现代医学成像技术

河北工业大学

作者：艾娜学号： 201431404003 系：电气工程系

专业：生物医学工程

题目：双能CT的基本原理、应用和未来展望指导者：于洪丽老师

2015年1月9日

双能CT的基本原理、应用和未来展望

摘要：计算机断层成像技术(Computed Tomography，简称为 CT)自问世以来，以其精确、无损、可视化等优点广泛应用于医疗、工业、农林业、安检、航天等各个领域。通过 X 射线在不同视角下扫描被检测物质，可以呈现出被检测物质的内部的结构图像。双能 CT 技术于 1976 年被提出[1]，迅速成为检测领域特别是医学领域和安检领域的又一热门话题。相比于传统 CT 只能重建出断层的有效线性衰减系数，双能 CT 可以重建物质的原子序数与电子密度，达到物质辨别的效果，因此无论在安检领域还是在医疗领域，双能 CT 技术都得到了广泛的应用。本文首先概述了双能CT的基本原理，其次，双能CT的应用已非常广泛，双能CT在安全检查[2]、医疗诊断[3]等领域得到了广泛的研究和应用。本文从其在临床应用角度进行了详细介绍。最后，对双能的前景和发展趋势做了介绍。

1.双能CT技术及其原理

双能CT的基本原理是采集相同解剖部位不同kVp（通常是80和140kVp）下的两组数据[4，5]。早期的CT，双能技术室通过不同kVp连续单层采集，但是受呼吸和部分容积效应影响较大。现在DECT全身扫描可以再数秒内完成，呼吸运动伪影可以消除。

当前三个CT设备系统可以再单次屏气下几乎同时完成双能量CT和GE Discovery750 HD64排螺旋CT，西门子的两款机器两个球管采用不同的kVp（80和140kVp）[6]，而GE的64-MDCT，通过单球管kVp在0.5秒内从80到140间迅速切换实现双能模式。在这两种双源CT中，主要关注的是两个球管采集双能量数据的时间差异（75ms和83ms）导致对心脏运动的敏感性不同，但是双源CT 和64-MDCT间尚未比较该问题。

双源CT两组数据（80和140kVp）传送至工作站，可以获得虚拟平扫图像、碘分布图像和混合图像。64-MDCT应用kVp快速切换获得的GSI数据传至工作站，可以得到水基图像、碘基图像、单能量图像等。

伪减少噪声双源CT多采用1mm而不是0.625mm，同时kVp应用140\100组合而不是140\80.二代双源CT的FOV要更宽，并且应用锡过滤板滤过高能的光谱从而增加图像的对比。

2.临床应用潜力

2.1 神经放射学的应用

神经学的应用包括可以在对比增强CTA获得虚拟平扫图像，从而发现脑出血患者。另外，其可以再颈部和颅脑CTA中移除骨质和钙化。

在虚拟平扫图像上可以发现脑出血。有报道使用双源CT对18位增强CT检查的患者的对比发现其敏感性、特异性和准确值都大于90%。对25位患者应用同样的技术的报道有相同的发现，但是其对比噪声比要低于常规平扫图像。另外，有关于肝细胞Ca碘油栓塞术后通过虚拟平扫发现颅内碘油栓塞的报道。

许多文献比较了双能骨质分离与自动去骨和减影CTA技术，发现双能技术要优于后两者，特别是在颅底部。

胸部应用

DECT在胸部的主要优势是消除错位伪影和使血流灌注与通气可视化。通过80和140kVp同时采集可以避免图像错位。肺动脉栓塞患者，DECT可以通过灌注缺损发现微小的血栓。另外，肺灌注评价能直观显示以前未知的病理生理，特别是间质性肺病、肺气肿、哮喘、慢性血栓栓塞性疾病和肿瘤患者。采用140\80kVp 能量组合在没有锡过滤板时，准直需要从0.6降到1.2以保证剂量适中。然而在140\100kVp联合锡过滤板时并不需要。

心脏应用

心脏DECT的临床应用包括腺苷负荷或静息双能量灌注、心肌活性成像和心脏铁沉积检测。为减少心脏应用中的图像噪声，优先采用100和140kVp采集。另外迭代重建算法可能保证心脏应用中较好的图像质量。最近，DECT联合腺苷负荷实验也被报道。但是双源CT双能量心脏灌注采集联合冠状动脉CTA中，在患者心率增快所致时间分辨率从83ms变为165ms时，检查难度将增加。因此，双能量技术当前仅在低心率患者中应用。

DECT检测急性心肌梗死的研究已经在模型中进行，敏感性和特异性分别为92%和80%，结论是通过比较碘分布图和病理组织结果而得出的。

血管应用

动脉支架植入术治疗动脉瘤日益增多，其成像包括平扫、动脉期和静脉期。该检查使患者接受高辐射剂量负荷，因为其需要美6个月进行复查。双能量动脉支架成像检查可以免除平扫图像，碘分布图能很容易的分辨支架内漏。

动脉钙化斑块的准确移除使粥样硬化动脉评价更容易，双能量数据采集能使大动脉钙化斑块和头颅骨质结构快速移除[7]。然而其对微小血管仍很困难。双能量基础上的骨质和钙化去除技术已经在下肢CTA中应用，但是至今没有研究显示双能量CTA在外周动脉应用中的优势。辐射剂量的增加，噪声的亚厘米直径的远端外周动脉限制双能量外周动脉CTA的应用，这可能通过高分辨双能采集以及迭代重建的能谱过滤装置实现。

泌尿系统的应用

泌尿系统应用包括区分尿酸结石和草酸盐结石，通过对比增强CT检查发现尿路结石和区分肾肿瘤和囊肿。

双能量数据可以用来区分尿路结石。然而，该几乎是主要的缺点是常规扫描程序增强放射剂量，我们认为该技术在区分尿路结石时可以适量应用。当然，结石检查应该采用标准扫描程序，必要时进行局部位置双能量扫描区分结石，可减少患者的放射辐射。但是双源CT能量过滤并不能细分含钙结石的种类。

3.未来展望

尽管PET-CT已成为常规检查技术，特别是对于肿瘤分期，但是很多问题限制该技术的应用。匹配不良是一个非常明显的问题。其中PET检查部分时间较长，而CT检查小于1min。同时，PET图像是在自由呼吸下采集，而CT图像采集通过以此屏气就可完成。匹配不良限制了PET-CT小结节的发现，特别是肺部。相比之下，DECT可保证优良的匹配。然而，术后、放疗后、肉芽肿性反应、急性炎症和感染都可使糖代谢增强，从而造成PET-CT图像的假阳性。血管增生是肿瘤细胞的另一重要特征，其可由MR或CT灌注显示。DECT图像可提供碘分布图，能客观评价对比增强或碘摄取，而不依赖解剖背景。

4.结论

容积DECT扫描在许多新检查中有潜在的价值。DECT的主要优点是使物质分离，碘分离和免除平扫，特别是在胸腹部检查中。然而在高BMI患者中，噪声限制会导致图像质量欠佳。迭代重建算法可减少噪声和放射剂量，会扩大DECT的适用范围。该技术最终会提高体部病变的发现和鉴别诊断以及客观评价各器官（如心脏、肺、肝脏、肾和肠道）的碘分布情况。计算机辅助检测算法的进一步发展可以实现这个目的。