劉興龍，孫宏，李琛瑋，宋志巍，王靜，王立志

西門子（中國）有限公司

CT 能量成像技術(shù)原理和應(yīng)用

劉興龍，孫宏，李琛瑋，宋志巍，王靜，王立志

西門子（中國）有限公司

專欄——CT能量成像技術(shù)

編者按：CT能量成像（或稱CT能譜成像）作為一項嶄新技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于臨床和科學(xué)研究，能夠完成常規(guī)CT不能實現(xiàn)的功能。如物質(zhì)分離，重建基物質(zhì)圖像，包括水基像、碘基像，提高了微小病灶檢出率，實現(xiàn)模擬平掃，減少了輻射劑量。能譜曲線形態(tài)特征對區(qū)分不同物質(zhì)或組織有幫助，或許對腫瘤的定性診斷提供線索。直接去骨，去鈣化斑塊、選擇性優(yōu)化不同期相血管成像、減少或去除顱底射線硬化偽影和金屬偽影、區(qū)分不同種類的腎結(jié)石，并依有效原子序數(shù)判定結(jié)石類型及顯示痛風石，肌腱等，豐富了影像檢查手段，有助于提高影像診斷水平。

任何一項新技術(shù)在發(fā)展中都有不斷地改善過程，如進一步提高CT的工程學(xué)設(shè)計，進一步降低輻射劑量等。目前的CT能譜成像是基于X 射線源，而不是基于探測器的能量成像，重建的單能量圖像并非在同源、同時、同向的“三同“條件下完成。對于物質(zhì)分離技術(shù)，改進迭代算法方面尚有很大發(fā)展空間。某些結(jié)論性意見需大量的臨床對比研究予以證實。相信隨著研究的深入，CT能量成像/ CT能譜成像將在臨床和科研中發(fā)揮越來越大的作用。

本期專欄特邀張挽時教授擔任欄目主編，從CT能量成像技術(shù)原理和應(yīng)用，雙能成像技術(shù)的最新進展等方面對這一嶄新技術(shù)進行介紹，以期提高讀者對CT能量成像技術(shù)的總體認識和了解。

欄目主編：張挽時

張挽時，空軍總醫(yī)院主任醫(yī)師，文職一級、享受國務(wù)院頒發(fā)的政府特殊津貼，第四軍醫(yī)大學(xué)放射科教授，北京醫(yī)科大學(xué)研究生畢業(yè)，醫(yī)學(xué)碩士。在國內(nèi)較早從事CT和磁共振臨床研究，多次在美國學(xué)習和培訓(xùn)。經(jīng)常在國內(nèi)外學(xué)術(shù)交流中做報告或主持人,文章多次入選北美放射年會(RSNA)，并英文報告。有良好英文交流能力，曾為歐洲放射學(xué)會主席Raiser做口譯。曾獲軍隊醫(yī)療成果二等獎和多項軍隊科技進步獎。承擔全軍醫(yī)藥衛(wèi)生科技科研攻關(guān)課題和首都醫(yī)學(xué)發(fā)展科研基金項目?，F(xiàn)為北美放射協(xié)會會員、中國醫(yī)學(xué)影像技術(shù)研究會常務(wù)理事，總后衛(wèi)生系列高評委委員、空軍后勤科技進步獎主任評委、多家醫(yī)學(xué)影像學(xué)雜志編委。主編《耳鼻咽喉影像診斷學(xué)》，《臨床副鼻竇影像診斷學(xué)》，《臨床MRI鑒別診斷學(xué)》三部，發(fā)表論文230余篇。

目前CT能量成像技術(shù)已經(jīng)在臨床工作實踐中被逐漸廣泛應(yīng)用起來，但由于CT能量成像技術(shù)與傳統(tǒng)的CT成像技術(shù)有較大不同，所以本文基于目前應(yīng)用最為廣泛的雙源法CT能量成像技術(shù)對CT能量成像技術(shù)的原理和應(yīng)用進行述評。期望有助于讀者對CT能量成像技術(shù)有總體的認識和了解。

CT能量成像技術(shù)；雙源法；能譜純化技術(shù)；低劑量成像

VOL.27 No.09

CT能量成像技術(shù)并不是一個嶄新的名詞，而是早在20多年前就出現(xiàn)的一個概念[1]。但是直到2005年雙源CT問世后，CT能量成像技術(shù)才真正在臨床工作實踐中被逐漸廣泛應(yīng)用起來[2]。由于CT能量成像技術(shù)與傳統(tǒng)的CT成像技術(shù)有較大不同，所以本文擬就CT能量成像技術(shù)的原理和應(yīng)用進行述評。期望有助于讀者對CT能量成像技術(shù)有總體的認識和了解。

1 CT能量成像技術(shù)原理

目前，在CT能量成像技術(shù)的掃描環(huán)節(jié)有很多種技術(shù)，在理論上有單球管不同kV兩次掃描法、單球管kV快速切換法、“三明治”探測器法、雙源法等。但在臨床工作實踐中能夠使用的只有三種技術(shù)，即單球管不同kV兩次掃描法、單球管kV快速切換法和雙源法，其中能夠在CT日常工作過程中常規(guī)使用CT能量成像技術(shù)只有一種，即雙源法。在下面的介紹中，為了能夠更加全面地介紹CT能量成像技術(shù)的特點，本文將側(cè)重介紹雙源法CT能量成像技術(shù)。

CT能量成像技術(shù)是指CT在兩種能量的X射線條件下（最主要是kV的變化）分別對被照射物質(zhì)進行成像，利用被照射物質(zhì)在不同kV條件下產(chǎn)生的X射線衰減值的差異性在二維能量空間內(nèi)對被照射物質(zhì)進行定位和成像顯示，從而可實現(xiàn)對被照射物質(zhì)的識別、定性和定量分析，提高CT圖像質(zhì)量，減少X射線輻射劑量等應(yīng)用。

無論采用什么樣的CT能量成像技術(shù)，獲取被掃描物質(zhì)在兩種能量X射線條件下的不同CT值是進行CT能量成像應(yīng)用的前提（圖1）。在獲取了被掃描物質(zhì)在兩種能量X射線下的CT值后，被掃描物質(zhì)就可以在二維能量空間內(nèi)被定位，然后利用醫(yī)學(xué)圖像處理方法學(xué)中的數(shù)學(xué)方法就可以實現(xiàn)對被掃描物質(zhì)的識別、定性和定量分析了。換句話說，單源CT是在一維空間內(nèi)（單一管電壓）獲取處理信息，而能量CT成像技術(shù)是在二維空間內(nèi)（高低兩種管電壓）獲取處理信息（圖2）。

當代CT技術(shù)在實現(xiàn)CT能量成像技術(shù)時面臨的三個最主要的問題是： 兩種kV條件下分別成像，如果在成像時間上存在前后差異，如何在二維能量空間中在對被照射物質(zhì)定位前進行準確的圖像配準的問題； 兩種kV曝光條件下，如何解決X射線劑量過高的問題； 如何提高被照射物體被識別能力，從而提高CT能量成像應(yīng)用的效果和范圍。下面以雙源法為例來介紹這三個問題是如何被解決的。

雙源法采用同時同步采集的方式來解決兩種kV條件下圖像的配準問題。由于重建出一幅CT圖像只需要180°的相位數(shù)據(jù)，所以雙源法CT能量成像技術(shù)只需兩個球管（分別設(shè)定低kV和高kV）同時同步旋轉(zhuǎn)180°即可同時得到被掃描物質(zhì)在不同X射線能量下的CT圖像（圖3）。由于是同時同步成像所以CT圖像的配準問題就不復(fù)存在了，從而從根本上解決了圖像配準問題。

雙源法采用能譜純化技術(shù)（Selective Photon Shield，SPS）解決了CT能量成像技術(shù)能量過高（與常規(guī)單源CT相比）的問題。雙源法對高千伏球管發(fā)出的X射線輻射能量頻譜中的，與低千伏球管發(fā)出的X射線輻射能量頻譜重疊的低頻能量光子進行選擇性濾過，從而使得整個X射線輻射能量頻譜圖的形狀和曲線下面積都發(fā)生變化，用于成像的X射線能量頻譜圖形狀不再是單一的雙尖峰分布，而是四峰分布（圖4），X射線能量頻譜圖的形狀和曲線下面積都發(fā)生了變化，曲線下面積（mAs）和光子平均能量（kV）與單源CT的X射線能量頻譜都不一樣。從而使得雙源法的CT能量成像技術(shù)有可能在實際使用過程中，減少成像的X射線輻射劑量，這已經(jīng)被相關(guān)研究證實[3-14]。

曲線下面積（mAs）和光子平均能量（kV）與單源CT的X射線

能量頻譜都不一樣，成像劑量可低于常規(guī)單源CT。

常規(guī)CT所能采用的一些低劑量成像技術(shù)可在雙源法的CT能量成像技術(shù)上使用，從而進一步降低雙源法CT能量成像技術(shù)的成像劑量。如自動毫安調(diào)節(jié)技術(shù)（CARE Dose 4D）、適應(yīng)性射線屏蔽技術(shù)（Adaptive Dose Shield，ADS）、迭代重建技術(shù)（SAFIRE）、敏感器官射線屏蔽技術(shù)（X-CARE）等都可以在雙源法能量成像技術(shù)上使用。

雙源法采用的SPS技術(shù)同時也能夠提高被掃描物質(zhì)的識別能力（圖5）。在數(shù)學(xué)識別算法不變的前提下，在沒有使用SPS技術(shù)之前，碘和骨在二維能量空間內(nèi)被識別的能力是碘（右邊綠點）和骨（右邊藍點）到黑色直線（數(shù)學(xué)識別算法）的距離之和（紅色線段長度之和）。而在使用了SPS技術(shù)之后，碘和骨在二維能量空間內(nèi)的位置都發(fā)生了水平左移，由于碘（造影劑）的有效原子序數(shù)大于骨，所以碘水平左移的距離大于骨，從而在新的二維能量空間位置上，針對于相同的數(shù)學(xué)識別算法，碘和骨更容易被識別顯示，即藍色線段長度之和大于紅色線段長度之和。根據(jù)實驗室數(shù)據(jù)，SPS技術(shù)的使用使得被掃描物質(zhì)的識別能力最大提高了80%。

雙源法的CT能量成像技術(shù)提供了三種kV組合用于滿足不同的檢查目的。80 kV和Sn140 kV：應(yīng)用于四肢和頭顱，增加雙能量對高密度物質(zhì)的識別能力，如骨和碘劑，同時最大程度優(yōu)化射線輻射劑量；100 kV和Sn140 kV：應(yīng)用于體部，保證獲得優(yōu)秀的密度分辨率；140 kV和80 kV；傳統(tǒng)方法，用于突出能量分辨率。

2 CT能量成像技術(shù)應(yīng)用

在獲取了高低kV的CT能量圖像后，在二維能量空間內(nèi)可根據(jù)不同的數(shù)學(xué)應(yīng)用模型來實現(xiàn)不同的臨床應(yīng)用或用于科學(xué)研究。從醫(yī)學(xué)圖像處理方法學(xué)的角度可分為圖像分割、圖像分析和圖像優(yōu)化顯示三大類，在這三大類應(yīng)用中有13項應(yīng)用獲得了美國FDA認證。下面舉例說明。

2.1 圖像分割應(yīng)用

2.1.1 低劑量CTA成像去骨功能

在頭頸部CTA成像中雙源法的CT能量成像技術(shù)可以僅用一次曝光掃描即可獲取頭頸血管的CTA去骨圖像（圖6）[15]。同時還有以下特點： 檢查的穩(wěn)定性大大提高，圖像質(zhì)量穩(wěn)定，顱底的骨性結(jié)構(gòu)一鍵式去除干凈； 受檢者接受的射線劑量低于常規(guī)單源CT，在本例中雙源法的CT能量成像技術(shù)的檢查劑量僅為0.8 mSv，比常規(guī)單源CT低30%； 對受檢者和操作者的要求難度明顯下降。

2.1.2 低劑量CTA成像鈣化斑塊去除功能

使用雙源法的CT能量成像技術(shù)可以在一鍵式獲取CTA去骨圖像的同時，還可以一鍵式獲得血管樹的去除鈣化斑塊功能（圖7）。此功能的診斷意義：① 在自動去除體部的骨性結(jié)構(gòu)的同時，可以一鍵式去除血管壁上的鈣化斑塊，從而更形象直觀準確地顯示鈣化斑塊對血管管腔的影響；② 受檢者接受輻射劑量低于單源CT的常規(guī)體部CTA輻射劑量。在本例中，受檢者接受的輻射劑量是2.28 mSv。

2.1.3 肌腱韌帶成像功能

CT能量成像技術(shù)不但能夠提供密度圖像對骨性結(jié)構(gòu)進行診斷，而且能夠采用彩色編碼技術(shù)直觀特異性顯示肌腱、韌帶的形態(tài)；三維VRT圖像直觀顯示肌腱韌帶的形態(tài)學(xué)信息（圖8），能夠為外科醫(yī)生手術(shù)治療方案的制定提供直觀而準確的解剖信息。

2.1.4 虛擬平掃成像功能

雙源法CT能量成像技術(shù)能夠在獲得被掃描部位的增強后的診斷信息的同時，還可以獲得虛擬平掃的圖像（圖9），即平掃的診斷信息，使得醫(yī)生僅僅通過一次增強掃描就可以獲得受檢者的增強圖像和平掃圖像，減少了曝光次數(shù)，也就減少了醫(yī)患雙方接受的X射線輻射劑量[16]。虛擬平掃劑量和常規(guī)單源CT劑量在同一水平。此外，CT能量成像技術(shù)還可以定量測定病變的含碘量，有助于對病變進行定性分析；對于軟組織內(nèi)的高密度物體可減少偽影；與常規(guī)平掃加增強相比，一次雙能掃描得到虛擬平掃和增強圖解剖位置完全對應(yīng)。這里應(yīng)該強調(diào)的是虛擬平掃在CT技術(shù)發(fā)展上的意義：首次實現(xiàn)了容積數(shù)據(jù)的時間軸上的分割。

2.1.5 CT能量成像在自發(fā)性顱內(nèi)低壓脊髓腦脊液漏診斷中的應(yīng)用

CT的能量成像技術(shù)可用于自發(fā)性顱內(nèi)低壓脊髓腦脊液漏診斷（圖10），與常規(guī)CT比較，能量掃描由于可以區(qū)分碘對比劑和其他高密度物質(zhì)（如骨質(zhì)，鈣化等），診斷對比劑外漏更加明確，更加直觀，容易被臨床醫(yī)生理解。這里需要指出的是能量成像劑量小于常規(guī)CT相同部位的成像劑量[17]。

2.2 圖像分析應(yīng)用

2.2.1 肺灌注功能的定性和定量評估

對肺部的病變導(dǎo)致的肺灌注異常能夠進行定性和定量的評估（圖11）。其診斷意義是： 僅通過一次曝光掃描，不但能夠得到常規(guī)的CT密度圖像信息，更能夠得到肺的灌注信息，從而提示肺組織的受累情況、肺功能的改變及提示可能的小病灶的存在； 而肺灌注定量分析則可更為準確地評估肺灌注異常的程度[18]； 雙能量肺灌注檢查不僅適用于肺栓塞病變，也同樣適用于肺炎、慢阻肺等肺部其他病變； 檢查的輻射劑量和常規(guī)單源CT處于同一水平或更低。

2.2.2 肺異常肺血管CAD顯示

可對異常的肺部血管能夠進行特異性輔助顯示（圖12），提示可能的病變存在，如微小栓子等。在本例中，患者左下肺靜脈血管樹充盈不良，提示可能左下肺靜脈口處栓子的存在。其診斷意義：① 僅通過一次曝光掃描，不但能夠得到常規(guī)的CT密度圖像信息、肺的灌注信息，還能夠?qū)ρ苓M行選擇性色彩編碼，從而提示可能發(fā)生栓塞的肺血管，尤其是細小的肺血管；② 由于人眼對色彩的敏感性和分辨率要遠高于黑白色，所以通過顏色的變化，可以提示醫(yī)生在細小肺血管上的細小栓子的可能性，從而提高微小栓子的檢出率，降低漏診率。使得放射科醫(yī)生不但易于發(fā)現(xiàn)細小栓子，也容易對栓子進行解剖定位。

2.2.3 肺結(jié)節(jié)CT能量成像功能

CT能量成像技術(shù)能夠?qū)Ψ尾康慕Y(jié)節(jié)進行成像，使得對肺部占位性病變的診斷信息更加豐富（圖13）：提供碘含量的分析、容積測量、腫瘤負荷測定等參數(shù)，使得肺部結(jié)節(jié)的診斷更加明確、直觀。而且一次曝光成像可以同時得到常規(guī)的密度圖像和能量圖像。CT能量成像技術(shù)的輻射劑量和單源CT在同一水平或更低。

2.2.4 泌尿系結(jié)石成分定性分析

CT能量成像技術(shù)能夠?qū)γ谀蛳到y(tǒng)結(jié)石成分進行定性分析（圖14）。通過對結(jié)石類型的分析，對于推測結(jié)石的發(fā)病原因，縮小尿結(jié)石的代謝評估范圍，避免一些不必要的進一步檢查；指導(dǎo)治療和判斷預(yù)后均有非常重要的臨床意義。而常規(guī)的單源CT是不能夠?qū)γ谀蛳到Y(jié)石成分進行定性分析的[19]。

2.2.5 小關(guān)節(jié)痛風結(jié)石診斷功能

CT能量成像技術(shù)通過僅對活體小關(guān)節(jié)的CT平掃（圖15），即可測定該掃描范圍內(nèi)是否存在尿酸結(jié)晶及尿酸結(jié)晶的分布，以起到診斷痛風和鑒別診斷（特別是血液檢查正常的患者）的作用。CT能量成像技術(shù)也可以同時獲取常規(guī)CT密度圖像，可用于薄層觀察和MPR、各種3D重建，直觀、準確顯示痛風石的部位、范圍、對骨質(zhì)的侵犯情況，對臨床判斷病情的嚴重程度、推測預(yù)后，特別是確定治療的方案（包括是否適合手術(shù)及手術(shù)方式）、治療后療效的觀察等均有重要價值。CT能量成像技術(shù)的檢查劑量與單源CT的相同部位成像劑量處于同一水平[20]。

2.2.6 活動性腦出血鑒別診斷功能

雙源法的CT能量成像技術(shù)對于懷疑腦出血的患者進行檢查時可以獲取造影劑的分布碘圖并用彩色編碼技術(shù)進行顯示（圖16），在除外動脈瘤、動靜脈畸形等血管性病變時，可在獲取常規(guī)CT診斷信息的同時，能夠在高密度病灶中識別可能的造影劑分布，除外鈣化、可能的出血或持續(xù)出血情況。同時也可對含碘量進行定量評估。

2.2.7 肺氙氣功能成像

雙源法的CT能量成像技術(shù)不僅可獲取常規(guī)的形態(tài)學(xué)診斷信息，而且可以獲取肺的功能學(xué)診斷信息，測量含碘量（圖17）。

2.2.8 心肌灌注功能

雙源法的CT能量成像技術(shù)不僅可以同時獲得形態(tài)學(xué)和功能學(xué)成像，還可同時獲得冠脈形態(tài)和心肌灌注信息（圖18）。不但能夠?qū)跔顒用}進行診斷，而且能夠同時對心肌的灌注情況進行評估；CT能量心肌灌注成像技術(shù)利用人眼對色彩的敏感性高于灰階變化的特點，采用彩色編碼技術(shù)對可能的心肌灌注變化情況進行直觀顯示和定量評估，并能夠與對冠脈的診斷評估結(jié)合在一起進行觀察，兩方面互相印證，有利于放射科醫(yī)生作出更全面準確的診斷。CT能量成像技術(shù)對心肌灌注檢查的劑量低于單源64層CT常規(guī)單純冠脈檢查的輻射劑量[21]。

2.2.9 能譜曲線在輔助鑒別病變病理類型中的應(yīng)用

CT能量成像技術(shù)提供的能譜曲線在一定程度上可輔助鑒別病變的病理類型（圖19）。三種腎上腺占位的病理類型如果僅通過形態(tài)學(xué)信息是很難明確病理類型的。但是如果采用CT能量成像技術(shù)的能譜曲線技術(shù)，則可有助于對病變的病理類型進行鑒別（圖20）。在本質(zhì)上能譜曲線的不同是不同濃度碘的曲線或原子序數(shù)差別較大的不同物質(zhì)的曲線，其在輔助鑒別病變的病理類型方面的應(yīng)用有待進一步的研究。

2.3 圖像優(yōu)化顯示應(yīng)用

2.3.1 造影劑優(yōu)化顯示功能

在相同的觀片條件下，使用雙源法的CT能量成像技術(shù)可有效提高在下腔靜脈中的造影劑和臨近組織的對比差異，能夠提升圖像質(zhì)量（圖21）。在本例中下腔靜脈的CT值平均被增加了25.3%。

2.3.2 抑制/消除金屬偽影的應(yīng)用

采用CT能量成像技術(shù)中的能譜曲線功能可有效抑制/消除金屬偽影[22]（圖22）。在相同的觀片條件下，能夠使診斷信息更加明確。

2.3.3 軟組織優(yōu)化顯示應(yīng)用

CT能量成像技術(shù)的能譜曲線功能可有效優(yōu)化軟組織的優(yōu)化顯示（圖23），使得診斷信息的表達更加清晰。

由以上的介紹我們可以注意到三點：一是CT能量成像技術(shù)可以同時提供常規(guī)的密度圖像；二是CT能量成像技術(shù)的檢查劑量低于常規(guī)單源CT；三是CT能量成像應(yīng)用只是CT能量成像技術(shù)眾多種應(yīng)用中的一種。所以基于雙源法的CT能量成像技術(shù)是可以常規(guī)使用的。

3 總結(jié)

本文基于目前應(yīng)用較為廣泛的雙源法CT能量成像技術(shù)對CT能量成像技術(shù)的原理和應(yīng)用進行述評，期望有助于讀者對CT能量成像技術(shù)有總體的認識和了解。展望未來，綠色低劑量的CT能量成像技術(shù)必然能夠進一步擴大CT應(yīng)用的范圍和深度，臨床實踐是檢驗CT能量成像技術(shù)的唯一標準，可以預(yù)測通過開展廣泛而深入的臨床研究，CT能量成像技術(shù)的顯著臨床意義必將得到進一步驗證。

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Principle and Application of CT Dual Energy Imaging Technology

LIU Xing-long, SUN Hong, LI Chenwei, SONG Zhi-wei, WANG Jing, WANG Li-zhi
Siemens Ltd. China Healthcare Sector

CT Dual Energy imaging technology is now being used widely in clinical work. There is obviously difference between CT Dual Energy imaging technology and traditional CT imaging technology. In order to help readers to understand the principles and applications of CT Dual Energy imaging technology in general, this paper introduces the knowledge of CT Dual Energy imaging technology based on Dual Source CT Dual Energy imaging technology, which is most often used in current CT routine work.

CT Dual Energy imaging technology; Dual Source method; selective photon shield; low dose imaging

TH774

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.09.001

1674-1633(2012)09-0001-072012年第27卷 09期

2012-07-10

作者郵箱：xinglong.liu@simens.com