王 欣，陳劉成，2，沈龍山，周牧野，2，陳少男

（1.蚌埠醫(yī)學(xué)院第一附屬醫(yī)院放射科 蚌埠醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)院醫(yī)學(xué)影像診斷教研室，安徽 蚌埠 233004；2.數(shù)字醫(yī)學(xué)與智慧健康安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蚌埠醫(yī)學(xué)院臨床應(yīng)用解剖研究所，安徽 蚌埠 233004；3.蚌埠醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院放射科，安徽 蚌埠 233030）

以往單排、雙排及MSCT 探測器，僅有1 套球管發(fā)射X 線對(duì)病灶進(jìn)行掃描，只能定位病灶，顯示病灶及其鄰近組織結(jié)構(gòu)，而無法定量、定性分析、辨別病灶組織結(jié)構(gòu)成分。2005 年Siemens 推出全球首臺(tái)配備2 套球管、可分別產(chǎn)生高低2 種千伏能量的雙源CT（dual source computer tomography，DSCT），2009年GE 推出以雙kV 瞬時(shí)切換為核心技術(shù)的能譜CT成像，均為CT 能量成像的臨床廣泛應(yīng)用和研究奠定了基礎(chǔ)。近年來，CT 能譜成像臨床應(yīng)用顯著增加，與之相應(yīng)的應(yīng)用研究也成為熱點(diǎn)。筆者結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，就CT 能譜成像基本原理及臨床應(yīng)用進(jìn)展綜述如下。

1 CT 能譜成像基本原理

常規(guī)CT 球管產(chǎn)生的X 線為連續(xù)能譜的混合能量電磁波，物質(zhì)的吸收系數(shù)實(shí)際上是對(duì)各種能量X線吸收的總體效應(yīng)。雙能CT 成像以2 種不同的能量掃描，通常是低能和高能光子光譜。定量雙能CT 解決了在圖像強(qiáng)度和材料組成之間須建立相對(duì)應(yīng)關(guān)系的不足，除了可獲取基于物質(zhì)密度差異、與CT 值差異重建的常規(guī)CT 圖像對(duì)應(yīng)外，還可獲得從低能級(jí)到高能級(jí)各單一能級(jí)的單能譜圖像，后者圖像是基于物質(zhì)對(duì)單能量吸收系數(shù)的差異而成像。不同能量圖像的CT 值在部分組織器官不等效，此種成像需減少光束硬化偽影［1-3］。

CT 能譜成像的基本物理學(xué)原理包括3 個(gè)方面：①X 線作用于物質(zhì)后能量會(huì)衰減，其衰減程度與X線能量及物質(zhì)密度有確定的函數(shù)關(guān)系；②衰減曲線由X 線與物質(zhì)作用產(chǎn)生的光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)決定，2 種效應(yīng)各自獨(dú)立，與X 線能量、所作用物質(zhì)的原子系數(shù)或電子密度具有函數(shù)關(guān)系；③任何一種特定組織的X 線吸收效應(yīng)，可通過由2 種物質(zhì)相應(yīng)比例的基物質(zhì)對(duì)組合來等效表示，臨床上常用水和碘作為基物質(zhì)對(duì)，也可用鈣和水?；镔|(zhì)對(duì)的不同比例可等效于從軟組織到碘對(duì)比劑、醫(yī)學(xué)中常見吸收系數(shù)范圍的物質(zhì)［1，3］。

光電吸收效應(yīng)強(qiáng)度與被檢物質(zhì)的原子系數(shù)成正比，鈣、骨骼、碘對(duì)比劑等高密度物質(zhì)受其影響更顯著；而康普頓效應(yīng)強(qiáng)度與物質(zhì)的電子密度有確定的函數(shù)關(guān)系，軟組織受其影響更顯著。進(jìn)行雙能量掃描時(shí)，雙球管分別產(chǎn)生不同電壓或單球管高、低電壓瞬切技術(shù)，均可產(chǎn)生2 種不同能量的X 線，經(jīng)被檢體衰減后由對(duì)應(yīng)探測器分別檢測，從而獲得2 組原始雙能量吸收的數(shù)據(jù)，建立2 元方程組，可計(jì)算出被照射物質(zhì)的康普頓效應(yīng)和光電效應(yīng)的數(shù)據(jù)，從而重建出雙能量圖像。由于純水及純碘的能量譜線已知，通過方程組還可計(jì)算出被檢體物質(zhì)所等效的基物質(zhì)對(duì)的相應(yīng)比例。不同比例的基物質(zhì)對(duì)的能譜曲線可事先檢測，只要得到被檢體物質(zhì)所等效的基物質(zhì)對(duì)中各基物質(zhì)的比例，被檢體物質(zhì)的能譜曲線也等效于相應(yīng)比例基物質(zhì)對(duì)的特征譜線，從而實(shí)現(xiàn)由雙能量CT獲得虛擬單能譜圖像［3-4］。

2 單能量成像

以往單球管高低電壓序列掃描成像技術(shù)，2 次掃描，空間匹配困難，易受人體位置移動(dòng)、呼吸運(yùn)動(dòng)及器官蠕動(dòng)的影響。雙球管技術(shù)（雙源CT），雙球管（一大一?。?、雙探測器、掃描野受限（小球管視野30 cm），運(yùn)動(dòng)偽影大，散射線較多。CT 能譜成像是近年來新興的雙能量成像技術(shù)，采用單球管瞬時(shí)kV 切換技術(shù)，在0.5 ms 內(nèi)實(shí)現(xiàn)80 kV 和140 kV 快速轉(zhuǎn)換，采集和處理幾乎同方向，同源2 種能量X 線的數(shù)據(jù)，生成40～140 keV 101 組單能量圖像，得到能反映不同物質(zhì)特征的能譜曲線［4］。

由雙能量CT 獲得的虛擬單能譜圖像，除了具有常規(guī)CT 的空間分辨力（高對(duì)比分辨力）、密度分辨力（低對(duì)比分辨力）、時(shí)間分辨力之外，還增加了能譜分辨力，常用單能譜70 keV 圖像，使CT 功能成像得以實(shí)現(xiàn)。由雙能量CT 提取的單能譜圖像，可計(jì)算得到40～140 kV（不同設(shè)備范圍略有差異）的一序列單keV 能量圖像，從中獲得優(yōu)化的最低噪聲、最高對(duì)比的圖像。CT 圖像上的組織分割是三維重建的基礎(chǔ)，須同時(shí)控制劑量。在組織分割時(shí)，由雙能量CT 獲得的單能譜圖像明顯優(yōu)于常規(guī)混合能量CT 圖像。雙能量CT 能選擇更多的組織，從而提高劑量計(jì)算的準(zhǔn)確性［4］。與常規(guī)混合能量CT 成像比較，單能譜CT 成像測得的CT 值與碘濃度的相關(guān)性更高、誤差更小，能譜成像還可消除硬化偽影，相比普通混合能量CT，對(duì)病灶的強(qiáng)化程度和強(qiáng)化-時(shí)間曲線更準(zhǔn)確可靠［5］。

3 CTA 中的自動(dòng)去骨

骨骼對(duì)不同能量X 線的吸收系數(shù)不同，且與軟組織和碘化血管有較明顯區(qū)別，原子序數(shù)的差異可使用雙能技術(shù)使鈣和碘易于分離，這奠定了雙能CT可直接進(jìn)行CTA 檢查的技術(shù)基礎(chǔ)。能譜CTA 掃描的優(yōu)勢(shì)是通過獲得多組單能量圖像，自動(dòng)去骨降低噪聲，提高SNR，明顯改善圖像質(zhì)量，且能譜掃描可通過降低對(duì)比劑用量，降低患者的過敏概率。然而在臨床工作中，采用能譜自動(dòng)去骨掃描獲得的數(shù)據(jù)量較大，以致工作站運(yùn)算處理運(yùn)算速度較慢，增加了軟硬件工作量負(fù)荷，影響工作效率，應(yīng)改善與升級(jí)軟硬件，以滿足臨床需求［6-8］。

在下肢靜脈CTA 中，與混合能量CT 比較，采用能譜CT 的單能量掃描下肢靜脈血管重建獲得的圖像質(zhì)量更高［9］。雙能量算法識(shí)別并去除骨骼，可直接觀察碘化血管。在65 keV 和50%ASIR 條件下，雙能CTA 低容量對(duì)比劑與常規(guī)對(duì)比劑容量圖像對(duì)比度相當(dāng)，在評(píng)估外周動(dòng)脈病變中，圖像符合臨床診斷要求，下肢CTA 在60 keV 能達(dá)到最佳圖像質(zhì)量［10］。一項(xiàng)關(guān)于低劑量對(duì)比劑雙能量肺血管CTA 聯(lián)合先進(jìn)單能量成像重建對(duì)疑似肺栓塞患者的療效的研究［11］證明，對(duì)比劑用量僅需6 g，就能可靠鑒別診斷中央型、肺葉型和肺段性肺栓塞。

4 灌注成像（血池成像）與碘化血管

除了去除骨骼以觀察碘之外，碘體素的識(shí)別允許碘化區(qū)域的顏色增強(qiáng)，一種臨床用途是灌注血液體積的可視化，也稱為血池成像。已被開發(fā)用于檢測灌注不足在肺繼發(fā)于肺栓塞及檢測心肌局部缺血的區(qū)域。研究發(fā)現(xiàn)CT 能譜灌注掃描兔腫瘤模型時(shí)，腫瘤組織動(dòng)脈期碘含量與血容量、血流量、肝動(dòng)脈分?jǐn)?shù)、表面通透性及微血管密度成正相關(guān)，表明CT 能譜灌注掃描能定量反映兔肝癌模型腫瘤新生血管情況［12］。在鑒別兔乳腺癌腋窩炎性淋巴結(jié)和轉(zhuǎn)移時(shí)，CT能譜灌注成像定量參數(shù)也有一定價(jià)值，聯(lián)合血流量+動(dòng)脈期40～70 keV 能譜曲線斜率（λ）＋靜脈期λ 的高AUC 值，診斷價(jià)值較高［13］。能譜CT 張力灌注成像對(duì)病變的冠狀動(dòng)脈粥樣硬化CTA 是一個(gè)很好的補(bǔ)充，能更準(zhǔn)確檢測病變冠狀動(dòng)脈的血流動(dòng)力學(xué)［14］。借助專用軟件，雙源CT 灌注成像較單純的肺血管CTA能顯著提高節(jié)段性和亞節(jié)段性肺栓塞的檢出率［15］。

5 虛擬平掃及去鈣質(zhì)

能譜純化技術(shù)能夠?qū)⒌?、鈣質(zhì)、鐵等成分從CT值中分離，達(dá)到物質(zhì)分離的目的，其重要應(yīng)用：①分離碘，除去CT 強(qiáng)化圖像中的碘成分來創(chuàng)建一個(gè)虛擬非增強(qiáng)圖像（virtual non-contrast，VNC），即虛擬平掃圖像［16］。虛擬平掃需引入對(duì)比劑，0%的碘形成虛擬平掃而100%的碘形成碘圖，也是目前定性、定量的重要方法之一。②胰腺癌，真實(shí)非對(duì)比圖像（true non-contrast，TNC）組和VNC 組比較，VNC 圖像質(zhì)量滿足診斷要求，可代替動(dòng)態(tài)增強(qiáng)掃描作為基線的常規(guī)平掃［17］。③甲狀腺病變，VNC 代替常規(guī)平掃時(shí)，既不影響診斷，獲得優(yōu)質(zhì)的圖像信息，又可明顯降低輻射劑量［18-19］。④腎癌患者VNC 組與TNC 比較，腫瘤組織及鄰近臟器的CT 值和SNR 差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，雙能量VNC 可替代TNC［20-21］。

去鈣質(zhì)目前更多是應(yīng)用在骨關(guān)節(jié)及血管壁的評(píng)估中，無需引入對(duì)比劑。去除鈣質(zhì)，可突出顯示骨髓的水腫；去除動(dòng)脈粥樣硬化斑塊，更好地顯示血管壁非鈣化斑塊；分離出鐵質(zhì)，可消除骨折外固定鋼架的CT偽影［22-23］。如果VNC 圖像具有良好的圖像質(zhì)量以替代TNC 圖像，則可省略多相檢查的非對(duì)比掃描。與單能量CT 相比，雙能量CT 顯著提高了對(duì)物質(zhì)或組織的分辨，對(duì)冠狀動(dòng)脈鈣化斑塊的定量測定有重要的臨床意義。研究［24］表明，基于非傳統(tǒng)雙能量CT 的鈣斑塊定量測量結(jié)果與傳統(tǒng)單能量CT 所獲得的鈣評(píng)分一致。另一組研究也證實(shí)，主動(dòng)脈行CTA 時(shí)，VNC 組的主動(dòng)脈衰減明顯高于TNC 組；基于動(dòng)脈相位CTA 的VNC圖像具有較高的平均衰減率和較高的噪聲水平［25］。在骨折金屬支架固定術(shù)后復(fù)查患者，應(yīng)用雙能量CT單能譜成像進(jìn)行不同密度的金屬減影處理，可將金屬偽影去除，更清晰地顯示骨折及金屬固定處解剖細(xì)節(jié)，獲得更高的圖像質(zhì)量［23］。去除鈣質(zhì)最重要的價(jià)值在于去除動(dòng)脈粥樣硬化斑塊和虛擬去鈣質(zhì)。能譜CT物質(zhì)分離技術(shù)評(píng)價(jià)冠狀動(dòng)脈鈣化斑塊狹窄率，具有較高的準(zhǔn)確性，但鈣化斑塊所在動(dòng)脈節(jié)段管腔大小影響?yīng)M窄率的判斷，管腔管徑大者符合率較高［26］。

利用光譜CT 純化功能，采用雙層光譜CT，使用特定開發(fā)的算法分解成羥基磷灰石、水腫當(dāng)量和脂肪當(dāng)量密度圖，對(duì)急性骨折、骨髓水腫的敏感性均較普通CT 顯著提高［27］。

6 物質(zhì)成分檢測

6.1 結(jié)石 臨床上準(zhǔn)確辨別尿酸和非尿酸石具有重要意義。應(yīng)用雙能量CT 鑒別尿酸、草酸鈣水合物、胱氨酸和磷灰石4 種常見腎結(jié)石時(shí)，結(jié)果表明尿酸腎結(jié)石最易鑒別，其次是胱氨酸，而草酸鈣水合物和磷灰石較難區(qū)分；系統(tǒng)能區(qū)分尿酸結(jié)石和非尿酸結(jié)石，并以不同顏色顯示［28-29］。

結(jié)石的易碎性也具有重要的臨床意義，可由雙能量CT 預(yù)測?；旌系湍芎透吣軋D像被用來測量體積、表面粗糙度和12 個(gè)描述石頭內(nèi)部形態(tài)的指標(biāo)，同時(shí)計(jì)算低能量與高能量CT 值的比值，可作為超聲碎石術(shù)測定結(jié)石粉碎時(shí)間的方法［30-31］。

6.2 從乳房植入物泄漏檢測有機(jī)硅 當(dāng)植入乳房硅膠物的完整性受到破壞時(shí)，少量硅酮滲透到鄰近組織結(jié)構(gòu)，并蔓延至周圍淋巴結(jié)，造成組織炎癥或免疫反應(yīng)。硅樹脂與衰減的相鄰解剖結(jié)構(gòu)相似，有時(shí)，MRI 也難以檢測。MRI 雖是評(píng)價(jià)乳腺植入物完整性的首選檢查手段，但當(dāng)患者有心臟起搏器、人工耳蝸植入或幽閉恐懼癥等檢查禁忌證時(shí)，常無法掃描，且其費(fèi)用較高。雙能量CT 能清楚區(qū)分硅膠與周圍軟組織的結(jié)構(gòu)，還可測定組織的密度值，定性分析組織成分。硅含有14 號(hào)非金屬元素硅，軟組織含有氫和氧較輕的元素。低能量CT 與高能量CT 由于斜率不同，可區(qū)分硅和軟組織。與MRI 掃描相比，雙能CT不僅能明確囊內(nèi)破裂和漿膜瘤情況，而且能更清楚地顯示胸壁組織、1～3 級(jí)腋淋巴結(jié)和腋外淋巴結(jié)內(nèi)的囊外硅酮。雙能CT 還可識(shí)別肋骨骨折情況和冠狀動(dòng)脈鈣化等相關(guān)信息。盡管MRI 是目前評(píng)價(jià)囊內(nèi)和囊外硅膠乳房植入術(shù)的首選檢查方法，但雙能CT在評(píng)價(jià)囊外破裂程度和單次、非創(chuàng)傷性、屏氣掃描的結(jié)節(jié)性病變方面顯示出較大臨床價(jià)值［32］。

7 腫瘤的診斷及鑒別診斷

能譜CT 利用能譜曲線、物質(zhì)分離（碘基定量）等對(duì)組織成分及血供的異常改變等參數(shù)，進(jìn)行定量分析，對(duì)良惡性腫瘤的診斷、鑒別診斷及分型均有重要的臨床價(jià)值。任占麗等［33］收集57 例肺癌患者，行能譜雙期增強(qiáng)掃描，得到多參數(shù)成像可為肺癌分型提供多參數(shù)鑒別依據(jù)，為臨床合理制訂治療方案和改善預(yù)后提供幫助。魯法美等［34］通過能譜CT 混合能量成像、鈣基圖和碘基圖等物質(zhì)分離圖像，定量、定性分析病變，了解其病理學(xué)信息，在肝癌診斷及肝癌與肝臟局灶性結(jié)節(jié)性增生鑒別診斷中具有重要臨床參考價(jià)值。能譜CT 較常規(guī)CT 提高了結(jié)直腸癌的檢出率，術(shù)前能定量檢測和描繪結(jié)腸及其周圍組織內(nèi)病變，并對(duì)結(jié)直腸癌進(jìn)行術(shù)前精確分期，利于治療策略的選擇和預(yù)后［35］。

綜上所述，雙能量和多能量CT 是臨床CT 成像的新興領(lǐng)域，二者有著區(qū)分不同有效原子序數(shù)材料的能力，使得幾種新的和臨床相關(guān)的CT 應(yīng)用成為可能，如CTA 可自動(dòng)去除骨斑塊和金屬偽影、從對(duì)比增強(qiáng)掃描中去除碘信號(hào)、灌注血容量的單相成像，以及識(shí)別具有特定元素組成的組織，在腫瘤的診斷及鑒別診斷方面有著一定臨床應(yīng)用效應(yīng)。但目前能譜CT 的價(jià)值仍需大量研究去證實(shí)，在臨床應(yīng)用中仍存在相對(duì)局限性：對(duì)腫瘤淋巴結(jié)的定性，仍存在不確定性，還需進(jìn)一步擴(kuò)大樣本研究；對(duì)肥胖患者應(yīng)用價(jià)值相對(duì)受限、對(duì)軟組織分辨力不及MRI 等。相信隨著以后研發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，其臨床應(yīng)用還將有大量創(chuàng)新成果涌現(xiàn)，雙能量或多能量CT 正在成為CT 成像的主流檢查方法。