雙能量CT的基本原理與研究進(jìn)展

劉峰，朱月香，崔書君，楊飛，湯林夢(mèng)

1.河北北方學(xué)院，河北張家口 075000；2.河北北方學(xué)院附屬第一醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像部，河北張家口 075000

前言

自1972年首臺(tái)CT 機(jī)研發(fā)成功并應(yīng)用于臨床，CT便因其對(duì)解剖細(xì)節(jié)的顯示而展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景，并迅速在臨床工作中得以推廣，但由于不同材料有時(shí)會(huì)表現(xiàn)出相同或近似的CT 值（如含碘血液與鈣化斑塊），故難以實(shí)現(xiàn)物質(zhì)區(qū)分是傳統(tǒng)CT 所存在的一個(gè)短板。1973年Godfrey Hounsfield 的一段描述“兩張圖像采集自同一層面，一張采自100 kV 條件下，一張采自140 kV 條件下…。這樣原子序數(shù)較高的區(qū)域就得以增強(qiáng)。目前的測(cè)試表明，碘（z=53）和鈣（z=20）可以被區(qū)分開來”拉開了對(duì)雙能量CT（DECT）研究的序幕［1］。但是早期的CT 機(jī)掃描時(shí)間長(zhǎng)，難以保障不同能級(jí)掃描層面的精確匹配，而且尚不發(fā)達(dá)的計(jì)算機(jī)技術(shù)無法完成復(fù)雜的圖像后處理工作。這使得DECT 的應(yīng)用僅僅局限于實(shí)驗(yàn)室水平而并未步入臨床。直到2006年，西門子公司研發(fā)的雙源CT問世后，這一情況才有所改善。

1 DECT的基本原理與實(shí)現(xiàn)途徑

1.1 基本原理

CT主要通過探測(cè)器接收透過人體的X線光子產(chǎn)生灰度不一的圖像，X 線衰減遵循Beer-Lambert 定律，如一束強(qiáng)度為I0的X 線穿過厚度為t的均勻物體時(shí)，透射光子數(shù)可表示為I(E)=I0(E)e-μ(E)t［2］，其中μ(E)為該光子束的線性衰減系數(shù)，受X線能量與被投照物體兩個(gè)因素影響。在放射診斷所用的X 射線能量范圍內(nèi)，X線與被投照物體的相互作用主要為光電效應(yīng)和康普頓散射，已知光電效應(yīng)與被投照物體的原子序數(shù)Z和質(zhì)量密度ρ密切相關(guān)，主要在低能級(jí)X 線下發(fā)揮作用，康普頓散射與電子密度ρe密切相關(guān)，主要在高能級(jí)X 線下發(fā)揮作用［3］。故μ(E)可以近似看作是光電效應(yīng)所致的線性衰減系數(shù)μP(E)與康普頓效應(yīng)所致的線性衰減系數(shù)μC(E)之和，即μ(E)可表示為：μp(E)=ρeCpZ3.8÷E3.2與μc(E)=ρe?KN(E)之和。當(dāng)用兩種能量掃描同一個(gè)物體時(shí)，就可以通過類似解方程的方式求得掃描對(duì)象的ρe和Z，進(jìn)而確定被掃描物體的成分。同理，因?yàn)槿魏我环N物質(zhì)的衰減都可以視為μP(E)和μC(E)的組合，故某一特定物質(zhì)在某能量級(jí)X 線下的衰減系數(shù)可表示為在相同能量級(jí)下兩種基物質(zhì)（一般為鈣和水）衰減系數(shù)的權(quán)重和，這樣就可以實(shí)現(xiàn)物質(zhì)分離的目的。

1.2 實(shí)現(xiàn)途徑

目前，實(shí)現(xiàn)DECT 的方法有雙峰值管電壓（kilovolts peak，kVp）法、單管雙層探測(cè)器法及能量分辨光子計(jì)數(shù)探測(cè)器法，其中光子計(jì)數(shù)探測(cè)器法并未應(yīng)用于臨床實(shí)踐，故本節(jié)著重介紹另兩種方法。

1.2.1 雙kVp 法雙kVp 法即用兩種峰值管電壓測(cè)量物體的方法。用能級(jí)不同且能譜重疊度小的X 線掃描物體是DECT實(shí)現(xiàn)物質(zhì)分離的基礎(chǔ)，增大兩次掃描中峰值管電壓的差距是減少能譜重疊最有效的辦法。目前存在單源與雙源兩種途徑實(shí)現(xiàn)雙kVp。單源順序雙掃描在兩次掃描間隔切換管電壓以實(shí)現(xiàn)雙能數(shù)據(jù)集的獲取。操作簡(jiǎn)單無需增加硬件設(shè)備，且可通過優(yōu)化X 射線譜增加有效能量差［4］，但掃描間隔長(zhǎng)，易出現(xiàn)掃描層面不對(duì)位、錯(cuò)過增強(qiáng)采集時(shí)間等問題。故該方法僅適用于對(duì)靜止、非增強(qiáng)器官的掃描，如骨密度測(cè)定、泌尿系統(tǒng)結(jié)石和痛風(fēng)石成分分析等。在實(shí)際臨床工作中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)或增強(qiáng)器官的掃描，還采用單源快速kVp 切換的掃描方法，即在單次掃描過程中通過放射源在兩種電壓間的快速切換，完成患者信息的采集。此方法極大縮短了掃描時(shí)間，克服了單源順序掃描存在的掃描層面不對(duì)位、錯(cuò)過增強(qiáng)采集時(shí)間等缺陷，但在CT 機(jī)的設(shè)計(jì)上存在諸多技術(shù)難題，如雙能光譜對(duì)比度有限、難以做到管電流與kVp 同步切換以及無法實(shí)現(xiàn)用同步開關(guān)濾波器為每個(gè)頻譜提供不同的濾波等。雙源CT 由幾乎成正交分布的兩組球管-探測(cè)器組成，一組在高能級(jí)X 線下完成圖像的掃描與采集，另一組在低能級(jí)X 線下完成圖像的掃描與采集。兩組球管獨(dú)立運(yùn)行，管電壓、管電流可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，且方便添加濾光片以提高能譜對(duì)比度［5］。但額外增加的放射源縮小了高能線圈的測(cè)量范圍，使得能量分辨數(shù)據(jù)只能在較小探測(cè)器的測(cè)量范圍內(nèi)獲得，不利于肥胖患者外圍的物質(zhì)分解且正交分布的兩組球管造成的交叉散射難以消除。

1.2.2 單管雙層探測(cè)器法單管雙層探測(cè)器法由飛利浦公司引入臨床，又名三明治探測(cè)器法。該探測(cè)器由上下兩層閃爍體構(gòu)成，上層閃爍體內(nèi)含ZnSe晶體，主要吸收低能光子，下層閃爍體由GdOS 物質(zhì)構(gòu)成，吸收透過的高能光子［6］。實(shí)際工作中為了增加兩層探測(cè)器所吸收光子的能譜差距，兩層探測(cè)器間還設(shè)有一層吸收體。該CT 機(jī)將能譜的分離工作放在了探測(cè)器層面完成，球管僅需發(fā)出不同能級(jí)X 線即可。其優(yōu)點(diǎn)是減少了掃描次數(shù)，可以獲得完美的配準(zhǔn)射線。這有效地避免了掃描層面不對(duì)位現(xiàn)象的發(fā)生，非常適合用于基于投影的材料分解［4］。但該方法對(duì)硬件要求高且可能出現(xiàn)各種問題，如低能圖像與高能圖像的噪聲級(jí)別不同、閃爍體間重疊分布的靈敏度使能量分離效果下降等。故綜合分析當(dāng)下市場(chǎng)上常用的DECT 系統(tǒng)以雙源DECT 的性能最好，快速kVP切換技術(shù)和三明治探測(cè)器法次之。

2 DECT的臨床應(yīng)用

DECT 的臨床應(yīng)用大致可歸納為材料選擇類應(yīng)用與能量選擇類應(yīng)用兩大類。臨床常見的材料選擇類應(yīng)用包括虛擬平掃圖（Virtual Non-Contrast Imaging,VNC）、碘圖及材料區(qū)分技術(shù)；能量選擇類應(yīng)用包括虛擬單能成像（Virtual Monoenergetic Imaging,VMI）、有效原子序數(shù)圖和有效電子密度圖（Rho-Z maps）［7］。鑒于Rho-Z maps 在臨床應(yīng)用中尚存在諸多限制，故本文著重介紹其他幾類應(yīng)用。

2.1 碘圖與VNC

碘圖與VNC均是依賴元素間能量衰減的差異所衍生出的臨床應(yīng)用，不同的是碘圖是將體素中的碘量化生成的圖，VNC 則是將碘分離得到的圖像［8］。目前關(guān)于VNC 的臨床價(jià)值尚存爭(zhēng)議，部分研究發(fā)現(xiàn)VNC 對(duì)高密度小病灶CT 特征的描繪及腫塊邊緣CT值的評(píng)估與常規(guī)CT 平掃存在一定差異［9-10］，但2018年的一項(xiàng)研究表明，相較常規(guī)CT 平掃，VNC 對(duì)水CT值的評(píng)估誤差在5 HU以內(nèi)。這一誤差范圍符合美國(guó)放射學(xué)會(huì)對(duì)CT 質(zhì)量控制的標(biāo)準(zhǔn)，不會(huì)對(duì)疾病的診斷產(chǎn)生較大影響［11］。這一發(fā)現(xiàn)也在多數(shù)臨床試驗(yàn)中得到驗(yàn)證。Kahn 等［12］研究表明VNC 完全可以取代常規(guī)平掃，在急性胸腹部出血診斷中發(fā)揮作用，且較常規(guī)平掃圖像，VNC 可以獲得更高的信噪比和更低的輻射劑量。泌尿系統(tǒng)中，Meyer 等［13］研究表明VNC圖像可以作為常規(guī)平掃圖的替代品，描繪腎臟病變的影像特征。Ma 等［14］對(duì)腎癌的研究亦證實(shí)了這一觀點(diǎn)。消化系統(tǒng)中，VNC 還可以用來去除肝臟中沉積的胺碘酮，這有助于真實(shí)反映胺碘酮服用者的肝臟平掃CT 值［15］。此外，對(duì)于需要行多期增強(qiáng)掃描檢查的患者，還可以通過免除多期掃描中的平掃期減少患者所受輻射劑量，這對(duì)需要長(zhǎng)期復(fù)查的患者具有積極意義。

相較VNC 而言，碘圖的臨床價(jià)值已得到普遍認(rèn)可，其在臨床工作中的應(yīng)用也更為廣泛。與傳統(tǒng)增強(qiáng)CT 相比，碘圖具有顯示人體組織中碘分布、比較病變組織與周圍組織的相對(duì)增強(qiáng)程度，并以增強(qiáng)百分比的形式量化表達(dá)等優(yōu)勢(shì)?；谝陨咸攸c(diǎn)，碘圖在肺血流灌注相關(guān)性疾病的診斷方面取得了突破性進(jìn)展。一項(xiàng)通過碘圖評(píng)估COVID-19 患者肺血流灌注的研究發(fā)現(xiàn)，血流灌注異常與實(shí)施有創(chuàng)機(jī)械通氣的頻率存在相關(guān)性［16］。在肺栓塞的診斷中，常規(guī)肺動(dòng)脈CTA 存在對(duì)微小栓子敏感度低、無法提供栓塞肺組織血流灌注信息的缺陷，多項(xiàng)研究表明借助肺灌注碘圖能夠極大程度地提高亞段及亞段以下栓子的檢出率，這在一定程度上填補(bǔ)了常規(guī)肺動(dòng)脈CTA對(duì)微小栓子診斷不足的缺陷，其提供的血流灌注信息還可作為肺灌注核素顯象的替代檢查在臨床工作中發(fā)揮作用［17-21］。這對(duì)肺栓塞患者治療方案的擬定及后期的隨診復(fù)查具有積極意義。Chae 等［22-23］研究發(fā)現(xiàn)基于肺灌注碘圖衍生出的肺灌注缺陷評(píng)分與左右心室直徑比值具有較高的一致性，其灌注缺損程度對(duì)不良臨床結(jié)局具有提示作用，可以用于評(píng)估肺栓塞的預(yù)后。此外，Ghandour 等［24］研究表明碘圖與VMI 的最佳重建能量存在正相關(guān)，影像科醫(yī)生可以選擇圖像質(zhì)量最佳的VMI 能級(jí)，提高肺栓塞的顯示率。除外肺灌注相關(guān)性疾病，碘圖在其他系統(tǒng)疾病的診斷中也取得了相應(yīng)的進(jìn)展。如在頭頸部，碘圖不僅有助于腦出血與造影劑外滲的鑒別，對(duì)活動(dòng)性腦出血的預(yù)測(cè)也具有較高的敏感度及準(zhǔn)確性，這可能與DECT 的彩色碘圖有助于凸顯活動(dòng)性腦出血的斑點(diǎn)征等因素有關(guān)［25］。呼吸系統(tǒng)中，研究發(fā)現(xiàn)較傳統(tǒng)增強(qiáng)CT 而言，基于DECT 衍生的碘濃度技術(shù)更適合鑒別不明來源的可疑肺轉(zhuǎn)移瘤［26］。內(nèi)分泌系統(tǒng)中，Zhou 等［27］研究表明碘圖與影像組學(xué)的結(jié)合可以很好地在術(shù)前預(yù)測(cè)甲狀腺乳頭狀癌頸部淋巴結(jié)或中心淋巴結(jié)的轉(zhuǎn)移狀況。消化系統(tǒng)中，碘圖較傳統(tǒng)增強(qiáng)CT 而言，對(duì)于射頻消融術(shù)后殘余腫瘤的檢出、急性胃腸道隱匿性出血及胰腺病變的顯示均表現(xiàn)出很高的準(zhǔn)確性或敏感性［28-29］。對(duì)于腸道炎性病變克羅恩病，Dane 等［30］研究表明碘圖有助于其異質(zhì)性及活動(dòng)性的顯示。此外，Stefania 等［31］關(guān)于淋巴結(jié)的研究發(fā)現(xiàn)碘-水圖和碘-脂圖可以有效地從形態(tài)學(xué)水平鑒別、評(píng)估淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移狀況，為疾病的早期治療及確定治療方案提供指導(dǎo)與影像學(xué)依據(jù)。

材料區(qū)分技術(shù)可以確切地計(jì)算出患者體內(nèi)某一組織的物質(zhì)構(gòu)成并對(duì)其進(jìn)行定量分析。目前該技術(shù)主要應(yīng)用于泌尿系統(tǒng)、膽道系統(tǒng)結(jié)石及痛風(fēng)石的定性診斷。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究表明DECT 能夠準(zhǔn)確地反映羥基磷灰石、草酸鈣結(jié)石等的形態(tài)及化學(xué)組成［31-32］。一項(xiàng)基于Meta分析的研究表明，DECT 對(duì)尿酸結(jié)石診斷的敏感性及特異性與體外結(jié)石分析具有較高的一致性，可以作為體外結(jié)石分析的替代檢查在臨床工作中發(fā)揮作用［33］。由于尿酸結(jié)石可以采取堿化尿液、體外沖擊波碎石等非手術(shù)方式進(jìn)行治療，故盡早明確結(jié)石成分對(duì)臨床醫(yī)生采取合理的治療方案具有積極意義。DECT 作為一項(xiàng)非侵入性檢查，在分析結(jié)石成分的基礎(chǔ)上還有助于腹部其他疾病的檢出，在一定程度上減輕了患者痛苦、節(jié)省了檢查費(fèi)用。在膽道系統(tǒng)結(jié)石的診斷中，常規(guī)CT 對(duì)低鈣結(jié)石顯示率低，故超聲或內(nèi)鏡檢查是目前確診膽道結(jié)石常用的檢查手段。最近一項(xiàng)研究表明，DECT 能夠顯著地提高非鈣化結(jié)石的顯示率［34］。這一發(fā)現(xiàn)有望改進(jìn)現(xiàn)有的檢查流程，減少侵入性檢查造成的胰腺炎、膽系感染等疾病的發(fā)生，且非鈣化、低鈣化膽固醇結(jié)石檢出率的提高，可以為臨床醫(yī)師采取藥物排石治療提供更加詳實(shí)的影像學(xué)證據(jù)。此外DECT 在顯示位置罕見或關(guān)節(jié)穿刺術(shù)陰性的痛風(fēng)石或尿酸鹽沉積中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，是一種良好的替代滑膜液抽吸檢測(cè)尿酸鹽晶體的檢查方式［35］。較常規(guī)CT 而言，DECT 與病理檢查結(jié)果具有較高的一致性，能夠較早發(fā)現(xiàn)尿酸鹽結(jié)晶或痛風(fēng)石，并通過后處理軟件計(jì)算出其體積，這為臨床確定及評(píng)估治療方案提供直觀的影像學(xué)依據(jù)［36-37］。Meta 分析及相關(guān)研究表明在痛風(fēng)及痛風(fēng)性關(guān)節(jié)炎的診斷中，DECT 的敏感性或特異性顯著優(yōu)于超聲和MRI，且已被納入2015年美國(guó)風(fēng)濕病學(xué)會(huì)（ACR）和歐洲風(fēng)濕病聯(lián)盟（EULAR）分類標(biāo)準(zhǔn)［38-39］。

材料區(qū)分技術(shù)在臨床工作中的另一應(yīng)用便是雙能去骨技術(shù)，與VNC和碘圖類似，雙能去骨技術(shù)也是基于材料分解算法生成的圖像。在平掃CT 中，有研究表明利用雙能去骨技術(shù)有助于顱內(nèi)小出血灶的顯示［40］。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)鄰近骨骼微出血灶（如顱骨內(nèi)板下出血、硬膜外血腫等）的檢出具有重要意義。在CT血管成像方面，與單能量CT 血管成像后處理技術(shù)相比，DECT 自動(dòng)去骨技術(shù)在骨的切除中更為精確，且相較減影CT 而言，DECTA/CTV 只進(jìn)行了一次掃描，減少了輻射劑量、避免了兩次掃描層面不對(duì)位情況的發(fā)生。但是相較DSA而言，DECT去骨技術(shù)存在高估鈣化斑塊段血管管腔狹窄程度的情況，這可能是部分容積效應(yīng)及去骨不確切等因素造成的。國(guó)外學(xué)者Santis 等［41］研究發(fā)現(xiàn)改良鈣減影算法在對(duì)血管管腔狹窄程度的評(píng)估可以獲得與DSA 更為相近的結(jié)果，但這一算法是否可以與自動(dòng)骨切除算法相整合，目前尚未有文獻(xiàn)報(bào)道。雖然在評(píng)估血管狹窄程度方面，DECT尚不如DSA精準(zhǔn)，但作為一項(xiàng)影像學(xué)檢查，DECT 卻能夠以一種無創(chuàng)而簡(jiǎn)潔的方式獲得與DSA具有高度一致性的結(jié)果。因此不得不承認(rèn)，在臨床工作中DECT的綜合價(jià)值要優(yōu)于DSA，且可以作為對(duì)有DSA禁忌證患者的一種替代檢查而發(fā)揮作用。

2.2 VMI

與常規(guī)CT 成像原理不同，VMI 可以通過計(jì)算高低兩能級(jí)X 線掃描物體產(chǎn)生的數(shù)據(jù)集虛擬某單能級(jí)狀態(tài)下該物體X 線的衰減值而進(jìn)行成像［42］。虛擬能級(jí)的選擇可根據(jù)檢查目的不同而進(jìn)行調(diào)整。低能級(jí)VMI 有助于提高碘的對(duì)比度噪聲比（Contrast-to-Noise Ratio, CNR），利于出血、腫瘤性病變的顯示。Sugrue 等［43］關(guān)于胰腺損傷的研究發(fā)現(xiàn)，40 keV 的VMI 可以極大程度地提高圖像的CNR，增加胰腺裂傷的檢出率。高能級(jí)VMI有助于削弱金屬植入物造成的射線硬化偽影［44］。Jin等［45］對(duì)橈骨遠(yuǎn)端金屬植入物的研究發(fā)現(xiàn)120 keV 的VMI 圖像偽影指數(shù)最低，130 keV 的VMI圖像質(zhì)量最好。此外，劉彪等［46］關(guān)于VMI 與金屬偽影去除算法的差異性研究發(fā)現(xiàn)，VMI可以有效減少骨骼旁和金屬植入物本身的偽影，利于對(duì)金屬植入物本身狀況的觀測(cè)，金屬偽影去除算法則更傾向于減少周邊軟組織內(nèi)的偽影，有助于周邊軟組織病變的檢出。除外在減少金屬偽影中發(fā)揮作為，VMI 圖像還可以用來補(bǔ)救因造影劑外滲或錯(cuò)過最佳采集時(shí)間造成的肺血管顯影不佳的檢查，這對(duì)減少患者輻射劑量及提高病變檢出率具有積極意義［24］。

3 DECT的不足與發(fā)展趨勢(shì)

自2006年進(jìn)入臨床至今，DECT已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展與進(jìn)步，其特殊的掃描模式為疾病的診斷提供了更多影像學(xué)依據(jù)，但DECT在實(shí)際臨床應(yīng)用中也存在些許問題。在能量分離方面，雙源DECT存在的交叉散射問題，就目前技術(shù)水平而言還很難解決，單管雙層探測(cè)器法雖然可以有效避免交叉散射現(xiàn)象的發(fā)生，但因?yàn)樘綔y(cè)器材料的限制，其能量分離效果遠(yuǎn)不如雙源DECT。此外，在圖像的后處理工作中，重建圖像的偽彩問題及去骨技術(shù)對(duì)骨和鈣切分不確切的問題也尚未出現(xiàn)很好的解決方案。不過相信隨著新興材料的發(fā)展應(yīng)用及計(jì)算機(jī)算法的優(yōu)化，這些問題均會(huì)得到很好的解決。綜合看來，DECT 臨床價(jià)值及發(fā)展?jié)摿θ允蔷薮蟮?。回顧C(jī)T 的發(fā)展史不難發(fā)現(xiàn)，CT正在從最初的解剖成像逐步邁向功能成像，雙能量掃描的實(shí)現(xiàn)無疑為這一步的邁出提供了一個(gè)重要的落腳點(diǎn)。當(dāng)下DECT 在功能成像領(lǐng)域的研究方向主要集中在與肺通氣功能有關(guān)的疾病方面。Jeon等［47］對(duì)慢性阻塞性肺疾?。–OPD）的研究發(fā)現(xiàn)，DECT 可以顯示哮喘-COPD 重疊綜合征患者與COPD 患者不同的肺通氣生理改變。除了對(duì)肺通氣功能的研究外，DECT 功能成像在心肌血流灌注及甲狀腺功能的研究方面也有所突破。Li 等［48］通過DECT 頸部掃描發(fā)現(xiàn)，DECT 可通過對(duì)甲狀腺含碘量的測(cè)量反映患者的甲狀腺功能及碘營(yíng)養(yǎng)水平。隨著科研人員及臨床工作者的不斷努力，DECT 在功能成像領(lǐng)域會(huì)取得更好的成績(jī)。