宝石能谱CT的成像原理及临床应用

·综述·宝石能谱CT的成像原理及临床应用
叶伦叶奕兰冉艮龙熊巧李敏方宏洋
螺旋CT及多层螺旋CT的出现是20世纪90年代CT发展的一个里程碑，发展的方向主要体现在成像速度上进步。

直至2005年西门子公司推出的具有双能量减影功能的双源CT，使得CT 的发展方向逐步转入到多参数、功能成像。

而2009年GE公司推出的宝石能谱CT（Discovery CT750 HD），采用宝石作为全新一代探测器，利用单一球管进行瞬时（＜0.5 ms时间能量分辨率）实现高低双能（80 kVp和140 kVp）切换，产生双能数据，实现数据空间能谱解析，同时提供物质密度图像、单能量图像，实现物质分离。

一、能谱CT的成像原理
CT是利用测量和计算通过对X线穿透物质的衰减而成像。

物质对X线的吸收衰减系数随着X线能量的不同而不同，所以任何物质都有其固定的对X射线衰减的特征性吸收曲线，并且该特征性吸收曲线能够用两个能量点完整的表达。

在医学影像成像中，广泛应用含碘的造影剂，人体组织含水丰富，且两种物质的衰减系数高低差别明显，包含了医学中常见的物质，图像又易于解释，所以常选用水-碘作为基物质对。

此时，在某单能量下的物质CT值则可以利用已知的基物质对（水-碘）来表示：CT（x，y，z，E）＝D water（x，y，z）µwater（E）＋D iodine （x，y，z）µiodine（E），式中µwater（E）为水的吸收系数，µiodine （E）为碘的吸收系数，D water和D iodine则分别为能够实际物理测得的吸收系数CT（x，y，z，E）所需的水与碘的密度。

而这个密度和X线的能量没有关系。

这就是说在能谱成像中CT值的求解通过上面的数学方程式巧妙的转化成了求解基物质对密度值的工作上来。

宝石能谱CT能瞬时（＜0.5 ms时间能量分辨率）实现高低双能（80 kVp和140 kVp）切换，产生双能数据（具有良好的一致性），能够进行数据空间的吸收投影数据到物质密度投影数据的转换，实现数据空间能谱解析。

选用其中任意两个不同能量建立两组物质密度投影数据，通过对这两组的重建，就可以求解得到水和碘的密度空间分布D water（x，y，z），D iodine（x，y，z）。

物理学家们已经为我们提供了包括水-碘在内的大量纯物质与混合物的吸收系数随单能X线能量变化的曲线。

如果我们需要知道某种物质在某种单能量下的吸收或CT 图像，只需将该能量下的µwater和µiodine带入公式即可。

宝石能谱CT采用全新材料（红宝石）的探测器，其突出的特点是对X线反应非常快，即将X线转换为可见光的速度是一般探测器材料的100倍，余晖效应快4倍[1-2]，从而确保两次高速数据采用之间有足够的时间分辨率，互不影响。

利用单一
DOI:10.3877/cma.j.issn.1674-0785.2013.19.089
作者单位：610061成都，解放军第452医院CT室
通讯作者：方宏洋，Email: 75665654@
球管进行瞬时（＜0.5 ms时间能量分辨率）实现高低双能（80 kVp和140 kVp）切换，配合宝石探测器，使得能谱CT能够应用于临床。

宝石能谱CT运用采用统计噪声并利用迭代的方法加以抑制，即自适应统计迭代ASIR（adaptive statistical iterative reconstruction）技术，从而得到清晰的图像。

因此能谱CT能够利用原来1/2剂量的扫描条件就能得到相同质量的图像[3-4]。

后处理工作站及GSI浏览器能够提供多种能谱分析工具，从而更好地实现多参数成像。

二、能谱CT的临床应用
1. 单能量成像：能谱成像能够获取40～140 keV不同的X 线能量的单能量图像，可以根据临床诊断的不同需求进行选择最佳的单能量图像。

通过keV的调节可以得到噪声最低、组织结构对比度最好的图像，显示解剖及病变细节细节。

（1）低keV单能量图像可以增加不同组织结构之间的对比，有利于与实质脏器接近等密度、小病灶的发现和检出，优化动静脉成像的质量。

目前低keV单能量图像技术主要应用于腹部实质器官的几乎等密度、小病灶的检出，研究表明[5-7]，与传统混合能量图像比较，70 keV单能量图像，对于腹部脏器的对比噪声比可以提高13.8%～24.7%左右。

对于肝脏而言，70 keV单能量图像具有最低的噪声，并提供了较高的对比噪声比，有利于门脉期乏血供肝转移瘤的检出。

国内学者Lv等[6]的研究结果也发现，低能端的keV（40～70 keV）单能量图像在不影响整体质量的情况下能够提高肝脏小结节灶的检出率。

对于胰腺、肾脏亦可以通过对keV调节得到具有低噪声及良好对比噪声比的单能量图像。

CT血管成像对于临床具有十分重要的意义，特别是门脉系统的CT成像，混合能量CT图像门脉血管的显示有很大的局限，成像的质量很大程度上取决于造影剂的浓度和扫描时机和参数的把握，通过对单能量图像keV 的调节，可以有效地提高血管及其分支的显示，从而提高CT血管成像的质量，并降低血管成像对造影剂浓度、参数及扫描时机的依赖[8-12]；王吉等[13]的研究表明能谱图像的单能量CT值可以区别门静脉内的癌栓及血栓。

（2）高keV单能量图像则可以减轻或者去除硬化及金属、高密度骨边缘、造影剂伪影。

金属伪影及硬化伪影的存在，严重地影响了金属植入物位置及周围的图像清晰度，给诊断带来影响[14]。

宝石能谱CT的高keV单能量图像联合应用多种伪影去除系统（multi artifact reduction system，MARS）技术，在去除扫描过程中因高密度金属物质所产生的硬化伪影方面有着非宝石CT无法比拟的效果，可以有效地提高颅脑、颅内动脉瘤栓塞术、骨与关节金属植入物术后的复查图像质量[15]。

应用高keV单能量图像和或MARS技术在去除金属伪影方面，产生伪影的材质、数量、形状、重建参数都是至关重要的决定能谱
CT去除伪影的因素[16-18]，实质操作中应根据实际需要选择具体的最佳单能量图像进行观察。

2. 能谱曲线：能谱CT成像可以获得反应组织器官、病变特征和规律的能谱曲线，能谱曲线代表了感兴趣区在不同keV下CT值的变化规律，通过对该兴趣区能谱曲线的分析，有利于对病变性质、同源性及差异性的判断，为临床诊断提供更多有价值信息，提高诊断信心。

研究表明[19-20]能谱CT对腹部多发病变、肿瘤来源的定位及淋巴结病变的性质具有一定的临床诊断价值。

利用能谱曲线可以对血管壁非钙化性斑块的性质进行分析，对目标血管管壁的非钙化性斑块中的脂质成分、纤维成分及血栓样组织利用能谱曲线的特征表现进行分析[21]，对临床治疗提供更为精确、有价值的信息。

3. 物质分离与定量：能谱成像中根据特定物质在X线吸收中的表达规律，采用基物质配对的方法进行物质的分离，利用分离后的基物质进行物质的定量分析，并使得分离的基物质得到明确的显示。

碘剂常用于CT增强检查，CT能谱成像可以对基物质如水、碘、钙、尿酸等进行定量分析及物质密度成像。

利用能谱CT的碘基图可以清楚的显示肺实质解剖细节和肺实质血流动力学的改变，典型的肺梗死在碘基图表现为梗死血管分布区域的低密度区，可以理解为该区域血流灌注的降低或缺失。

甲状腺组织从血液中摄取并储存了约20%的人体的碘量。

能谱CT碘基图通过物质分离的碘基图中甲状腺组织碘浓度和周围正常组织的碘浓度的测量，并用其比值来反应甲状腺功能[15,22]。

倪明飞等[23]的研究表明能谱CT增强碘基图有助于甲状腺结节细节的清晰显示，尤其是结节内的乳头状结构，有助于甲状腺结节良恶性的判断。

结石为泌尿系常见疾病，结石成分的判定可以指导临床合理的治疗方式[24]，李小虎等[25]的研究表明可以通过能谱45 keV及50 keV单能量CT值区分部分结石性质。

另外能谱CT还能对尿酸、水进行有效的物质分离、定量分析，实现水、骨钙、尿酸含量的测定，在肾单纯、复杂囊肿与囊性肾癌的鉴别、骨质疏松程度、痛风结节的判定中发挥一定作用。

4. 有效原子序数：有效原子序数是能谱成像中能够对无机物精确分析的重要方法，能够直接的反应感兴趣区域内部无机物的有效原子序数，进而对感兴趣区内的物质进行定性。

矽肺系长期吸入一定浓度的二氧化硅成分所引起的以肺部弥漫型纤维化为主的疾病[26]。

正确判定矽结节的密集度、形态、分布范围是诊断和分期的关键，能谱CT能够利用二氧化硅物质分离后的定量测量利于矽肺的早期发现。

黄科峰等[27]研究表明能谱CT测定结石的平均有效原子序数可以较为准确的判定结石的化学成分，相比较物质分离定量分析方法对结石的判定有了进一步的发展。

5. 低剂量、高清成像：图像的质量和辐射剂量本身就是一对矛盾体，要得到高清晰而又要求尽量低的辐射剂量，那么就需要回到螺旋CT扫描的基础原理中来平衡密度、空间分辨率及辐射剂量的效率[28]。

单纯增加探测器的排数以及球管数量不能够提高CT的图像质量，应该全面平衡球管、探测器、数据采集系统及图像重建方式，已达到此目的。

宝石能谱CT采用“红宝石”作为新型探测器材料，因其独特的光学特性，明显地提高了图像的空间分辨率，同时也为提高单能量成像、物质分离效率提供了有力保障，得益于新型探测器材质的应用，能谱CT获得了螺旋扫描双数据的方法，大大地提高了其时间分辨率，通过投射技术的双能减影技术，消除了硬化伪影对单能量CT图像CT的影像。

在某些检查中，虚拟平扫（物质分离水基图）基本可以代替常规平扫，低keV单能量图像亦可以增加图像对比度，用于降低检查中病员的辐射剂量。

6. 目前宝石能谱CT存在的不足：尽管宝石能谱CT具有上述诸多优点，但是实际运用中也存在着一些不足，主要表现为：（1）能谱扫描模式中，使用了140 keV的电压，容易导致球管过热，出于对球管的保护，能谱扫描不适于不间断、长时间、大范围、小螺距扫描的进行。

（2）能谱重建时间稍长。

能谱扫描信息量大，是常规扫描信息量的近5倍，因此观察或后处理携带能谱信息的数据时需要的时间稍长。

（3）数据存储需及时并有选择性。

由于能谱扫描信息量大及工作站硬盘空间的限制，对于影像科医师感兴趣、有科研价值的病例的能谱数据需及时、有选择性的保存。

三、总结与展望
宝石能谱CT代表了目前CT的发展的趋势。

丰富了诊断手段。

在临床实际应用中，灵活合理地选择、运用能谱扫描，不仅能更好的显示病变形态学的改变，更能提供反应病变特征的多种参数，实现CT对物质性质的分析及物质成分的定量测定，更有利于疾病的定位、定性及鉴别诊断，增加影像科医师诊断信心的同时，也为广大临床科研者提供了一个崭新的平台。

低剂量、高清成像也使得宝石能谱CT符合了现阶段下CT的发展要求，相信随着硬件和技术的不断发展和完善，能谱CT成像将会在疾病诊断中发挥更大更明显的优势，有利于影像诊断整体水平提升。

参 考 文 献
[1]郝涛, 罗宏. CT探测器的技术特点和发展趋势. 中国医疗设备, 2008,
23: 55-57.
[2]聂聪. 多层CT探测器的发展. 中国医学装备, 2008, 5: 68-71.
[3]沈云. 宝石CT能谱成像原理及其扫描射线剂量. 中国医疗设备, 2012,
27: 13-16.
[4]王革, 俞恒永, 勃鲁努·德·曼, 等. X线CT研究与发展之展望. 中国
医疗器械杂志, 2008, 32: 157-169.
[5]Cui Y, Gao SY, Wang ZL, et al. Which should be the routine cross-sectional
reconstruction mode in spectral CT imaging: monochromatic or polychromatic. Br J Radiol, 2012, 85: e887-890.
[6]Lv P, Lin XZ, Chen K, et al. Spectral CT in patients with small HCC:
investigation of image quality and diagnostic accuracy. Eur Radiol, 2012,
22: 2117-2124.
[7]Yamada Y, Jinzaki M, Tanami Y, et al. Virtual monochromatic spectral
imaging for the evaluation of hypovascular hepatic metastases: the
optimal monochromatic level with fast kilovoltage switching dual-energy
computed tomography. Invest Radiol, 2012, 47: 292-298.
[8]陈盈, 米玉成, 曾春光, 等. HDCT能谱技术提高肝脏门静脉血管成像
质量的可行性研究. 临床放射学杂志, 2012, 31: 61-64.
[9]威晋, 薛蕴菁, 段青, 等. 能谱CT颅脑血管造影最佳单能量应用初探.
中国医学计算机成像杂志, 2013, 19: 17-19.
[10]吴青霞, 朱绍成, 谢瑞刚, 等. 应用低管电压能谱CT成像降低肾动脉
CTA对比剂用量. 中国医学影像技术, 2013, 29: 280-284.
[11]谢继承, 陈盈, 周亚敏, 等. HDCT能谱技术提高肝硬化门静脉血管成
像图像质量的价值研究. 医学影像学杂志, 2013, 23: 532-535. [12]赵丽琴, 贺文, 李剑颖, 等. 能谱CT对门静脉成像质量影响的研究.
CT理论与应用研究, 2011, 20: 383-390.
[13]王吉, 李欠云, 陈盈, 等. 能谱CT单能量区分门静脉栓子性质的初步
临床研究. 医学影像学杂志, 2013, 23: 230-232.
[14]谷建伟, 张丽, 陈志强, 等. 工业CT图像的伪影成因和校正方法综述.
CT理论与应用研究, 2005, 14: 24-28.
[15]李小虎, 刘斌, 余永强, 等. 能谱CT的原理与临床应用价值. 中国医
疗器械信息, 2011, 17: 1-5.
[16]惠萍, 王新江, 崔志鹏, 等. CT能谱成像在消除金属移植物伪影中的
应用价值. 中华放射学杂志, 2011, 45: 740-742.
[17]李晓莉, 冯卫华, 董诚, 等. CT能谱成像技术减除金属植入物伪影的
定量实验研究. 中华放射学杂志, 2011, 45: 736-739.
[18]宁国度, 黄召勤, 袁先顺, 等. 能谱成像技术去除金属伪影的临床价
值. 医学影像学杂志, 2011, 21: 1425-1428.
[19]林晓珠, 李卫侠, 朱延波, 等. 宝石能谱CT在肿瘤诊断中的初步应用.
诊断学理论与实践, 2010, 9: 155-160.
[20]杨伟洪, 沈新平, 潘娜, 等. 能谱CT诊断腹部多发病灶同源性的初步
研究. CT理论与应用研究, 2013, 22: 395-400.
[21]任小璐, 刘云, 王杏娟, 等. 能谱CT评估颈动脉粥样硬化非钙化斑块
成分. 中国医学影像技术, 2013, 29: 202-205.
[22]邵伟光, 周茂义, 刘典美, 等. 宝石能谱CT测定成人甲状腺碘浓度.
中国医学影像技术, 2011, 27: 2389-2392.
[23]倪鸣飞, 王丽君, 董越, 等. 能谱CT成像鉴别诊断良恶性甲状腺结节.
中国医学影像技术, 2012, 28: 1642-1645.
[24]Deveci S, Coskun M, Tekin MI, et al. Spiral computed tomography: role
in determination of chemical compositions of pure and mixed urinary stones--an in vitro study. Urology, 2004, 64: 237-240.
[25]李小虎, 刘斌, 余永强, 等. 能谱CT单能量区分体外肾结石成分的初
步实验研究. 中国CT和MRI杂志, 2011, 9: 9-11.
[26]徐成芳. 滁州市2005～2012年尘肺病发病情况分析. 中华全科医学,
2013, 11: 930-931.
[27]黄科峰, 周宝成, 黄金山, 等. 能谱CT有效平均原子序数对离体尿路
结石成分分析的前瞻性研究. 临床军医杂志, 2011, 39: 615-617. [28]周诚, 沈云. 多层螺旋CT的图像重组原理和技术进展. 中华放射学杂
志, 2006, 40: 991-993.
（收稿日期：2013-07-17）
（本文编辑：吴莹）
叶伦，叶奕兰，冉艮龙，等. 宝石能谱CT的成像原理及临床应用［J/CD］. 中华临床医师杂志：电子版，2013，7（19）：8919-8921.。