黃仁軍綜述 李勇剛審校

能譜CT的臨床應用與研究進展

黃仁軍綜述 李勇剛審校

MSCT的應用為疾病的診斷帶來了巨大的推動作用，而能譜CT利用其單能量圖像、基物質(zhì)圖像、能譜曲線、有效原子序數(shù)等多種參數(shù)進行疾病的診斷和定量分析，極大地豐富了診斷信息。本文主要闡述能譜CT的原理、臨床應用特點以及發(fā)展前景。

能譜CT；體層攝影術(shù)，X線計算機；診斷

目前，CT已成為疾病診斷和篩查的一種重要手段，與常規(guī)CT相比，能譜CT利用其單能量圖像、基物質(zhì)圖像、能譜曲線、有效原子序數(shù)等多種參數(shù)進行疾病的診斷及定量分析，不僅為我們提供了傳統(tǒng)CT具有的人體解剖形態(tài)圖像，并且利用其多參數(shù)成像實現(xiàn)了物質(zhì)成分分析、鑒別、定量等，大大提高了疾病診斷的準確性和可靠性。

能譜CT的基本原理及技術(shù)支持

1．能譜CT的基本原理

單能量成像：能譜CT幾乎在同時、同角度得到高（140kVp）、低（80kVp）兩種能量X線的采樣數(shù)據(jù)，并根據(jù)這兩種能量數(shù)據(jù)確定體素在40～140keV能量范圍內(nèi)的衰減系數(shù)，同時能譜CT可獲取范圍內(nèi)其他的101個單能量圖像。能譜CT可通過計算最佳對比噪聲比（contrast to noise ratio，CNR）以及相應的能量值而獲得最佳單能量圖像。與常規(guī)CT相比，單能量圖像具有更好的圖像質(zhì)量、信噪比（signal to noise ratio，SNR）和對比噪聲比（CNR）［1］。

物質(zhì)組成分析與物質(zhì)分離：能譜CT能將任何物質(zhì)的X線吸收系數(shù)轉(zhuǎn)化為任意兩種基物質(zhì)的吸收系數(shù)，并達到與該物質(zhì)相同的X線衰減效應，因此可將一種物質(zhì)的衰減轉(zhuǎn)化為產(chǎn)生同樣衰減的兩種物質(zhì)的密度，并根據(jù)已知能量水平的某基物質(zhì)吸收系數(shù)就可評價出該基物質(zhì)的密度及空間分布，從而實現(xiàn)物質(zhì)組成成分的初步分析及物質(zhì)分離，并產(chǎn)生物質(zhì)分離圖像［2，3］。通常選擇衰減高低不同的物質(zhì)組成基物質(zhì)對，水和碘是常用的組合，因為它包含了從軟組織到含碘對比劑以及醫(yī)學中常見物質(zhì)的范圍［4］。通過公式p＝－ln（I／I0）＝d1u1（E）＋d2u2（E）（I0：入射強度，I：透射強度，d1：物質(zhì)1密度，d2：物質(zhì)2密度，u1：物質(zhì)1的衰減系數(shù)，u2：物質(zhì)2的衰減系數(shù)，E：相應的能量水平），物質(zhì)組成分析就能用計算得到的單色光源數(shù)據(jù)來表示。但是，能譜CT物質(zhì)組成分析并不是確定物質(zhì)組成，而是通過給定的兩種基礎物質(zhì)來產(chǎn)生相同的衰減效應；成分分離時也不是固定以某種物質(zhì)作為基物質(zhì)進行物質(zhì)分離，而是可選擇任意兩種基物質(zhì)進行物質(zhì)分離［2］。

有效原子序數(shù)：如果某元素對X線的吸收系數(shù)與某化合物或混合物的吸收衰減系數(shù)相同，該元素的原子序數(shù)就是某化合物或混合物的有效原子序數(shù)。通過計算得出化合物和混合物的有效原子序數(shù)，可以用來進行物質(zhì)檢測、鑒別及物質(zhì)分離等［5］。物理學家已經(jīng)確定了兩個單能量下u值的比值和有效原子序數(shù)的對應關系，在臨床應用中，人們首先對受檢組織進行能譜成像掃描，獲取物質(zhì)隨能量變化的X線衰減曲線，在曲線上分別得到70和120keV兩點，計算u值，再找出其和有效原子序數(shù)曲線的相交點，即可得到其有效原子序數(shù)。

2．能譜圖像分析工具

最佳對比噪聲比：從能譜成像產(chǎn)生的單能量圖像中快速選出最適合圖像分析的能量點，應用于單能量圖像，從而能夠在眾多單能量圖像中快速并準確找到顯示感興趣組織的最佳能量點。

直方圖：直方圖可應用于基物質(zhì)圖像、單能量圖像或有效原子序數(shù)圖的分析中，是用來觀察不同興趣區(qū)（regio of interest，ROI）中體素分布的最好方法，對區(qū)域內(nèi)的信息進行統(tǒng)計，直方圖反應的是統(tǒng)計性質(zhì)，不包含空間位置信息。直方圖的寬窄代表了物質(zhì)密度、CT值及有效原子序數(shù)的離散程度，高低代表了所占比例的大小。在應用上，直方圖也可用來反應物質(zhì)和組織結(jié)構(gòu)的特性。

散點圖：類似于直方圖，用于單能量圖、基物質(zhì)圖或有效原子序數(shù)圖的分析。在應用上，與直方圖和能譜曲線相近，代表物質(zhì)和組織結(jié)構(gòu)的特性，可用于鑒別、分類組織結(jié)構(gòu)和疾病，也可用于觀察病灶內(nèi)有無強化。

3．能譜CT的硬、軟件支持

瞬時換能高壓發(fā)生器使單探測器和球管能在≤0．5ms內(nèi)實現(xiàn)80～140kVp兩峰值管電壓瞬時切換，視野均為50cm。能譜CT的探測器選用分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的材料，其對X線反應速度快，初始速度（X線轉(zhuǎn)換為可見光的速度）加快100倍，清空速度（余暉效應）加快4倍，確保兩次高速采樣之間的數(shù)據(jù)處理沒有影響，同時其采樣率增加了2．5倍，使得空間分辨力大幅度提高。高頻低噪的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可保持穩(wěn)定的球管X光焦點大小，高級重建引擎適應性統(tǒng)計迭代（adaptive statistical literative reconstruction，ASiR）技術(shù)、能譜觀察與分析系統(tǒng)能夠同時觀察常規(guī)的混合能量CT圖像（kVp）、單能量CT圖像（keV）及物質(zhì)分離的密度圖像，能夠生成從40～140keV的101個單能量圖像，物質(zhì)分離生成新的基物質(zhì)密度圖像，如水，鈣，碘等［4］。

能譜CT臨床應用進展

1．低劑量掃描，高質(zhì)量圖像

致密骨質(zhì)結(jié)構(gòu)、碘對比劑、鈣化等常由于射束硬化偽影的產(chǎn)生而影響診斷醫(yī)師對圖像的評價。能譜CT單能量圖像能夠有效地克服硬化偽影，獲得與傳統(tǒng)CT相似或者質(zhì)量更高的圖像。利用能譜CT最佳keV單能量成像能夠明顯提高手足肌腱掃描的圖像質(zhì)量，并已用于臨床診斷。ASIR技術(shù)的應用更是在提高圖像空間分辨力的同時，降低了圖像噪聲。有研究表明，ASIR技術(shù)在能譜CT冠脈造影中的應用使圖像噪聲降低，空間分辨力更高，在一些細微結(jié)構(gòu)的顯示上優(yōu)于傳統(tǒng)CT［6］。以上兩種技術(shù)的應用均有助于降低輻射劑量，增加掃描的安全性。進行CT診斷時，金屬偽影的產(chǎn)生同樣會對診斷醫(yī)師的準確評估造成不良影響。能譜CT通過金屬偽影去除系統(tǒng)（metal artifacts reduction system，MARS）技術(shù)并結(jié)合單能量成像，能夠有效地消減假體產(chǎn)生的金屬偽影，使假體以及假體周圍區(qū)域可見性提高［7］。在行CT冠脈檢查時，患者有時需要通過口服降心率的藥物來減少由于心臟搏動產(chǎn)生的偽影，從而能夠準確地評估冠脈改變。有學者在能譜CT冠脈造影中應用運動糾正算法，發(fā)現(xiàn)在不服用控制心率的藥物的情況下，圖像質(zhì)量、可解釋性以及準確性均優(yōu)于傳統(tǒng)標準［8］。心肌灌注掃描時，由于射束硬化偽影的影響，部分有灌注心肌的CT值與未灌注區(qū)域類似，表現(xiàn)為灌注缺損，能譜CT 69keV的單能量圖像不僅可以消除射束硬化偽影的影響，得到準確的CT值與心肌灌注圖像，并且能夠降低圖像噪聲，得到更高質(zhì)量的圖像［9］。通過選擇合適的參數(shù)，腹部CT能譜掃描與常規(guī)掃描的劑量相當，其單能量圖像的噪聲低于常規(guī)掃描的濾波反射投影（filtered back projection，F(xiàn)BP）重建圖像［10］；利用MARS技術(shù)后，金屬植入物附近偽影明顯減弱或消除，腹部腫瘤的可見性有所提高，但是在軸面成像中遠場效應的偽影更加明顯［11］。能譜最佳單能圖像還可很好地增加泌尿道與周圍組織的對比度，特別是顯示輸尿管異位開口方面有很大的優(yōu)勢，對小兒泌尿道畸形的診斷具有重要價值［12］。最近有研究顯示，50Kev時腸系膜上動脈CT成像與常規(guī)CT相比具有更高的CNR以及更好的圖像質(zhì)量［13］。

2．在物質(zhì)成分分離與鑒別中的應用

以往對于斑塊成分大多是用CT值的不同來進行分析、鑒別，而能譜CT提供的能譜曲線、物質(zhì)分離圖像、有效原子序數(shù)圖等，為斑塊成分的分析提供了更加直觀、準確、可靠的方法。相關研究認為能譜CT根據(jù)能譜曲線可有效區(qū)分動脈粥樣硬化斑塊中的纖維成分、脂質(zhì)成分及血栓樣組織，通過測定其出現(xiàn)的范圍可判斷斑塊中脂質(zhì)成分的相對含量，進而評估斑塊的穩(wěn)定性［14］；比較分析3種斑塊成分的碘（脂肪）濃度值，發(fā)現(xiàn)各成分表現(xiàn)出明顯的濃度值差異，即成分的X線衰減系數(shù)存在明顯差異，采用同組基物質(zhì)進行物質(zhì)再表達，使成分組間差異得以量化；3種斑塊成分的有效原子序數(shù)存在明顯差異，將斑塊內(nèi)的3種不同物質(zhì)轉(zhuǎn)換為元素原子序數(shù)，可直觀顯示其不同成分，為鑒別斑塊成分提供了新的方法，可早期提示含有易損性脂質(zhì)成分及血栓樣組織的不穩(wěn)定斑塊，可降低腦血管意外的發(fā)生率。最近有研究表明，利用能譜CT冠脈造影的虛擬平掃技術(shù)，SPECT心肌彌散成像衰減糾正具有一定可行性及可靠性［15］。肺動脈造影常被認為是診斷肺栓塞的“最佳標準”，但是對較小或較遠端的栓子，有時動脈造影同V／Q掃描一樣也難以發(fā)現(xiàn)。能譜CT碘基圖像可敏感地發(fā)現(xiàn)肺灌注差異，且可一站式得到傳統(tǒng)肺組織圖像、肺動脈CTA和肺碘基物質(zhì)灌注圖像，實現(xiàn)形態(tài)學診斷和功能學分析的完美結(jié)合，豐富了診斷信息，簡化了檢查流程［16］，在肺栓塞評價中是十分有用的工具。水基圖像的形成可以被用來鑒別增強后的胰腺實質(zhì)與急性出血，從而發(fā)現(xiàn)一些胰腺疾病所致的灌注異常［17］。能譜CT基物質(zhì)圖像還可將骨組織從圖像當中移除，得到不顯示鈣化的圖像，使得骨髓被評估成為可能，從而在骨挫傷后骨髓損傷的探測當中得以應用［5］。在對痛風患者的能譜CT掃描中，尿酸基物質(zhì)圖像及尿酸基偽彩圖像能夠反映高尿酸含量的痛風石的有無、大小、部位、分布情況，并能根據(jù)鈣基圖像上的高鈣濃度區(qū)分布范圍來明確區(qū)分痛風石和皮質(zhì)骨，且可清晰顯示骨質(zhì)破壞邊緣的情況［18］。行CT尿路造影時，高密度的對比劑常常會掩蓋高密度鈣化與結(jié)石；而能譜CT基物質(zhì)圖像的產(chǎn)生能有效地區(qū)分碘劑、鈣化和結(jié)石［17，19］，使得在傳統(tǒng)CT中可能被碘劑掩蓋的鈣化或結(jié)石得以準確顯示；并且可有效區(qū)分結(jié)石成分［5］，為尿路結(jié)石臨床治療方案的制定提供了很有價值的信息。有研究表明能譜CT基物質(zhì)圖像在單純性與出血性囊腫的鑒別診斷中比傳統(tǒng)CT更具優(yōu)勢［19］。

3．在基物質(zhì)圖像定量分析中的應用

通過能譜CT基物質(zhì)圖像，對基物質(zhì)濃度進行定量分析，可以更準確地了解基物質(zhì)濃度，并且更敏感地檢測出濃度的變化。相關研究表明，常規(guī)冠脈CT血管造影結(jié)合能譜CT雙能量掃描模式，一次掃描不但可常規(guī)分析冠脈血管形態(tài)，還可通過物質(zhì)分離成像及其他能譜定量分析參數(shù)提高心肌梗死的檢出率，且與SPECT及MRI心肌灌注的檢查結(jié)果有較高的一致性［20］。通過基物質(zhì)的定量分析，在心肌梗死圖像中發(fā)現(xiàn)不同增強階段碘的濃度是不一樣的［21］，因此可以通過對不同階段碘濃度的設定量化范圍，對心肌梗死的分期更加精確。通過肺標本能譜CT成像，發(fā)現(xiàn)在SiO2基圖像上進行肺標本的SiO2定量可以有效評估肺實質(zhì)和肺結(jié)節(jié)內(nèi)的SiO2含量，這有可能為診斷和鑒別診斷塵肺病提供一種定量工具，并成為監(jiān)測接塵工作人員SiO2暴露量的一種全新工具［22］。在肝硬化的能譜CT應用研究中，通過碘濃度定量分析的差異可以觀測肝硬化患者的血流動力學變化，并且能夠?qū)Ω斡不瘒乐爻潭冗M行分級［23，24］，簡化了傳統(tǒng)肝硬化分級的方式，具有潛在應用價值。

4．在腫瘤鑒別診斷中的應用

在腫瘤發(fā)生的過程中，不僅會有組織結(jié)構(gòu)發(fā)生異常改變產(chǎn)生瘤性贅生物，同時還有細胞內(nèi)組織成分發(fā)生變化，多數(shù)還會發(fā)生血供的改變。傳統(tǒng)CT對腫瘤的診斷局限于形態(tài)學及密度值的變化，而能譜CT不僅具有傳統(tǒng)CT的功能，并且能夠應用其能譜曲線、基物質(zhì)圖像定量等對組織成分及血供的異常改變進行多種參數(shù)及成像模式的分析，豐富了腫瘤診斷方法，同時也提高了診斷信心。相關研究發(fā)現(xiàn)能譜CT多參數(shù)成像分析在肺部炎性病變與惡性腫瘤的鑒別［25］，肺癌診斷、分型［26］、鑒別診斷、TNM臨床分期［27］中具有重要的應用價值；能譜CT同樣也有助于甲狀腺、肝臟、前列腺等器官的良、惡性結(jié)節(jié)或腫塊的鑒別診斷，如Srinivasan等［28］報道能譜CT參數(shù)提高了頸部惡性病變診斷的敏感度和特異度。Lv等［29］研究認為能譜CT成像提高了鑒別肝臟微血管瘤和小肝癌的敏感度。此外，能譜CT還為腎上腺轉(zhuǎn)移瘤來源的鑒別分析提供了多參數(shù)的方法［30］，為轉(zhuǎn)移性腫瘤的診斷與鑒別診斷提供了新的思路。

發(fā)展前景

能譜CT作為影像醫(yī)學領域的一項新技術(shù)，代表著目前CT的發(fā)展方向，可為疾病的發(fā)現(xiàn)及鑒別提供更多信息。隨著多參數(shù)成像模式逐漸被熟悉及認可，能譜CT在臨床上的應用將會越來越廣泛，同時，伴隨著它的一些爭議或者不足也將被修正。未來能譜CT有著廣闊的應用前景，如更高的時間、空間分辨力，對類風濕性、痛風性關節(jié)炎的早期探測、冠脈斑塊成分的分析、惡性轉(zhuǎn)移瘤的鑒別等，這將為醫(yī)學影像學的發(fā)展帶來強大的推動力，并提供更安全、迅速、準確、可靠的診斷信息。

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R814．42

A

1000－0313（2015）01－0081－03

10．13609／j．cnki．1000－0313．2015．01．022

2014－02－08

2014－03－24）

215006 江蘇，蘇州大學附屬第一醫(yī)院放射科

黃仁軍（1991－），男，江蘇人，碩士研究生，主要從事分子影像學工作。

國家自然科學基金項目（81171394），江蘇省自然科學基金項目（BK2011307）資助