能谱CT的原理与临床应用价值

1、Thematic Forum Radiology内容提要:近年来,由于能量成像技术的发展和临床需求的增加,能量CT的研究成为了热点,特别是2009年出现的以瞬时双kVp为核心技术的能谱CT成像,为现今能谱成像更广阔的临床应用和研究创造了可能。本文主要介绍了能谱CT基本原理及近期国内外能谱CT技术初步应用研究结果,探讨其在临床中的应用价值。关键词:体层摄影术,X线计算机The Principle and Clinical Value of Spectral CTLI Xiao-hu LIU Bin YU Yong-qiang WANG Wan-qin WU Xing-wang ZHOU Yong

2、 WANG Le The First Affiliated Hospital of AnhuiMedical University (Hefei 230022Abstract: In recent years, due to energy technology development and clinical imaging increased demand, energy CT studies to become ahot spot, especially in 2009 appeared to instantaneous two-kVp spectrum for the core tech

3、nology of CT imaging, imaging fortodays broader spectrum clinical and research created the possibility, this paper introduces the basic principles of spectroscopyand recent CT CT technology at home and abroad spectrum preliminary results of applied research to explore its value inclinical applicatio

4、ns.Key words: tomography, X-ray computed自20世纪70年代问世以来,CT是医学影像学中进步最快的技术之一。在将近40年的发展历程里,CT技术经历了几次革命性的进步。CT发展的第一次革命始于上世纪80年代,其着重在扫描部位的延伸,同时气体探测器技术的不断改进使得图像质量不断提高,特别是1987年固体探测器的诞生,使得图像质量实现了一次质的飞跃,空间分辨率达到了0.5mm;第二次革命始于20世纪90年代螺旋CT的时代,其发展的重点集中在扫描速度的演变,1995年突破了1s,1997年突破了0.5s;第三次革命则始于1998年至2008年的多排螺旋CT时代,探

5、测器排数按照摩尔定律不断增加,由4排迅速达到了64排,64排CT不但能够高分辨地显示静态图像,也使心脏冠状动脉成像的质量达到了较好水平。CT能量成像产生于20世纪70年代1,80年代开展了双能量减影临床研究,受成像技术的限制,临床未能广泛应用2。2009年出现的以瞬时双kVp为核心技术的能谱CT成像,为现今能谱成像更广阔的临床应用和研究创造了可能。能谱CT的原理与临床应用价值李小虎刘斌余永强王万勤吴兴旺周勇王乐安徽医科大学第一附属医院 (合肥 230022文章编号:1006-6586(201110-0001-05 中图分类号:R814.4 文献标识码:A收稿日期:2011-08-29作者简介:

6、余永强,教授,主任医师,安徽医科大学第一附属医院院长,博士生导师0.引言.1China Medical Device Information |中国医疗器械信息1.1 能谱成像的物理基础:(1X线通过物质的衰减能够客观反映X线的能量;(2X线经过物质后产生的光电效应与康普顿效应共同决定了物质的衰减曲线;(3物质的衰减曲线呈线性关系(不包括K峰区域,可以选择两种物质进行物质分离3。CT是通过计算物体对X线的衰减来成像的,而物质对X线的吸收是随X线的能量变化而变化的,即任何物质都有其对X线衰减的特征吸收曲线,并且任何物质的X线吸收系数可由其他任意两种基物质的X线吸收系数来决定,通常选择衰减高低不同

7、的物质组成基物质对,水和碘是常用的组合,因为它包含了从软组织到含碘对比剂以及医学中常见物质的范围,并且通过物质密度图像易于解释。以水和碘作为基物质对,组织在某种单能量下的CT值为:CT(x,y,z,E=Dwater(x,y,zwater (E+Diodine(x,y,ziodine(E (1其中water(E和iodine(E分别为水和碘的吸收系数。在这个表达式中Dwater 和Diodine分别为能够实现物理上所测得的吸收CT(x,y,z,E所需要的水和碘的密度。这个密度值和X线能量无关。因此在能谱成像中我们把CT值的求解转化为求解基物质对密度值的工作。以瞬时双kVp为核心技术的能谱CT通过

8、高低电压的瞬时快速切换获取两组吸收投影数据,由于这两组吸收投影数据具有很好的一致性,我们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。选择任意两个不同能量建立两组物质密度投影数据,通过对这两组数据的重建即可求解出水和碘的密度在空间分布Dwater(x,y,z和Diodine(x,y,z。物理学家们为我们提供了水和碘以及许多纯物质和混合物的吸收系数随能量变化的曲线。因此我们需要知道感兴趣物质在某单能量下的吸收或CT图像时,只要把该能量下water和iodine代入公式(1即可。1.2 能谱CT的能谱成像采集技术:能谱CT能够在50cmFOV的范围内使用常规的CT成像模式比如轴位和螺旋扫

9、描的模式进行高低两种能量瞬时切换的能谱扫描,得益于下列技术3:(1瞬时变能高压发生器,它能够在0.5ms内实现80kVp至140kVp高速的切换(2能谱CT的探测器选用分子结构稳定的材料,其有对X线反映速度快,初始速度(X线转换为可见光的速度加快100倍,清空速度(余晖效应加快4倍,确保两次高速采样之间的数据处理没有影响,同时其采样率增加了2.5倍,使得空间分辨率大幅度提高(3高频低噪的数据采集系统(4保持稳定的球管X光焦点大小(5高级重建引擎适应性统计迭代(adaptive statistical lterative reconstruction, ASiR技术,其能够在保证相同质量的图像同

10、时降低一半的剂量(6能谱观察与分析系统(GSI Viewer能够同时观察常规的混合能量CT图像(kVp、单能量CT图像(keV及物质分离的密度图像,例如能够生成从40keV140keV的101个单能量图像,物质分离生成新的基物质密度图像:如水,钙,碘。1.能谱CT的基本原理2.能谱CT的临床应用价值2.1 硬化伪影的去除:总体上CT图像伪影分为扫描过程中产生的伪影和CT本身系统有关的伪影,对图像质量影响最显著的伪影有金属伪影和射线束硬化伪影。伪影产生的机理:CT成像中所选择管电压只是一个峰值电压,实际表达为一连续kV值的混合电压,产生的X线光子也是由不同能量的光子构成,在经过密度较高的物质.2

11、中国医疗器械信息|China Medical Device Information.3China Medical Device Information | 中国医疗器械信息Thematic Forum Radiology衰减后,低能量的光子比高能量的光子被衰减吸收得更多,因此透过物体的X 线光子被“硬化”,最终在致密物体附近产生暗影或条纹影,使图像质量明显减低,甚至无法诊断。金属伪影、致密骨边缘的硬化伪影、高密度对比剂的硬化伪影等, 伴随着CT 的应用40年来都无法克服,给临床明确诊断带来诸多困难4。能谱CT 单能量成像以及去伪影技术(metal articacts reduction sys

12、tem ,MARs ,可以纠正X 线扫描金属后产生的“光子饥饿”现象而导致的低信号,可以对金属及金属周边的组织提供准确的投射数据,能有效抑制常见的金属伪影及其他射线硬化伪影5。 Lin 6等的初步研究结果显示,70keV 是颅脑CT 成像的最佳能量水平,与常规混合能量图像相比,能够降低图像的背景噪声和后颅窝的硬化伪影。李晓莉5等的研究表明,能谱成像技术能准确校正距离金属3cm 范围的伪影,并提供准备的CT 值,对于减少术后金属伪影具有以往CT 无法比拟的优势。惠萍7等研究也表明采用CT 能谱成像技术,在高keV 单能量图像上可以明显降低或消除金属移植物伪影,改善图像质量。利用CT 能谱单能量图

13、像结合MARs 能消除硬化伪影,能够在颅脑成像、颅内脑动脉瘤栓塞术后及骨与关节金属植入物复查中获得良好的成像效果,为临床诊断提供有效信息3。2.2物质定量分析:碘是CT 增强对比剂的主要成分,CT 能谱成像可以对基物质(水,碘,尿酸进行物质密度成像和定量分析。常规CT 无法显示肺实质血流灌注的分布状态,而CT 能谱成像碘基图可以有效反映肺实质血流动力学的变化,可同时提供解剖和功能信息。肺栓塞在碘基图上的直观表现为肺组织局部密度低于周围组织,提示该部位血流灌注缺失或降低3。吴华伟8等研究结果显示CT 能谱成像可以一次扫描为肺栓塞提供定性、定量分析,其FOV 大,碘基物质图的定量分析能提供更为客观

14、和科学的依据,可以作为评价病变程度以及指导治疗的有效手段。对于发现微小栓塞以及隐匿性部位肺栓塞有潜在临床意义及应用前景。甲状腺具有从血液中摄取碘的功能,人体内20%的碘存在于甲状腺中9,测量体内碘浓度可以反映近图1. 能谱CT 在硬化伪影的去除中的应用,图中 A 为定位像显示患者右侧胫骨骨折后外固定器影,B 为混合能谱常规CT 图像由于外固定金属伪影右侧胫骨结构及周围软组织情况无法观察,C 为单能量+MARs 技术后显示图像,金属硬化伪影明显消除,可以清晰显示金属钉在右侧胫骨中的位置及右侧胫骨骨质及周围软组情况图2. 患者发现胰腺占位性病变考虑胰腺癌,肝脏多发低密度灶,通过能谱曲线分析,肝脏左

15、外叶低密度病灶和胰腺的病灶的能谱曲线非常相似,大部分重叠,说明有相同/相似的成分病理证实为胰头癌肝内转移.4中国医疗器械信息 | China Medical Device Information期的碘摄入量及身体内的碘储存量,以往的测量方法大多是测量尿碘水平、测量甲状腺吸碘率等来间接反映体内碘浓度,以上方法受饮食影响较大。CT 能谱成像利用物质分离的碘基图像可以直接测量甲状腺的碘浓度,也可以同时测量周围其他正常组织的碘浓度并用其比值来评估甲状腺功能。李铭10等的初步研究结果表明,能谱CT 在结节性甲状腺肿、滤泡性腺瘤与乳头状癌的能谱表现不一致。CT 能谱成像可能在结节性甲状腺肿、甲状腺腺瘤与甲

16、状腺癌的鉴别诊断中发挥一定的作用。能谱CT 也可以对钙、尿酸等其他物质进行定量分析,实现骨钙含量测定、尿酸含量测量等,有可能对骨质疏松程度的判断,陈旧性骨折、新鲜性骨折的鉴别、泌尿系结石成份的分析及痛风病人痛风结节成分析的分中发挥一定的作用。2.3小病灶检出率提高 能谱成像能够同时获得40140keV 共101个不同keV 的单能量图像和物质分离图像。单能量图像在不同能量水平具有不同的特征,低能量水平的X 线穿透力低,图像上组织的对比增强,但噪声增高,高能量水平的X 线穿透力高,图像上硬化伪影少,但对组织的对比减弱,因此选择合适的能量水平对提高单能量图像上病灶的检出很重要。叶晓华11等研究表明

17、,能谱CT70keV 单能量图像通过改善图像质量并增加肿瘤和肝实质的对比,有利于肝脏肿瘤的检出,对小病灶的检出更为敏感。吕培杰12的研究表明,能谱CT 单能量成像作为一种检测小肝癌的方法,可以在不降低图像质量的前提下显著提高小肝癌病灶的对比噪声比,有利于小肝癌的检出。2.4肿瘤的定位、定性与分级诊断:能谱CT 基础实验发现,常规CT 图像中CT 值相同的糖水和盐水,其单能量衰减曲线却不一样,说明单能量衰减曲线有助于鉴别不同成分的物质。不同脏器的肿瘤、同一脏器不同组织起源的肿瘤以及同一肿瘤内的不同组织成分,它们的单能量衰减曲线不同,其物质分离图像、物质含量分布图(散点图、直方图的表现也不一样,对

18、这些能谱特征进行综合分析,有助于肿瘤的定位、定性及分级的诊断3。肿瘤TNM 分期对于临床处理方案的制定及预后是非常重要的,但手术前做到准确的TNM 分期并不容易, CT图3. 肝癌介入后复查,50keV 单能图像不仅能够去除介入病灶区引起的碘硬化伪影而且能够更清晰显示更多病灶图4. 实验中将不同成份肾结石放入新鲜猪肾脏中,能谱扫描,可以观察出不同成份结石的能谱曲线不同,其物质分离钙水散点分布图各不相同,CaP 、STR 、COX 、CYS 及UA 分别代表磷酸钙结石、鸟粪石、草酸钙结石、胱氨酸结石及尿素结石。.5China Medical Device Information | 中国医疗器械信息Thematic Forum Radiology能谱成像综合分析有望在肿瘤的浸润程度、肿瘤的病理类型、恶性程度、淋巴结的转移及远处转移灶的诊断方面提供有效信息,在肿瘤诊断与