双能量CT的多参数分析及其在肿瘤成像中的应用

石磊，陈新月，李剑，唐永强，杨洪兵，石明国

1.第四军医大学西京医院 放射科，陕西 西安 710032；2.西门子（中国）有限公司，四川 成都 610000

双能量CT的多参数分析及其在肿瘤成像中的应用

石磊1，陈新月2，李剑1，唐永强1，杨洪兵1，石明国1

1.第四军医大学西京医院 放射科，陕西 西安 710032；2.西门子（中国）有限公司，四川 成都 610000

双能CT有多种实现技术，它不仅延续了传统计算机断层CT图像的优点，同时，在不增加放射剂量的同时可以提取更多与诊断相关的频谱信息，利用这些频谱信息可以合成物质选择性图像和能量选择性图像。双能CT能够有效识别和量化在病理过程中出现的异常物质成分信息或是造影剂，如区分结石成分、铁、钙、碘；通过能量选择成像，也能使合成图像的显示和质量更便于临床诊断信息的提取。本文概述实现双能CT的采集技术及其图像种类的在肿瘤成像中的临床应用价值。

双能量；造影剂；辐射剂量；双源双探测器；能谱CT

引言

1917年Deans[1]研究发现：根据在某断面上已知的多个按直线路径分布的数值的总和，可以计算出该断面。1972年，英国工程师Hounsfield，将该理论应用于实际，发明了计算机断层扫描CT。随着扫描、重建和后处理技术的发展，更高信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）、对比噪声比（Contrast to Noise Ratio，CNR）的CT图像采集，使断层图像拥有了更好的空间分辨率和密度分辨率，为CT的临床应用提供了广阔的空间。然而，由于断层图像中每一个像素点的CT值与线性衰减系数息息相关，且线性衰减系数是由成像的X线能谱、成像物质的组成以及成像物质的质量密度共同决定。因此，传统单能断层图像CT值用于特异的物质分类和物质区分是有限的。如何区别在断层图像里具有相同CT值的不同物质成分、如何在多种混合物质成分里计算出某一特定物质成分浓度（如碘浓度），对于疾病的诊断至关重要。双能CT（即用具有不同能谱的X线对同一物质成像）是解决以上两个问题的有效方法[2]。本文概述实现双能CT的采集技术及其图像种类的在肿瘤成像中的临床应用价值。

1 双能采集技术

双能CT的实现需要：① 采集系统，具有产生不同X线能谱的功能；② 探测器，具有一定的能量分辨能力。

1.1 双源双探测器

在机架内拥有两个在不同管电压下运行的X线球管，以及分别与之产生的不同X线能谱对应的两套探测器，即两套成像系统。这是实现双能CT最直接的一种方式。简单的延续应用与传统单能CT一致的X线球管，以及相同材料的探测器就可以满足这种技术的实现。对应传统的图像重建技术，也可以被保留使用。虽然这种技术的硬件实现较为昂贵，双能扫描覆盖的扫描范围也被限制。但它最重要的优点是，两个X线球管可以独立调整管电流和管电压，另外，还可以在高能球管前加锡板滤过低能光子，可以产生最小重叠的X线能谱，同时又保证两个能谱拥有大致相同的X线光子数，这是双能CT图像分析结果准确的前提[3-4]。

1.2 单源双能

单源保留了成像系统的数量，使硬件实现更为经济。双能则主要通过快速改变管电压，或采用具有能量分辨的新型材料探测器实现。

1.2.1 快速电压切换

每一个投影都分别进行了低管电压和高管电压两次采集，由快速切换球管管电压获得。同时，为了保证高低能谱具有相近的X线光子数，管电流需要做相应的调整。这一技术的硬件实现较为经济，但它的局限性在于管电流的调整是有限的，高低能谱的光子数会有一定的差别；另外，由于对同一位置投影要进行两次采集，相比而言，需要额外的时间，相应的球管旋转时间会增加[5]。

1.2.2 双层探测器

探测器的不同层面，由不同的荧光闪烁体材料组成，即对不同的X线光子能量具有不同的探测敏感度。这一技术可以延续使用单能CT球管，不增加额外的经济支出，就能实现双能CT。然而它存在剂量利用率低，获取的双能能谱差异小等问题[6]。

2 双能CT图像种类

2.1 融合图像

在双能CT的应用中，融合图像虽然没有显示物质成分信息，但是“融合”了高低能量采集数据的图像，更适用于诊断，具有重要的临床意义。具体来讲，由于剂量被分担，在双能CT中单一的不管是通过高能或是低能采集重建的图像质量都低于用相同剂量传统单能采集合成的图像质量。双能融合图像，结合了高能和低能采集数据，因此双能扫描的所有剂量都被利用，类似于传统单能CT，保证了图像质量[7]。另外，虽然低能采集，能使图像凸显物质对比度，却有较低的SNR；相反，虽然高能采集重建的图像对比度相对较差，却拥有较高的SNR。而融合图像，可以通过选择合成的不同方式，兼具高、低能采集的优点。

目前有两种方法可以合成融合图像：线性融合和非线性融合。在线性融合中，高、低能量的融合系数相加等于1，如果融合图像合成使用了更多低管电压采集的数据成分，相比于使用更多高管电压采集的数据成分，该图像拥有更好的对比度，同时具有更多的噪声。其实，对于显示特定体型病人特定结构都有最优的融合系数，在该系数合成的融合图像具有显示该结构的最佳CNR[8]。无法使对比度和噪声达到两全其美，是线性融合技术的局限性。非线性融合技术，能有效解决这一问题[9]。有多种技术可以实现非线性融合技术，如在syngo工作站上的优化对比后处理[10]，它可以用更多低能采集数据去合成图像中有大量碘摄取的结构以凸显对比度，而高能采集数据主要用于合成图像中碘摄取量极少的部分。

2.2 双能的选择性物质图像

应用双能CT后处理可特异性的去除碘信号对图像合成的作用，选择性的只显示软组织和脂肪，即虚拟平扫。另外，也可以只显示含碘的血管结构，自动去骨，有利于消除骨组织对血管成像的影响。除此之外，还可量化碘的浓度。这些双能应用中选择性物质成像，是通过三物质分离实现的[11-12]。三物质分离，是基于将混合成分的某物质，分离为已知体积分数构成的3种物质。在假设3种物质分别的体积和等于混合物质体积的前提下，进行两次不同X线能谱对混合物质进行数据采集，就可以求解得到这3种物质成分的体积构成，进而能分别得到3物质对于这一混合物质有效衰减系数的贡献。使选择性物质成像成为可能。临床应用中进行选择性成像的3种物质通常为：碘、软组织和脂肪。这是由于他们的双能比，即高低能谱下CT值比差异大，能保证分离的可实施性。另外，分离的可实施性也取决于成像的双能能谱重叠的大小[13-14]。

2.3 双能的选择性能量图像

与三物质分离的原理大致一致，选择性能量图像将混合物质分为两个已知成分的基础物质组成。这样就可以计算得到这一混合物质在诊断需求的各个能量下的衰减系数，合成任一虚拟单能图像。这个合成可以在图像域里进行，或是在原始数据域里进行。在原始数据域里进行的单能合成可以有效的去除射线硬化伪影[13-18]。

综上所述，双能CT能够有效识别和量化在病理过程中出现的异常物质成分信息或是造影剂，提供额外的疾病相关信息，如区分结石成分、铁、钙、碘；通过能量选择成像，也能使合成图像的显示和质量更便于常规临床诊断信息的提取[19-24]。物质分离图像和能量选择成像有着极为丰富的临床应用，尤其是在肿瘤成像中因其不需增加额外辐射剂量便能提供更多的疾病相关信息，赋予了双能CT在肿瘤的诊断、治疗、随访和评价预后不可代替的价值[25-26]。目前，常用于肿瘤成像的双能物质分离图像和能量选择成像的应用包括虚拟单能图像、碘图、虚拟平扫等。下文将会对这些应用进行概述。

3 双能CT在肿瘤成像的应用

3.1 双能CT在肿瘤诊断的临床应用

相比于传统单能kVp图像，一次双能CT采集能够获取某种物质在不同光子能级下的衰减系数信息，通过能量选择图像后处理利用这一信息，可得到任意虚拟单能下的图像显示，提供给医生更多的可选择性。而其中低keV图像，因其具有较高的CNR和优化的碘信号显示[27]，理论上，结合使用碘对比剂前提下，可增加病灶和周围正常组织对比度。目前这一原理已经被多个研究应用证实能够提高肿瘤的检出，优化病灶边缘显示。如皮肤恶性黑色素肿瘤的胸腹部转移灶，通常体积小，增强效果不明显，在传统单能增强CT中，一直是诊断的难点。经研究证实，利用双能CT的选择性40 keV图像能够通过增加CNR，定性、定量地提高图像质量，相比于传统单能120 kVp图像，极大的优化了转移灶的显示[28]；另外，经研究证实，在诊断中同时结合双能能量选择和物质分离图像也能大大得提高诊断的敏感性[29]。如胰岛素瘤的检出和准确定位是手术治疗关键，结合低keV图像和碘图，能够使诊断的敏感性从传统单能CT的65%提高到97%[29]。除结合低keV图像用于病灶检出和显示之外，双能的物质分离图像也常常用于肿瘤的鉴别诊断，如利用碘图，区分乏血供小病变的良，恶性，显示肿瘤组织中坏死组织区域[30]；或是在脑肿瘤合并脑出血中，利用碘图结合虚拟平扫图像定量评估肿瘤组织增强程度[31]。

除此之外，双能CT采集相比与传统单能增强CT还可以对兴趣区提取多种量化参数，如碘浓度、水浓度、双能比、双能参数和有效原子序数。有研究前瞻性运用双能CT采集了经肠镜证实的直肠癌患者的淋巴结信息，提取了以上各种量化参数，并对使用这些量化参数进行淋巴结良恶性诊断与术后病理结果金标准进行对照，评估其诊断的敏感性，特异性和准确性[32]。研究结果证实，在良、恶性淋巴结中，双能定量参数的数值大小是有显著差异的，且诊断的准确性与目前常用的淋巴结评估影像手段MRI相当[32]。

总之双能CT能够优化肿瘤组织的显示，增加转移灶的检出以及评估淋巴结良恶性，相比传统单能CT，更有助于肿瘤分期，而准确的分期有助于病人的治疗方案的选择及评估预后。

3.2 双能CT在监控肿瘤治疗中临床应用

随着肿瘤治疗手段的丰富，个体化肿瘤治疗方案被大力提倡使用，靶向治疗，免疫治疗更多的应用于临床。对肿瘤治疗疗效进行早期评估非常重要，因为它有助于早期调整治疗方案，降低经济支出，减轻病人痛苦。常规标准，如RECIST，通过检测肿瘤形态学变化作为评估肿瘤治疗方案是否有效，已经不是非常适用，尤其是评价肿瘤靶向治疗早期疗效[33]。这促使影像学评估手段更多的关注肿瘤组织的在治疗前后的功能变化，具体如：治疗前后血管生成、组织血流灌注等改变。

常规单能CT进行增强前后肿瘤组织的增强程度差异评估，可以间接的反应肿瘤组织的功能变化。但这种方法可能因为肿瘤治疗过程中引起的肿瘤组织出血对CT值的影响，而降低评估的准确性。CT灌注扫描能够直接的量化肿瘤组织血流灌注情况，这些量化参数能够很好地区分早期治疗有效和效果不佳的肿瘤组织、预测肿瘤组织大小的变化趋势[34]，但由于其电离辐射剂量较高，对于需要多次随访的肿瘤病人并不是最合适的。而使用对比剂后进行双能采集，并通过图像后处理后得到碘图不受出血的影响，因此相比传统单能增强CT能够更直接的评估增强程度的变化、反应肿瘤功能在治疗前后的变化[35]。另外，经研究证实，通过碘图获取的量化参数跟CT灌注扫描得到的量化参数相关性较高，因此双能增强CT有极大的可能在肿瘤治疗疗效评估中代替灌注CT、同时降低肿瘤病人电离辐射剂量[36]。

3.3 双能CT在评价肿瘤侵袭性和预测预后的应用

肿瘤的恶性程度能够预测病人的预后，通过影像评估肿瘤的侵袭性，有利于更好的选取治疗方案和手术方案，因此在肿瘤成像中非常重要。常规的单能普通CT扫描能够通过评估肿瘤组织、淋巴结和转移灶，宏观评价肿瘤的侵袭性，但对于肿瘤的血管、淋巴结侵袭性的评估却是有限的。常规单能增强CT扫描，能够提供更多反应肿瘤功能学的信息，这主要是通过评估造影剂注射前后增强差异来实现的。通过分析增强差异，是可以评估靶向治疗疗效，如抑制血管生成的治疗疗效。这提示了碘的摄取能在一定程度上与组织病理学中肿瘤的血管生成和细胞的缺氧性相关，具有反应微观肿瘤侵袭性的能力。由于常规单能增强CT评估碘摄取带来的CT值差异，需要平扫和增强两次扫描，会带来扫描层面配准的问题。而双能CT增强一次扫描，可以通过虚拟平扫和碘图的应用，更直接准确地得到碘摄取带来的CT值差异，如现在研究中经常用到的三维碘体积[37]。有研究回顾性分析了经组织病理确定了高、中、低分化的非小细胞肺癌的三维碘体积，发现“三维碘体积”数值在3组之间是有统计学差异的[37]。用碘体积去判断非小细胞肺癌的病理分级的敏感性和特异性达到了62.1%和88.2%。这些研究均提示双能CT在评估肿瘤侵袭性的可行性[37]。

4 结论

双能CT进行高低能量两次采集，在不增加电离辐射剂量的前提下，相比传统单能仅依靠衰减系数成像，能够提供更多关于成像物质成分和定量的信息。在其选择性能量成像和选择性物质成像基础上衍生的临床应用（如：虚拟平扫，3D碘图，虚拟单能等），在肿瘤成像中已经被证实有着极为广泛的应用。而更多的双能应用如脂肪图、虚拟去钙、Rho/z的临床应用也值得挖掘。随着CT硬件和软件的发展，如：球管双能对的增多和具有能量分辨率的探测器的更新迭代，双能CT技术会提供更加准确的信息，从而进一步促进双能CT常规化的临床应用。

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Multi-Parameter Analysis and Clinical Application of Dual-Energy CT

SHI Lei1, CHEN Xinyue2, LI Jian1, TANG Yongqiang1, YANG Hongbing1, SHI Mingguo1
1.Department of Radiology, Xijing Hospital, The Fourth Military Medical University, Xi’an Shaanxi 710032, China;2.Siemens Ltd. China, Chengdu Sichuan 610000, China

Dual-energy CT can be implemented in many technologies. It not only has the advantage of CT image of traditional computed tomography, but also can extract more spectrum information related to diagnostics without increasing the radiation dose.The spectral information can be used to synthesize material selective images and energy selective images. Double-energy CT can effectively identify and quantify the information of abnormal substances or contrast agents that occurs during the pathological process, such as the separation of stone components, iron, calcium and iodine. The imaging of energy selection can also make the display and quality of composite images more convenient for the extraction of clinical diagnostic information. In this review, we summarized the technology of dual energy and the image types in clinical application value in tumor imaging.

dual energy; contrast agent; radiation dose; dual-source dual detector; energy spectrum CT

R814.42

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.11.006

1674-1633(2017)11-0018-05

2017-02-16

2017-08-16

国家自然科学基金（81000648）。

石明国，教授，主要研究方向为医学影像技术。

通讯作者邮箱：smg2002@163.com

本文编辑 王静