雙層光譜探測器CT臨床應用與研究進展

任海燕，甄艷華，鄭加賀

(中國醫(yī)科大學附屬盛京醫(yī)院放射科，遼寧 沈陽 110004)

CT廣泛用于臨床，臨床需求推動其硬件和軟件不斷更新與改進，自20世紀70年代至今，已由傳統(tǒng)CT發(fā)展到能譜CT，從單純解剖成像到可實現(xiàn)功能成像。2005年出現(xiàn)的雙源CT具有兩套管電壓(80 kVp和120 kVp)X線球管發(fā)生裝置和兩套互相垂直的探測器系統(tǒng)，可同時發(fā)射相同電壓，以獲得更高質(zhì)量圖像；或同時發(fā)射不同電壓，實現(xiàn)物質(zhì)分離與整合。2009年首發(fā)的寶石能譜CT采用單球管和單探測器，其高壓發(fā)生器可在0.5 ms內(nèi)實現(xiàn)80 kVp和140 kVp高低能瞬時切換，獲得混合能量傳統(tǒng)圖像(conventional image, CI)、101幅范圍在40～140 keV的虛擬單能量圖像(virtual monoenergetic images, VMI)和其他能譜圖像[1-3]。2018年正式用于臨床的單源雙層光譜探測器CT采用不同于常規(guī)的雙Z軸探測器，從探測器角度實現(xiàn)高低能X線轉化，并采用立體式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并行傳輸高低能量信號，實現(xiàn)了同源、同時、同向和同步能量分離掃描。

1 成像原理及技術應用

探測器是雙層光譜探測器CT核心構件，主要由閃爍體、薄層前照式光電二極管和專用數(shù)據(jù)處理軟件組成。閃爍體為雙層模式，上層采用納米釔合金吸收低能X線，并保證X線中高能光子無損穿透到達下層探測器；下層采用高分子氧化釓和專屬稀土陶瓷感光材料，可降低探測器串擾和余暉效應[4-5]。薄層前照式光電二極管位于濾柵下，與探測器表面垂直，以保持探測器的高幾何效率；光電二極管將探測器吸收的光信號轉化為電信號，探測器數(shù)據(jù)處理軟件將獲得的電信號轉化為數(shù)字信號進行圖像重建[4-5]。雙層光譜探測器CT可生成用于常規(guī)診斷的CI；雙層探測器類似于單層探測器，生成的CI類似于常規(guī)CT生成的混合能量圖像；此外，雙層光譜探測器CT還可生成反映康普頓效應和光電效應不同組成的能譜圖像，包括范圍40～200 keV的VMI和物質(zhì)分離圖像如碘密度圖、虛擬平掃圖(virtual non-contrast, VNC)、尿酸對圖及有效原子序數(shù)圖等，一次掃描即可獲得3～4倍于常規(guī)CT掃描的信息，為診斷疾病提供更多信息[1,4-7]。

2 臨床應用進展

2.1 降低噪聲和優(yōu)化圖像質(zhì)量 雙層光譜探測器CT基于探測器水平獲得具有相同時間和空間分辨率的雙能投影數(shù)據(jù)，在投影數(shù)據(jù)域應用反相關噪聲算法于圖像重建過程中降低噪聲[4,8]。KALISZ等[8]發(fā)現(xiàn)應用雙層光譜探測器CT獲得的40～200 keV 的VMI均保持較低噪聲水平，體模研究中40 keV VMI噪聲最大，高于CI[(5.3±0.2)HU vs(4.6±0.2)HU，P<0.001]，能量水平高于50 keV時圖像噪聲均顯著低于CI，對比噪聲比(contrast to noise ratio, CNR)顯著高于CI；肝、脾、胰腺、腹主動脈、門靜脈和肌肉等處所有能級水平VMI噪聲均低于CI，40～80 keV VMI的信噪比(signal to noise ratio, SNR)和CNR均高于CI。SELLERER等[9]針對腹部體模比較雙源雙能CT、寶石能譜CT和雙層光譜探測器CT圖像，發(fā)現(xiàn)不同尺寸體模在3種設備上均以最高能級VMI噪聲最小，而能量水平較低時噪聲會逐漸增加并在40 keV達到最大值；3種掃描儀中，雙層光譜探測器CT在所有能量范圍內(nèi)均保持低噪聲水平，40～140 keV范圍內(nèi)低能水平圖像噪聲增加，但其平均噪聲升高比例最低。

2.2 提高病灶檢出率 部分病變與周圍正常組織對比度不大，可能被漏診。雙層光譜探測器CT能譜圖像可提升組織對比度及圖像質(zhì)量，利于檢出病灶。高欽宗等[10]建立兔VX2肝癌模型，從客觀和主觀角度比較CI和VMI圖像質(zhì)量及其對于30個病灶的檢出率，結果顯示單能量水平為40～55 keV時，VMI的SNR和CNR均顯著高于CI，VMI主觀評價結果顯著優(yōu)于CI；40～65 keV VMI檢測出全部30個病灶，CI僅檢出18個病灶。LENNARTZ等[11]比較雙層光譜探測器CT的CI、40 keV VMI和碘密度圖的圖像質(zhì)量及其診斷骨骼肌腫瘤轉移與非轉移病灶的準確性，發(fā)現(xiàn)40 keV VMI的CNR顯著高于CI(25.8±11.1 vs 10.1±5.3)，40 keV VMI診斷骨骼肌轉移灶的敏感度高于CI(54.4% vs 39.8%)，碘密度圖的診斷敏感度和特異度均高于CI(63.2% vs 39.8%和74.2% vs 69.2%)。

2.3 抑制偽影 當患者體內(nèi)存在金屬移植物或高密度物質(zhì)如血管支架、瘤夾及鈣化灶等時，常因金屬偽影和硬化偽影導致CT圖像質(zhì)量降低而影響診斷。雙層光譜探測器CT可在重建過程中實現(xiàn)硬化矯正，通過重建高能量水平VMI消除或抑制偽影，更清晰地顯示高密度物質(zhì)及其周邊組織特點，提高診斷準確性。LAUKAMP等[12]觀察全髖關節(jié)置換患者髖關節(jié)偽影，發(fā)現(xiàn)200 keV VMI偽影寬度較CI顯著變窄[(17.6±13.6)mm vs(29.9±6.8)mm，P<0.001]；在偽影嚴重程度方面，CI主觀評分為4.5±0.7，200 keV VMI主觀評分為3.4±1.0，提示VMI可明顯減少偽影，改善圖像質(zhì)量(P<0.001)。van HEDENT等[13]分析冠狀動脈CT血管造影(CT angiography, CTA)圖像，與CI相比，80 keV VMI冠狀動脈鈣化斑塊暈狀偽影顯著減少，鈣化斑塊直徑顯著減小，血管腔可視化直徑增加，整體圖像質(zhì)量顯著優(yōu)于CI。HICKETHIER等[14]評估不同能級水平VMI冠狀動脈支架可視化狀況，發(fā)現(xiàn)能級水平≥80 keV時，支架偽影顯著減少，支架可視化直徑顯著增加。

2.4 物質(zhì)定量及定性分析 雙層光譜探測器CT重建獲得的能譜數(shù)據(jù)如碘密度圖、有效原子序數(shù)圖和尿酸對圖等可用于定性定量分析病灶。碘密度圖和有效原子序數(shù)圖可評估組織器官灌注情況，早期發(fā)現(xiàn)組織灌注異常，從而做到早診斷及早治療，對于檢測心肌缺血及肺栓塞具有重要價值[15]。SUETA等[16]回顧性分析臨床確診肺動脈栓塞和下肢深靜脈血栓患者，常規(guī)肺灌注圖未檢出肺灌注缺損區(qū)，但雙層光譜探測器CTVMI顯示肺動脈充盈缺損，同時碘密度圖發(fā)現(xiàn)肺段灌注異常。雙層光譜探測器CT有效原子序數(shù)圖及尿酸對圖等對于診斷和鑒別尿路結石及關節(jié)處痛風結石也有重要價值。此外，雙層光譜探測器CT還可提供光譜曲線、散點圖、直方圖和碘密度圖等，比較病灶CT值、SD值和標準化碘含量等指標，判斷腫瘤同源性及良惡性病灶，為臨床治療方案確定及疾病預后評估提供參考依據(jù)[4,6]。

2.5 降低輻射劑量 雙層光譜探測器CT可利用VNC圖像代替增強掃描中的非增強期(true-non-contrast, TNC)圖像，使原本需要接受平掃和增強CT檢查者毋須平掃，從而降低輻射劑量。ANANTHAKRISHNAN等[17]比較雙層光譜探測器增強CT中VNC和TNC圖像的CT值，發(fā)現(xiàn)除脂肪外，VNC與TNC圖像CT值相當，92.6% VNC與TNC圖像CT值差<15 HU，75.2%VNC與TNC圖像CT值差<10 HU，44.4%時<5 HU。在三期掃描中，以VNC圖像代替TNC圖像可減少1/3輻射劑量，二期掃描輻射劑量則可減半。SAUTER等[18]比較三期增強CT掃描VNC和TNC圖像，發(fā)現(xiàn)VNC和TNC圖像CT值差平均值僅為(0.5±8.5)HU，超過90%的VNC和TNC圖像CT值差<15 HU，利用VNC代替TNC圖像可降低1/3有效輻射劑量。

2.6 減少對比劑用量 CT增強檢查常規(guī)使用含碘對比劑，低能量水平時更接近碘原子K層電子結合能(33.2 keV)，光電效應增加，碘衰減效應增加，血管腔增強更明顯，有利于降低對比劑用量；采用低劑量對比劑掃描方案，基于雙層光譜探測器CT降噪的重建算法獲得的圖像質(zhì)量可滿足臨床診斷需求[19-23]。臨床檢查中，遇患者心臟射血分數(shù)低、血流速度慢及其他各種原因致增強效果欠佳時，雙層光譜探測器CT低能量水平VMI可使血管增強效果較CI更明顯，滿足臨床診斷需要，避免額外重復增強檢查，減少輻射暴露和對比劑量。TSANG等[22]對不同碘濃度體模進行掃描，比較CI和VMI的CNR，結果顯示40 keV VMI僅用 CI對比劑劑量的1/4、50 keV VMI僅需2/5 CI對比劑劑量即可達到相同CNR。van HAMERSVELT等[23]發(fā)現(xiàn)，與CI相比，在不降低圖像質(zhì)量前提下，雙層光譜探測器CT 40 keV VMI可減少60%對比劑用量。HUANG等[21]比較常規(guī)劑量和減半對比劑用量冠狀動脈CTA的CI和VMI圖像質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)兩種劑量下所有觀察部位50 keV VMI的CT值、SNR和CNR均顯著高于CI，50 keV VMI主觀評分顯著優(yōu)于CI。

3 優(yōu)勢與局限

相比其他雙能CT，如雙源雙能CT和寶石能譜CT，雙層光譜探測器CT可提供更寬范圍的VMI(40～200 keV)，在抑制高密度物質(zhì)或金屬偽影方面具有更高潛能[4,12,24]；其基于投影空間算法獲得的投影數(shù)據(jù)近乎完美時空對準，可在所有單能量圖像范圍均保持較低噪聲，在降噪方面更具優(yōu)勢[8-9]。另一方面，雙層光譜探測器CT存在一些不足，如掃描為達到充分光譜分離，管電壓至少達到120 kVp，對身材瘦小者只能通過調(diào)節(jié)管電流降低輻射劑量；由于管電壓至少需達到120 kVp，掃描中獲得的CI與傳統(tǒng)CT相比對比度略低；一次掃描獲得的信息較傳統(tǒng)掃描增多，圖像重建時間有所延長[1,4,7]。

4 小結與展望

作為一種新型CT掃描儀，隨著臨床應用增加，雙層光譜探測器CT在降低噪聲、優(yōu)化圖像質(zhì)量、提高病灶檢出率、抑制偽影、定量定性分析物質(zhì)、降低輻射劑量及減少對比劑用量等方面優(yōu)勢將更加突出。期待雙層光譜探測器CT在分子成像方面的應用，并逐漸完善其不足，在臨床應用中發(fā)揮更大優(yōu)勢。