能譜CT成像技術(shù)在去金屬植入物偽影中的研究現(xiàn)狀與展望

朱小忠，張 潔，肖菊梅，董馥聞

（1甘肅省中醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科 甘肅 蘭州 730050）

（2甘肅省中醫(yī)藥大學(xué)附屬醫(yī)院影像科 甘肅 蘭州 730000）

（3甘肅省婦幼保健院生殖內(nèi)分泌科 甘肅 蘭州 730050）

正確診斷和精確測(cè)量對(duì)診斷有著非常重要和預(yù)后的作用。隨著CT成像技術(shù)的發(fā)展，光譜CT已成為分解人體組織圖像的首選方式。常規(guī)CT已在臨床治療實(shí)際中獲得應(yīng)用，但它只能提供骨骼的解剖學(xué)信息和組織，而不是它的成分。當(dāng)面對(duì)密度或CT值相似的病變時(shí)，會(huì)出現(xiàn)誤診。而能譜CT的廣泛應(yīng)用對(duì)于病變的確診提供了重要的推動(dòng)意義，并可運(yùn)用其單能量圖象、基物質(zhì)圖形、能譜曲線、有效原子序數(shù)等各種信息技術(shù)參數(shù)開(kāi)展對(duì)病變的檢測(cè)與定性研究中，從而大大地增加了確診內(nèi)容。該文重點(diǎn)介紹能譜CT去金屬植入物假影的研發(fā)近況和發(fā)展。

1 能譜CT的簡(jiǎn)介

能譜CT（multi-energy/spectral CT，MSCT）圖像的基本原理，是運(yùn)用物體在各種X光線能力下發(fā)生的變化的吸收效應(yīng),以便于提供較常規(guī)CT更近一步提供的影像信息[1-2]。從倫琴發(fā)現(xiàn)X線開(kāi)始，CT的進(jìn)展大約分為五代[3]，每一代的誕生都為臨床帶來(lái)了技術(shù)進(jìn)步，而發(fā)展到能譜CT時(shí)，更是為臨床帶來(lái)了全新的體驗(yàn)的同時(shí)也為眾多臨床工作者解決了諸多問(wèn)題。CT成像系統(tǒng)的原理為：高速運(yùn)轉(zhuǎn)的電子流撞擊靶物質(zhì)發(fā)生韌致輻射而產(chǎn)生X射線，不同能級(jí)的X射線穿過(guò)物體時(shí)會(huì)發(fā)生不同程度的衰減，其成像原理即根據(jù)物質(zhì)對(duì)X線的吸收的結(jié)果[4]。而能譜CT與常規(guī)CT相比，能利用其單能量圖像、基物質(zhì)圖像、能譜曲線、有效原子序數(shù)等多種參數(shù)進(jìn)行疾病的診斷及定量分析，不僅為我們提供了傳統(tǒng)CT具有的人體解剖形態(tài)圖像，并且利用其多參數(shù)成像實(shí)現(xiàn)了物質(zhì)成分分析及定量，提高了疾病診斷的準(zhǔn)確率。

2 能譜CT的成像技術(shù)

2.1 序列掃描成像技術(shù)

序列掃描成像技術(shù)即CT成像系統(tǒng)不發(fā)生改變，而采用兩次旋轉(zhuǎn)掃描成像，一次采用高kVp（如140 kVp）的X射線，一次采用低kVp（如80 kVp）的X射線。兩次成像數(shù)據(jù)在圖像數(shù)據(jù)空間匹配，進(jìn)行雙能減影[5]。

2.2 雙球管雙能量成像技術(shù)

雙球管雙能量成像技術(shù)是在CT機(jī)架中內(nèi)嵌兩套球管和探測(cè)器，兩個(gè)球管呈一定角度排列，成像時(shí)兩球管同時(shí)產(chǎn)生X射線，一個(gè)球管產(chǎn)生高kVp的X射線，一個(gè)球管發(fā)射低kVp的X射線。兩套系統(tǒng)分別獨(dú)立采集數(shù)據(jù)信息，并在圖像空間匹配，進(jìn)行雙能減影分析。通常使用最低電壓（80 kVp）和最高電壓（140 kVp）來(lái)達(dá)到最大能量分離以最大限度地區(qū)分不同的物質(zhì)[6]。

2.3 雙層探測(cè)器技術(shù)

探測(cè)器采用雙層設(shè)計(jì)，選擇不同材料組合，以使每一層探測(cè)器僅對(duì)一定能量的X射線光子產(chǎn)生激發(fā)作用。在兩塊探測(cè)器之間用濾片將射線整形以減少低能量和高能量射線的能量重疊區(qū)，并被分別探測(cè)，從而得到高、低能投影數(shù)據(jù)并進(jìn)行雙能CT重建。這種方法X射線球管僅產(chǎn)生一組kVp的X射線，通過(guò)探測(cè)器接收并轉(zhuǎn)換成兩組能量數(shù)據(jù)，并重建出能量圖像[7]。

2.4 光子計(jì)數(shù)技術(shù)

光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)使用了最新的探測(cè)器材料和設(shè)計(jì)。X射線球管通常僅產(chǎn)生一組kVp的輻射，探測(cè)器還可以探測(cè)X射線中光子的能量并計(jì)算，進(jìn)而可以根據(jù)所計(jì)算出的能量信號(hào)分析出不同的單能圖像[8]。光子計(jì)數(shù)式傳感器具備能值識(shí)別功能，可將帶有很廣能譜的X光線分為不同能量段加以計(jì)算，由此實(shí)現(xiàn)了單能成像[9]。目前，應(yīng)用最多和使用最多的計(jì)數(shù)型傳感器材料有兩類，一類是碲鋅鎘（cadmium zinc telluride，CZT）等材料制造的0.5導(dǎo)體收音機(jī)傳感器。而CZT結(jié)構(gòu)晶體是目前使用較快的一類傳感器材料，主要是由CdTe與ZnTe的混合物通過(guò)特定的晶體生長(zhǎng)技術(shù)加工制造而成，它具備了很強(qiáng)的檢測(cè)效能和生物識(shí)別功能，是目前在人類前期實(shí)驗(yàn)室工作和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中使用最多的傳感器材料之一；另一類則是由碲化鎘材料制作的探針。這兩類材料都是光子學(xué)計(jì)算探針中最重要的制造材料。

2.5 單源瞬時(shí)kVp切換技術(shù)

單源瞬時(shí)kVp轉(zhuǎn)換技術(shù)是在CT機(jī)架中內(nèi)嵌一個(gè)球管和檢測(cè)器以高壓發(fā)生器的瞬時(shí)kVp轉(zhuǎn)換技術(shù)和超快速探測(cè)器技術(shù)為主要技術(shù)基礎(chǔ)進(jìn)行能譜圖像。該種方式通過(guò)利用在一個(gè)球墨鑄鐵管中高低雙能（80 kVp和140 kVp）的瞬時(shí)轉(zhuǎn)換（＜0.5 ms的能量時(shí)間分辨率）生成空間上完全對(duì)應(yīng)的雙能數(shù)值，從而進(jìn)行大數(shù)據(jù)空間能譜分析。

3 能譜CT圖像技術(shù)用在去金屬植入物偽影的研究現(xiàn)狀

3.1 金屬偽影的種類及相關(guān)機(jī)制

CT圖像偽影是在CT檢查所獲取影像中非實(shí)際存在的影子，而其中未實(shí)際存在的影子則是干擾CT圖像檢查，削弱CT檢查正確性、靈敏度的關(guān)鍵因素[10]。CT圖像偽影按照其來(lái)源分類，可分成系統(tǒng)偽影和掃描圖像偽影兩大類。系統(tǒng)偽影一般是指在CT機(jī)應(yīng)用過(guò)程中控制系統(tǒng)自身所形成的偽影，如探測(cè)器偏移等偽影；而掃描假影則是指CT機(jī)應(yīng)用過(guò)程中，受數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理、圖像重構(gòu)、檢測(cè)者行為等各種因素影響而產(chǎn)生的偽影[11]。

在用CT掃描患者軀體內(nèi)附帶有大量金屬物質(zhì)的區(qū)域中，可形成巨大的金屬偽影。這些金屬偽影往往嚴(yán)重影響到臨床工作者的正確診斷。金屬偽影形狀由于金屬物質(zhì)的形態(tài)與密度差異而改變，并形成了相應(yīng)的物理化學(xué)效應(yīng)，如射線硬化效應(yīng)、部分容積效果、光子不足效應(yīng)等。金屬X線硬化的偽影形成機(jī)理為：在CT中使用的X線源均并非單色源，只是有定頻譜寬的X線源，由于各種X線源的定頻譜寬不一，而X線光分能量也不一。同時(shí)，不同射線的吸收效果也不同，吸收系數(shù)隨X線能量的增大而減小。當(dāng)X線通過(guò)人體時(shí)，較低能輻射首先被吸收掉，而較高能量的輻射則會(huì)直接通過(guò)。這樣X(jué)線平均能力小段上升的現(xiàn)象，就叫作硬化效應(yīng)[12]。部分容積效應(yīng)偽影產(chǎn)生機(jī)制是當(dāng)X線穿過(guò)人體時(shí)，由于人體內(nèi)各點(diǎn)密度不同，同一個(gè)探測(cè)器所探測(cè)的人體內(nèi)各點(diǎn)密度的結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)不同，因而可能出現(xiàn)在同一個(gè)探測(cè)器上一半有高密度的測(cè)量數(shù)據(jù)，下一半有低密度的測(cè)量數(shù)據(jù)。因而探測(cè)器的輸出信號(hào)是左右兩半檢測(cè)數(shù)據(jù)的平均值。這主要是由于探測(cè)器采集的樣本不足，即光子不足所導(dǎo)致的。

3.2 能譜CT消除偽影的原理和效果

金屬植入物為高密度物體，X光線在通過(guò)該物體周圍時(shí)，X線光子被全部吸收，因此產(chǎn)生光子能量不足效果，從而造成投影信號(hào)的不足，能量大幅減弱，從而無(wú)法清晰精確地表示金屬植入物周圍的組織學(xué)位置，故而影響臨床工作者們對(duì)疾病的診斷。同樣，由于CT圖像一直是在混合能源下完成的，在對(duì)各種金屬植體病人實(shí)施CT檢測(cè)時(shí)，當(dāng)X線穿過(guò)植入物后，高能力輻射穿透，而低能射線則被吸引，即產(chǎn)生上文所說(shuō)的輻射硬化效果，而這個(gè)效應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生線束硬化偽影[12]。針對(duì)CT圖像假影的去除，許多臨床工作者提出了優(yōu)化CT掃描方案參數(shù)、提高CT設(shè)備性能、針對(duì)假影校正算法等多項(xiàng)方案，盡管在一定程度上減少了CT圖像假影，但整體假影的消除效果卻并不理想[13-14]。由于能譜技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，再加上廣大醫(yī)學(xué)應(yīng)用工作者們的不斷研究，能譜CT圖像技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越成為去除金屬等典型器物的主要方法?？茖W(xué)研究人員證實(shí)，應(yīng)用能譜法CT圖像技術(shù)可獲?。?0～140）keV的多個(gè)單能量影像，可減少因CT機(jī)自身不平衡而造成的CT值漂移現(xiàn)象，從而減少了系統(tǒng)偽影產(chǎn)生，并提升了CT圖像清晰度[15]。這說(shuō)明能譜CT技術(shù)在其成像原理上,就存在降低金屬植入物偽影的效果。美國(guó)通用電氣公司所生產(chǎn)的高寶石能譜CT機(jī)所激發(fā)的X射線，比相當(dāng)于傳統(tǒng)CT機(jī)而言產(chǎn)生了更強(qiáng)的穿透力，能在0.5 ms內(nèi)進(jìn)行（80～140）keV的速度轉(zhuǎn)換，這既保證了數(shù)據(jù)收集速率和圖像速度一致，又在一定程度上提高了其圖像的質(zhì)量品質(zhì)[16]。能譜CT圖像技術(shù)將單能量圖像技術(shù)和金屬假影的去除技術(shù)有機(jī)融合，可按照CT值閾值的不同分段，依次實(shí)施投射校正，在很大程度上確保了投射數(shù)據(jù)的精確，從而做到了對(duì)金屬假影的高效消除。

CT采取了單探針、單球管的設(shè)計(jì)，最大時(shí)間分辨率可高達(dá)0.5 ms[17]。在寶石能譜CT掃描時(shí)，用80、140 kVp在0.5 ms內(nèi)迅速地交互進(jìn)行，再經(jīng)過(guò)運(yùn)算從而分析得出了不同的單能源圖形（40～140 keV共101個(gè)連續(xù)keV能源圖），即得出了能源區(qū)域從（40～140）keV的共101個(gè)單能源圖形。同時(shí)，高能譜成像技術(shù)增加了空間清晰度，也能夠顯著減少金屬偽影[18]。能譜CT技術(shù)通過(guò)優(yōu)化了病灶和背景的對(duì)比和降低偽影，大大提高了圖像品質(zhì)。

早期的學(xué)者們提出了許多辦法可用于校準(zhǔn)各種金屬偽影，當(dāng)中包含對(duì)產(chǎn)生偽影的金屬投影值加以插值。王朕等[19]采用DBP重建方法插值修正CT的金屬偽影；李銘等[20]用先驗(yàn)插值計(jì)算校正CT的金屬偽影。近年來(lái)，人們使用迭代重建算法實(shí)現(xiàn)圖像重建，其中迭代重建法和局部迭代混合計(jì)算等也被用于糾正金屬偽影。越來(lái)越多的研究表明能譜CT可以減少金屬偽影[21-22]。能譜學(xué)CT探測(cè)系統(tǒng)通常采用單一X射線源，并通過(guò)兩千伏設(shè)備（80 kVp和140 kVp之間）快速進(jìn)行，并通過(guò)交替的高能與低能X輻射光譜信號(hào)獲得投影。通過(guò)使用兩種不同方式所獲得的投影信息，可以得到高度組合的虛幻單能源圖像，這種虛幻單能源成像方式有助于減少射束的偽影[23]。但是能譜CT卻從工作機(jī)理上入手，做到了單能量成像技術(shù)和金屬典型器件的技術(shù)有機(jī)融合，從而明顯減少甚至降低了金屬植入物的偽影，進(jìn)而提高了影像品質(zhì)，也不同以往學(xué)者們通過(guò)插值技術(shù)來(lái)校準(zhǔn)金屬典型器件技術(shù)，從根本上改善了攝影設(shè)備和臨床醫(yī)生對(duì)疾病診斷的正確率，對(duì)于骨骼內(nèi)固定術(shù)后這類金屬植入物患者疾病的評(píng)價(jià)也具有明顯意義。

4 展望

能譜CT技術(shù)成為圖像生物醫(yī)學(xué)方面的一種新興技術(shù)手段，代表了目前CT的主要發(fā)展趨勢(shì)，并且由于其多參數(shù)圖像模型越來(lái)越被人們熟知和接受，有助于為臨床工作者們關(guān)于病變的新發(fā)現(xiàn)以及為鑒別診斷提供更多的信息。

能譜CT成像技術(shù)在脊柱金屬植入物偽影去除中的臨床價(jià)值顯著，能有效改善脊柱金屬植入物患者CT圖像質(zhì)量，降低影像與臨床醫(yī)師疾病診斷難度，提高診斷效能。同時(shí)，能譜CT成像技術(shù)的應(yīng)用可在一定程度上提高金屬植入物可視性，便于觀察植入物在患者體內(nèi)的狀況，進(jìn)行術(shù)后病情觀察與并發(fā)癥預(yù)防。

目前，能譜CT在臨床上的應(yīng)用還未達(dá)到最優(yōu)化，還需要更多的學(xué)者進(jìn)行重復(fù)研究證實(shí)，關(guān)于能譜CT的功能更進(jìn)一步深入研究。