双层光谱探测器CT临床应用与研究进展

任海燕，甄艳华，郑加贺

(中国医科大学附属盛京医院放射科，辽宁 沈阳 110004)

CT广泛用于临床，临床需求推动其硬件和软件不断更新与改进，自20世纪70年代至今，已由传统CT发展到能谱CT，从单纯解剖成像到可实现功能成像。2005年出现的双源CT具有两套管电压(80 kVp和120 kVp)X线球管发生装置和两套互相垂直的探测器系统，可同时发射相同电压，以获得更高质量图像；或同时发射不同电压，实现物质分离与整合。2009年首发的宝石能谱CT采用单球管和单探测器，其高压发生器可在0.5 ms内实现80 kVp和140 kVp高低能瞬时切换，获得混合能量传统图像(conventional image, CI)、101幅范围在40～140 keV的虚拟单能量图像(virtual monoenergetic images, VMI)和其他能谱图像[1-3]。2018年正式用于临床的单源双层光谱探测器CT采用不同于常规的双Z轴探测器，从探测器角度实现高低能X线转化，并采用立体式数据采集系统并行传输高低能量信号，实现了同源、同时、同向和同步能量分离扫描。

1 成像原理及技术应用

探测器是双层光谱探测器CT核心构件，主要由闪烁体、薄层前照式光电二极管和专用数据处理软件组成。闪烁体为双层模式，上层采用纳米钇合金吸收低能X线，并保证X线中高能光子无损穿透到达下层探测器；下层采用高分子氧化钆和专属稀土陶瓷感光材料，可降低探测器串扰和余晖效应[4-5]。薄层前照式光电二极管位于滤栅下，与探测器表面垂直，以保持探测器的高几何效率；光电二极管将探测器吸收的光信号转化为电信号，探测器数据处理软件将获得的电信号转化为数字信号进行图像重建[4-5]。双层光谱探测器CT可生成用于常规诊断的CI；双层探测器类似于单层探测器，生成的CI类似于常规CT生成的混合能量图像；此外，双层光谱探测器CT还可生成反映康普顿效应和光电效应不同组成的能谱图像，包括范围40～200 keV的VMI和物质分离图像如碘密度图、虚拟平扫图(virtual non-contrast, VNC)、尿酸对图及有效原子序数图等，一次扫描即可获得3～4倍于常规CT扫描的信息，为诊断疾病提供更多信息[1,4-7]。

2 临床应用进展

2.1 降低噪声和优化图像质量 双层光谱探测器CT基于探测器水平获得具有相同时间和空间分辨率的双能投影数据，在投影数据域应用反相关噪声算法于图像重建过程中降低噪声[4,8]。KALISZ等[8]发现应用双层光谱探测器CT获得的40～200 keV 的VMI均保持较低噪声水平，体模研究中40 keV VMI噪声最大，高于CI[(5.3±0.2)HU vs(4.6±0.2)HU，P<0.001]，能量水平高于50 keV时图像噪声均显著低于CI，对比噪声比(contrast to noise ratio, CNR)显著高于CI；肝、脾、胰腺、腹主动脉、门静脉和肌肉等处所有能级水平VMI噪声均低于CI，40～80 keV VMI的信噪比(signal to noise ratio, SNR)和CNR均高于CI。SELLERER等[9]针对腹部体模比较双源双能CT、宝石能谱CT和双层光谱探测器CT图像，发现不同尺寸体模在3种设备上均以最高能级VMI噪声最小，而能量水平较低时噪声会逐渐增加并在40 keV达到最大值；3种扫描仪中，双层光谱探测器CT在所有能量范围内均保持低噪声水平，40～140 keV范围内低能水平图像噪声增加，但其平均噪声升高比例最低。

2.2 提高病灶检出率 部分病变与周围正常组织对比度不大，可能被漏诊。双层光谱探测器CT能谱图像可提升组织对比度及图像质量，利于检出病灶。高钦宗等[10]建立兔VX2肝癌模型，从客观和主观角度比较CI和VMI图像质量及其对于30个病灶的检出率，结果显示单能量水平为40～55 keV时，VMI的SNR和CNR均显著高于CI，VMI主观评价结果显著优于CI；40～65 keV VMI检测出全部30个病灶，CI仅检出18个病灶。LENNARTZ等[11]比较双层光谱探测器CT的CI、40 keV VMI和碘密度图的图像质量及其诊断骨骼肌肿瘤转移与非转移病灶的准确性，发现40 keV VMI的CNR显著高于CI(25.8±11.1 vs 10.1±5.3)，40 keV VMI诊断骨骼肌转移灶的敏感度高于CI(54.4% vs 39.8%)，碘密度图的诊断敏感度和特异度均高于CI(63.2% vs 39.8%和74.2% vs 69.2%)。

2.3 抑制伪影 当患者体内存在金属移植物或高密度物质如血管支架、瘤夹及钙化灶等时，常因金属伪影和硬化伪影导致CT图像质量降低而影响诊断。双层光谱探测器CT可在重建过程中实现硬化矫正，通过重建高能量水平VMI消除或抑制伪影，更清晰地显示高密度物质及其周边组织特点，提高诊断准确性。LAUKAMP等[12]观察全髋关节置换患者髋关节伪影，发现200 keV VMI伪影宽度较CI显著变窄[(17.6±13.6)mm vs(29.9±6.8)mm，P<0.001]；在伪影严重程度方面，CI主观评分为4.5±0.7，200 keV VMI主观评分为3.4±1.0，提示VMI可明显减少伪影，改善图像质量(P<0.001)。van HEDENT等[13]分析冠状动脉CT血管造影(CT angiography, CTA)图像，与CI相比，80 keV VMI冠状动脉钙化斑块晕状伪影显著减少，钙化斑块直径显著减小，血管腔可视化直径增加，整体图像质量显著优于CI。HICKETHIER等[14]评估不同能级水平VMI冠状动脉支架可视化状况，发现能级水平≥80 keV时，支架伪影显著减少，支架可视化直径显著增加。

2.4 物质定量及定性分析 双层光谱探测器CT重建获得的能谱数据如碘密度图、有效原子序数图和尿酸对图等可用于定性定量分析病灶。碘密度图和有效原子序数图可评估组织器官灌注情况，早期发现组织灌注异常，从而做到早诊断及早治疗，对于检测心肌缺血及肺栓塞具有重要价值[15]。SUETA等[16]回顾性分析临床确诊肺动脉栓塞和下肢深静脉血栓患者，常规肺灌注图未检出肺灌注缺损区，但双层光谱探测器CTVMI显示肺动脉充盈缺损，同时碘密度图发现肺段灌注异常。双层光谱探测器CT有效原子序数图及尿酸对图等对于诊断和鉴别尿路结石及关节处痛风结石也有重要价值。此外，双层光谱探测器CT还可提供光谱曲线、散点图、直方图和碘密度图等，比较病灶CT值、SD值和标准化碘含量等指标，判断肿瘤同源性及良恶性病灶，为临床治疗方案确定及疾病预后评估提供参考依据[4,6]。

2.5 降低辐射剂量 双层光谱探测器CT可利用VNC图像代替增强扫描中的非增强期(true-non-contrast, TNC)图像，使原本需要接受平扫和增强CT检查者毋须平扫，从而降低辐射剂量。ANANTHAKRISHNAN等[17]比较双层光谱探测器增强CT中VNC和TNC图像的CT值，发现除脂肪外，VNC与TNC图像CT值相当，92.6% VNC与TNC图像CT值差<15 HU，75.2%VNC与TNC图像CT值差<10 HU，44.4%时<5 HU。在三期扫描中，以VNC图像代替TNC图像可减少1/3辐射剂量，二期扫描辐射剂量则可减半。SAUTER等[18]比较三期增强CT扫描VNC和TNC图像，发现VNC和TNC图像CT值差平均值仅为(0.5±8.5)HU，超过90%的VNC和TNC图像CT值差<15 HU，利用VNC代替TNC图像可降低1/3有效辐射剂量。

2.6 减少对比剂用量 CT增强检查常规使用含碘对比剂，低能量水平时更接近碘原子K层电子结合能(33.2 keV)，光电效应增加，碘衰减效应增加，血管腔增强更明显，有利于降低对比剂用量；采用低剂量对比剂扫描方案，基于双层光谱探测器CT降噪的重建算法获得的图像质量可满足临床诊断需求[19-23]。临床检查中，遇患者心脏射血分数低、血流速度慢及其他各种原因致增强效果欠佳时，双层光谱探测器CT低能量水平VMI可使血管增强效果较CI更明显，满足临床诊断需要，避免额外重复增强检查，减少辐射暴露和对比剂量。TSANG等[22]对不同碘浓度体模进行扫描，比较CI和VMI的CNR，结果显示40 keV VMI仅用 CI对比剂剂量的1/4、50 keV VMI仅需2/5 CI对比剂剂量即可达到相同CNR。van HAMERSVELT等[23]发现，与CI相比，在不降低图像质量前提下，双层光谱探测器CT 40 keV VMI可减少60%对比剂用量。HUANG等[21]比较常规剂量和减半对比剂用量冠状动脉CTA的CI和VMI图像质量，发现两种剂量下所有观察部位50 keV VMI的CT值、SNR和CNR均显著高于CI，50 keV VMI主观评分显著优于CI。

3 优势与局限

相比其他双能CT，如双源双能CT和宝石能谱CT，双层光谱探测器CT可提供更宽范围的VMI(40～200 keV)，在抑制高密度物质或金属伪影方面具有更高潜能[4,12,24]；其基于投影空间算法获得的投影数据近乎完美时空对准，可在所有单能量图像范围均保持较低噪声，在降噪方面更具优势[8-9]。另一方面，双层光谱探测器CT存在一些不足，如扫描为达到充分光谱分离，管电压至少达到120 kVp，对身材瘦小者只能通过调节管电流降低辐射剂量；由于管电压至少需达到120 kVp，扫描中获得的CI与传统CT相比对比度略低；一次扫描获得的信息较传统扫描增多，图像重建时间有所延长[1,4,7]。

4 小结与展望

作为一种新型CT扫描仪，随着临床应用增加，双层光谱探测器CT在降低噪声、优化图像质量、提高病灶检出率、抑制伪影、定量定性分析物质、降低辐射剂量及减少对比剂用量等方面优势将更加突出。期待双层光谱探测器CT在分子成像方面的应用，并逐渐完善其不足，在临床应用中发挥更大优势。