光子計數(shù)探測器CT 在骨肌系統(tǒng)疾病中的研究進(jìn)展

孫振業(yè)，王植，孟祥虹

自Hounsfield 開發(fā)出CT 并應(yīng)用于醫(yī)學(xué)以來，CT 技術(shù)經(jīng)歷多次革新，目前醫(yī)學(xué)領(lǐng)域主流的CT 成像設(shè)備是多層螺旋CT，是通過能量積分探測器（energy integrating detector,EID）將接收到的所有帶有信息的X 線先轉(zhuǎn)化為光信號，再經(jīng)過電子元件轉(zhuǎn)換為圖像信號的間接檢測方法，存在檢查輻射劑量高、信號電子噪聲大等缺點[1]。光子計數(shù)探測器（photon counting detector,PCD）是CT 的一種新興技術(shù)，可以完成單個X 線光子的信息采集和處理，探測器單元小，分辨力高，后處理能力強[2]。骨肌系統(tǒng)CT 檢查是臨床工作中的重要組成部分，PCD-CT 的主要成像技術(shù)包括物質(zhì)分離、低劑量成像、超高分辨力（ultra-high resolution，UHR）成像、去金屬偽影成像等。本文主要對PCD-CT 的成像特點及在骨關(guān)節(jié)炎分析、骨腫瘤定量診斷、兒童骨肌低劑量掃描、骨骼微結(jié)構(gòu)顯示及骨關(guān)節(jié)假體評估中的應(yīng)用予以綜述。

1 PCD-CT 的成像特點

EID-CT 采用閃爍體和硅原件完成光電轉(zhuǎn)換，信號轉(zhuǎn)換率低，轉(zhuǎn)換時間長。PCD-CT 不存在“X 線-光信號-電信號”之間的轉(zhuǎn)換，而是通過特殊材料，即碲化鎘（CdTe）來完成“X 線-電信號”的直接轉(zhuǎn)換[3]。因此，PCD-CT 可以保證較高的信號轉(zhuǎn)化率和響應(yīng)速度，且不受發(fā)光二極管單元尺寸的限制，完成單個X 線光子直接轉(zhuǎn)換為電信號的過程，空間分辨力更高。

PCD 感應(yīng)X 線產(chǎn)生的電脈沖信號與X 線能量成正比，對信號超過預(yù)設(shè)閾值的脈沖數(shù)進(jìn)行計數(shù)。閾值設(shè)置在高于電子噪聲水平且低于入射X 線產(chǎn)生的脈沖信號之間，將每個脈沖與各閾值進(jìn)行比較，可以劃定不同信號的能級[4]。因此，PCD-CT 可以大大降低電子噪聲對脈沖信號的影響，從而保證影像質(zhì)量，降低掃描劑量。

具有能譜分析功能的PCD-CT 能夠為低閾值信號分配更高的權(quán)重，以減少高閾值噪聲信號對影像的影響，從而優(yōu)化影像對比噪聲比；還可以通過物質(zhì)分離消除射線束硬化偽影[2]。

2 PCD-CT 在骨肌系統(tǒng)的臨床應(yīng)用

2.1 骨關(guān)節(jié)炎定量評估和病變早期診斷 PCD-CT可以進(jìn)行骨關(guān)節(jié)炎病因分析，輔助針對性治療。由于PCD-CT 可對不同能級信號進(jìn)行分析，故其物質(zhì)分析能力較常規(guī)CT 更加精準(zhǔn)，對單一物質(zhì)的識別能力更強，因此PCD-CT 可以對骨關(guān)節(jié)炎的相關(guān)代謝產(chǎn)物進(jìn)行識別和定量評估，分析病變的程度。盡管目前PCD-CT 對骨關(guān)節(jié)炎特殊標(biāo)志物的分析還處在實驗室階段，但已初步體現(xiàn)出臨床價值。

急性骨關(guān)節(jié)炎或肩周炎常存在有焦磷酸鈣或羥基磷灰石晶體沉積，病情嚴(yán)重程度與晶體沉積量相關(guān)。Bernabei 等[5]研究發(fā)現(xiàn)PCD-CT 檢測關(guān)節(jié)軟骨礦化非常敏感，可發(fā)現(xiàn)沉積在軟骨深層或軟骨下骨的羥基磷灰石晶體。Paakkari 等[6]應(yīng)用PCD-CT 測量人體骨軟骨組織內(nèi)吸收陽離子碘化CA4+（反映蛋白聚糖含量）和釓特醇（反映水含量）的對比劑濃度，結(jié)果顯示PCD-CT 結(jié)合雙對比劑成像法可早期、定量檢測骨關(guān)節(jié)炎病人關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)蛋白多糖和自由水含量的變化，而常規(guī)CT 檢查不能進(jìn)行檢測。Chappard 等[7]應(yīng)用PCD-CT 虛擬單能量成像可以不進(jìn)行關(guān)節(jié)造影直接顯示關(guān)節(jié)軟骨和軟骨下骨質(zhì)的結(jié)構(gòu)和成分，并對軟骨下骨囊性變的數(shù)量和大小進(jìn)行定量測量，進(jìn)而對骨關(guān)節(jié)炎嚴(yán)重程度進(jìn)行分級。

目前一些研究顯示骨關(guān)節(jié)炎是由關(guān)節(jié)軟骨退變引起的退行性骨關(guān)節(jié)病，PCD-CT 可顯示軟骨退變程度并對其進(jìn)行分級。Rajendran 等[8]應(yīng)用PCDCT 對實驗豬的軟骨損傷程度進(jìn)行物質(zhì)分離定量研究，分析羥基磷灰石的含量及分布，結(jié)果發(fā)現(xiàn)PCDCT 可實現(xiàn)探測器像素更小的所謂超高分辨力成像，且捕獲不同成分的光譜特征，從而有利于評估軟骨損傷；該研究還發(fā)現(xiàn)，使用PCD-CT 特有的V71 重建算法處理圖像有助于對單碘乙酸引起的軟骨損傷進(jìn)行分級，可以作為評估疾病嚴(yán)重程度的生物標(biāo)志物；另外，該研究獲得的CT 數(shù)據(jù)還可以生成體積骨密度圖，進(jìn)一步評估關(guān)節(jié)軟骨下骨密度水平。

晶體性關(guān)節(jié)炎有許多類型，常見的有痛風(fēng)和假痛風(fēng)等，兩者在臨床表現(xiàn)上難以區(qū)分，前者因尿酸鹽沉積引起，后者為焦磷酸鈣沉積所致。相對于常規(guī)CT，多能量PCD-CT 由于其探測器空間分辨力高，測量精度準(zhǔn)確，能夠更準(zhǔn)確地檢測尿酸單鈉結(jié)晶的容積。Stamp 等[9]研究發(fā)現(xiàn)多能量PCD-CT 不僅可以在體外檢測、區(qū)分和量化痛風(fēng)中的尿酸單鈉晶體沉積，還可以特異性地檢測、識別和量化骨關(guān)節(jié)炎半月板中的焦磷酸鈣，并將其與羥磷灰石晶體沉積區(qū)分開來，可顯著提高晶體沉積性關(guān)節(jié)病的診斷能力；該研究還發(fā)現(xiàn)當(dāng)設(shè)定低能量閾值20～30 keV掃描時，可以在合成的晶體懸浮液中準(zhǔn)確區(qū)分尿酸單鈉和焦磷酸鈣。

2.2 骨腫瘤定量診斷 與常規(guī)EID-CT 相比，PCD-CT 對成骨性和溶骨性骨腫瘤的診斷和鑒別更有優(yōu)勢，其特有的高分辨率模式可以發(fā)現(xiàn)因腫瘤導(dǎo)致的細(xì)微骨質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變，也可以對腫瘤的分化程度進(jìn)行影像組學(xué)分析[10]。Wehrse 等[11]對乳腺癌骨轉(zhuǎn)移病人的CT 影像研究發(fā)現(xiàn)，在相同的劑量下，PCD-CT 影像的空間分辨力更高。使用PCD-CT 高分辨率模式，可以減少影像邊緣的散射線偽影，影像的噪聲和像素更小，腫瘤邊緣可以顯示得更清晰，更容易評估剩余的骨小梁和骨質(zhì)結(jié)構(gòu)的完整性，有助于定量評估乳腺癌骨轉(zhuǎn)移的情況。

PCD-CT 相較EID-CT 具有更高的空間分辨力，可以突出顯示更小的結(jié)構(gòu)和更多的細(xì)節(jié)，直接影響CT 影像的影像學(xué)特征的提取。Allphin 等[12]對放射治療后的實驗小鼠腫瘤部位注射碘化脂質(zhì)體后，分別應(yīng)用PCD-CT 和EID-CT 延遲掃描檢測腫瘤的血供情況，并對腫瘤容積進(jìn)行圖像分割和特征提取，建立臨床和影像組學(xué)模型來分析腫瘤分化程度，結(jié)果顯示依據(jù)PCD-CT 和EID-CT 的數(shù)據(jù)計算得到的受試者操作特征曲線下面積（AUC）分別為0.74 和0.65，表明PCD-CT 的影像數(shù)據(jù)可以提高影像組學(xué)分析的準(zhǔn)確性和有效性，高于應(yīng)用常規(guī)單能EID-CT 的診斷效能。Dunning 等[13]通過對相同劑量下的植物樣本進(jìn)行基于PCD-CT 和EID-CT 影像的影像組學(xué)比較分析，分別提取紋理特征，并使用聚類分析進(jìn)行分類，結(jié)果發(fā)現(xiàn)前者較后者的影像組學(xué)診斷效能更高。

2.3 兒童骨肌系統(tǒng)低劑量掃描 CT 檢查在兒童顱縫早閉、先天性髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良等疾病中起著重要作用，因此兒童骨肌低劑量CT 掃描尤為重要。有研究[14]顯示如果患兒兒童時期所受輻射劑量累計多于50 mGy，其患白血病的風(fēng)險會增加3 倍；累計劑量多于60 mGy，其患腦腫瘤的風(fēng)險也將增加3 倍。由于骨的相對原子序數(shù)較大，常規(guī)兒童骨肌系統(tǒng)CT檢查降低劑量會導(dǎo)致噪聲增加，嚴(yán)重影響影像質(zhì)量。而PCD-CT 低劑量掃描模式通過設(shè)置合適的閾值解析單個X 線光子的能量信息，削弱不帶有人體信息的低能信號，降低電子噪聲，有助于完成兒童骨肌系統(tǒng)掃描方案的設(shè)置[15-16]。

有研究[17]應(yīng)用PCD-CT 對6 歲兒童胸部進(jìn)行CT 低劑量成像檢查，結(jié)果顯示CT 檢查的輻射劑量與常規(guī)X 線檢查接近，且成像質(zhì)量滿足診斷需求。Ferrero 等[15]應(yīng)用PCD-CT 和EID-CT 對髖關(guān)節(jié)撞擊癥病人進(jìn)行掃描，結(jié)果顯示與EID-CT 相比，在掃描劑量相同的情況下，PCD-CT 的成像質(zhì)量更高，且使用UHR 模式進(jìn)行髖關(guān)節(jié)掃描，滿足診斷要求的同時能夠減少50%的輻射劑量；該研究還表明PCDCT 低劑量髖關(guān)節(jié)掃描對兒科病人手術(shù)計劃制定具有極大的價值。Cao 等[16]對接受PCD-CT 檢查的兒童病例進(jìn)行匯總分析，發(fā)現(xiàn)在相同掃描條件下，PCD-CT 對兒童顳骨的成像噪聲與常規(guī)CT 相比減少17%，空間分辨率增加2.5 lp/cm。

2.4 骨骼細(xì)微結(jié)構(gòu)的顯示 骨肌系統(tǒng)的CT 影像診斷依賴于在保證成像范圍的同時對細(xì)微結(jié)構(gòu)及病變的顯示[1]。PCD-CT 的UHR 成像模式空間分辨率和光譜敏感度極高，影像噪聲少，該成像方法對顳骨、鼻竇和脊椎等骨質(zhì)細(xì)微結(jié)構(gòu)的顯示能力突出，也可以有效提高肩、髖等大關(guān)節(jié)的影像診斷能力[18]。Leng 等[19]應(yīng)用PCD-CT UHR 掃描模式對人體模型、動物尸體和標(biāo)本進(jìn)行掃描，結(jié)果表明，PCD-CT UHR掃描模式下骨骼圖像的空間分辨率高達(dá)20 lp/cm，在顳骨高分辨掃描方面有較大的應(yīng)用潛力。Bette 等[20]研究發(fā)現(xiàn)，PCD-CT 的單像素采集模式在顯示骨骼細(xì)微結(jié)構(gòu)方面比EID-CT 更具有優(yōu)勢，具有更高的信噪比。由于這種模式可以識別探測器單個像素的信息，故可以更好地顯示骨骼的解剖細(xì)節(jié)[19]。另有研究[17]顯示，與EID-CT 的胸椎影像相比，PCD-CT UHR 掃描模式顯示胸椎裂性病變更清晰，椎體中較小的溶解性病變在PCD-CT 影像上顯示更為明顯。

2.5 骨關(guān)節(jié)假體的評估 骨肌系統(tǒng)的影像檢查常需要對金屬植入物的狀態(tài)（如骨折病人內(nèi)固定術(shù)后需CT 對骨折愈合情況或髓內(nèi)釘穩(wěn)定程度）進(jìn)行評估[21-22]。通過設(shè)定PCD-CT 探測器特定能量閾值對每個光子進(jìn)行計算，以顯示特定能量的物質(zhì)，由此可以在掃描時對金屬植入物和骨骼進(jìn)行濾過、分離和提取，對評估骨關(guān)節(jié)假體具有較大優(yōu)勢。Do 等[23]根據(jù)能量閾值大小對光子進(jìn)行劃分，觀察不同閾值下PCD-CT 對金屬假體影像的去金屬偽影能力，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)EID-CT 相比，PCD-CT 在高閾值的條件下可以有效減少金屬偽影，但小于閾值的低能光子信息被濾過會造成影像噪聲的增加。該研究還發(fā)現(xiàn)PCD-CT 不同掃描模式對不同部位植入物的成像能力也不同，在含有金屬假體的情況下，PCDCT 的微距高能閾值成像模式對皮質(zhì)骨和周邊組織成像的效果更好，影像受到金屬偽影的影響較小；而棋盤高能閾值成像模式對骨髓成像的去偽影能力更強，該模式分別將高低能量閾值的像素以交替排列的方式在影像中排布，能有效診斷金屬假體是否松動。

全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)病人術(shù)后會出現(xiàn)持續(xù)性殘留疼痛和功能限制，需要對膝關(guān)節(jié)假體進(jìn)行功能評估，而PCD-CT 通過檢測金屬物質(zhì)在多能譜X 線下的衰減程度可以得到不同信息，生成偽彩影像和高分辨力影像以評估假體情況[24-26]。Lau 等[27]應(yīng)用多能譜PCD-CT 來判斷假體置入術(shù)是否成功，結(jié)果表明多能譜PCD-CT 影像可以清晰顯示聚乙烯金屬植入物的磨損，重建的三維偽彩影像與假體的實際外觀一致。普通X 線攝影、超聲和MRI 對有金屬假體部位顯示各有其局限性，PCD-CT 的多能譜技術(shù)能夠準(zhǔn)確、清晰地顯示假體磨損部位和程度，沒有明顯金屬或其他的偽影，有助于評估人工關(guān)節(jié)置換術(shù)后病人金屬假體的早期磨損，以便更換受損關(guān)節(jié)部件[28-29]。

3 小結(jié)

PCD-CT 具有較高的空間分辨力，可以有效降低影像噪聲且保證低劑量掃描模式下的影像質(zhì)量，有助于提高對骨關(guān)節(jié)病變的早期診斷和鑒別能力，同時能提供正確的治療指導(dǎo)，故具有廣闊的臨床應(yīng)用前景。