双层探测器能谱CT的特点及临床应用

罗春材，李涛，杨立

中国人民解放军总医院 第一医学中心 放射诊断科，北京 100853

引言

常规CT发出的X线是具有混合能量的射线，只能根据组织衰减区分几种物质，很多物质的衰减是重叠的。根据X线的能量，组织的衰减有特定的分布。双能量CT能够根据不同的能级下组织的衰减，进一步区分组织。基于双层探测器的能谱CT成像是一种新的双能量技术，其能谱的分离发生在探测器的水平。本文就双层探测器能谱CT的特点及临床应用做一综述。

1 CT能量成像的技术原理

众所周知，医用X线是电磁波，组成粒子是光子。常规CT只能获得总衰减信息，可以识别不同密度的物质，但却无法识别等密度的不同物质。在诊断能量范围内，X射线光子与物质的相互作用有三种类型：光电效应、康普顿效应和相干散射。由于相干散射属于小概率事件，可忽略不计。X线经过物质后产生的光电效应和康普顿效应共同决定了物质的衰减曲线。其中光电效应衰减与X线光子的能量呈负相关，X线光子能量越低，光电效应越强，X线光子能量越高，光电效应越弱，然而康普顿散射衰减则随着X线光子能量的改变时变化不明显。通过对X线衰减系数的分解，可获得额外的信息，衰减系数相同的不同物质，可通过分解后两种效应比例的不同进行物质识别和区分[1]。CT能量成像能够区分不同的物质，原理是利用不同物质的X线衰减值（CT值）的不同。CT是通过测量X线在穿透物体中的吸收来成像的。能谱成像的实现是基于硬件的物理基础和软件技术支持，包括高压发生器、X线球管和探测器材料及其重建技术的重大突破[2]。正确理解双能量CT的先进性，需要掌握这些基本原理。

2 双能量CT成像方法

双能量CT的获得常有三种方法：① 以西门子为代表的双源双能量CT通过两套球管和探测器系统以不同的管电压（140 kVp，80 kVp）进行双能量减影分析，两个球管呈一定角度排列，一个球管产生高kVp的X线，另一个球管产生低kVp的X线，两套系统独立采集数据信息，并完成图像数据空间匹配；② 以GE公司为代表的宝石能谱CT是通过快速切换X线管球发出的管电压(140 kVp，80 kVp)，能谱栅成像技术获得单能量成像；高压发生器在0.25 ms内完成140 kVp和80 kVp高低能量的周期性切换，并能维持稳定的输出电压波形，进行两个能量的数据采集，实现投影数据空间的能谱分析；③ 以Philips公司为代表的双层探测器能谱CT，是使用立体的双层探测器分别探测单源的持续的管电压发出的一种X线的高能级及低能级的光子，转换成两组能量数据，并重建出能量图像，从而实现“同时、同源、同向”的能谱成像。双能量成像的分类方法和版本有分三种：双源技术、快速kVp切换技术、双层探测器技术[3‐5]；也有分为五种：双源技术、快速kVp切换技术、双层探测器技术、滤片分离技术、序列采集技术[6‐7]。

3 双层探测器能谱CT图像特点

双层探测器能谱CT可以获得常规混合能量的图像和以能谱为基础的图像。前者将接收高、低能量的探测器的数据结合起来，采用滤过反投影或迭代重建技术，获得类似单一能量CT获得的混合能量图像，用于常规的临床诊断。后者产生了以光电效应和康普顿效应为基础的图像，并由此进一步产生附加了物质成分的图像，包括碘密度图、虚拟平扫图、尿酸图、单能级图像（40～200 keV），有效原子序数图，组织强化图，电子密度图、钙抑制图、双能量散点图等[8]。具体内容如下：① 碘密度图可以准确地进行血管或器官内碘的定量分析[9]；② 增强图像去除碘的影响获得虚拟平扫的图像；③ 尿酸图只显示尿酸的影像，而其它组织均显示为黑色，用于评价尿路结石和痛风；④ 单能量图像指人体组织在某一种纯净单能量下获得的图像，选择低keV的图像，能提高不同组织间的对比度，提高小病灶的检出率，更加清晰的显示病变内部特征；选择高keV图像能去除硬化和金属伪影；双层探测器能谱CT可以获得40～200 keV的单能量图像，单能量图像可以更好地观察组织的衰减随着能级的变化而变化，值得注意的是双能量CT获得的单能图像，并非真正的单能图像，而是通过数学模型的方法解析和重建出的模拟单能图像；⑤ 有效原子序数图是基于组织的有效原子序数不同获得的彩色编码图，通过能谱物质分离过程计算出来的光电效应和康普顿散射效应系数代表了组织空间分布的功能，系数的比例与物质的有效原子序数成比例，有效原子序数描述了物质的组成，代表了更高水平的物质差异；⑥ 组织强化图基于物质分离技术，可单独显示强化组织（可去骨）[8]；⑦ 电子密度图是由于光电效应数据和康普顿效应数据经过线性整合生成，可直接定量电子密度[8]；⑧ 钙抑制图基于双层探测器CT技术通过对钙物质的识别，对含钙组织的CT 值进行修正，使用者可根据目标组织含钙量的多少选择合适的抑钙指数X（范围为25～100），钙抑制图设置了76个不同的级别，实际应用中，可通过实时调节来确定针对目标组织的最佳的抑钙指数[1]，凸显骨髓质等软组织成分[8]；⑨ 双能量散点图是利用物质在两种不同能量的X线下衰减系数的差异来进行物质分离和鉴别的一种能谱分析工具，基于双层探测器的CT扫描技术，通过120 kVp常规扫描，选择其中的160 keV图像为横坐标轴赋值，以及40 keV图像为纵坐标赋值，然后进行不同ROI（颜色标记）的勾画就获得了不同物质的散点图分布（相应颜色标记），可用于等密度病灶（如急性脑缺血）的鉴别诊断[10]。

4 双层探测器能谱CT的临床应用

双层探测器能谱CT的应用范围广阔，较常规CT扫描，能提高图像识别，提供更多的影像学信息。Rajiah等[11]的研究结果显示81%的CT检查由于无法获得足够诊断信息，需要进一步检查，而基于双层探测器的技术可保证每一次常规CT扫描都有能谱信息，可以根据需要随时进行回顾性能谱分析，这对临床意味着可额外提供78%的诊断有用信息，并减少约30%的漏诊。

4.1 双层探测器能谱CT 在增强识别、血管优化中的应用

增加血管内对比剂的可视化。使用双层探测器能谱CT进行血管成像，利用单能量图像，可以有效提升对比剂的密度，对比剂的密度大幅上升将改善血管造影不佳的情况，减少额外对比剂的使用以及多余的辐射剂量，尤其适合肾功能不良的患者。另外，血管成像质量在双层探测器能谱CT低能级单能图像也会增加，图像的信噪比和对比噪声比增高，有利于发现血管内的病变。最近的研究显示使用双层探测器能谱CT成像全身血管，50 keV单能级图像是平衡图像噪声和对比噪声比的最佳单能级图像；与混合能量成像全身血管相比，50 keV可以缩减50%的对比剂用量获得相同甚至更好的图像质量[12]。富血供的病变由于碘的密度高，在低能量图像与周围组织对比好而更加突出。少血供的病变，如胰腺癌，在低能量图像由于与周围正常胰腺的对比增加也会表现得更加突出[13]。

4.2 双层探测器能谱CT 在缩减伪影、优化解剖中的应用

CT扫描中常常会出现线束硬化伪影，金属伪影以及钙化的blooming效应伪影。高能级的单能图像可以缩减和消除金属伪影，特别是低原子序数的金属伪影，如不绣钢、铝。Hickethier等[14]报道了使用高能级单能图像缩减冠脉支架的伪影，提高支架的成像质量。高原子序数的伪影如栓塞的弹簧圈，可以通过碘密度图进行评价。线束硬化伪影和钙化的blooming伪影也可以通过高能级的单能图像缩减[15]。已经有文献报道使用双层探测器能谱CT高能级单能图像缩减后颅窝线束硬化伪影、髋关节假体伪影、脊柱、盆腔、四肢等植入物伪影的报道[16‐20]。Zopfs等[21]研究发现虚拟单能级图像和去金属伪影重建图像的组合有利于最大程度地减少颅内金属圈和金属夹周围的伪影。

4.3 双层探测器能谱CT 在物质分离、组织灌注中的应用

有效原子序数、碘密度图和钙‐尿酸图用来评价尿路结石、痛风、粥样硬化斑块的成分、肿瘤或器官的灌注、肿瘤对治疗的反应、头颈部CTA的去骨等。由于对尿酸结石和钙结石的管理不同，因此评价尿路结石的成分非常重要。尿路结石的成分可以通过有效原子序数图及尿酸图来显示[22]。关节的痛风结晶也可以通过尿酸图来显示。碘密度图可以用来评价器官的灌注，如心肌的灌注、肺的灌注。心肌灌注可以用来评价心肌缺血。Oda等[23]的对照研究表明，双层探测器CT在心肌的ECV定量方面可与MR高度一致，而且空间分辨率更高。肺灌注可以用来评价小的肺栓塞[24]。Si‐Mohamed等[25]通过直接比较研究发现：双能CT与单光子发射CT在肺灌注评估中定量分析存在强相关性且定性分析高度一致。同时发现，双能CT对肺灌注缺损显示的锐利度更高且辐射剂量更低。

4.4 双层探测器能谱CT在虚拟平扫、降低射线剂量中的应用

研究显示除了皮下脂肪以外，由双层探测器双能CT增强扫描获得的虚拟平扫图像，组织的CT值与真正的平扫图像CT值是相似的[26]。Nagayama等[27]研究结果表示虚拟平扫与真实平扫存在强正相关性（相关系数r=0.92），但与真实平扫相比会略高估腺瘤的CT值（平均偏差，11 HU<0.001）。另外，有研究显示双层探测器能谱CT与常规的单层探测器相比，临床适应症广泛，能够获得能谱信息而无需增加射线剂量[28]。虚拟平扫可以替代真正的平扫，从而降低患者的射线剂量[29]。

4.5 双层探测器能谱CT 在其他方面的应用

Laugerette等[30]研究结果表明：基于双层探测器CT定位像可快速、可靠地测量骨密度，结果与DXA高度一致，所以骨密度测定这种检查在未来可能成为CT检查的一种额外福利。Ng等[31]研究发现 在测试的两种肝脏自动提取方法中，采用能谱数据进行肝脏自动提取的准确性优于常规CT值。还有研究使用双层探测器能谱CT对比增强及非对比增强技术，分析血栓的成分[32]。

5 总结

总之，双层探测器能谱CT技术是一种新的双能量成像技术，可以提供能谱信息。虽然一般认为140 kVp的能谱分离更好，但实际上140 kVp和120 kVp都有足够的能谱分离，在物质定量方面也几乎是等效的[8]。在血管成像方面、器官灌注方面具有优势。尽管双能量CT都能够准确评价碘浓度，但双层探测器能谱CT低能级单能图像，可以获得更低的噪声、更高的影像对比，更好地显示病变，增加影像诊断信息，提高诊断信心[9,33]。双层探测器能谱CT技术拥有很好的前景，值得我们在用好常规检查的基础上，开拓出新的应用途径，帮助临床诊疗。