能譜CT的特點及臨床應(yīng)用

段勇 李洪利 濱州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院國有資產(chǎn)管理處 （濱州 256600）

能譜CT的特點及臨床應(yīng)用

段勇 李洪利 濱州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院國有資產(chǎn)管理處 （濱州 256600）

多排螺旋CT技術(shù)的廣泛應(yīng)用及計算機后處理技術(shù)的不斷發(fā)展，使能譜CT成像從理論走向?qū)嵺`。與常規(guī)多排CT相比，能譜CT及時實現(xiàn)了包括單能量圖像、能譜曲線、基物質(zhì)圖像及相應(yīng)基物質(zhì)的定量分析、有效原子序數(shù)等多參數(shù)成像，為疾病的早期發(fā)現(xiàn)、定性甚至定量診斷提供可靠依據(jù)，為臨床實踐和科研提供更為廣闊的發(fā)展空間。

能譜成像 單能量成像 臨床應(yīng)用 物質(zhì)分離與定量分析

計算機技術(shù)的不斷成熟，為CT技術(shù)的完善和發(fā)展提供了條件，僅僅40年的時間，CT的發(fā)展經(jīng)歷了從實驗室階段→非螺旋CT階段→螺旋CT階段→多排CT階段，每一個階段的進步都帶來難以想象的臨床應(yīng)用。近些年，伴隨著探測器、高壓發(fā)生器、球管、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等硬件的不斷改進，CT技術(shù)的發(fā)展迎來了一個新的時代，能譜CT研究逐漸顯現(xiàn)出其獨特的優(yōu)勢，給臨床帶來巨大的幫助。

1.能譜CT設(shè)備硬件的新發(fā)展

能譜成像對硬件有極高的要求，需要同時滿足“同源、同時、同向”，即為避免空間位置移動，要求同時（瞬時）完成高低能量輸出、同時（瞬時）進行高低能量數(shù)據(jù)采集[1]。這意味著保持輸出能量穩(wěn)定的前提下，瞬時完成兩次高低能量不同的掃描，并保證更大的數(shù)據(jù)輸出信息量，以完成重建，這都需要硬件上相互配合、精心設(shè)計。上世紀(jì)90年代初期，科學(xué)家已經(jīng)完成了能譜成像的理論基礎(chǔ)研究，但硬件的發(fā)展不足以實現(xiàn)臨床應(yīng)用，隨著探測器、球管技術(shù)、高壓發(fā)生器、計算機技術(shù)的高度發(fā)展，如今能譜CT成像得以實現(xiàn)。

1.1 探測器

探測器的發(fā)展經(jīng)歷了從氣體探測器到固體探測器，而能譜CT要求更快的轉(zhuǎn)化速度、最低的余暉和更高的穩(wěn)定性。新型的寶石探測器，在寶石結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上通過元素置換添加了相應(yīng)的稀土元素，使得探測器的性能有了很大提高，對X線的初始響應(yīng)速度達到0.03us，比固體探測器速度提高了100倍，余暉效應(yīng)僅僅是原來的1/4，而且有更高的穩(wěn)定性，極大滿足瞬時能量切換技術(shù)對探測器的要求[2]。

1.2 球管技術(shù)

球管是X線產(chǎn)生的核心部件，要完成高低壓能量的瞬間切換，勢必導(dǎo)致焦點的漂移。動態(tài)變焦技術(shù)，不采用固定焦點，而是通過偏轉(zhuǎn)磁場的聚焦，根據(jù)不同條件自動選擇匹配的焦點[3]，保證了不同高壓條件下焦點的穩(wěn)定性，并通過mAs的獨自優(yōu)化實現(xiàn)高低能量下圖像質(zhì)量的匹配。

1.3 高壓發(fā)生器瞬時電壓切換技術(shù)

高壓發(fā)生器為球管提供產(chǎn)生X線所需要的高壓，其性能的穩(wěn)定性決定產(chǎn)生射線的質(zhì)量，更進一步?jīng)Q定了整個系統(tǒng)的精度。能譜CT要在瞬間完成140～80kvp高低能量間的周期切換，目前兩個能量間的切換時間已經(jīng)能夠達到7微秒，轉(zhuǎn)換周期已經(jīng)能夠達到0.25ms[4]，高低壓瞬切高壓發(fā)生器在滿足時間要求的前提下，維持了輸出電壓的穩(wěn)定，保證了X線能量的精度，是能譜CT實現(xiàn)“同源、同時”要求的硬件前提。

1.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

更高的旋轉(zhuǎn)速度（0.28秒/轉(zhuǎn)），而且同一位置進行兩次掃描，獲取兩組能量數(shù)據(jù)，能譜CT為獲得高低能量下高精度的圖像質(zhì)量，已經(jīng)具備每秒7131以上的采樣率。先進的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用高頻低噪采集技術(shù)，實現(xiàn)了微秒級別的采樣[5]，配合強大的計算機系統(tǒng)及新一代的迭代重建算法，最終得到了更低噪聲、更高分辨率的圖像。并且整合多種技術(shù)，使得低劑量成像得以實現(xiàn)。

2.臨床能譜成像實用工具

2.1 單能量成像

常規(guī)CT使用連續(xù)X射線源，得到平均能量下的圖像，密度分辨率低，硬化偽影、同物異影、異物同影的現(xiàn)象明顯，比如糖水和鹽水就有相同的CT值，常規(guī)CT無法進行區(qū)分。能譜CT成像的目的就是為了消除硬化偽影、得到單能量圖像、提高密度分辨率從而進行物質(zhì)區(qū)分與定量。能譜CT通過高低兩種能量間的快速切換，測量出物質(zhì)高低兩種能量下的x線衰減系數(shù)，并進一步將這種衰減轉(zhuǎn)化為會產(chǎn)生同樣衰減的兩種基物質(zhì)的密度（兩種基礎(chǔ)物質(zhì)來產(chǎn)生相同的衰減效應(yīng)），這樣的過程稱之為物質(zhì)組成分析與物質(zhì)的分離。由于通過物質(zhì)分析，未知物質(zhì)已經(jīng)被表示成兩種基物質(zhì)的組合，而基物質(zhì)能量衰減曲線科學(xué)家在很早之前已測定，通過基物質(zhì)能量衰減曲線可以推算任意單能量下未知物質(zhì)相應(yīng)的衰減系數(shù)。以基物質(zhì)能量衰減曲線為基礎(chǔ)，通過以上原理，可以解析出任意40～140kev下的101幅單能量圖像，滿足各種臨床應(yīng)用，克服了常規(guī)CT平均能量成像的弊端。

2.2 能譜曲線

以單能量值為橫坐標(biāo)，CT值為縱坐標(biāo)，將物質(zhì)不同單能量值下CT值的變化規(guī)律以曲線進行表示，就得到了能譜曲線。在常規(guī)CT中，具有相同CT值的不同物質(zhì)，再次以糖水、鹽水為例，是無法進行區(qū)分的，但是兩者卻有不同的能譜曲線，通過兩者的能譜曲線，很容易就得到將兩者得以區(qū)分的最佳單能量。臨床中可以利用能譜曲線，鑒別常規(guī)CT中CT值差別較小的兩種組織和病變，進而對病變的性質(zhì)、同源性及差異性進行判斷，從而能夠達到區(qū)分和鑒別物質(zhì)成分的目的，為臨床診斷帶來更充分的數(shù)據(jù)支持。

2.3 物質(zhì)分離與定量分析

能譜成像中，通過兩種基物質(zhì)產(chǎn)生與被測物質(zhì)相同的衰減效應(yīng)建立算法，是對物質(zhì)的一種相對表達，并不代表物質(zhì)的真實物理組成，是一種替代，而不是確定物質(zhì)的真實成分。物質(zhì)分離與定量分析，是以感興趣成分建立基物質(zhì)對，通過物質(zhì)分離進行物質(zhì)的定量分析[6]，如建立碘和鈣基物質(zhì)對，鈣和尿酸基物質(zhì)對等。根據(jù)物質(zhì)定量分析找到組織器官以及病變的病理變化規(guī)律，有利于病變的定性分析和判斷病變進展。

2.4 有效原子序數(shù)

利用x線的衰減可以對未知元素的原子序數(shù)進行推算，基于此原理，對于化合物或混合物如果其衰減的效果等同于某元素，則該元素的原子序數(shù)被稱為該化合物或混合物的有效原子序數(shù)。

有效原子序數(shù)目前主要用于結(jié)石成分的分析，以進一步對感興趣區(qū)內(nèi)物質(zhì)進行定性。

3.初步臨床應(yīng)用

3.1 單能量成像

3.1.1 去除硬化偽影

腦實質(zhì)、頜面部和頸部結(jié)構(gòu)精細(xì)，密度差異小，單能量CT的圖像較常規(guī)CT，能有效減少硬化偽影、提高圖像的信噪比、提高病變的檢出率，研究認(rèn)為使用70kev單能量圖像可以得到最佳的成像效果。

對于血管壁的嚴(yán)重鈣化、血管內(nèi)置入金屬支架或者動脈瘤彈簧圈栓塞或金屬夾夾閉的常規(guī)CT血管成像，常常會因為硬化偽影和金屬偽影而影響到局部血管的觀察。單能量圖像可以有效降低硬化偽影，有助于局部血管顯示。

有金屬植入物、金屬固定器及人工關(guān)節(jié)等的病人（骨科居多），硬化偽影及金屬偽影明顯，在能譜成像下使用較高kev單能量成像，結(jié)合金屬MARs技術(shù)可以顯著去除金屬偽影、硬化偽影，并有效補償周圍信號丟失產(chǎn)生的低密度偽影[7]，有效顯示金屬植入物周圍骨質(zhì)和軟組織結(jié)構(gòu)，對病程的進展、判斷提供了清晰的圖像依據(jù)。

3.1.2 病變的清晰顯示

在常規(guī)CT掃描中，CT值相近的病變或組織往往難以區(qū)分，但兩者的能譜曲線并不完全一致，能譜曲線上CT值相差最大時的單能量值就是區(qū)分兩者的最佳單能量。通過最佳單能量圖像，臨床醫(yī)生可以更準(zhǔn)確地分辨病灶，提高病灶的檢出率。最佳單能量圖像也常用來進行血管的顯示[8]，提高血管與周圍組織的對比度，更加清晰地顯示了病灶細(xì)小供血動脈的顯示，給臨床提供更多的支持。

3.2 能譜曲線

3.2.1 血管鈣化斑塊性質(zhì)分析

根據(jù)不同物質(zhì)具有不同的能譜曲線，對血管中斑塊進行定性分析。對目標(biāo)斑塊中的脂質(zhì)成分、纖維成分及血栓樣組織，利用能譜曲線的特征表現(xiàn)進行分析，通過斑塊在能譜曲線中的不同表現(xiàn)，進一步定性鈣化斑塊或非鈣化性斑塊，為臨床治療提供更為精確的信息。

3.2.2 病變同源性分析

通過多個不同病灶進行能譜曲線分析，曲線表現(xiàn)一致或近一致的病灶，考慮同源或組成相近，突破了傳統(tǒng)CT的界限，為病變同源性分析提供更多的證據(jù)。

3.3 物質(zhì)分離與定量分析

3.3.1 肺部灌注成像應(yīng)用

能譜CT成像碘基圖可以對肺實質(zhì)含碘量進行定量測量，有效反映肺實質(zhì)血流動力學(xué)變化，同時提供解剖及功能信息。肺動脈栓塞早期階段，肺實質(zhì)的密度尚未發(fā)生明顯改變，而局部肺組織的血流灌注已經(jīng)下降，尤其當(dāng)栓塞的血管較小或僅部分栓塞時，常規(guī)CT較難發(fā)現(xiàn)，而碘基圖像能夠顯示栓塞動脈所對應(yīng)的肺實質(zhì)的低灌注區(qū)域。對肺部疾病的前期診斷及后期治療療效的評估具有指導(dǎo)意義。肺栓塞經(jīng)過治療后，除臨床癥狀改善外，血流灌注的恢復(fù)也是評價療效的主要指標(biāo)，利用能譜CT肺灌注成像評價不同病理改變下肺組織的血流灌注及通氣情況具有可行性[9]。

3.3.2 物質(zhì)分離區(qū)分血腫和血鈣

最佳單能量可以有效提高組織間的對比度，同時利用血/鈣基物質(zhì)成像可以測量病變血供和鈣含量，結(jié)合虛擬平掃圖像和碘基圖像能夠比較容易地鑒別血腫和鈣化組織。

3.3.4 甲狀腺功能測定

碘/水物質(zhì)含量分析可直接測定甲狀腺的碘（水）含量，進而可反映和評價甲狀腺功能并鑒別甲狀腺結(jié)節(jié)性質(zhì)；物質(zhì)分析可對頸部結(jié)節(jié)的碘、水等進行定量，進而判斷組織來源。能譜曲線方面，不同性質(zhì)腫瘤、腫大淋巴結(jié)的能譜曲線斜率可能存在差異[10]，有助于腫瘤良惡性鑒別和惡性腫瘤分期、療效評估。

3.3.5 其它應(yīng)用

碘基圖像可以敏感地識別病灶中的含碘對比劑，從而提供病灶有無強化的信息，可極大提高小病灶的檢出率；碘（鈣）基圖像能夠顯示去除鈣化后的血管，對于鈣化血管狹窄評估的準(zhǔn)確性將會有所提高。尿酸／鈣基圖像能夠通過對尿酸含量進行定量測定，區(qū)分真假痛風(fēng)結(jié)石。

3.4 有效原子序數(shù)

部分疾病如腎結(jié)石、矽肺、病變內(nèi)鈣化等均為無機物沉積，有效原子序數(shù)測定可直接對其中的無機物進行分析，達到精確診斷和鑒別的目的。通過有效原子序數(shù)，將所得數(shù)據(jù)與已明確類型的相似病例進行對比，如相近，則可推測其類型相同，通過此類方法，可進行病變的同源性分析工作，給臨床醫(yī)生提供幫助。

3.5 多參數(shù)應(yīng)用

不同臟器的腫瘤、同一臟器不同組織起源的腫瘤、同一腫瘤內(nèi)的不同組織成分，它們的單能量衰減曲線不同，其物質(zhì)分離圖像、物質(zhì)含量分布圖（散點圖、直方圖）的表現(xiàn)也不一樣，對這些能譜特征進行綜合分析，有助于腫瘤的定位、定性及分級的診斷。CT能譜成像綜合分析有望在腫瘤的浸潤程度、腫瘤的病理類型、惡性程度、淋巴結(jié)的轉(zhuǎn)移及遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移灶的診斷方面提供有效信息[11]，在腫瘤診斷與治療中發(fā)揮其作用。

4.小結(jié)

能譜成像給臨床帶來了諸多前所未有的突破，為臨床應(yīng)用和臨床科研提供了無限廣闊的前景。隨著CT硬件和軟件技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，能譜CT的臨床應(yīng)用會逐步深入，作為一種臨床應(yīng)用的新方法，能譜CT在全身各系統(tǒng)疾病的定性、定量診斷及預(yù)后評估方面必將得到更快的發(fā)展，全面開啟CT的能譜時代。

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The Peculiarity and Clinical Application of Spectral CT

DUAN Yong LI Hong-li Department of the National Property Administration, Binzhou Medical University Hospital (Binzhou 256600)

Advances in multi-detector technology and computer processing technology have made spectral CT imaging possible. Compared with conventional multi-detector CT, spectral CT have realized multi-parameter imaging, including monochromatic imaging, spectral curve, basis pair for material-decomposition images in quantitative analysis and effective atomic number. These imaging technologies provide reliable information to diagnose disease earlier and more accurately. Spectral CT is a promising technique with clinical application potential.

spectral imaging, single energy imaging, clinical application, material separation and quatitative analysis

1006-6586(2017)01-0008-04

R814.42

A

2016-11-06