CT雙能量掃描模式在腹部應(yīng)用的研究進(jìn)展

楊帆 綜述

林偉， 陳衛(wèi)霞 審校

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CT雙能量掃描模式在腹部應(yīng)用的研究進(jìn)展

楊帆 綜述

林偉， 陳衛(wèi)霞 審校

CT雙能量掃描技術(shù)是利用物質(zhì)在兩種不同能量級別下對X線不同衰減的物理特性，獲得反映組織化學(xué)成分的組織特性圖像，從而提高腹部富血供病變的顯示，同時能夠進(jìn)行組織化學(xué)成分分析等，獲得物質(zhì)特異性圖像，如虛擬平掃圖像、碘圖等。目前已較廣泛應(yīng)用于肝臟、膽道、腎臟、腎上腺以及胃腸道等主要腹部器官組織疾病的研究。本文就CT雙能量掃描技術(shù)的基本原理及其在腹部的應(yīng)用進(jìn)展作一綜述。

計算機(jī)體層成像； 雙能量； 腹部； 虛擬平掃； 碘圖

隨著CT技術(shù)的發(fā)展，顯著提高了成像速度、圖像分辨率及病人耐受性。而雙能CT(dual-energy computed tomography，DECT)的臨床應(yīng)用，使無創(chuàng)且快捷的影像技術(shù)鑒別不同物質(zhì)成分成為可能，亦是當(dāng)今CT臨床應(yīng)用的研究熱點(diǎn)之一。本質(zhì)上，DECT通過提供物質(zhì)在兩種不同能量級別下(通常為80kVp，140kVp)對X線不同的衰減，從而獲得反映組織化學(xué)成分的組織特性圖像。根據(jù)DECT的原始數(shù)據(jù)，可重建獲得虛擬平掃圖像、碘圖、虛擬單能譜圖像及線性與非線性融合圖像等。本文現(xiàn)將CT雙能量掃描技術(shù)的基本原理及其在腹部的應(yīng)用進(jìn)展作一綜述。

CT雙能量掃描技術(shù)的原理

在診斷性CT使用的X線能量范圍內(nèi)，X線光子在穿過人體組織的過程中，主要以光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)與組織發(fā)生相互作用而衰減。光電效應(yīng)是指入射光子的能量被物質(zhì)吸收后，原子的K層電子逸出的現(xiàn)象[1]。入射光子的能量必須達(dá)到能克服K層電子的束縛能才能發(fā)生光電效應(yīng)[1]。同時，光電效應(yīng)具有能量依賴性，即入射光子的能量越接近K層電子的束縛能，光電效應(yīng)越強(qiáng)[1]。不同物質(zhì)的K層電子的束縛能不同，且隨物質(zhì)的原子序數(shù)增加而增加(表1)。光電效應(yīng)的能量依賴性與K層電子束縛能的差異性構(gòu)成DECT的基礎(chǔ)[2]。人體組織由碳、氫、氧、氮、磷、鈣等基本元素根據(jù)不同的比例混合組成。碳、氫、氧以及氮的K層電子束縛能較低，為0.01～0.53keV，且明顯低于目前診斷用DECT的X線兩種能量級別(通常為80kVp，140kVp)，而鈣及碘的K層電子束縛能較軟組織高，分別為4.0及33.2 keV，比軟組織更接近DECT的X線能量。因此在DECT的X線能量級別下，鈣與碘的光電效應(yīng)比軟組織強(qiáng)，光電效應(yīng)的相對強(qiáng)弱決定物質(zhì)的X線衰減程度(表現(xiàn)為CT值的高低)，因此DECT可以將鈣、碘以及尿酸晶體與軟組織加以區(qū)分。同時，80kVp比140kVp更接近鈣、碘的K層電子束縛能，鈣化灶、骨以及含碘對比劑的組織或血管在低能量級別下的衰減比高能量級別下的衰減明顯，CT值升高，且碘在低能圖像中CT值升高較鈣更明顯[3]，這種差異可鑒別這兩種物質(zhì)。

表1　生物性元素及對比劑的K層電子束縛能及原子序數(shù)

CT雙能量掃描儀的種類

根據(jù)同時采集低能與高能CT數(shù)據(jù)的技術(shù)不同，目前主要有三種DECT掃描儀：雙源雙能量CT(dual-souse dual-energy CT scanner，dsDECT)、快速千伏電壓轉(zhuǎn)換雙能量CT(rapid kilovoltage switching dual-energy CT scanner，rsDECT)、雙層探測器雙能量CT(dual-detector dual-energy CT scanner，ddDECT)。

1.雙源雙能量CT

dsDECT(Somatom Definition Flash,Siemens Medical Solutions,Erlangen,Germany)具有兩個X線球管，兩者具有90°或以上的旋轉(zhuǎn)偏離，同時有兩組相對應(yīng)的探測器[4]，一個探測器的視野(FOV)為50 cm，而另一個探測器的視野為26 cm(第一代dsDECT)或33 cm(第二代dsDECT)。進(jìn)行雙能量掃描時低能與高能球管的管電壓分別為80 kVp(或100 kVp)和140 kVp[4]。為了更好地分離低能與高能X線光譜，減少光譜重疊，常將一個錫過濾器附加于高能球管上[5]。因此dsDECT可以獲得兩個獨(dú)立的80 kVp(或100 kVp)和140 kVp圖像集。因兩個球管在螺旋掃描時所投影的數(shù)據(jù)不會相互重合，因此獲得的圖像集只能在“圖像空間”里進(jìn)行融合，于掃描后進(jìn)行圖像后處理。此種DECT的限制為低FOV，因此在評價具有較高身體質(zhì)量指數(shù)(body mass index，BMI)的患者時，具有一定局限性。

2.快速千伏電壓轉(zhuǎn)換雙能量CT

rsDECT(Discovery CT 750HD,GE Healthcare,Milwaukee,USA)只具有一個X線球管，在掃描架一次旋轉(zhuǎn)過程中其管電壓在低千伏與高千伏間快速轉(zhuǎn)換，間隔時間為0.5 ms[6]。為了讓對比噪聲比(contrast noise ratio，CNR)最大化，通常將數(shù)據(jù)采集的曝光時間比例設(shè)置為80 kVp、140 kVp各占65%和35%[7]。同時，rsDECT具有一組快速反應(yīng)的探測器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[6]，探測器的FOV為50 cm。rsDECT能幾乎同時采集80和140 kVp的數(shù)據(jù)，并在"數(shù)據(jù)空間"里產(chǎn)生物質(zhì)密度圖像及虛擬單能譜圖像，而不能像dsDECT獲得獨(dú)立的80和140 kVp圖像。因這種DECT僅具用一個X線球管，因此個性化修改低能與高能光譜比較困難，同時光譜重疊也增加[8]。

3.雙層探測器雙能量CT

ddDECT(Brilliance CT,Phillips Healthcare)具有一個X線球管及一個改裝后的探測器，改裝后的探測器分為上下兩層，上部分接收低能衰減數(shù)據(jù)，下部分接收高能衰減數(shù)據(jù)[9]。目前ddDECT尚未應(yīng)用于臨床。

CT雙能量掃描模式的圖像處理技術(shù)

DECT采集后的數(shù)據(jù)主要可重建兩大類圖像，一類圖像與常規(guī)CT相似，提供組織的解剖結(jié)構(gòu)特征，另一類圖像能夠提供特定物質(zhì)的特征信息，被稱為“物質(zhì)密度圖像”，如碘圖、尿酸圖、虛擬平掃圖像等。

在dsDECT中，解剖結(jié)構(gòu)圖像由80和140 kVp圖像以及二者根據(jù)不同權(quán)重融合的圖像組成。低能圖像與高能圖像相比，具有更高的對比分辨率，但圖像噪聲更高。因此，圖像融合技術(shù)的關(guān)鍵在于讓低能圖像的高對比分辨率特征最大化，高能圖像的低噪聲特征最優(yōu)化。低能圖像與高能圖像融合的比例分為線性與非線性。線性融合是將圖像中各個像素部分按照同一個權(quán)重常數(shù)進(jìn)行融合，非線性融合根據(jù)低能圖像上的相對CT值決定融合比例[4,10]。通常臨床診斷用的圖像有80和140 kVp圖像、線性融合圖像以及非線性融合圖像。而rsDECT通常無80 kVp重建圖像，140 kVp圖像在控制臺重建，這些圖像并沒有完全進(jìn)行掃描儀校準(zhǔn)，僅用于確定掃描范圍[11]。校準(zhǔn)修正應(yīng)用于“數(shù)據(jù)空間”里的高能與低能數(shù)據(jù)，并獲得任意具有特定光子能譜(kVp)水平的圖像[11]，這些圖像被稱為虛擬單能譜圖像，診斷用的單能譜圖像其能量水平通常為75kVp，具有較低的噪聲及較高的CNR[12,13]。單能譜圖像具有降低線束硬化偽影的優(yōu)勢。

為了獲得“物質(zhì)密度圖像”，dsDECT利用圖像域分離技術(shù)，在低能與高能圖像融合后進(jìn)行處理，rsDECT則利用數(shù)據(jù)域分離技術(shù)，在低能與高能正弦圖融合前進(jìn)行處理[14]。圖像域分離技術(shù)基于三種物質(zhì)分離算法，它是假設(shè)組織的每一個體素均由軟組織、脂肪和第三種物質(zhì)組成，第三種物質(zhì)通常為碘，偶爾為骨、鈣、尿酸等[15,5]。第三種物質(zhì)可以被顯示或去除。在腹部應(yīng)用中，碘在碘圖中顯示，在虛擬平掃圖像中被去除。數(shù)據(jù)域分離技術(shù)基于兩種物質(zhì)分離算法，它假設(shè)每個體素的衰減為兩種成對的基本物質(zhì)衰減的加權(quán)和，常用的成對物質(zhì)為水與碘以及鈣與碘[15,5,8]。當(dāng)水與碘為成對的基本物質(zhì)時，同樣產(chǎn)生虛擬平掃圖像與碘圖。

CT雙能量掃描技術(shù)在腹部的應(yīng)用

1.在肝臟、膽道的應(yīng)用

在顯示肝臟富血供惡性腫瘤時，病灶與正常肝組織的高密度對比度是臨床工作中需要的。在注射對比劑后，肝臟的富血供病灶在低能圖像上的顯示較高能圖像更突出，這是因?yàn)榈庠诘湍芄庾V下的衰減系數(shù)更大[16,17]。同時DECT能提供物質(zhì)密度圖像，應(yīng)用于分析肝臟脂肪及鐵沉積、膽道結(jié)石、測定腫瘤組織內(nèi)的碘含量等。常規(guī)單能量CT圖像很難在合并肝臟鐵沉積時評價脂肪沉積，反之亦然。然而，研究顯示應(yīng)用dsDECT的鐵特異性三種物質(zhì)分離算法，可以在合并肝臟脂肪沉積時較準(zhǔn)確地評價鐵沉積，以及在合并肝臟鐵沉積時評價脂肪沉積[18,19]。同時，可利用低能與高能圖像的CT值差異區(qū)分鐵沉積超過10%的患者[20]。另外DECT的碘圖可應(yīng)用于肝臟腫瘤的評價。Lee等[21]應(yīng)用碘圖評價肝細(xì)胞癌肝動脈化療栓塞術(shù)后的復(fù)發(fā)情況，認(rèn)為碘圖與常規(guī)肝臟CT技術(shù)相比具有相似的評價功能，但其輻射劑量更低。應(yīng)用碘圖測定肝細(xì)胞癌患者血管內(nèi)栓子的碘含量可鑒別癌栓及血栓[22]。

在膽道結(jié)石的診斷中，一項(xiàng)體模研究顯示，DECT在顯示膽固醇含量>70%、無鈣化成分的膽囊結(jié)石時，具有95%的靈敏度及100%的特異度[23]。但虛擬平掃圖像與常規(guī)平掃圖像相比，虛擬平掃圖像在顯示較小(<9 mm2,<1.7 mm)以及膽色素結(jié)石(≤78 HU)方面存在一定的局限性[24]。

2.在泌尿系統(tǒng)的應(yīng)用

對于泌尿系統(tǒng)結(jié)石，準(zhǔn)確判斷結(jié)石的位置、大小以及主要成分對臨床選擇治療方案至關(guān)重要[25]。常規(guī)單能CT圖像能準(zhǔn)確提供結(jié)石的位置及大小，但提供結(jié)石成分信息的能力有限[26]。了解結(jié)石的主要化學(xué)成分可指導(dǎo)臨床選擇合適的治療方法。DECT可根據(jù)其物質(zhì)密度圖像鑒別結(jié)石的化學(xué)成分。早期的研究[27,28]主要將DECT用于區(qū)分尿酸結(jié)石與非尿酸結(jié)石，而近期的研究顯示DECT還可用于區(qū)分非尿酸結(jié)石的各個亞類(鈣化結(jié)石、胱氨酸結(jié)石及磷酸鎂胺結(jié)石)[29-32]。然而，DECT在顯示<3 mm結(jié)石的靈敏度不高，并較難分析<3 mm結(jié)石及混合結(jié)石的化學(xué)成分[25,29]。同時虛擬平掃圖像顯示結(jié)石大小比常規(guī)平掃圖像所示小[33]。另一方面，在重建虛擬平掃圖像時，如果使用的原始數(shù)據(jù)為較晚時相圖像(如排泄期)，集合系統(tǒng)碘含量很高，會在集合系統(tǒng)邊緣形成“環(huán)狀偽影”而將其誤認(rèn)為結(jié)石[34]。

DECT的物質(zhì)密度圖像還能在單獨(dú)的對比增強(qiáng)圖像中檢測腎臟病灶中的碘含量，鑒別強(qiáng)化的腎臟病灶與非強(qiáng)化的腎臟病灶，如腎臟腫瘤與高密度腎囊腫[35,36]。Graser等[37]發(fā)現(xiàn)，CT雙能量掃描模式下的單獨(dú)對比增強(qiáng)圖像判斷腎臟良、惡性腫瘤的準(zhǔn)確率高，為94.6%。另外研究顯示，腎臟病灶在虛擬平掃圖像上的CT值與常規(guī)CT平掃圖像上的CT值近似，但具有更高的噪聲[38]。DECT還可應(yīng)用于腎臟腫瘤熱消融后的隨訪，以虛擬平掃圖像替代常規(guī)平掃圖像，減少隨訪患者的輻射劑量[37]。

3.在腎上腺的應(yīng)用

約5%的患者在行單獨(dú)腹部增強(qiáng)掃描時可意外發(fā)現(xiàn)腎上腺占位病變[39]。為了鑒別病變的性質(zhì)，常常需要加做常規(guī)平掃而增加患者的輻射劑量。意外性占位的一個重要鑒別點(diǎn)為病灶內(nèi)的脂肪成分，如果病灶在平掃圖像上的CT值小于10 HU，診斷為良性病變的靈敏度與特異度分別為71%、98%[40]。DECT虛擬平掃圖像與常規(guī)平掃圖像在顯示腎上腺病灶的CT值上差異無統(tǒng)計學(xué)意義，同時，以常規(guī)平掃圖像為參考標(biāo)準(zhǔn)，虛擬平掃圖像在顯示>1 cm的意外性病灶時，其靈敏度、特異度及準(zhǔn)確度均可達(dá)90%以上[41]。然而，由于重建虛擬平掃圖像時碘去除不完全，使虛擬平掃圖像的CT值高于常規(guī)平掃圖像，導(dǎo)致脂肪成分含量高的腺瘤檢測靈敏度降低[42]。

4.在胰腺的應(yīng)用

胰腺癌在CT圖像上通常表現(xiàn)為低密度病灶，然而約11%的病灶表現(xiàn)為等密度[43]。提高腫瘤與正常胰腺組織間的CNR能提高較小及等密度病灶的顯示。DECT的低能圖像能提高病灶的對比度，碘圖不僅能提高病灶的檢測，還能鑒別病灶內(nèi)的實(shí)性與囊性成分，更清晰的評價腫瘤與周圍血管的關(guān)系[44,45]。另外，碘圖還可評價胰腺炎時胰腺壞死情況。

5.在胃腸道的應(yīng)用

DECT應(yīng)用于胃腸道可提高富血供的腸道病變及缺血性腸道節(jié)段的顯示。應(yīng)用DECT 80 kVp的圖像能提高克羅恩病活動期檢測的敏感性[46]。同時，在未進(jìn)行腸道準(zhǔn)備的患者中，應(yīng)用碘圖可顯示96.7%的結(jié)腸癌[47]。另外，有研究認(rèn)為，病灶中的碘含量可作為轉(zhuǎn)移性胃腸道間質(zhì)瘤治療后療效評價的指標(biāo)[48]。DECT還能提高胃癌影像學(xué)分期的準(zhǔn)確性，病灶碘含量可提高分化型與未分化型胃癌及轉(zhuǎn)移性與非轉(zhuǎn)移性淋巴結(jié)的鑒別[49]。

6.在急腹癥的應(yīng)用

在顯示腹部血腫時，DECT虛擬平掃圖像的圖像質(zhì)量與常規(guī)平掃圖像相似，因此可用虛擬平掃替代常規(guī)平掃[50]。然而，如前文所述，在顯示膽道及泌尿系統(tǒng)結(jié)石時，虛擬平掃具有其局限性，此時常規(guī)平掃是必要的。另外，一項(xiàng)動物研究表明，可應(yīng)用腸道雙相對比劑(腸內(nèi)鉍對比劑/腸壁碘對比劑)能鑒別腹部穿通性損傷時對比劑外滲位置(腸壁穿通傷或血管破裂)[51]。

7.DECT血管成像的應(yīng)用

DECT可提高血管造影的準(zhǔn)確性，能更準(zhǔn)確顯示鈣化斑及含碘區(qū)域，還能區(qū)分血管斑塊的成分。dsDECT非線性融合圖像與權(quán)重為0.5的線性融合圖像及常規(guī)單能量CT圖像比較，具有更高的信噪比、對比噪聲比以及主觀圖像質(zhì)量[52]。腹主動脈瘤腔內(nèi)修補(bǔ)術(shù)后，虛擬平掃圖像的主動脈血流及血栓CT值與常規(guī)平掃圖像相似，在顯示內(nèi)漏時，虛擬平掃圖像結(jié)合靜脈期圖像及碘圖具有非常高的診斷準(zhǔn)確度，靈敏度、特異度、陽性預(yù)測值及陰性預(yù)測值均為100%，因虛擬平掃圖像代替常規(guī)平掃，可降低約28%的總輻射劑量[53]。

DECT通過利用物質(zhì)在兩種不同能量級別下對X線不同衰減的物理特性，獲得反映組織化學(xué)成分的組織特性圖像，使其在腹部的應(yīng)用越來越廣泛。低能圖像對腹部病灶的突顯能提高病灶的診斷，同時物質(zhì)密度圖像可產(chǎn)生虛擬平掃圖像、碘圖及分析結(jié)石的成分及肝臟彌漫性病變等。應(yīng)用虛擬平掃圖像替代常規(guī)平掃圖像，可明顯降低患者的輻射劑量。

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2014-11-06修回日期：2015-02-21)

610000成都，成都市第一人民醫(yī)院放射科(楊帆、林偉)；610000成都，四川大學(xué)華西醫(yī)院放射科(陳衛(wèi)霞)

楊帆(1988-)，女，四川岳池人，碩士，住院醫(yī)師，主要從事腹部影像診斷工作。

陳衛(wèi)霞，E-mail：wxchen25@126. com

·綜述·

R445.3； R814.42

A

1000-0313(2015)04-0388-04

10.13609/j.cnki.1000-0313.2015.04.021