光子計數探測器CT 在骨肌系統疾病中的研究進展

孫振業，王植，孟祥虹

自Hounsfield 開發出CT 并應用于醫學以來，CT 技術經歷多次革新，目前醫學領域主流的CT 成像設備是多層螺旋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 線先轉化為光信號，再經過電子元件轉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]。光子計數探測器（photon counting detector,PCD）是CT 的一種新興技術，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 的主要成像技術包括物質分離、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節炎分析、骨腫瘤定量診斷、兒童骨肌低劑量掃描、骨骼微結構顯示及骨關節假體評估中的應用予以綜述。

1 PCD-CT 的成像特點

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

PCD 感應X 線產生的電脈沖信號與X 線能量成正比，對信號超過預設閾值的脈沖數進行計數。閾值設置在高于電子噪聲水平且低于入射X 線產生的脈沖信號之間，將每個脈沖與各閾值進行比較，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重，以減少高閾值噪聲信號對影像的影響，從而優化影像對比噪聲比；還可以通過物質分離消除射線束硬化偽影[2]。

2 PCD-CT 在骨肌系統的臨床應用

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

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

目前一些研究顯示骨關節炎是由關節軟骨退變引起的退行性骨關節病，PCD-CT 可顯示軟骨退變程度并對其進行分級。Rajendran 等[8]應用PCDCT 對實驗豬的軟骨損傷程度進行物質分離定量研究，分析羥基磷灰石的含量及分布，結果發現PCDCT 可實現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；該研究還發現，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行分級，可以作為評估疾病嚴重程度的生物標志物；另外，該研究獲得的CT 數據還可以生成體積骨密度圖，進一步評估關節軟骨下骨密度水平。

晶體性關節炎有許多類型，常見的有痛風和假痛風等，兩者在臨床表現上難以區分，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CT，多能量PCD-CT 由于其探測器空間分辨力高，測量精度準確，能夠更準確地檢測尿酸單鈉結晶的容積。Stamp 等[9]研究發現多能量PCD-CT 不僅可以在體外檢測、區分和量化痛風中的尿酸單鈉晶體沉積，還可以特異性地檢測、識別和量化骨關節炎半月板中的焦磷酸鈣，并將其與羥磷灰石晶體沉積區分開來，可顯著提高晶體沉積性關節病的診斷能力；該研究還發現當設定低能量閾值20～30 keV掃描時，可以在合成的晶體懸浮液中準確區分尿酸單鈉和焦磷酸鈣。

2.2 骨腫瘤定量診斷 與常規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勢，其特有的高分辨率模式可以發現因腫瘤導致的細微骨質結構的改變，也可以對腫瘤的分化程度進行影像組學分析[10]。Wehrse 等[11]對乳腺癌骨轉移病人的CT 影像研究發現，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結構的完整性，有助于定量評估乳腺癌骨轉移的情況。

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構和更多的細節，直接影響CT 影像的影像學特征的提取。Allphin 等[12]對放射治療后的實驗小鼠腫瘤部位注射碘化脂質體后，分別應用PCD-CT 和EID-CT 延遲掃描檢測腫瘤的血供情況，并對腫瘤容積進行圖像分割和特征提取，建立臨床和影像組學模型來分析腫瘤分化程度，結果顯示依據PCD-CT 和EID-CT 的數據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 的影像數據可以提高影像組學分析的準確性和有效性，高于應用常規單能EID-CT 的診斷效能。Dunning 等[13]通過對相同劑量下的植物樣本進行基于PCD-CT 和EID-CT 影像的影像組學比較分析，分別提取紋理特征，并使用聚類分析進行分類，結果發現前者較后者的影像組學診斷效能更高。

2.3 兒童骨肌系統低劑量掃描 CT 檢查在兒童顱縫早閉、先天性髖關節發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，其患白血病的風險會增加3 倍；累計劑量多于60 mGy，其患腦腫瘤的風險也將增加3 倍。由于骨的相對原子序數較大，常規兒童骨肌系統CT檢查降低劑量會導致噪聲增加，嚴重影響影像質量。而PCD-CT 低劑量掃描模式通過設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掃描方案的設置[15-16]。

有研究[17]應用PCD-CT 對6 歲兒童胸部進行CT 低劑量成像檢查，結果顯示CT 檢查的輻射劑量與常規X 線檢查接近，且成像質量滿足診斷需求。Ferrero 等[15]應用PCD-CT 和EID-CT 對髖關節撞擊癥病人進行掃描，結果顯示與EID-CT 相比，在掃描劑量相同的情況下，PCD-CT 的成像質量更高，且使用UHR 模式進行髖關節掃描，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 低劑量髖關節掃描對兒科病人手術計劃制定具有極大的價值。Cao 等[16]對接受PCD-CT 檢查的兒童病例進行匯總分析，發現在相同掃描條件下，PCD-CT 對兒童顳骨的成像噪聲與常規CT 相比減少17%，空間分辨率增加2.5 lp/cm。

2.4 骨骼細微結構的顯示 骨肌系統的CT 影像診斷依賴于在保證成像范圍的同時對細微結構及病變的顯示[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、鼻竇和脊椎等骨質細微結構的顯示能力突出，也可以有效提高肩、髖等大關節的影像診斷能力[18]。Leng 等[19]應用PCD-CT UHR 掃描模式對人體模型、動物尸體和標本進行掃描，結果表明，PCD-CT UHR掃描模式下骨骼圖像的空間分辨率高達20 lp/cm，在顳骨高分辨掃描方面有較大的應用潛力。Bette 等[20]研究發現，PCD-CT 的單像素采集模式在顯示骨骼細微結構方面比EID-CT 更具有優勢，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節[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 骨關節假體的評估 骨肌系統的影像檢查常需要對金屬植入物的狀態（如骨折病人內固定術后需CT 對骨折愈合情況或髓內釘穩定程度）進行評估[21-22]。通過設定PCD-CT 探測器特定能量閾值對每個光子進行計算，以顯示特定能量的物質，由此可以在掃描時對金屬植入物和骨骼進行濾過、分離和提取，對評估骨關節假體具有較大優勢。Do 等[23]根據能量閾值大小對光子進行劃分，觀察不同閾值下PCD-CT 對金屬假體影像的去金屬偽影能力，結果表明，與傳統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。該研究還發現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??；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。

全膝關節置換術病人術后會出現持續性殘留疼痛和功能限制，需要對膝關節假體進行功能評估，而PCD-CT 通過檢測金屬物質在多能譜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]應用多能譜PCD-CT 來判斷假體置入術是否成功，結果表明多能譜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 的多能譜技術能夠準確、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，有助于評估人工關節置換術后病人金屬假體的早期磨損，以便更換受損關節部件[28-29]。

3 小結

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量，有助于提高對骨關節病變的早期診斷和鑒別能力，同時能提供正確的治療指導，故具有廣闊的臨床應用前景。