CT 能譜成像基本原理及其臨床應用進展

王 欣，陳劉成，2，沈龍山，周牧野，2，陳少男

（1.蚌埠醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院放射科 蚌埠醫(yī)學院醫(yī)學影像學院醫(yī)學影像診斷教研室，安徽 蚌埠 233004；2.數(shù)字醫(yī)學與智慧健康安徽省重點實驗室 蚌埠醫(yī)學院臨床應用解剖研究所，安徽 蚌埠 233004；3.蚌埠醫(yī)學院第二附屬醫(yī)院放射科，安徽 蚌埠 233030）

以往單排、雙排及MSCT 探測器，僅有1 套球管發(fā)射X 線對病灶進行掃描，只能定位病灶，顯示病灶及其鄰近組織結構，而無法定量、定性分析、辨別病灶組織結構成分。2005 年Siemens 推出全球首臺配備2 套球管、可分別產生高低2 種千伏能量的雙源CT（dual source computer tomography，DSCT），2009年GE 推出以雙kV 瞬時切換為核心技術的能譜CT成像，均為CT 能量成像的臨床廣泛應用和研究奠定了基礎。近年來，CT 能譜成像臨床應用顯著增加，與之相應的應用研究也成為熱點。筆者結合相關文獻，就CT 能譜成像基本原理及臨床應用進展綜述如下。

1 CT 能譜成像基本原理

常規(guī)CT 球管產生的X 線為連續(xù)能譜的混合能量電磁波，物質的吸收系數(shù)實際上是對各種能量X線吸收的總體效應。雙能CT 成像以2 種不同的能量掃描，通常是低能和高能光子光譜。定量雙能CT 解決了在圖像強度和材料組成之間須建立相對應關系的不足，除了可獲取基于物質密度差異、與CT 值差異重建的常規(guī)CT 圖像對應外，還可獲得從低能級到高能級各單一能級的單能譜圖像，后者圖像是基于物質對單能量吸收系數(shù)的差異而成像。不同能量圖像的CT 值在部分組織器官不等效，此種成像需減少光束硬化偽影［1-3］。

CT 能譜成像的基本物理學原理包括3 個方面：①X 線作用于物質后能量會衰減，其衰減程度與X線能量及物質密度有確定的函數(shù)關系；②衰減曲線由X 線與物質作用產生的光電效應和康普頓效應決定，2 種效應各自獨立，與X 線能量、所作用物質的原子系數(shù)或電子密度具有函數(shù)關系；③任何一種特定組織的X 線吸收效應，可通過由2 種物質相應比例的基物質對組合來等效表示，臨床上常用水和碘作為基物質對，也可用鈣和水?；镔|對的不同比例可等效于從軟組織到碘對比劑、醫(yī)學中常見吸收系數(shù)范圍的物質［1，3］。

光電吸收效應強度與被檢物質的原子系數(shù)成正比，鈣、骨骼、碘對比劑等高密度物質受其影響更顯著；而康普頓效應強度與物質的電子密度有確定的函數(shù)關系，軟組織受其影響更顯著。進行雙能量掃描時，雙球管分別產生不同電壓或單球管高、低電壓瞬切技術，均可產生2 種不同能量的X 線，經被檢體衰減后由對應探測器分別檢測，從而獲得2 組原始雙能量吸收的數(shù)據(jù)，建立2 元方程組，可計算出被照射物質的康普頓效應和光電效應的數(shù)據(jù)，從而重建出雙能量圖像。由于純水及純碘的能量譜線已知，通過方程組還可計算出被檢體物質所等效的基物質對的相應比例。不同比例的基物質對的能譜曲線可事先檢測，只要得到被檢體物質所等效的基物質對中各基物質的比例，被檢體物質的能譜曲線也等效于相應比例基物質對的特征譜線，從而實現(xiàn)由雙能量CT獲得虛擬單能譜圖像［3-4］。

2 單能量成像

以往單球管高低電壓序列掃描成像技術，2 次掃描，空間匹配困難，易受人體位置移動、呼吸運動及器官蠕動的影響。雙球管技術（雙源CT），雙球管（一大一?。㈦p探測器、掃描野受限（小球管視野30 cm），運動偽影大，散射線較多。CT 能譜成像是近年來新興的雙能量成像技術，采用單球管瞬時kV 切換技術，在0.5 ms 內實現(xiàn)80 kV 和140 kV 快速轉換，采集和處理幾乎同方向，同源2 種能量X 線的數(shù)據(jù)，生成40～140 keV 101 組單能量圖像，得到能反映不同物質特征的能譜曲線［4］。

由雙能量CT 獲得的虛擬單能譜圖像，除了具有常規(guī)CT 的空間分辨力（高對比分辨力）、密度分辨力（低對比分辨力）、時間分辨力之外，還增加了能譜分辨力，常用單能譜70 keV 圖像，使CT 功能成像得以實現(xiàn)。由雙能量CT 提取的單能譜圖像，可計算得到40～140 kV（不同設備范圍略有差異）的一序列單keV 能量圖像，從中獲得優(yōu)化的最低噪聲、最高對比的圖像。CT 圖像上的組織分割是三維重建的基礎，須同時控制劑量。在組織分割時，由雙能量CT 獲得的單能譜圖像明顯優(yōu)于常規(guī)混合能量CT 圖像。雙能量CT 能選擇更多的組織，從而提高劑量計算的準確性［4］。與常規(guī)混合能量CT 成像比較，單能譜CT 成像測得的CT 值與碘濃度的相關性更高、誤差更小，能譜成像還可消除硬化偽影，相比普通混合能量CT，對病灶的強化程度和強化-時間曲線更準確可靠［5］。

3 CTA 中的自動去骨

骨骼對不同能量X 線的吸收系數(shù)不同，且與軟組織和碘化血管有較明顯區(qū)別，原子序數(shù)的差異可使用雙能技術使鈣和碘易于分離，這奠定了雙能CT可直接進行CTA 檢查的技術基礎。能譜CTA 掃描的優(yōu)勢是通過獲得多組單能量圖像，自動去骨降低噪聲，提高SNR，明顯改善圖像質量，且能譜掃描可通過降低對比劑用量，降低患者的過敏概率。然而在臨床工作中，采用能譜自動去骨掃描獲得的數(shù)據(jù)量較大，以致工作站運算處理運算速度較慢，增加了軟硬件工作量負荷，影響工作效率，應改善與升級軟硬件，以滿足臨床需求［6-8］。

在下肢靜脈CTA 中，與混合能量CT 比較，采用能譜CT 的單能量掃描下肢靜脈血管重建獲得的圖像質量更高［9］。雙能量算法識別并去除骨骼，可直接觀察碘化血管。在65 keV 和50%ASIR 條件下，雙能CTA 低容量對比劑與常規(guī)對比劑容量圖像對比度相當，在評估外周動脈病變中，圖像符合臨床診斷要求，下肢CTA 在60 keV 能達到最佳圖像質量［10］。一項關于低劑量對比劑雙能量肺血管CTA 聯(lián)合先進單能量成像重建對疑似肺栓塞患者的療效的研究［11］證明，對比劑用量僅需6 g，就能可靠鑒別診斷中央型、肺葉型和肺段性肺栓塞。

4 灌注成像（血池成像）與碘化血管

除了去除骨骼以觀察碘之外，碘體素的識別允許碘化區(qū)域的顏色增強，一種臨床用途是灌注血液體積的可視化，也稱為血池成像。已被開發(fā)用于檢測灌注不足在肺繼發(fā)于肺栓塞及檢測心肌局部缺血的區(qū)域。研究發(fā)現(xiàn)CT 能譜灌注掃描兔腫瘤模型時，腫瘤組織動脈期碘含量與血容量、血流量、肝動脈分數(shù)、表面通透性及微血管密度成正相關，表明CT 能譜灌注掃描能定量反映兔肝癌模型腫瘤新生血管情況［12］。在鑒別兔乳腺癌腋窩炎性淋巴結和轉移時，CT能譜灌注成像定量參數(shù)也有一定價值，聯(lián)合血流量+動脈期40～70 keV 能譜曲線斜率（λ）＋靜脈期λ 的高AUC 值，診斷價值較高［13］。能譜CT 張力灌注成像對病變的冠狀動脈粥樣硬化CTA 是一個很好的補充，能更準確檢測病變冠狀動脈的血流動力學［14］。借助專用軟件，雙源CT 灌注成像較單純的肺血管CTA能顯著提高節(jié)段性和亞節(jié)段性肺栓塞的檢出率［15］。

5 虛擬平掃及去鈣質

能譜純化技術能夠將碘、鈣質、鐵等成分從CT值中分離，達到物質分離的目的，其重要應用：①分離碘，除去CT 強化圖像中的碘成分來創(chuàng)建一個虛擬非增強圖像（virtual non-contrast，VNC），即虛擬平掃圖像［16］。虛擬平掃需引入對比劑，0%的碘形成虛擬平掃而100%的碘形成碘圖，也是目前定性、定量的重要方法之一。②胰腺癌，真實非對比圖像（true non-contrast，TNC）組和VNC 組比較，VNC 圖像質量滿足診斷要求，可代替動態(tài)增強掃描作為基線的常規(guī)平掃［17］。③甲狀腺病變，VNC 代替常規(guī)平掃時，既不影響診斷，獲得優(yōu)質的圖像信息，又可明顯降低輻射劑量［18-19］。④腎癌患者VNC 組與TNC 比較，腫瘤組織及鄰近臟器的CT 值和SNR 差異均無統(tǒng)計學意義，雙能量VNC 可替代TNC［20-21］。

去鈣質目前更多是應用在骨關節(jié)及血管壁的評估中，無需引入對比劑。去除鈣質，可突出顯示骨髓的水腫；去除動脈粥樣硬化斑塊，更好地顯示血管壁非鈣化斑塊；分離出鐵質，可消除骨折外固定鋼架的CT偽影［22-23］。如果VNC 圖像具有良好的圖像質量以替代TNC 圖像，則可省略多相檢查的非對比掃描。與單能量CT 相比，雙能量CT 顯著提高了對物質或組織的分辨，對冠狀動脈鈣化斑塊的定量測定有重要的臨床意義。研究［24］表明，基于非傳統(tǒng)雙能量CT 的鈣斑塊定量測量結果與傳統(tǒng)單能量CT 所獲得的鈣評分一致。另一組研究也證實，主動脈行CTA 時，VNC 組的主動脈衰減明顯高于TNC 組；基于動脈相位CTA 的VNC圖像具有較高的平均衰減率和較高的噪聲水平［25］。在骨折金屬支架固定術后復查患者，應用雙能量CT單能譜成像進行不同密度的金屬減影處理，可將金屬偽影去除，更清晰地顯示骨折及金屬固定處解剖細節(jié)，獲得更高的圖像質量［23］。去除鈣質最重要的價值在于去除動脈粥樣硬化斑塊和虛擬去鈣質。能譜CT物質分離技術評價冠狀動脈鈣化斑塊狹窄率，具有較高的準確性，但鈣化斑塊所在動脈節(jié)段管腔大小影響狹窄率的判斷，管腔管徑大者符合率較高［26］。

利用光譜CT 純化功能，采用雙層光譜CT，使用特定開發(fā)的算法分解成羥基磷灰石、水腫當量和脂肪當量密度圖，對急性骨折、骨髓水腫的敏感性均較普通CT 顯著提高［27］。

6 物質成分檢測

6.1 結石 臨床上準確辨別尿酸和非尿酸石具有重要意義。應用雙能量CT 鑒別尿酸、草酸鈣水合物、胱氨酸和磷灰石4 種常見腎結石時，結果表明尿酸腎結石最易鑒別，其次是胱氨酸，而草酸鈣水合物和磷灰石較難區(qū)分；系統(tǒng)能區(qū)分尿酸結石和非尿酸結石，并以不同顏色顯示［28-29］。

結石的易碎性也具有重要的臨床意義，可由雙能量CT 預測。混合低能和高能圖像被用來測量體積、表面粗糙度和12 個描述石頭內部形態(tài)的指標，同時計算低能量與高能量CT 值的比值，可作為超聲碎石術測定結石粉碎時間的方法［30-31］。

6.2 從乳房植入物泄漏檢測有機硅 當植入乳房硅膠物的完整性受到破壞時，少量硅酮滲透到鄰近組織結構，并蔓延至周圍淋巴結，造成組織炎癥或免疫反應。硅樹脂與衰減的相鄰解剖結構相似，有時，MRI 也難以檢測。MRI 雖是評價乳腺植入物完整性的首選檢查手段，但當患者有心臟起搏器、人工耳蝸植入或幽閉恐懼癥等檢查禁忌證時，常無法掃描，且其費用較高。雙能量CT 能清楚區(qū)分硅膠與周圍軟組織的結構，還可測定組織的密度值，定性分析組織成分。硅含有14 號非金屬元素硅，軟組織含有氫和氧較輕的元素。低能量CT 與高能量CT 由于斜率不同，可區(qū)分硅和軟組織。與MRI 掃描相比，雙能CT不僅能明確囊內破裂和漿膜瘤情況，而且能更清楚地顯示胸壁組織、1～3 級腋淋巴結和腋外淋巴結內的囊外硅酮。雙能CT 還可識別肋骨骨折情況和冠狀動脈鈣化等相關信息。盡管MRI 是目前評價囊內和囊外硅膠乳房植入術的首選檢查方法，但雙能CT在評價囊外破裂程度和單次、非創(chuàng)傷性、屏氣掃描的結節(jié)性病變方面顯示出較大臨床價值［32］。

7 腫瘤的診斷及鑒別診斷

能譜CT 利用能譜曲線、物質分離（碘基定量）等對組織成分及血供的異常改變等參數(shù)，進行定量分析，對良惡性腫瘤的診斷、鑒別診斷及分型均有重要的臨床價值。任占麗等［33］收集57 例肺癌患者，行能譜雙期增強掃描，得到多參數(shù)成像可為肺癌分型提供多參數(shù)鑒別依據(jù)，為臨床合理制訂治療方案和改善預后提供幫助。魯法美等［34］通過能譜CT 混合能量成像、鈣基圖和碘基圖等物質分離圖像，定量、定性分析病變，了解其病理學信息，在肝癌診斷及肝癌與肝臟局灶性結節(jié)性增生鑒別診斷中具有重要臨床參考價值。能譜CT 較常規(guī)CT 提高了結直腸癌的檢出率，術前能定量檢測和描繪結腸及其周圍組織內病變，并對結直腸癌進行術前精確分期，利于治療策略的選擇和預后［35］。

綜上所述，雙能量和多能量CT 是臨床CT 成像的新興領域，二者有著區(qū)分不同有效原子序數(shù)材料的能力，使得幾種新的和臨床相關的CT 應用成為可能，如CTA 可自動去除骨斑塊和金屬偽影、從對比增強掃描中去除碘信號、灌注血容量的單相成像，以及識別具有特定元素組成的組織，在腫瘤的診斷及鑒別診斷方面有著一定臨床應用效應。但目前能譜CT 的價值仍需大量研究去證實，在臨床應用中仍存在相對局限性：對腫瘤淋巴結的定性，仍存在不確定性，還需進一步擴大樣本研究；對肥胖患者應用價值相對受限、對軟組織分辨力不及MRI 等。相信隨著以后研發(fā)技術的進步，其臨床應用還將有大量創(chuàng)新成果涌現(xiàn)，雙能量或多能量CT 正在成為CT 成像的主流檢查方法。