何文勝

安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程部，安徽 合肥 230022

HDCT成像原理及臨床應(yīng)用價(jià)值

何文勝

安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程部，安徽 合肥 230022

本文主要介紹了多排CT在功能性成像方面的最新進(jìn)展，著重闡述了HDCT（高清CT）能譜柵成像的技術(shù)原理、實(shí)現(xiàn)能譜成像的技術(shù)方法和臨床方面利用CT掃描、實(shí)現(xiàn)組織定性分離的應(yīng)用價(jià)值。

HDCT；能譜成像；寶石探測器

0 前言

1 HDCT的能譜柵成像原理

自1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X線以來，X線在醫(yī)學(xué)診斷方面發(fā)揮了重大的作用，但最大的且具有革命性意義的突破是1972年CT的研制成功，它首先用于顱腦疾病的診斷，很快擴(kuò)大到全身檢查，直至今日成為醫(yī)學(xué)診斷中不可缺少的重要設(shè)備。

縱觀CT的發(fā)展，從頭顱掃描到全身掃描，從斷層掃描到螺旋掃描，從單排螺旋掃描到多排螺旋掃描，經(jīng)歷了多次的創(chuàng)新，供應(yīng)商所追求的設(shè)計(jì)理念都是為獲得更高的圖像分辨率、更好的圖像清晰度、更快的掃描速度、更少的X線劑量、更強(qiáng)大的采集功能、更完善的重建技術(shù)等。但當(dāng)多層的發(fā)展受到硬件發(fā)展的制約時，如：不斷增寬的探測器，便產(chǎn)生了很多影響圖像質(zhì)量的不利因素：超寬體探測器形成的大角度的錐形束造成錐形偽影，即所謂的“屋頂效應(yīng)”而致CT值的失真；超寬體探測器引起超寬的Z軸掃描使散射線增加而致密度分辨率下降，影響體部臨床圖像的質(zhì)量等。因此全球CT生產(chǎn)商開始尋求增加探測器寬度以外的其它CT設(shè)計(jì)技術(shù)，在2009年GE公司成功地推出了一款可用于功能性成像的HDCT，在設(shè)計(jì)理念上突破了過去20年內(nèi)所使用的探測器材料范疇，使用了一種全新的檢測材料，具有極好光學(xué)特性的石榴石作為探測器基材，產(chǎn)生了能譜柵成像的概念。

X線在物體中的吸收主要是通過光電效應(yīng)和康普頓散射兩種作用產(chǎn)生。光電效應(yīng)是指光射入物質(zhì)后，物質(zhì)中的電子吸收光子能量并激發(fā)出自由電子的行為（圖1），康普頓散射是指入射光子與物質(zhì)原子中的核外電子產(chǎn)生非彈性碰撞而被散射的現(xiàn)象。碰撞時，入射光子把部分能量轉(zhuǎn)移給電子，使它脫離原子成為反沖電子，而散射光子的能量和運(yùn)動方向發(fā)生變化（圖2）。

圖 1 光電效應(yīng)示意圖

圖 2 康普頓散射現(xiàn)象示意圖

物體在經(jīng)X線照射后其質(zhì)量吸收系數(shù)隨X線能量而變化，同一物體對應(yīng)不同的X線能量有不同的質(zhì)量吸收系數(shù)，因此用任意兩個能量點(diǎn)即可獲得物體的質(zhì)量吸收曲線，不同物體則對應(yīng)各自固定的特征吸收曲線，而CT值反映的正好是物體對X線的線性吸收，這就獲得能譜柵CT成像可定性分離不同物質(zhì)的基理[1]。在單電壓所產(chǎn)生的連續(xù)能量X線CT成像過程中所獲得的物體質(zhì)量吸收是平均效應(yīng)，不同的能量所獲得的是不同的平均效應(yīng)，CT值所反映的也是平均吸收系數(shù)，因此無法定性區(qū)分物質(zhì)成份。

1977年CT物理學(xué)家Dr.Brooks RA著文闡明任何一種物質(zhì)對X線的吸收都可用兩種“基物質(zhì)”來表達(dá)[2]，最常用的基物質(zhì)是水和碘，在已知水和碘在各能量點(diǎn)的吸收系數(shù)μ的情況下，可鑒別其他不同物質(zhì)：

在單能的情況下，選擇任意兩個不同能量建立能量柵，測出被檢物質(zhì)的兩個吸收系數(shù)μ(E1)和μ(E2)，結(jié)合水和碘在該兩個不同能量下的 μ(E1)水、μ(E2)水、μ(E1)碘、μ(E2)碘，便可測算出相應(yīng)的a1和a2值，從而可獲得對各種物質(zhì)的測定和分離。

2 HDCT能譜柵成像的實(shí)現(xiàn)

綜上所述，實(shí)現(xiàn)能譜柵成像的關(guān)鍵在于如何在單能掃描的條件下同時獲得雙能數(shù)據(jù)，HDCT采用了單源瞬時變能技術(shù)解決了這一問題。

2.1 高速瞬時高壓發(fā)生器

區(qū)別于傳統(tǒng)的高壓發(fā)生器，HDCT的高壓發(fā)生器采用了被稱之為快速管電壓開關(guān)的設(shè)計(jì)，可以使系統(tǒng)在0.5ms周期內(nèi)對X線進(jìn)行80kVp和140kVp電壓切換，實(shí)現(xiàn)瞬時變能目的[3]。

2.2 高速采集的新型探測器

對于探測器來說，X射線激發(fā)可見光速度越快越好，初始速度越快，可見光轉(zhuǎn)換速度越快，清空速度越快，余暉效應(yīng)越小。為了獲得對X線快速檢測反應(yīng)，HDCT探測器突破探測器傳統(tǒng)材料使用范疇，采用了具有極好的光學(xué)特性的石榴石為基材，俗稱寶石探測器，其可見光轉(zhuǎn)換速度達(dá)到0.03μs，比傳統(tǒng)材料加快了近100倍。寶石探測器也是能譜成像的硬件基礎(chǔ)，是能譜成像鏈上關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。它在機(jī)架旋轉(zhuǎn)一次的時間內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)2496次采集（比64排CT增加了2.5倍），實(shí)現(xiàn)了全身的空間分辨率與圖像質(zhì)量的提高。能譜采集每圈實(shí)現(xiàn)128層的采集與101個單能譜的成像。

2.3 動態(tài)變焦球管

傳統(tǒng)的球管不能克服高、低毫安與大、小焦點(diǎn)之間的任意匹配，HDCT的球管使用非常耐用的燈絲材料，采用一個焦點(diǎn)，通過電磁場的聚焦和偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)動態(tài)變焦的技術(shù)，從而可以根據(jù)不同條件自動選擇需要匹配的焦點(diǎn)大小。

2.4 ASiR重建引擎

HDCT的DAS系統(tǒng)較傳統(tǒng)采樣率提高約2.5倍，采集速度達(dá)到了 目前最高的7131views/s ,且采用了全新的數(shù)據(jù)模型與算法，稱之為ASiR重建引擎，該種重建方式可在極低的劑量條件下實(shí)現(xiàn)高清晰成像，可使胸部掃描劑量降低26%~29%[4]，心臟成像可降低90%。

3 HDCT的臨床應(yīng)用價(jià)值

3.1 組織的定性分離和定量測定

HDCT由于采用的能譜柵成像方法，這使得其能量時間分辨率達(dá)到0.5ms，是雙源CT的100多倍，同進(jìn)可獲得101單光子能級成像，可使水、碘、鈣、鐵等單獨(dú)作為一個序列成像。提供了更多的組織信息，使得精確判定物質(zhì)的組織成分成為可能。

3.2 MARs 去除硬化偽影技術(shù)

HDCT的單能譜成像和探測器材料的固有物理學(xué)特性，可以實(shí)現(xiàn)去除硬化偽影。

3.3 全身高清成像

由于新技術(shù)新材料的應(yīng)用，使得HDCT的空間分辨率和低密度分辨率都得到了大幅度的提高，使CT圖像獲得了很高的清晰度，提高了臨床診斷率和鑒別診斷。

3.4 四維動態(tài)功能成像

傳統(tǒng)CT灌注局限于覆蓋范圍，無法明確病灶及供血動脈的位置。HDCT利用精準(zhǔn)的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了螺旋往穿梭式掃描技術(shù)，使得灌注覆蓋范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過探測器寬度的限制，可達(dá)到500排CT（312.5mm）的范圍，從而拓展了功能學(xué)診斷，可觀察動態(tài)狀況下的生理功能、病變性質(zhì)、生理特性等。

3.5 全身低劑量成像

HDCT提高的探測器采樣效率，采用了全新的數(shù)據(jù)模型及算法，通過影像鏈的革命，實(shí)現(xiàn)了全身真正意義的低劑量掃描，傳統(tǒng)CT心臟平均使用劑量為12mSv，HDCT可實(shí)現(xiàn)0.1mSv心臟成像，只相當(dāng)于10張胸片的劑量，因此使心臟平均放射劑量可降低90%左右，全身掃描放射劑量降低50%左右。

4 結(jié)束語

HDCT采用新的材料理念、新的設(shè)計(jì)理念實(shí)現(xiàn)了CT掃描技術(shù)革命性的突破，改善了圖像質(zhì)量、降低了掃描劑量[5,6]，給臨床診斷提供了更廣更多的發(fā)展空間，為心臟冠脈能譜成像、心臟斑塊定性定量檢測、區(qū)分冠狀動脈鈣化和造影劑、大范圍灌注及動態(tài)CTA等奠定基礎(chǔ)。

[1] 鄭世才.CT技術(shù)和康普頓散射成象檢測技術(shù)[J].無損檢測,2000(9):423-428.

[2] 鄭世才.對ASTM E1742-2008標(biāo)準(zhǔn)射線照相質(zhì)量級別規(guī)定的討論[J].無損檢測,2009(9):731-737.

[3] 梁長虹,黃飚.多層CT技術(shù)飛速發(fā)展,臨床應(yīng)用不斷創(chuàng)新[J].中華放射學(xué)雜志,2006(9):901-902.

[4] 王爽.多層螺旋CT在肝臟掃描中的應(yīng)用[D].北京:中國協(xié)和醫(yī)科大學(xué),2007.

[5] Pfriyanka Prakash MD, Mannudeep K. Kalra MD,et al.Radiation Dose Reduction With Chest Computed Tomography Using Adapitve Statistical Iterative Reconstruction Technique:Initial Experience[J]. J Comput Assist Tomogr,2010,34(1)[Epub ahead of print].

[6] Daniele Marin,MD,Rendon C.Nelson MD,et al,Low-Tube-Voltage, High-Tube-Current Multidetector Abdominal CT:Improved Image Quality and Decreased Radiation Dose with Adaptive Statistical Iterative Reconstruction Algorithm—Initial Clinical Experience[J].Radiology,2010,254(1) [Epub ahead of print].

Principle and Clinical Application Value of HDCT Imaging

HE Wen-sheng
Medical Engineering Department,First Affiliated Hospital of Anhui Medical University,Hefei Anhui 230022,China

TH774

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.07.021

1674-1633(2010)07-0057-02

2010-04-12

2010-04-21

作者郵箱：hewenshengahmu@yahoo.cn

Abstract: This paper introduces the latest technology of functional imaging in multiple-phase CT,and expounds on the technical principle of Gemstone Spectral Imaging in HDCT(high-definition CT),also describes the application value of tissue decomposition by CT scanning.

Key words: HDCT; energy spectrum imaging;gemstone detector