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.蚌埠醫學院第一附屬醫院放射科 蚌埠醫學院醫學影像學院醫學影像診斷教研室，安徽 蚌埠 233004；2.數字醫學與智慧健康安徽省重點實驗室 蚌埠醫學院臨床應用解剖研究所，安徽 蚌埠 233004；3.蚌埠醫學院第二附屬醫院放射科，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CT 球管產生的X 線為連續能譜的混合能量電磁波，物質的吸收系數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或電子密度具有函數關系；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、醫學中常見吸收系數范圍的物質［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據，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據，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?。?、雙探測器、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 線的數據，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。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于常規混合能量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 線的吸收系數不同，且與軟組織和碘化血管有較明顯區別，原子序數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據量較大，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。已被開發用于檢測灌注不足在肺繼發于肺栓塞及檢測心肌局部缺血的區域。研究發現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、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也有一定價值，聯合血流量+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能顯著提高節段性和亞節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，可代替動態增強掃描作為基線的常規平掃［17］。③甲狀腺病變，VNC 代替常規平掃時，既不影響診斷，獲得優質的圖像信息，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，基于非傳統雙能量CT 的鈣斑塊定量測量結果與傳統單能量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，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分；系統能區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?；旌系湍芎透吣軋D像被用來測量體積、表面粗糙度和12 個描述石頭內部形態的指標，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、非創傷性、屏氣掃描的結節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，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，得到多參數成像可為肺癌分型提供多參數鑒別依據，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性增生鑒別診斷中具有重要臨床參考價值。能譜CT 較常規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，二者有著區分不同有效原子序數材料的能力，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。相信隨著以后研發技術的進步，其臨床應用還將有大量創新成果涌現，雙能量或多能量CT 正在成為CT 成像的主流檢查方法。