雙能成像技術(shù)的最新進(jìn)展

張唯唯，張華

東芝醫(yī)療系統(tǒng)（中國）有限公司科研培訓(xùn)中心 CT研究室

雙能成像技術(shù)的最新進(jìn)展

張唯唯，張華

東芝醫(yī)療系統(tǒng)（中國）有限公司科研培訓(xùn)中心 CT研究室

自從CT發(fā)明后，能譜信息就開始被用來對物質(zhì)進(jìn)行區(qū)分和描述。為了實(shí)現(xiàn)一臺雙能CT，其設(shè)計(jì)需要滿足對放射源和探測器的要求，本文簡單介紹了目前市場上三款雙能CT，并著重觀察這三種不同設(shè)計(jì)的雙能CT對掃描劑量的影響。

雙能CT；雙源CT；快速kVp切換；旋轉(zhuǎn)kVp切換

0 前言

雙能CT的研究和使用最早可以追溯到20世紀(jì)70年代中后期，CT之父Hounsfield在1973年就提出“在同一層面采集兩幅圖像，一幅使用100 kV，另一幅使用140 kV……原子序數(shù)Z高的區(qū)域則因此被增強(qiáng)了。目前的實(shí)驗(yàn)中亦顯示出碘Z=53能夠清晰地從鈣Z=20中區(qū)分開來”[1]。這短短的幾句話點(diǎn)出了雙能CT的一大特征：物質(zhì)區(qū)分（material differentiation）[2]，也為能譜分析奠定了基礎(chǔ)。后來，有的學(xué)者和工程師們甚至把設(shè)計(jì)一款理想的雙能CT歸納為滿足“同源、同時(shí)、同向”的“三同條件”。在實(shí)驗(yàn)室條件下，這些條件相對來說比較容易滿足，因?yàn)橛脕碜鰧?shí)驗(yàn)的水模和體模本身可以固定不動(dòng)，只需要在同一層面用雙能采集，就可以近似的看作是同一被測物體在同一放射源下同時(shí)采集到的雙能數(shù)據(jù)。但是，在進(jìn)一步的人體試驗(yàn)中，則遇到了很大的挑戰(zhàn)。由于早期設(shè)備的CT密度值穩(wěn)定性較差，掃描時(shí)間長，病人的運(yùn)動(dòng)引起偽影，空間分辨率不足及圖像后處理的困難等等[3]，而無法廣泛地應(yīng)用于臨床，甚至銷聲匿跡很長一段時(shí)間。

可以說，正是這個(gè)“三同條件”一直困擾著許多學(xué)者和CT制造者，為了實(shí)現(xiàn)一臺可用于臨床的雙能CT，不得不做出一定的妥協(xié)。下面，我們從物理角度來看設(shè)計(jì)一臺能滿足臨床需求的雙能CT需要具備什么樣的基本條件，并著重觀察不同設(shè)計(jì)的雙能CT對掃描劑量的影響。

1 雙能CT的實(shí)現(xiàn)方法

首先，X射線源需要提供不同能量的X射線量子（X-ray quanta），并且能譜（spectrum）之間的重疊越少越好（兩能譜如果重疊的多，說明他們相似度大，平均光子能量（keV）類似，相當(dāng)于用同一能量進(jìn)行兩次掃描，所以物質(zhì)區(qū)分的效果就不會(huì)好）。為了減少重疊最好的辦法就是增大兩次掃描中峰值管電壓（kVp）的差別（圖1）。一般來說，雙能采集中的高、低管電壓會(huì)分別設(shè)置在80 kVp和140 kVp。這是由于低于80 kVp的時(shí)候，多數(shù)的量子被人體吸收而無法打擊在探測器上；而高于140 kVp時(shí)，大量剩余量子通過人體直接打擊在探測器上造成軟組織對比不好。要想產(chǎn)生兩種不同能量的X射線，則可以使用兩個(gè)球管，每個(gè)球管使用不同的管電壓。另外，也可以使用同一個(gè)球管，令它能夠在高、低管電壓之間自由地切換。

另外，可以從探測器角度出發(fā)，使它能夠區(qū)別不同能量的X射線量子。一種設(shè)想是采用雙層或“三明治”探測器，使每層探測器對不同能量的光子有最大的敏感性及吸收（過濾）。這是一條比較難以實(shí)現(xiàn)的條件，因?yàn)槟壳岸鄶?shù)的CT探測器是在每單個(gè)讀出間隔（readout interval）中對所有被探測到的光子進(jìn)行熒光強(qiáng)度整合，而不對他們的能量進(jìn)行區(qū)分。因此，要想實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)想，必須對現(xiàn)有的探測器材料進(jìn)行較大的革新，目前尚未能應(yīng)用到臨床上。

圖1 高、低兩能譜示意圖

第二，雙能采集到的圖像需要精確的匹配（registration）或?qū)ξ弧＿@個(gè)要求是從圖像后處理的角度考量的，因?yàn)樵谖镔|(zhì)分解等的處理方法中，需要雙能圖像體素對體素的對應(yīng)（voxel-to-voxel correspondence）。另外，在利用雙能圖像對比來觀察病灶時(shí)，準(zhǔn)確的對位對診斷也有一定輔助作用。關(guān)于對位的要求，可以從兩個(gè)方面滿足，一個(gè)是從CT系統(tǒng)的硬件，比如提高旋轉(zhuǎn)時(shí)間（rotation time），就能在很短的時(shí)間內(nèi)凍結(jié)物體的運(yùn)動(dòng)，一定程度上保證了對位。目前CT的旋轉(zhuǎn)時(shí)間已經(jīng)非?？欤荒軣o限制地縮短時(shí)間，因此，另外一個(gè)方法是從軟件上實(shí)現(xiàn)精確的對位，比如使用3D非剛性匹配（3D nonrigid registration）。但是這樣的軟件需要大量的數(shù)據(jù)處理，因此也增加了雙能圖像重建的時(shí)間。

這兩個(gè)要求是設(shè)計(jì)一臺雙能CT首先要考慮到的，也直接影響到他們的性能和由之帶來的掃描劑量的問題。而第三個(gè)條件，要求被研究的物質(zhì)或組織的能譜屬性有足夠大的差別。這點(diǎn)在臨床應(yīng)用上已經(jīng)普遍使用，比如，對比劑碘的增強(qiáng)成像。只是在單能CT上，碘的密度分布圖不容易被單獨(dú)分離出來，雙能CT使用物質(zhì)分解的后處理辦法，如基本物質(zhì)分解（basis material decomposition）[4]和三物質(zhì)分解（three material decomposition）[5]，把碘的密度圖單獨(dú)提取出來，更加有效和直觀地觀察被增強(qiáng)的組織中碘的密度分布（如果還能動(dòng)態(tài)地觀察碘的密度分布，對評價(jià)器官的灌注非常有診斷價(jià)值），并在不增加掃描的情況下虛擬出平掃圖像（virtual non-contrast image）。下面我們由前兩個(gè)條件出發(fā)針對三種雙能CT的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

1.1 雙源CT

該設(shè)備的特點(diǎn)是在同一個(gè)機(jī)架內(nèi)設(shè)置了兩套圖像采集系統(tǒng)，每套圖像采集系統(tǒng)擁有各自的球管，高壓發(fā)生器，探測器和控制系統(tǒng)，只有降溫系統(tǒng)和圖像重建系統(tǒng)是彼此共享的，如圖2所示。

圖2 雙源CT系統(tǒng)示意圖

由于兩套獨(dú)立采集系統(tǒng)的設(shè)置，兩個(gè)球管可以分別在不同的管電壓和管電流下操作，并且獨(dú)立地采集和進(jìn)行圖像重建。管電壓和管電流自由的調(diào)節(jié)可以使兩個(gè)采集到的圖像達(dá)到可能一致的噪聲水平，因此來自兩個(gè)探測器之間的投影數(shù)據(jù)亦有可能拼加在一起。

雙源CT系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也會(huì)帶來一些實(shí)際運(yùn)用中的弊端。由于機(jī)架的尺寸和內(nèi)部空間的限制，兩個(gè)探測器很難達(dá)到一致的尺寸。在第一代雙源CT系統(tǒng)中，大的探測器能提供500 mm的視野（FOV, field of view），而小的探測器僅能提供268 mm的FOV。在第二代雙源CT系統(tǒng)中，兩個(gè)球管之間的夾角從90°增加到95°，小的探測器視野提高到了332 mm。盡管如此，大小不一的探測器尺寸或視野給圖像處理及分析造成不便，特別是對體積較大的病人。

兩個(gè)球管互相垂直亦會(huì)對同時(shí)激發(fā)出來的X射線帶來互相干擾和交錯(cuò)散射效應(yīng)（cross-scatter），造成射線不是直接打擊到與之對應(yīng)的探測器上，并會(huì)造成雙能頻譜重疊的增加，削弱物質(zhì)區(qū)分的效果。2008年，第二代雙源CT系統(tǒng)的發(fā)布中，錫濾線器（tin filter）被添加在高管壓的管球上，從而一定程度上降低了球管之間的相互影響，如圖2所示。這個(gè)濾線鏡的作用首先增加了高能譜與低能譜之間的分離效果，其次使高能譜變得狹窄（未加濾線器的球管的能譜相對較寬而容易和低能譜疊加），減少硬化偽影的影響。但是，濾線鏡同時(shí)減少了光子總輸出的數(shù)量，因此，管電流被增加到700 mA以增加光子的輸出，也增加了放射劑量。

1.2 快速kVp切換

該類型CT利用已有的高壓發(fā)生器在單圈旋轉(zhuǎn)內(nèi)快速和頻繁地切換管電壓kVp，并分別在瞬時(shí)的高管電壓和低管電壓下采集數(shù)據(jù)，提供均為500 mm視野的雙能圖像，如圖3所示。

電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和新材料技術(shù)的發(fā)展使得快速kVp切換技術(shù)得到繼承和發(fā)展。它擁有一種復(fù)雜稀土氧化物的閃爍晶體（scintillator）為材質(zhì)的探測器和高效率的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（Data Acquisition System, DAS），成為快速kVp切換技術(shù)的物理保障。

圖3 快速kVp切換技術(shù)示意圖

在進(jìn)行雙能圖像采集和分析的時(shí)候，快速kVp切換也有其不足之處。在進(jìn)行雙能掃描的時(shí)候, 其單圈旋轉(zhuǎn)時(shí)間大約為0.9～1 s，比大多數(shù)CT單能掃描的單圈旋轉(zhuǎn)時(shí)間（約為0.5 s）長。這是由于在高、低管壓切換的時(shí)候有一個(gè)0.5 ms的時(shí)間間隔，加上頻繁的管壓切換次數(shù)，使得單圈的旋轉(zhuǎn)時(shí)間延長，導(dǎo)致劑量的增加。雖然可以在螺旋掃描的時(shí)候通過增大螺距來削弱這種影響，但是僅有4 cm寬度的探測器對大器官的成像，如心胸部和腹部，會(huì)產(chǎn)生對位不準(zhǔn)和階梯偽影等降低圖像質(zhì)量的效果。

理想的雙能圖像采集，需要每個(gè)管電壓保持在一個(gè)平穩(wěn)的狀態(tài)，但由于快速kVp切換的時(shí)間間隔非常短（0.5 ms），在極端采樣的瞬時(shí)，同時(shí)調(diào)制出一系列高、低固定值之間切換的理想脈沖波來保持電壓水平是非常困難的。這也造成了快速kVp切換時(shí)管電壓實(shí)際上是受一個(gè)非理想脈沖波（曲線狀或正弦波）驅(qū)動(dòng)而變化的。所以，管電壓在瞬時(shí)會(huì)在基準(zhǔn)電壓水平上下波動(dòng)，產(chǎn)生不穩(wěn)定的高低信號源。如果這樣的波動(dòng)變化加劇，會(huì)因管電壓過低而無法采集到低信號，或因管壓過高而采集到過多無用的高信號，對圖像的重建和處理產(chǎn)生嚴(yán)重影響。另外，管電流應(yīng)該自適應(yīng)管電壓的變化?？墒?，出于同樣的原因，通常很難調(diào)制出與管電壓值相反或相對的理想脈沖管電流。可行的辦法就是讓管電流保持在一個(gè)固定值而不隨管電壓的變化而變化，所以快速kVp切換的CT在做雙能掃描的時(shí)候，不管在高管電壓和低管電壓下，其管電流是固定不變的。同時(shí)，為了保證在低管電壓采集信號的時(shí)候，有足夠的光子輸出，管電流的值需要保持在一個(gè)高位。固定不變且較高的管電流值自然而然的會(huì)增加雙能掃描劑量的負(fù)擔(dān)。有文獻(xiàn)指出，在雙能圖像質(zhì)量和單能圖像質(zhì)量均接近的某LCD（Low Contrast Detectability）值的情況下，快速kVp切換CT對頭部體模及腹部體模的雙能掃描劑量最高能達(dá)到單能掃描劑量的1.5倍[6]。

圖4 普通單能成像和合成單色譜成像

快速kVp切換采用了“基本物質(zhì)分解”（basis material decomposition）的方法，模擬在單色譜能量（keV）下投影出來的數(shù)據(jù)并依靠計(jì)算出來的基本物質(zhì)對（水和碘）的密度圖“合成”出單色譜能量下的影像。由于純單色譜的能量不包含除本身以外的其他能量，（圖4）理論上，合成單色譜圖能夠完全移除硬化偽影。如果連續(xù)的以單色譜能量的小間隔（0.5～1 keV）為單位來合成一系列的單色譜圖，就能獲得多能級（100級甚至更高）的“能譜圖像”。在這一系列能譜圖像的不同區(qū)域選擇ROI并測量其CT值，就可以把這些值通過曲線連接起來并描繪成“能譜曲線”。因?yàn)椴煌瑓^(qū)域的物質(zhì)有其獨(dú)特的衰減系數(shù)和能譜曲線，通過觀察和比較這些能譜曲線，就能起到一定的“物質(zhì)區(qū)分”作用。臨床上，能譜曲線甚至被運(yùn)用到病灶的定性分析中，比如腫瘤的良惡性。但非常值得注意的是，這種物質(zhì)區(qū)分的方法是建立在“真正和準(zhǔn)確的單色譜CT值”的基礎(chǔ)之上的，也就是說，合成的單色譜圖像不能有硬化偽影和混合能量的存在，否則ROI內(nèi)的組織就不能真正和準(zhǔn)確地反映其自身的衰減系數(shù)，失去物質(zhì)區(qū)分和能譜分析的效果。在最近的一篇文獻(xiàn)中[7]，已經(jīng)有學(xué)者指出，通過對已知模體CT值測量結(jié)果的比較中，發(fā)現(xiàn)快速kVp切換CT的合成單色譜CT值不準(zhǔn)確。另外，在低keV下, 被測量材料的合成單色譜CT值仍然掛靠了大量周邊的材料和物質(zhì)，顯示出其CT值并非出自真正的單色譜態(tài)（圖5）。在試驗(yàn)結(jié)果中[9]，可以清楚看到使用Brooks的方法后（也是快速kVp切換CT采用的基本物質(zhì)分解的處理方法），合成單色譜圖仍存在大量的硬化偽影。綜上所述，快速kVp切換的雙能采集會(huì)增加掃描劑量，對能譜圖像的處理也不理想。

圖5 三種基本物質(zhì)分解方法的效果比較（圖像摘取自[9]）

1.3 旋轉(zhuǎn)kVp切換

旋轉(zhuǎn)kVp切換是（圖6）一種相對較新的技術(shù)，與快速kVp切換不同的是kVp的切換不是在單圈內(nèi)完成，而是在連續(xù)的掃描中每圈以高或者低kVp來掃描，并在每圈旋轉(zhuǎn)中保持kVp不變。

圖6 旋轉(zhuǎn)kVp切換CT示意圖

旋轉(zhuǎn)kVp切換對于寬體探測器和同時(shí)能采集超多層圖像的CT來說是比較可行的設(shè)計(jì)。采用寬體探測器設(shè)計(jì)的CT能在不移床的條件下完成16 cm以上寬的雙能圖像采集，加上快速的旋轉(zhuǎn)時(shí)間，最大程度保證了高低能量采集之間病人的對位。必須指出寬體探測器CT在雙能切換之間會(huì)有一個(gè)大約0.5 s的間隔，雖然相對于螺旋CT來說，這個(gè)參數(shù)偏高。如果輔助精確的非剛性匹配軟件，它就能充分解決時(shí)間間隔帶來的對位問題，這不但確保了雙能成像的圖像質(zhì)量，也拓寬了雙能技術(shù)在大器官和運(yùn)動(dòng)器官的對比成像甚至功能成像上的臨床應(yīng)用。對采用于比較窄探測器的螺旋CT，也可以運(yùn)用旋轉(zhuǎn)kVp切換技術(shù)，但在每圈的旋轉(zhuǎn)之中，有半圈的時(shí)間里X線處于關(guān)閉狀態(tài)。這樣的設(shè)計(jì)一來是為了降低劑量，增加對病人的保護(hù)（X線只是在病人背部的半圈處于開啟狀態(tài)，這對病人的眼睛和胸部起到很好的保護(hù)作用）；二來大大節(jié)省了因?yàn)楣茈妷呵袚Q和雙能采集之間所需要的時(shí)間差，因?yàn)樗麄兌伎梢栽诓话l(fā)射X線的那半圈中來完成。

管電流能自由地調(diào)節(jié)并且自適應(yīng)管電壓的變化是旋轉(zhuǎn)kVp技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)勢。首先，劑量會(huì)顯著的降低。這是通過在高管壓采取低管電流和低管電壓采取高管電流的方案通過手動(dòng)或自動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。在自適應(yīng)的部分，自動(dòng)曝光技術(shù)會(huì)根據(jù)掃描部位和預(yù)掃描自動(dòng)推薦最能保持圖像質(zhì)量，同時(shí)最節(jié)省劑量的管電流參數(shù)值。另外，雙空間的快速容積迭代技術(shù)，也能應(yīng)用在雙能掃描協(xié)議中，進(jìn)一步降低了劑量。其次，通過管電流的調(diào)節(jié)，雙能圖像的噪聲水平也可能保持一致。一直以來在使用“圖像空間”進(jìn)行雙能圖像后處理的方法中，圖像質(zhì)量或噪聲水平很難到達(dá)一致或近似的水平（80 kVp成像的特點(diǎn)是對比好，但是圖像的噪聲很大，不如140 kVp平滑），因此，對一些實(shí)際的臨床問題，比如雙能減影，虛擬平掃等，帶來很大的困擾。旋轉(zhuǎn)kVp切換技術(shù)通過靈活的管電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)，保證在最低劑量采集雙能圖像的同時(shí)也能匹配兩者的圖像質(zhì)量。在物理模體實(shí)驗(yàn)中，雙能圖像和單能圖像在幾乎一致的噪聲水平值時(shí)，雙能采集所用到的劑量比單能采集還要低（圖7）。由于這種有效的管電流和圖像質(zhì)量的自動(dòng)調(diào)節(jié)，也使得他們的光子總輸出能達(dá)到一致的水平，進(jìn)一步減少能譜之間的重疊，增加了物質(zhì)區(qū)分的能力。

圖7 旋轉(zhuǎn)kVp切換與劑量

2 雙能CT的臨床應(yīng)用

自從雙能CT的推出，臨床上已經(jīng)開發(fā)出很多成熟的應(yīng)用，包括（頭頸）自動(dòng)去骨，去鈣化斑塊，虛擬平掃圖像的重建，病灶中碘增強(qiáng)的定量分析，肺部對碘和氙分布的顯示，腎結(jié)石的成分分析，痛風(fēng)的顯示和辨識等等。另外，雙能的圖像質(zhì)量和顯示也比單能圖像更為優(yōu)化，如通過混合產(chǎn)生的單能對等圖像（120 kVp equivalent image），噪聲、對比優(yōu)化和提高后的圖像等。由于這些更有針對性或功能性的信息可以不通過增加劑量來獲取，所以他們應(yīng)該在診斷中充分被重視和利用。

3 討論

本文從物理上簡述了雙能CT的設(shè)計(jì)理念和成像原理，并著重介紹了三款雙能CT的設(shè)計(jì)。一直以來被推崇的“同源、同時(shí)、同向”的設(shè)計(jì)理念，在制造出能實(shí)際運(yùn)用在臨床上的雙能CT遇到很多的挑戰(zhàn)。這三款雙能CT的設(shè)計(jì)：雙源、快速kVp切換和旋轉(zhuǎn)kVp切換，無一不例外的需要對雙能數(shù)據(jù)包分開來采集。由之帶來的時(shí)間差，加上病人自主和不自主的運(yùn)動(dòng)，“同源、同時(shí)、同向”是不可能完全滿足的。盡管如此，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)還是盡最大的可能考慮到“三同條件”，特別是針對“同時(shí)、同向”這兩個(gè)條件，并在圖像上和臨床上取得很好的效果。在放射劑量方面，能采用管電流自適應(yīng)管電壓變化的旋轉(zhuǎn)kVp技術(shù)很好地降低了劑量，同時(shí)能優(yōu)化圖像質(zhì)量。在臨床上，除了廣泛應(yīng)用的物質(zhì)成分分析與碘圖的提取等，改善雙能CT設(shè)計(jì)，發(fā)開和拓展一些能提供功能性信息和臨床診斷價(jià)值的新應(yīng)用，是值得進(jìn)一步思考的問題。

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CT Research Section, Research Training Center, Toshiba Medical Systems(China). Co. Ltd

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2012-07-22作者郵箱：zhangweiwei@toshiba-medical.com.cn