CT能譜成像的基本原理與臨床應(yīng)用優(yōu)勢

韓文艷

房山區(qū)第一醫(yī)院 器械科，北京 102400

CT能譜成像的基本原理與臨床應(yīng)用優(yōu)勢

韓文艷

房山區(qū)第一醫(yī)院 器械科，北京 102400

當(dāng)前，CT已成為一種重要的臨床診斷篩查手段，與常規(guī)CT技術(shù)相比，CT能譜可借助自身的單能量圖像、基物質(zhì)圖像和能譜曲線等用于疾病診斷和定量分析，不僅能夠提供常規(guī)CT所具有的人體解剖形態(tài)圖，而且還可實(shí)現(xiàn)物質(zhì)成分分析、鑒別，大幅度提高了疾病診斷的可靠性。本文主要分析了CT能譜成像的三大原理：單能量成像、物質(zhì)分離與定量分析、有效原子序數(shù)，CT能譜成像借助這三項(xiàng)原理和成像圖像分析工具可用于臨床診斷篩查，為了進(jìn)一步闡述其與常規(guī)CT的區(qū)別，本文將結(jié)合CT能譜成像的基本原理闡述其在成像、物質(zhì)分離、小病灶檢出、腫瘤鑒別診斷中的應(yīng)用優(yōu)勢。

CT能譜成像；單能量成像；物質(zhì)分離與定量分析；病灶檢出

隨著多層螺旋CT技術(shù)的問世，新型成像技術(shù)和圖像后處理技術(shù)不斷涌現(xiàn)，能譜CT能夠生成101個(gè)單能量圖像，而且還可進(jìn)行物質(zhì)分離和定量分析。本文將對(duì)CT能譜成像的原理和臨床應(yīng)用進(jìn)行綜述，分析其在臨床疾病診斷和科研中的巨大潛力。

1 CT能譜成像的基本原理和成像分析工具

1.1 CT能譜成像的基本原理

1.1.1 單能量成像

能譜CT與常規(guī)CT最為明顯的區(qū)別是能夠?qū)崿F(xiàn)單能量成像，任何時(shí)間、任何角度都能采集140、80 kVp兩種能量數(shù)據(jù)，根據(jù)這兩種能量數(shù)據(jù)可以確定40～140 keV能量范圍內(nèi)體素的衰減系數(shù)。此外，能譜CT還可通過最佳對(duì)比噪聲比獲取101個(gè)單能量圖像，其圖像質(zhì)量和信噪比更高[1-2]。

1.1.2 物質(zhì)分離與定量分析

能譜CT能夠?qū)線吸收系數(shù)轉(zhuǎn)化為任意兩種基物質(zhì)的吸收系數(shù)，而且衰減系數(shù)并不受影響，因此，可以將一種物質(zhì)的衰減轉(zhuǎn)化為兩種物質(zhì)的衰減，根據(jù)已知基物質(zhì)的吸收系數(shù)就可以計(jì)算出其空間分布和密度，從而實(shí)現(xiàn)原始物質(zhì)的分離與定量分析，生成的物質(zhì)分離圖像可更加直觀的反映計(jì)算分析結(jié)果[3]。在基物質(zhì)對(duì)組成上，通常是選取兩種衰減不同的物質(zhì)，如水和碘就是一組比較常用的基物質(zhì)對(duì)。物質(zhì)分離之后的分析可以借助單色光源數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)，由于能譜CT的物質(zhì)分析目的并不是確定物質(zhì)成分而是分析基礎(chǔ)物質(zhì)的衰減效應(yīng)，因此，在分離物質(zhì)時(shí)也并不是以某種固定的物質(zhì)作為基物質(zhì)進(jìn)行分離，而是任意選擇兩個(gè)基物質(zhì)[4]。

1.1.3 有效原子序數(shù)

物質(zhì)的有效原子序數(shù)需要通過間接方法獲取，當(dāng)某元素X線吸收序數(shù)與某物質(zhì)吸收衰減系數(shù)相同時(shí)，該元素的原子序數(shù)就是該物質(zhì)的有效原子序數(shù)。這個(gè)過程的確定可以借助物質(zhì)檢測實(shí)現(xiàn)在臨床應(yīng)用中，首先需要分析受檢組織的能譜成像掃描圖像，獲取X線衰減曲線，72、120 keV兩個(gè)點(diǎn)的u值和原子序數(shù)曲線交叉點(diǎn)就是有效原子序數(shù)。

1.2 能譜CT成像圖像分析工具

能譜CT成像需要借助3個(gè)工具才能實(shí)現(xiàn)：①最佳對(duì)比噪聲比，最佳對(duì)比噪聲比能夠幫助快速查找單能量圖像中的能量點(diǎn)，從而在眾多單能量圖像中快速找出最佳能量點(diǎn)[5-6]；②直方圖，直方圖可用于有效原子序數(shù)和單能量圖像分析，是觀察最佳能量點(diǎn)體素分布的有效手段，直方圖的各個(gè)參數(shù)分別代表了不同的含義，如寬度代表了物質(zhì)密度，高度代表了物質(zhì)所占比例，臨床上可以直接將直方圖用于組織結(jié)構(gòu)特性分析；③散點(diǎn)圖，散點(diǎn)圖與直方圖類似，可用于有效原子序數(shù)和單能量圖像分析，通過分析散點(diǎn)圖可以確定組織結(jié)構(gòu)特性，從而進(jìn)行疾病診斷和鑒別，同時(shí)還可用于病灶強(qiáng)化觀察[7-9]。

2 CT能譜成像的臨床應(yīng)用

2.1 高質(zhì)量圖像的應(yīng)用優(yōu)勢

碘對(duì)比劑、鈣化等常常會(huì)產(chǎn)生偽影影響臨床醫(yī)師的診斷，能譜CT的單能量圖像能夠有效避免偽影的產(chǎn)生，獲得高質(zhì)量圖像。常規(guī)CT圖像的偽影分為系統(tǒng)本身存在的偽影和掃描中新出現(xiàn)的偽影，對(duì)圖像質(zhì)量影響最大的是金屬偽影和射線硬化偽影，CT掃描中的混合電壓所產(chǎn)生的X線光子在經(jīng)過密度較大的物質(zhì)時(shí)，低能量的光子被吸收得較多，因此，X線光子透過物體時(shí)就會(huì)產(chǎn)生“硬化”，最終形成條紋影或暗影，影響成像質(zhì)量[10]。適應(yīng)性統(tǒng)計(jì)迭代技術(shù)的出現(xiàn)更是提高了圖像空間分辨力，圖像噪聲明顯降低。研究表明[11]，適應(yīng)性統(tǒng)計(jì)迭代技術(shù)在冠脈造影診斷中能夠顯著降低噪聲，提高空間分辨力，圖像質(zhì)量優(yōu)于常規(guī)CT。適應(yīng)性統(tǒng)計(jì)迭代技術(shù)和最佳keV單能量成像技術(shù)的聯(lián)合使用能夠有效降低輻射劑量，增加診斷安全性。

2.2 在物質(zhì)分離中的應(yīng)用

常規(guī)CT一般是借助CT值來分析斑塊成分，能譜CT的物質(zhì)分離和定量分析能夠通過能譜曲線、物質(zhì)分離圖像實(shí)現(xiàn)。臨床實(shí)踐發(fā)現(xiàn)能譜CT曲線能夠用于區(qū)分動(dòng)脈粥樣硬化中的組織成分，并測定其在斑塊中的相對(duì)含量，用于評(píng)估斑塊的穩(wěn)定性。最新的臨床研究發(fā)現(xiàn)，肺動(dòng)脈造影診斷常被認(rèn)定為肺栓塞的黃金診斷標(biāo)準(zhǔn)，只是對(duì)一些個(gè)別栓子無法實(shí)現(xiàn)有效掃描，但是借助能譜CT就可以發(fā)現(xiàn)細(xì)微的肺灌注差異，并且獲得肺組織圖像、肺碘基物質(zhì)灌注圖像[12-13]。

2.3 在小病灶檢出中的應(yīng)用

CT能譜成像可獲得101個(gè)單能量圖像和物質(zhì)分離圖像，單能量圖像隨能量水平變化而變化，能量水平較低的X線圖像對(duì)比增強(qiáng)，但是噪聲也隨之增加；能量水平較高的X線硬化偽影較少，但是相對(duì)來說對(duì)比也減弱，因此，需要選擇適當(dāng)?shù)哪芰克讲拍軝z出較小的病灶[15]。臨床研究發(fā)現(xiàn)能譜CT能夠通過改變圖像質(zhì)量增加肝臟小腫瘤的檢出率，敏感度更高，能譜CT作為一種單能量成像檢測方法在小肝癌的檢測中可提高對(duì)比噪聲比，有利于小肝癌的檢出。常規(guī)CT雖然能夠輕易地檢出陽性結(jié)石，但是其對(duì)陰性結(jié)石的敏感度更高，通過研究體外腎結(jié)石模型能譜成像發(fā)現(xiàn)，CT能譜技術(shù)的物質(zhì)分離方法能夠較好地檢測出陰性結(jié)石，并可區(qū)分多種類型的結(jié)石，以確定結(jié)石種類。

2.4 在腫瘤鑒別診斷中的應(yīng)用

臨床工作中經(jīng)常會(huì)遇到腫塊難以定位的難題，如肝腎間隙腫瘤等，借助CT能譜特征，如基物質(zhì)散點(diǎn)圖分布模式、70 keV單能量CT值分布直方圖、能譜曲線形態(tài)特征可較好地觀察肝腎間隙腫瘤。腫瘤的發(fā)生伴隨著組織結(jié)構(gòu)異樣改變和贅生物生長，細(xì)胞內(nèi)的成分也會(huì)發(fā)生變化，常規(guī)CT的腫瘤診斷限于密度值和細(xì)胞形態(tài)學(xué)診斷，能譜CT與之相比不僅能夠?qū)崿F(xiàn)密度值和細(xì)胞形態(tài)學(xué)診斷，而且還可進(jìn)行多種參數(shù)的成像模式分析。臨床研究發(fā)現(xiàn)能譜CT的多參數(shù)成像分析能夠用于惡性腫瘤與炎性病變的鑒別區(qū)分，這也為腫瘤的鑒別和診斷提供了新的思路和方法。

3 小結(jié)

能譜CT作為臨床影像學(xué)診斷中的一項(xiàng)全新技術(shù)，代表著當(dāng)前影像學(xué)診斷的發(fā)展方向。隨著多參數(shù)成像模式技術(shù)的成熟，能譜CT成像的臨床應(yīng)用范圍將越來越廣泛，未來能譜CT技術(shù)有著廣闊的發(fā)展前景，并將推動(dòng)現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像學(xué)的發(fā)展。我們應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，能譜CT的諸多成像優(yōu)勢與常規(guī)CT相比只是在單能量圖像重建方面取得了進(jìn)步，并不是真正意義上的單能量成像，其物質(zhì)分離和檢測技術(shù)尚需進(jìn)一步發(fā)展。

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Basic Princip le and Advantages of Clinical App lication of CT Energy Spectrum Imaging

HAN Wen-yan
Department of Equipment, The First Hospital of Fangshan District, Beijing 102400, China

Currently, CT（Computerized Tomography）has become a kind of important clinical diagnostic method.Compared w ith conventional CT technology, the CT energy spectrum can use its own singleenergy images, base material images and energy spectrum curves for diagnosis and quantitative analysis of the disease, which can not only provide the human anatom ical morphology map sim ilarly to the conventional CT, but also realize the analysis and identification of the material composition so as to greatly improve the reliability of diagnosis.This paper mainly analyzed three major principles of CT energy spectrum, including the single-energy imaging, material separation and quantitative analysis, as well as the effective atom ic number.By means of the principle and image analysis tools, the CT energy spectrum can be used for clinical diagnosis and screening.To further elaborate its differences from conventional CT, this paper also expounded the advantages of application of CT energy spectrum in imaging, substance separation, detection of m inor lesions as well as differential diagnosis of malignant tumors in combination w ith its basic principles.

computerized tomography energy spectrum imaging；single energy imaging；material separation and quatitative analysis；lesion detection

R197.39

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.12.025

1674-1633（2015）12-0090-02

2015-06-24

2015-09-07

作者郵箱：18901199516@189.cn