沈云

日本東京女子醫(yī)科大學(xué)東醫(yī)療中心

寶石CT能譜成像原理及其掃描射線劑量

沈云

日本東京女子醫(yī)科大學(xué)東醫(yī)療中心

目前CT已成為疾病診斷的一種重要手段。與常規(guī)CT相比，能譜CT最顯著的特征就是提供了多種定量分析工具與多參數(shù)成像為基礎(chǔ)的綜合診斷模式，如基物質(zhì)圖像、單能量圖像、能譜曲線等。其獨(dú)特的多參數(shù)成像模式給長期習(xí)慣于單一診斷模式的影像科醫(yī)生提出了前所未有的挑戰(zhàn)，熟悉其成像原理、影像表現(xiàn)與應(yīng)用價(jià)值是非常必要的。本文首先回顧了能量CT研發(fā)的必要性及其實(shí)現(xiàn)途徑；隨后深入剖析了單源瞬時(shí)kVp切換能譜成像的物理基礎(chǔ)，并介紹了實(shí)現(xiàn)該技術(shù)所必需的解析技術(shù)；接著從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的角度，展現(xiàn)了能譜成像能夠在更低劑量條件下保證同常規(guī)CT一致的圖像質(zhì)量。

斷層攝影術(shù)；X線計(jì)算機(jī)；能譜成像；射線劑量

0 前言

CT誕生以來，人們一直在研究CT成像中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)——CT值，并已經(jīng)發(fā)表了成千上萬的科研成果，而且還要繼續(xù)研究下去?，F(xiàn)在，寶石CT的能譜成像為人們打開了新的思路，提供了新的信息：基物質(zhì)圖像和單能量圖像。寶石CT的能譜成像一經(jīng)問世，就引起了放射界醫(yī)生們的極大興趣，同時(shí)人們也對寶石CT的能譜成像的射線劑量問題非常關(guān)注，這主要有以下三個(gè)原因。其一，寶石CT的能譜圖像與常規(guī)的CT圖像相比能提供更多的信息。寶石CT的能譜成像不但能夠獲得基物質(zhì)密度及其分布圖像，還能獲得不同keV水平的單能量圖像，而且還能根據(jù)所得到的能譜曲線計(jì)算出該病變或組織的有效原子序數(shù)，由此可見，與常規(guī)的單參數(shù)CT圖像相比，寶石CT的能譜成像具有多參數(shù)，定量分析的全新成像模式，擁有更多的有用的信息。一般來說，信息量和射線劑量是呈正比的，你要得到更多的信息就要加大劑量，而寶石CT的CT技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到像能譜成像那樣可以用最小的劑量得到更多的信息量。其二，幾年前由雙源系統(tǒng)發(fā)展起來的雙能量減影技術(shù)未能完全被臨床所普遍應(yīng)用的一個(gè)原因就是劑量問題，因?yàn)閯┝坎粔虺渥?，從而未能充分保證雙能量的減影圖像質(zhì)量；另一個(gè)原因是其雙能減影是在圖像空間實(shí)現(xiàn)的，未能很好解決硬化偽影的問題，同時(shí)也容易受器官運(yùn)動(dòng)（蠕動(dòng)，呼吸，心跳等）的影響。而寶石CT的能譜成像是基于最新CT系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包括最新的探測器，DAS系統(tǒng)，球管系統(tǒng)，瞬時(shí)切換的高壓發(fā)生器，同時(shí)還受到最新的重建技術(shù)——迭代重建技術(shù)的裨益，因而不僅僅能譜成像的單能量成像與常規(guī)CT的圖像相比，具有很高的圖像質(zhì)量，其基物質(zhì)圖像也具有可用以診斷的圖像質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)了用最小劑量來得到更多信息量的愿景。其三，人們對多排CT初期的心臟成像高劑量記憶猶新，在Radiology(08)上Shumar 等報(bào)告，后門控心臟掃描的劑量可達(dá)到（26.7±6.1）mSv，東京女子醫(yī)科大學(xué)東醫(yī)療中心利用迭代重建技術(shù)和前門控掃描技術(shù)，心臟掃描的劑量可減少至（1.7±0.7）mSv，從26.7 mSv的后門控心臟掃描劑量到1.7 mSv的前門控低劑量心臟掃描，幾乎用了整整十年，能譜成像也許會(huì)像心臟CT掃描技術(shù)一樣有一發(fā)展過程，但應(yīng)該比心臟掃描技術(shù)的發(fā)展過程要快得多。本文通過能譜成像原理的介紹及寶石CT的能譜成像與常規(guī)CT圖像的劑量及圖像質(zhì)量的對比的實(shí)驗(yàn)研究與臨床研究結(jié)果的介紹，從而探討能譜成像臨床普及性應(yīng)用的可能性。

1 能譜成像的基本原理

寶石CT的能譜CT成像的實(shí)現(xiàn)，首先是基于堅(jiān)實(shí)的物理理論基礎(chǔ)。CT是通過測量X光在物體中的吸收來進(jìn)行成像的，而物質(zhì)的吸收隨X線能量變化而變化，比如軟組織和血液，隨能量變化的程度不大；相反高原子量的物質(zhì)，比如骨胳和CT中使用的對比劑（以碘為主），隨能量變化就會(huì)比較強(qiáng)烈。其次，任何物質(zhì)都有對應(yīng)的特征吸收曲線，而且這種吸收曲線能夠用兩個(gè)能量點(diǎn)來完整表達(dá)。所以當(dāng)人們對同一物體用兩種不同能量的X射線進(jìn)行成像的話，就有可能確定一個(gè)吸收曲線，從而找出和這個(gè)吸收曲線對應(yīng)的物質(zhì)。正是這種隨能量的不同變化，使得人們能夠通過能量CT成像方法來區(qū)分不同的物質(zhì)。物理實(shí)驗(yàn)表明任何一個(gè)物質(zhì)對X射線的吸收都可以由任何另外兩個(gè)物質(zhì)（基物質(zhì)對）的吸收來表達(dá)，正如地圖上任何一點(diǎn)可以在X-Y坐標(biāo)上表達(dá)一樣，這一點(diǎn)從數(shù)學(xué)上也很容易證明[1-6]，見式（1）。

在式(1)中人們把水和碘選擇為基物質(zhì)對，Dwater和Diodine則分別為所需要的水和碘的密度，以實(shí)現(xiàn)物理上所測得的吸收，即CT（x,y,z,E）。這個(gè)密度值和X射線的能量無關(guān)。之所以用水和碘作為基物質(zhì)對，是因?yàn)樗偷庠卺t(yī)學(xué)成像中比較接近常見的軟組織和碘對比劑，這樣會(huì)有助于分析和理解。當(dāng)然人們可以選擇任何物質(zhì)對作為基物質(zhì)對，事實(shí)上對于一些特殊的臨床應(yīng)用，人們也希望用不同于水、碘的基物質(zhì)對來更直觀地，定量地反映未知物的組織成份。

式(1)提示在能譜成像中把求解CT值的工作轉(zhuǎn)化為首先求解基物質(zhì)對的密度值的工作。要想求解密度值需要有對應(yīng)于密度值的完整的投影數(shù)據(jù)。具體來說，兩組不同能量的吸收投影數(shù)據(jù)如果具有空間和時(shí)間上很好的一致性，能夠在數(shù)據(jù)空間進(jìn)行吸收投影數(shù)據(jù)到物質(zhì)密度投影數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。若以水和碘作為基物質(zhì)對的話，就能獲得對應(yīng)于水和碘密度的兩組物質(zhì)密度投影數(shù)據(jù)。通常情況下密度值Dwater（x,y,z）和Diodine（x,y,z） 并不代表確定物質(zhì)的真實(shí)物理組成，而是通過這兩種基物質(zhì)的組合來產(chǎn)生相同的衰減效應(yīng)。這是對所需檢查物質(zhì)成分的一種相對的表達(dá)，它更多的是用來分離不同的物質(zhì)，而不是確定某種物質(zhì)。但是在某些特定的情況下它也能用來表達(dá)某種物質(zhì)的真實(shí)含量，比如增強(qiáng)掃描中血管中碘的含量。通常來講會(huì)選擇衰減性能明顯高低不同的物質(zhì)作為基物質(zhì)對。能譜成像的另一個(gè)巨大的優(yōu)越性在于它的單能量成像。物理學(xué)家們已經(jīng)為使用者提供了水和碘（μwater（E） 和μiodine（E））以及許許多多純物質(zhì)和混合物的質(zhì)量吸收函數(shù)隨能量變化的曲線。使用水和碘的質(zhì)量吸收函數(shù)隨能量變化的關(guān)系和求得的基物質(zhì)對的密度值，就能計(jì)算出所感興趣物質(zhì)在各個(gè)單能量點(diǎn)中對X射線的吸收CT（x,y,z,E），從而實(shí)現(xiàn)單能量CT成像。比如人們需要知道感興趣物質(zhì)在70keV單光子能量下的吸收或CT圖像，只要查找μwater（70keV） 和μiodine（70 keV）數(shù)值，并把這些數(shù)據(jù)連同求得的基物質(zhì)對的密度值代入公式(1)即可。

物理基礎(chǔ)僅為成像模式的實(shí)現(xiàn)提供了一種理論可能，把這種可能轉(zhuǎn)化成現(xiàn)實(shí)還必須有先進(jìn)的硬件和軟件支持。寶石CT的能譜成像的實(shí)現(xiàn)得益于在整個(gè)CT成像系統(tǒng)上，包括高壓發(fā)生器、X射線球管和探測器材料以及重建技術(shù)的重大突破[7-10]。

2 寶石CT的能譜成像與常規(guī)CT的射線劑量和圖像質(zhì)量的對比

輻射劑量對被照射人群存在潛在危害性也逐漸受到人們的關(guān)注[11]。有報(bào)道指出[12-13]，全球來自醫(yī)療方面的年人均輻射劑量在過去10～15年里大約增加了一倍，尤其在高度發(fā)達(dá)的國家這種情況更為突出。而CT檢查被認(rèn)為是造成醫(yī)源性照射最重要的原因[14]。因而，如何在滿足臨床診斷要求的同時(shí)保證圖像的質(zhì)量，減少受檢者輻射劑量，已成為當(dāng)今影像學(xué)關(guān)注的一個(gè)重要的問題的優(yōu)化[15,16]。

接下來，首先對日本東京女子醫(yī)科大學(xué)東醫(yī)療中心的有關(guān)寶石CT的能譜成像與常規(guī)CT的射線劑量和圖像質(zhì)量的對比的實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果做一簡單介紹。實(shí)驗(yàn)研究采用QA標(biāo)準(zhǔn)體模，對其中的空間分辨率部分和水模部分（圖1）進(jìn)行掃描，掃描分為兩組，第一組使用120 kVp的常規(guī)CT進(jìn)行掃描，第二組采用能譜采集掃描模式（80 kVp/140 kVp瞬時(shí)kVp切換）進(jìn)行掃描，兩組掃描其它的參數(shù)完全一致：層厚0.625 mm，球管旋轉(zhuǎn)速度和毫安分別設(shè)置為0.6 s × 375 mA=225 mAs和1.0 s × 600 mA=600 mAs，螺距為0.984，能譜成像使用65 keV的單能量圖像用于圖像質(zhì)量的評估(表1)。

表1 常規(guī)120kVp的CT圖像和65keV的單能量的CT圖像和劑量的比較

從圖1～圖3和表1可以得到，在同一毫安秒（mAs）的條件下（225 mAs和600 mAs），對所有的18個(gè)ROI的SD測量數(shù)據(jù)，常規(guī)120 kVp的CT圖像略好于65 keV的單能圖像，65 keV的SD較常規(guī)120 kVp的高5.9%（225 mAs）和5.2%（600 mAs），但統(tǒng)計(jì)學(xué)上均無差別（P>0.05），在與常規(guī)CT同一毫安秒的條件下，能譜成像的單能量圖像（65 keV）可以得到足夠好的圖像質(zhì)量。兩種方法在同一毫安秒和同一掃描野的條件下，掃描劑量的分析（表1）：能譜成像的掃描射線劑量僅為常規(guī)CT掃描劑量的79.2%（225 mAs）和73.0%（600 mAs），平均為76.1%。

這個(gè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)給人們提示了，在同一毫安秒的掃描條件下，能譜成像的圖像質(zhì)量同等于常規(guī)CT的120 kVp的圖像質(zhì)量，但劑量只有常規(guī)CT掃描的76.1%。

對于能譜成像的射線劑量問題，主要有二個(gè)方面值得探討，其一，因受80 kVp和140 kVp瞬時(shí)高速切換的物理?xiàng)l件的限制，與心臟掃描一樣，能譜成像的掃描不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)毫安功能。其二，能譜成像的初期只有600 mA，這也是受80 kVp/ 140 kVp瞬時(shí)高速切換的物理?xiàng)l件的限制，所以能譜成像的掃描劑量只能依靠不同的螺距和不同的旋轉(zhuǎn)速度來進(jìn)行調(diào)控。但即使是使用較快的旋轉(zhuǎn)速度0.5轉(zhuǎn)/s和大的螺距1.375，600 mA對常規(guī)的胸部等檢查也許還是過高，但隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了260 mA的能譜成像的掃描模式，可以適用于更多的低劑量能譜成像的臨床應(yīng)用。同時(shí)，對于不同體格的患者，可以使用常規(guī)CT掃描的自動(dòng)毫安（CT-AEC）功能來推算出能譜成像的最佳掃描參數(shù)。

最后對日本JA尾道綜合醫(yī)院的臨床數(shù)據(jù)的認(rèn)證進(jìn)行簡單的介紹。日本JA尾道綜合醫(yī)院的研究對象為27例（男性15例，女性12例），平均年齡為（64.6±2.3）歲，使用單源瞬時(shí)kVp切換能譜CT數(shù)據(jù)采集。平掃采用常規(guī)120 kVp的螺旋掃描（旋轉(zhuǎn)速度為0.6轉(zhuǎn)/s，掃描螺距為0.984，40 mm探測器寬度，120 kVp，毫安設(shè)置采用自動(dòng)毫安（CTAEC）：Noise Index 10 HU@5 mm），重建0.625 mm的FBP（0%）圖像，30%ASiR圖像和50%ASiR圖像。門靜脈成像采用能譜成像掃描模式，螺距與平掃一樣為0.984，利用常規(guī)CT掃描的自動(dòng)毫安（CT-AEC）功能，選擇最接近的毫安秒的能譜成像參數(shù)用于能譜成像掃描，重建與120 kVp等價(jià)的66 keV的0.625 mm的單能量圖像用于對比研究。記錄兩次掃描的CTDIvol（mGy）用于劑量對比研究。圖像質(zhì)量(SD)的對比使用66 keV的單能量圖像，120 kVp的FBP圖像，30%ASiR圖像和50%ASiR圖像，對于不同重建方法的圖像的同一層面，在膽囊和肝實(shí)質(zhì)部選擇感興趣區(qū)（ROI），并選擇前后三個(gè)斷面，測量SD作為圖像質(zhì)量的對比。能譜成像掃描的劑量為（17.0±5.0 ）mGy，與常規(guī)120 kVp的螺旋掃描劑量(15.7±5.3 mGy)相比，雖然增加了8.4%，但不存在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的差異(P>0.05)，說明兩種方法的掃描劑量相當(dāng)。關(guān)于圖像質(zhì)量(SD)的比較，膽囊的測量結(jié)果：66 keV單能量圖像質(zhì)量為（17.8±2.3）HU，120 kVp FBP圖像為（21.8±2.2）HU，30%ASiR圖像為（17.6±1.7）HU，50%ASiR圖像為（14.8±1.8）HU；肝實(shí)質(zhì)部的測量結(jié)果：66 keV單能量圖像質(zhì)量為（21.2±2.6）HU，120 kVp的FBP圖像為（26.0±2.8）HU，30%ASiR圖像為（21.1±2.2）HU，50%ASiR圖像為（17.9±1.8）HU，無論是膽囊還是肝實(shí)質(zhì)部，66 keV單能量圖像與120 kVp30%ASiR的圖像質(zhì)量相比，無統(tǒng)計(jì)學(xué)上的差異（P>0.05），表明兩者圖像質(zhì)量相當(dāng)，同時(shí)說明66 keV單能量圖像要優(yōu)于120 kVp 的FBP圖像質(zhì)量（P<0.05）。

表2 常規(guī)120kVp的CT圖像和66keV的單能量的CT圖像和劑量的比較(臨床研究)

日本JA尾道綜合醫(yī)院的臨床研究表明，利用常規(guī)CT掃描的自動(dòng)毫安（CT-AEC）功能進(jìn)行能譜成像掃描參數(shù)的優(yōu)化，能譜成像的掃描劑量與常規(guī)120 kVp螺旋掃描的劑量相當(dāng)（P>0.05），而66 keV單能量圖像的圖像質(zhì)量要優(yōu)于常規(guī)120 kVp 的FBP圖像的圖像質(zhì)量（P<0.05）。

通過能譜成像原理的介紹及寶石CT的能譜成像與常規(guī)CT圖像的劑量及圖像質(zhì)量的對比的實(shí)驗(yàn)研究與臨床研究結(jié)果的介紹，從而認(rèn)證了能譜成像臨床普及性應(yīng)用的可能性。相信隨著研究成果的不斷總結(jié)和發(fā)表，寶石能譜CT的臨床應(yīng)用前景會(huì)越來越受到同行的關(guān)注，也將會(huì)豐富影像診斷的手段。

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Principle and Radiation Dose of Energy Imaging for Discovery CT

SHEN Yun
East Medical Center, Tokyo Women's Medical University, Tokyo, Japan

Computed tomography (CT) has become an important modality for diagnosing diseases. The most prominent advantages of Spectral CT which has over conventional CT are its set of quantitative analysis tools as well as its integrated diagnostic method based on multi-parameter images, including material-decomposition images, monochromatic images and spectral curves. On the other hand, this unique multi-parameter imaging method has also introduced unprecedented challenges to radiologists accustomed to the single-parameter diagnostic mode. It is thus important for radiologists to understand the imaging principles, image appearance, and clinical applications of Spectral CT. This paper begins by reviewing the history of energy CT with emphases on the necessity of the development of energy CT, followed by a thorough analysis of the fundamentals of Spectral CT imaging with single tube-fast kVp acquisition approach in terms of its necessary image generation algorithm. It then demonstrates the ability of Spectral CT imaging in quantif cation using phantom experiments, and it reveals the tremendous value of Spectral CT in improving image quality as well reducing the radiation dose.

computed tomography; X-ray computer; spectral imaging; radiation dose

TH774

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.09.003

1674-1633(2012)09-0013-04

2012-07-05

2012-08-15

作者郵箱：yuna.shen@ge.com