能量CT成像原理和最新进展

1、能量能量CTCT成像原理和最新进展成像原理和最新进展常规常规CTCT使用连续使用连续X X射线源射线源(kV)(kV)硬化伪影硬化伪影异物同影异物同影密度分辨率降低密度分辨率降低平均能量点下的图像平均能量点下的图像 (CT(CT值值) )同物异影同物异影能量能量CTCT成像之目的成像之目的物质分离与定量物质分离与定量 (mg/cc)(mg/cc)单能量图像单能量图像 (CT(CT值值) )消除硬化伪影消除硬化伪影物质区分和定量物质区分和定量提高密度分辨率提高密度分辨率能量能量CTCT成像成像双能减影双能减影能谱成像能谱成像基于两基于两CTCT值图像值图像基于两基物质密度图像基于两基物质密度图像

2、能量能量CTCT成像模式成像模式 极易实现极易实现 好的能量分辨率好的能量分辨率 完整的完整的 FOV FOV 最差时间分辨率最差时间分辨率 图像硬化伪影图像硬化伪影 非常有限临床应用非常有限临床应用 很好时间分辨率很好时间分辨率 好的能量分辨率好的能量分辨率 众多的临床应用众多的临床应用 设备要求高设备要求高 扫描模式有限扫描模式有限 很好时间分辨率很好时间分辨率 能够行能谱成像能够行能谱成像 对运动物体成像对运动物体成像 最差能量分辨率最差能量分辨率 设备灵活性差设备灵活性差 有限的临床应用有限的临床应用 最好时间分辨率最好时间分辨率 最好能量分辨率最好能量分辨率 最低的辐射剂量最低的辐射

3、剂量 最复杂的设备最复杂的设备 未来产品未来产品Dual kVp SwitchDual Layer80kVp140kVpDual Scan Dual TubeIncident X-ray PhotonCharge to DASbiasSingle Photon (WIP)双能减影双能减影80kVp140kVp双能减影双能减影能谱成像能谱成像能谱成像能谱成像能谱成像能谱成像 容易实现容易实现 好的能量分辨率好的能量分辨率 MDMD和和1212项临床应用项临床应用 较差时间分辨率较差时间分辨率 图像硬化伪影图像硬化伪影 有限的临床应用有限的临床应用ViewView的定义的定义: : 在一个小角度内

4、探测器收集的数据（在一个小角度内探测器收集的数据（Projection)Projection)ViewView的多少的多少: : 通常一周通常一周(0.5s)(0.5s)有有 10001000 个个 ViewViewViewView的长短的长短: 0.5 msec: 0.5 msec （毫秒（毫秒);); 0.360.36度度 同时同时扫描的基本概念扫描的基本概念One View:One View: 两条白线之间物体的吸收两条白线之间物体的吸收 1 1点（焦点点（焦点) 1) 1面面( (探测器）探测器）1 1线（物体）线（物体）快速切换看到同一个物体的吸收快速切换看到同一个物体的吸收双源采集

5、看到两个不同物体的吸收双源采集看到两个不同物体的吸收0.25-0.5ms高能高能低能低能低能低能高能高能高能高能低能低能前后前后 探测器探测器能量能量CTCT数据获取和数据处理数据获取和数据处理Low kVp Low kVp Projections Projections P Plowlow(i)(i)High kVp High kVp Projections Projections P Phighhigh(i)(i)获取高低电压获取高低电压两组能量数据两组能量数据能量数据不一致能量数据不一致 ( (同时观测不同物体）同时观测不同物体）80kV80kV140kV140kV图像单独重建图像单独重

6、建能量数据一致能量数据一致能谱解析成像能谱解析成像能谱信息保留：能谱信息保留：40keV 140keV40keV 140keV两图像对应于高低电压的平均能量点两图像对应于高低电压的平均能量点60keV60keV85keV85keV双能减影之物质分离双能减影之物质分离 ( (方法方法) )80kVp140kVp140kV Bone400HUIodine250HU80kVBone550HUIodine425HU-100-1000100200300400500HU at 140 kVHU at 80 kV0100200300400500600Iodine+BloodBone+Marrow双能减影指数

7、双能减影指数 (DEI): (DEI): (X80-X140)/(X80+X140+2000)(X80-X140)/(X80+X140+2000)Water双能减影之物质分离双能减影之物质分离 ( (方法方法) )建立不同基物质校正曲线建立不同基物质校正曲线 ( (不同密度下不同密度下CTCT值随电压的变化率值随电压的变化率) )计算未知物的双能减影指数计算未知物的双能减影指数 (DEI): (DEI): (X80-X140)/(X80+X140+2000)(X80-X140)/(X80+X140+2000)计算未知物中水和碘的比例以计算未知物中水和碘的比例以 ”分离分离”物质物质基物质需要根

8、据机型逐一建立基物质需要根据机型逐一建立物质分离基于物质分离基于CTCT值，精度受原始图像值，精度受原始图像CTCT值漂移和伪影限制值漂移和伪影限制使用校正曲线分离物质使用校正曲线分离物质-1000100200300400500HU at 140 kVHU at 80 kV0100200300400500600IodineWaterCT(x,y,z,E) = w(E) CTLE(x,y,z) + 1-w(E) CTHE(x,y,z) 双能减影之单能量成像双能减影之单能量成像 ( (方法方法) )w(E)w(E)是权重因子，是权重因子，w(E)w(E) = = 0, 10, 1CTCTHEHE

9、和和 CTCTLELE 是高低电压下的图像是高低电压下的图像图像的加权叠加：图像的加权叠加：(1)(1)图像受制于两组中较差的图像；图像受制于两组中较差的图像；(2)(2)能量点在能量点在60keV60keV - - 85keV85keV之间之间80kV140kV物质对物质对X X射线射线吸收的物理定律吸收的物理定律能谱成像能谱成像 (GSI)(GSI)对应对应CTCT值的表达值的表达CT(x,y,z,E) = Dwater(x,y,z) water(E) + DIodine(x,y,z) Iodine(E)= X= X射线吸收射线吸收- Ep = hn KLM+光电效应光电效应 (pe)康普

10、顿散射康普顿散射 (c) (E) = fpe(E) + fc(E) (E) = c1 1(E) + c2 2(E)简单数学转换简单数学转换Low kVp Projections Plow(i)能谱解析能谱解析Data AcquisitionHigh kVp Projections Phigh(i) 获取高低电压两组数据获取高低电压两组数据70 keV获取单能图像获取单能图像密度密度重建重建MD IodineMD WaterDIodineDWaterEnables “exact” beam hardening correction - Dr. Norbert Pelc of Stanford U

11、niversity 能量数据三同能量数据三同一条投影线上两个能量数据一条投影线上两个能量数据Iodine ProjectionsPIodine(I)Water ProjectionsPWater(I)线性吸收线性吸收投影数据对投影数据对物质密度物质密度投影数据对投影数据对线性吸收线性吸收投影数据对投影数据对如何获得单能量如何获得单能量 (keV) (keV) 的图像的图像CT(x,y,z,E) = Dwater(x,y,z) water(E) + DIodine(x,y,z) Iodine(E) MDMD物质分离已物质分离已经计算出此值经计算出此值MDMD物质分离已物质分离已经计算出此值经计算

12、出此值如果我们能够得到如果我们能够得到 waterwater(E) (E) 和和 IodineIodine(E) (E) 在任意在任意keVkeV下的数值，下的数值，我们就能计算出我们就能计算出不同不同keVkeV下的图像下的图像CT (x,y,z,E)CT (x,y,z,E)60140 IodineX线能量线能量keV00.010.050.5(keV) cm2/mgWaterWater物理学家已经测定了所有物质的物理学家已经测定了所有物质的(keV) (keV) 随能量变化的数值随能量变化的数值20408010012070keVCTimage (70keV) = Dwater* water(

13、70keV) + Diodine* Iodine(70keV) 已重建出已重建出已重建出已重建出CTwater(70keV) CTimage(70keV) 1000DwaterDIodine钙尿酸D(Iodine, Water)D(Iodine, Water)DuricacidDcalcium钙D(Calcium, 0)DuricacidDcalcium尿酸D(0, uricacid)不同基物质对：提高分辨精度，排他性显示不同基物质对：提高分辨精度，排他性显示基物质对的临床应用价值基物质对的临床应用价值单能量成像之功效单能量成像之功效消除硬化伪影消除硬化伪影增加对比噪声比增加对比噪声比？50k

14、eV120kVp能谱能谱CT常规常规CT140kVp140keV120kVp55keV能谱成像能谱成像消除硬化伪影消除硬化伪影增加对比噪声比增加对比噪声比 物质分离物质分离: : 提供准确的组织结构和功能信息提供准确的组织结构和功能信息 单能量图像单能量图像: : 有效地有效地消除了硬化伪影消除了硬化伪影 极大地提高密度分辨率极大地提高密度分辨率能谱成像能谱成像能量能量CTCT成像成像双能减影双能减影能谱成像能谱成像基于两基于两CTCT值图像值图像高低电压图像加权高低电压图像加权平均获得单能图像平均获得单能图像基于两基物质密度图像基于两基物质密度图像利用物理测量的单能量利用物理测量的单能量吸收

15、系数计算单能图像吸收系数计算单能图像单能量图像单能量图像能谱曲线能谱曲线物质定量物质定量基物质图1 12 23 3有效原子序数有效原子序数4 4能谱平台四大工具能谱平台四大工具提高图像质量提高图像质量减轻金属伪影减轻金属伪影更好的检出病变更好的检出病变更好显示病灶内部特征更好显示病灶内部特征定性定性能谱曲线可以反应组能谱曲线可以反应组织特性，血供特点和织特性，血供特点和增强规律增强规律定量定量物质定量测定能反映组物质定量测定能反映组织或病变的血供特点织或病变的血供特点特定物质的相对含量特定物质的相对含量精准定性精准定性+ +定量定量精确反应无机物精确反应无机物的性质的性质能谱最新进展能谱最新进

16、展(for Discovery GSI)(for Discovery GSI)GSI Xtream high-resolutionGSI high-resolution kernels (e.g. GSI bone and GSI bone+) are available for GSIEnables visualization of bone detail70keV with GSI standard resolution70keV with GSI high resolution to improve spatial resolution70keV with GSI standard re

17、solution70keV with GSI high resolution to improve spatial resolutionGSI HyperDrive on PE exam 300mm in about 2.45 secReduce Motion Artifacts, Reduce Radiation Dose 75keV with iodine overlay 能谱成像的应用和科研可以结合能谱成像的应用和科研可以结合能谱能谱CTCT成像之目的成像之目的消除硬化伪影消除硬化伪影区分和定量物质区分和定量物质提高密度分辨率提高密度分辨率图像质量图像质量的提高的提高优化病灶优化病灶的显

18、示的显示临床科研价值诊断信心诊断信心的提高的提高临临床床应应用用2011-2016年宝石能谱年宝石能谱CT共计发表共计发表157篇篇SCI文文章章IFIF因子总分突破因子总分突破300300能谱成像研究的临床分类能谱成像研究的临床分类能谱成像研究的技术分类能谱成像研究的技术分类能谱优化成像质量：能谱优化成像质量：降低硬化和金属伪影降低硬化和金属伪影选取最佳单能量选取最佳单能量提高动静脉成像提高动静脉成像CNRCNR能谱增加病人安全性：能谱增加病人安全性：虚拟平扫应用虚拟平扫应用降低造影剂用量降低造影剂用量能谱成像和灌注的相关性能谱成像和灌注的相关性能谱在肿瘤上的应用：能谱在肿瘤上的应用：研究肿瘤检出率研究肿瘤检出率鉴别肿瘤良恶性鉴别肿瘤良恶性分析肿瘤来源分析肿瘤来源研究癌症分级研究癌症分级研究癌症治疗早期疗效研究癌症治疗早期疗效选取最佳期相选取最佳期相能谱成像的科研方向能谱成像的