高压发生器为球管提供产生X线所需要的高压，其性能的稳定性决定产生射线的质量，更进一步决定了整个系统的精度。能谱CT要在瞬间完成140～80kvp高低能量间的周期切换，目前两个能量间的切换时间已经能够达到7微秒，转换周期已经能够达到0.25ms[4]，高低压瞬切高压发生器在满足时间要求的前提下，维持了输出电压的稳定，保证了X线能量的精度，是能谱CT实现“同源、同时”要求的硬件前提。

1.4 数据采集系统

更高的旋转速度（0.28秒/转），而且同一位置进行两次扫描，获取两组能量数据，能谱CT为获得高低能量下高精度的图像质量，已经具备每秒7131以上的采样率。先进的数据采集系统采用高频低噪采集技术，实现了微秒级别的采样[5]，配合强大的计算机系统及新一代的迭代重建算法，最终得到了更低噪声、更高分辨率的图像。并且整合多种技术，使得低剂量成像得以实现。

2.临床能谱成像实用工具

2.1 单能量成像

常规CT使用连续X射线源，得到平均能量下的图像，密度分辨率低，硬化伪影、同物异影、异物同影的现象明显，比如糖水和盐水就有相同的CT值，常规CT无法进行区分。能谱CT成像的目的就是为了消除硬化伪影、得到单能量图像、提高密度分辨率从而进行物质区分与定量。能谱CT通过高低两种能量间的快速切换，测量出物质高低两种能量下的x线衰减系数，并进一步将这种衰减转化为会产生同样衰减的两种基物质的密度（两种基础物质来产生相同的衰减效应），这样的过程称之为物质组成分析与物质的分离。由于通过物质分析，未知物质已经被表示成两种基物质的组合，而基物质能量衰减曲线科学家在很早之前已测定，通过基物质能量衰减曲线可以推算任意单能量下未知物质相应的衰减系数。以基物质能量衰减曲线为基础，通过以上原理，可以解析出任意40～140kev下的101幅单能量图像，满足各种临床应用，克服了常规CT平均能量成像的弊端。

2.2 能谱曲线

以单能量值为横坐标，CT值为纵坐标，将物质不同单能量值下CT值的变化规律以曲线进行表示，就得到了能谱曲线。在常规CT中，具有相同CT值的不同物质，再次以糖水、盐水为例，是无法进行区分的，但是两者却有不同的能谱曲线，通过两者的能谱曲线，很容易就得到将两者得以区分的最佳单能量。临床中可以利用能谱曲线，鉴别常规CT中CT值差别较小的两种组织和病变，进而对病变的性质、同源性及差异性进行判断，从而能够达到区分和鉴别物质成分的目的，为临床诊断带来更充分的数据支持。

2.3 物质分离与定量分析

能谱成像中，通过两种基物质产生与被测物质相同的衰减效应建立算法，是对物质的一种相对表达，并不代表物质的真实物理组成，是一种替代，而不是确定物质的真实成分。物质分离与定量分析，是以感兴趣成分建立基物质对，通过物质分离进行物质的定量分析[6]，如建立碘和钙基物质对，钙和尿酸基物质对等。根据物质定量分析找到组织器官以及病变的病理变化规律，有利于病变的定性分析和判断病变进展。

2.4 有效原子序数

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。

有效原子序数目前主要用于结石成分的分析，以进一步对感兴趣区内物质进行定性。

3.初步临床应用

3.1 单能量成像

3.1.1 去除硬化伪影

脑实质、颌面部和颈部结构精细，密度差异小，单能量CT的图像较常规CT，能有效减少硬化伪影、提高图像的信噪比、提高病变的检出率，研究认为使用70kev单能量图像可以得到最佳的成像效果。

对于血管壁的严重钙化、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的常规CT血管成像，常常会因为硬化伪影和金属伪影而影响到局部血管的观察。单能量图像可以有效降低硬化伪影，有助于局部血管显示。

有金属植入物、金属固定器及人工关节等的病人（骨科居多），硬化伪影及金属伪影明显，在能谱成像下使用较高kev单能量成像，结合金属MARs技术可以显著去除金属伪影、硬化伪影，并有效补偿周围信号丢失产生的低密度伪影[7]，有效显示金属植入物周围骨质和软组织结构，对病程的进展、判断提供了清晰的图像依据。

3.1.2 病变的清晰显示

在常规CT扫描中，CT值相近的病变或组织往往难以区分，但两者的能谱曲线并不完全一致，能谱曲线上CT值相差最大时的单能量值就是区分两者的最佳单能量。通过最佳单能量图像，临床医生可以更准确地分辨病灶，提高病灶的检出率。最佳单能量图像也常用来进行血管的显示[8]，提高血管与周围组织的对比度，更加清晰地显示了病灶细小供血动脉的显示，给临床提供更多的支持。

3.2 能谱曲线

3.2.1 血管钙化斑块性质分析

根据不同物质具有不同的能谱曲线，对血管中斑块进行定性分析。对目标斑块中的脂质成分、纤维成分及血栓样组织，利用能谱曲线的特征表现进行分析，通过斑块在能谱曲线中的不同表现，进一步定性钙化斑块或非钙化性斑块，为临床治疗提供更为精确的信息。

3.2.2 病变同源性分析

通过多个不同病灶进行能谱曲线分析，曲线表现一致或近一致的病灶，考虑同源或组成相近，突破了传统CT的界限，为病变同源性分析提供更多的证据。

3.3 物质分离与定量分析

3.3.1 肺部灌注成像应用

能谱CT成像碘基图可以对肺实质含碘量进行定量测量，有效反映肺实质血流动力学变化，同时提供解剖及功能信息。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。对肺部疾病的前期诊断及后期治疗疗效的评估具有指导意义。肺栓塞经过治疗后，除临床症状改善外，血流灌注的恢复也是评价疗效的主要指标，利用能谱CT肺灌注成像评价不同病理改变下肺组织的血流灌注及通气情况具有可行性[9]。

3.3.2 物质分离区分血肿和血钙

最佳单能量可以有效提高组织间的对比度，同时利用血/钙基物质成像可以测量病变血供和钙含量，结合虚拟平扫图像和碘基图像能够比较容易地鉴别血肿和钙化组织。

3.3.4 甲状腺功能测定

碘/水物质含量分析可直接测定甲状腺的碘（水）含量，进而可反映和评价甲状腺功能并鉴别甲状腺结节性质；物质分析可对颈部结节的碘、水等进行定量，进而判断组织来源。能谱曲线方面，不同性质肿瘤、肿大淋巴结的能谱曲线斜率可能存在差异[10]，有助于肿瘤良恶性鉴别和恶性肿瘤分期、疗效评估。

3.3.5 其它应用

碘基图像可以敏感地识别病灶中的含碘对比剂，从而提供病灶有无强化的信息，可极大提高小病灶的检出率；碘（钙）基图像能够显示去除钙化后的血管，对于钙化血管狭窄评估的准确性将会有所提高。尿酸／钙基图像能够通过对尿酸含量进行定量测定，区分真假痛风结石。

3.4 有效原子序数

部分疾病如肾结石、矽肺、病变内钙化等均为无机物沉积，有效原子序数测定可直接对其中的无机物进行分析，达到精确诊断和鉴别的目的。通过有效原子序数，将所得数据与已明确类型的相似病例进行对比，如相近，则可推测其类型相同，通过此类方法，可进行病变的同源性分析工作，给临床医生提供帮助。

3.5 多参数应用

不同脏器的肿瘤、同一脏器不同组织起源的肿瘤、同一肿瘤内的不同组织成分，它们的单能量衰减曲线不同，其物质分离图像、物质含量分布图（散点图、直方图）的表现也不一样，对这些能谱特征进行综合分析，有助于肿瘤的定位、定性及分级的诊断。CT能谱成像综合分析有望在肿瘤的浸润程度、肿瘤的病理类型、恶性程度、淋巴结的转移及远处转移灶的诊断方面提供有效信息[11]，在肿瘤诊断与治疗中发挥其作用。

4.小结

能谱成像给临床带来了诸多前所未有的突破，为临床应用和临床科研提供了无限广阔的前景。随着CT硬件和软件技术的不断发展和完善，能谱CT的临床应用会逐步深入，作为一种临床应用的新方法，能谱CT在全身各系统疾病的定性、定量诊断及预后评估方面必将得到更快的发展，全面开启CT的能谱时代。

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The Peculiarity and Clinical Application of Spectral CT

DUAN Yong LI Hong-li Department of the National Property Administration, Binzhou Medical University Hospital (Binzhou 256600)

Advances in multi-detector technology and computer processing technology have made spectral CT imaging possible. Compared with conventional multi-detector CT, spectral CT have realized multi-parameter imaging, including monochromatic imaging, spectral curve, basis pair for material-decomposition images in quantitative analysis and effective atomic number. These imaging technologies provide reliable information to diagnose disease earlier and more accurately. Spectral CT is a promising technique with clinical application potential.

spectral imaging, single energy imaging, clinical application, material separation and quatitative analysis

1006-6586(2017)01-0008-04

R814.42

A

2016-11-06