能譜CT的原理與臨床應(yīng)用價(jià)值_圖文

1、Thematic Forum · Radiology內(nèi)容提要:近年來,由于能量成像技術(shù)的發(fā)展和臨床需求的增加,能量CT的研究成為了熱點(diǎn),特別是2009年出現(xiàn)的以瞬時(shí)雙kVp為核心技術(shù)的能譜CT成像,為現(xiàn)今能譜成像更廣闊的臨床應(yīng)用和研究創(chuàng)造了可能。本文主要介紹了能譜CT基本原理及近期國(guó)內(nèi)外能譜CT技術(shù)初步應(yīng)用研究結(jié)果,探討其在臨床中的應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞:體層攝影術(shù),X線計(jì)算機(jī)The Principle and Clinical Value of Spectral CTLI Xiao-hu LIU Bin YU Yong-qiang WANG Wan-qin WU Xing-wang ZH

2、OU Yong 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 co

3、re technology of CT imaging, imaging fortoday's 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 inclinica

4、l applications.Key words: tomography, X-ray computed自20世紀(jì)70年代問世以來,CT是醫(yī)學(xué)影像學(xué)中進(jìn)步最快的技術(shù)之一。在將近40年的發(fā)展歷程里,CT技術(shù)經(jīng)歷了幾次革命性的進(jìn)步。CT發(fā)展的第一次革命始于上世紀(jì)80年代,其著重在掃描部位的延伸,同時(shí)氣體探測(cè)器技術(shù)的不斷改進(jìn)使得圖像質(zhì)量不斷提高,特別是1987年固體探測(cè)器的誕生,使得圖像質(zhì)量實(shí)現(xiàn)了一次質(zhì)的飛躍,空間分辨率達(dá)到了0.5mm;第二次革命始于20世紀(jì)90年代螺旋CT的時(shí)代,其發(fā)展的重點(diǎn)集中在掃描速度的演變,1995年突破了1s,1997年突破了0.5s;第三次革命則始于1998年至2008

5、年的多排螺旋CT時(shí)代,探測(cè)器排數(shù)按照摩爾定律不斷增加,由4排迅速達(dá)到了64排,64排CT不但能夠高分辨地顯示靜態(tài)圖像,也使心臟冠狀動(dòng)脈成像的質(zhì)量達(dá)到了較好水平。CT能量成像產(chǎn)生于20世紀(jì)70年代1,80年代開展了雙能量減影臨床研究,受成像技術(shù)的限制,臨床未能廣泛應(yīng)用2。2009年出現(xiàn)的以瞬時(shí)雙kVp為核心技術(shù)的能譜CT成像,為現(xiàn)今能譜成像更廣闊的臨床應(yīng)用和研究創(chuàng)造了可能。能譜CT的原理與臨床應(yīng)用價(jià)值李小虎劉斌余永強(qiáng)王萬勤吳興旺周勇王樂安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院 (合肥 230022文章編號(hào):1006-6586(201110-0001-05 中圖分類號(hào):R814.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A收稿日期:201

6、1-08-29作者簡(jiǎn)介:余永強(qiáng),教授,主任醫(yī)師,安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院院長(zhǎng),博士生導(dǎo)師0.引言.1China Medical Device Information |中國(guó)醫(yī)療器械信息1.1 能譜成像的物理基礎(chǔ):(1X線通過物質(zhì)的衰減能夠客觀反映X線的能量;(2X線經(jīng)過物質(zhì)后產(chǎn)生的光電效應(yīng)與康普頓效應(yīng)共同決定了物質(zhì)的衰減曲線;(3物質(zhì)的衰減曲線呈線性關(guān)系(不包括K峰區(qū)域,可以選擇兩種物質(zhì)進(jìn)行物質(zhì)分離3。CT是通過計(jì)算物體對(duì)X線的衰減來成像的,而物質(zhì)對(duì)X線的吸收是隨X線的能量變化而變化的,即任何物質(zhì)都有其對(duì)X線衰減的特征吸收曲線,并且任何物質(zhì)的X線吸收系數(shù)可由其他任意兩種基物質(zhì)的X線吸收系數(shù)來決

7、定,通常選擇衰減高低不同的物質(zhì)組成基物質(zhì)對(duì),水和碘是常用的組合,因?yàn)樗藦能浗M織到含碘對(duì)比劑以及醫(yī)學(xué)中常見物質(zhì)的范圍,并且通過物質(zhì)密度圖像易于解釋。以水和碘作為基物質(zhì)對(duì),組織在某種單能量下的CT值為:CT(x,y,z,E=Dwater(x,y,zµwater (E+Diodine(x,y,zµiodine(E (1其中µwater(E和µiodine(E分別為水和碘的吸收系數(shù)。在這個(gè)表達(dá)式中Dwater 和Diodine分別為能夠?qū)崿F(xiàn)物理上所測(cè)得的吸收CT(x,y,z,E所需要的水和碘的密度。這個(gè)密度值和X線能量無關(guān)。因此在能譜成像中我們把CT值的求

8、解轉(zhuǎn)化為求解基物質(zhì)對(duì)密度值的工作。以瞬時(shí)雙kVp為核心技術(shù)的能譜CT通過高低電壓的瞬時(shí)快速切換獲取兩組吸收投影數(shù)據(jù),由于這兩組吸收投影數(shù)據(jù)具有很好的一致性,我們能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)空間的吸收投影數(shù)據(jù)到物質(zhì)密度投影數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。選擇任意兩個(gè)不同能量建立兩組物質(zhì)密度投影數(shù)據(jù),通過對(duì)這兩組數(shù)據(jù)的重建即可求解出水和碘的密度在空間分布Dwater(x,y,z和Diodine(x,y,z。物理學(xué)家們?yōu)槲覀兲峁┝怂偷庖约霸S多純物質(zhì)和混合物的吸收系數(shù)隨能量變化的曲線。因此我們需要知道感興趣物質(zhì)在某單能量下的吸收或CT圖像時(shí),只要把該能量下µwater和µiodine代入公式(1即可。1.2 能譜C

9、T的能譜成像采集技術(shù):能譜CT能夠在50cmFOV的范圍內(nèi)使用常規(guī)的CT成像模式比如軸位和螺旋掃描的模式進(jìn)行高低兩種能量瞬時(shí)切換的能譜掃描,得益于下列技術(shù)3:(1瞬時(shí)變能高壓發(fā)生器,它能夠在0.5ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)80kVp至140kVp高速的切換(2能譜CT的探測(cè)器選用分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的材料,其有對(duì)X線反映速度快,初始速度(X線轉(zhuǎn)換為可見光的速度加快100倍,清空速度(余暉效應(yīng)加快4倍,確保兩次高速采樣之間的數(shù)據(jù)處理沒有影響,同時(shí)其采樣率增加了2.5倍,使得空間分辨率大幅度提高(3高頻低噪的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(4保持穩(wěn)定的球管X光焦點(diǎn)大小(5高級(jí)重建引擎適應(yīng)性統(tǒng)計(jì)迭代(adaptive statistical

10、 lterative reconstruction, ASiR技術(shù),其能夠在保證相同質(zhì)量的圖像同時(shí)降低一半的劑量(6能譜觀察與分析系統(tǒng)(GSI Viewer能夠同時(shí)觀察常規(guī)的混合能量CT圖像(kVp、單能量CT圖像(keV及物質(zhì)分離的密度圖像,例如能夠生成從40keV140keV的101個(gè)單能量圖像,物質(zhì)分離生成新的基物質(zhì)密度圖像:如水,鈣,碘。1.能譜CT的基本原理2.能譜CT的臨床應(yīng)用價(jià)值2.1 硬化偽影的去除:總體上CT圖像偽影分為掃描過程中產(chǎn)生的偽影和CT本身系統(tǒng)有關(guān)的偽影,對(duì)圖像質(zhì)量影響最顯著的偽影有金屬偽影和射線束硬化偽影。偽影產(chǎn)生的機(jī)理:CT成像中所選擇管電壓只是一個(gè)峰值電壓,實(shí)

11、際表達(dá)為一連續(xù)kV值的混合電壓,產(chǎn)生的X線光子也是由不同能量的光子構(gòu)成,在經(jīng)過密度較高的物質(zhì).2中國(guó)醫(yī)療器械信息|China Medical Device Information.3China Medical Device Information | 中國(guó)醫(yī)療器械信息Thematic Forum · Radiology衰減后,低能量的光子比高能量的光子被衰減吸收得更多,因此透過物體的X 線光子被“硬化”,最終在致密物體附近產(chǎn)生暗影或條紋影,使圖像質(zhì)量明顯減低,甚至無法診斷。金屬偽影、致密骨邊緣的硬化偽影、高密度對(duì)比劑的硬化偽影等, 伴隨著CT 的應(yīng)用40年來都無法克服,給臨床明確診斷

12、帶來諸多困難4。能譜CT 單能量成像以及去偽影技術(shù)(metal articacts reduction system ,MARs ,可以糾正X 線掃描金屬后產(chǎn)生的“光子饑餓”現(xiàn)象而導(dǎo)致的低信號(hào),可以對(duì)金屬及金屬周邊的組織提供準(zhǔn)確的投射數(shù)據(jù),能有效抑制常見的金屬偽影及其他射線硬化偽影5。 Lin 6等的初步研究結(jié)果顯示,70keV 是顱腦CT 成像的最佳能量水平,與常規(guī)混合能量圖像相比,能夠降低圖像的背景噪聲和后顱窩的硬化偽影。李曉莉5等的研究表明,能譜成像技術(shù)能準(zhǔn)確校正距離金屬3cm 范圍的偽影,并提供準(zhǔn)備的CT 值,對(duì)于減少術(shù)后金屬偽影具有以往CT 無法比擬的優(yōu)勢(shì)。惠萍7等研究也表明采用CT

13、 能譜成像技術(shù),在高keV 單能量圖像上可以明顯降低或消除金屬移植物偽影,改善圖像質(zhì)量。利用CT 能譜單能量圖像結(jié)合MARs 能消除硬化偽影,能夠在顱腦成像、顱內(nèi)腦動(dòng)脈瘤栓塞術(shù)后及骨與關(guān)節(jié)金屬植入物復(fù)查中獲得良好的成像效果,為臨床診斷提供有效信息3。2.2物質(zhì)定量分析:碘是CT 增強(qiáng)對(duì)比劑的主要成分,CT 能譜成像可以對(duì)基物質(zhì)(水,碘,尿酸進(jìn)行物質(zhì)密度成像和定量分析。常規(guī)CT 無法顯示肺實(shí)質(zhì)血流灌注的分布狀態(tài),而CT 能譜成像碘基圖可以有效反映肺實(shí)質(zhì)血流動(dòng)力學(xué)的變化,可同時(shí)提供解剖和功能信息。肺栓塞在碘基圖上的直觀表現(xiàn)為肺組織局部密度低于周圍組織,提示該部位血流灌注缺失或降低3。吳華偉8等研究

14、結(jié)果顯示CT 能譜成像可以一次掃描為肺栓塞提供定性、定量分析,其FOV 大,碘基物質(zhì)圖的定量分析能提供更為客觀和科學(xué)的依據(jù),可以作為評(píng)價(jià)病變程度以及指導(dǎo)治療的有效手段。對(duì)于發(fā)現(xiàn)微小栓塞以及隱匿性部位肺栓塞有潛在臨床意義及應(yīng)用前景。甲狀腺具有從血液中攝取碘的功能,人體內(nèi)20%的碘存在于甲狀腺中9,測(cè)量體內(nèi)碘濃度可以反映近圖1. 能譜CT 在硬化偽影的去除中的應(yīng)用,圖中 A 為定位像顯示患者右側(cè)脛骨骨折后外固定器影,B 為混合能譜常規(guī)CT 圖像由于外固定金屬偽影右側(cè)脛骨結(jié)構(gòu)及周圍軟組織情況無法觀察,C 為單能量+MARs 技術(shù)后顯示圖像,金屬硬化偽影明顯消除,可以清晰顯示金屬釘在右側(cè)脛骨中的位置及

15、右側(cè)脛骨骨質(zhì)及周圍軟組情況圖2. 患者發(fā)現(xiàn)胰腺占位性病變考慮胰腺癌,肝臟多發(fā)低密度灶,通過能譜曲線分析,肝臟左外葉低密度病灶和胰腺的病灶的能譜曲線非常相似,大部分重疊,說明有相同/相似的成分病理證實(shí)為胰頭癌肝內(nèi)轉(zhuǎn)移.4中國(guó)醫(yī)療器械信息 | China Medical Device Information期的碘攝入量及身體內(nèi)的碘儲(chǔ)存量,以往的測(cè)量方法大多是測(cè)量尿碘水平、測(cè)量甲狀腺吸碘率等來間接反映體內(nèi)碘濃度,以上方法受飲食影響較大。CT 能譜成像利用物質(zhì)分離的碘基圖像可以直接測(cè)量甲狀腺的碘濃度,也可以同時(shí)測(cè)量周圍其他正常組織的碘濃度并用其比值來評(píng)估甲狀腺功能。李銘10等的初步研究結(jié)果表明,能譜C

16、T 在結(jié)節(jié)性甲狀腺腫、濾泡性腺瘤與乳頭狀癌的能譜表現(xiàn)不一致。CT 能譜成像可能在結(jié)節(jié)性甲狀腺腫、甲狀腺腺瘤與甲狀腺癌的鑒別診斷中發(fā)揮一定的作用。能譜CT 也可以對(duì)鈣、尿酸等其他物質(zhì)進(jìn)行定量分析,實(shí)現(xiàn)骨鈣含量測(cè)定、尿酸含量測(cè)量等,有可能對(duì)骨質(zhì)疏松程度的判斷,陳舊性骨折、新鮮性骨折的鑒別、泌尿系結(jié)石成份的分析及痛風(fēng)病人痛風(fēng)結(jié)節(jié)成分析的分中發(fā)揮一定的作用。2.3小病灶檢出率提高 能譜成像能夠同時(shí)獲得40140keV 共101個(gè)不同keV 的單能量圖像和物質(zhì)分離圖像。單能量圖像在不同能量水平具有不同的特征,低能量水平的X 線穿透力低,圖像上組織的對(duì)比增強(qiáng),但噪聲增高,高能量水平的X 線穿透力高,圖像上

17、硬化偽影少,但對(duì)組織的對(duì)比減弱,因此選擇合適的能量水平對(duì)提高單能量圖像上病灶的檢出很重要。葉曉華11等研究表明,能譜CT70keV 單能量圖像通過改善圖像質(zhì)量并增加腫瘤和肝實(shí)質(zhì)的對(duì)比,有利于肝臟腫瘤的檢出,對(duì)小病灶的檢出更為敏感。呂培杰12的研究表明,能譜CT 單能量成像作為一種檢測(cè)小肝癌的方法,可以在不降低圖像質(zhì)量的前提下顯著提高小肝癌病灶的對(duì)比噪聲比,有利于小肝癌的檢出。2.4腫瘤的定位、定性與分級(jí)診斷:能譜CT 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),常規(guī)CT 圖像中CT 值相同的糖水和鹽水,其單能量衰減曲線卻不一樣,說明單能量衰減曲線有助于鑒別不同成分的物質(zhì)。不同臟器的腫瘤、同一臟器不同組織起源的腫瘤以及同一腫

18、瘤內(nèi)的不同組織成分,它們的單能量衰減曲線不同,其物質(zhì)分離圖像、物質(zhì)含量分布圖(散點(diǎn)圖、直方圖的表現(xiàn)也不一樣,對(duì)這些能譜特征進(jìn)行綜合分析,有助于腫瘤的定位、定性及分級(jí)的診斷3。腫瘤TNM 分期對(duì)于臨床處理方案的制定及預(yù)后是非常重要的,但手術(shù)前做到準(zhǔn)確的TNM 分期并不容易, CT圖3. 肝癌介入后復(fù)查,50keV 單能圖像不僅能夠去除介入病灶區(qū)引起的碘硬化偽影而且能夠更清晰顯示更多病灶圖4. 實(shí)驗(yàn)中將不同成份腎結(jié)石放入新鮮豬腎臟中,能譜掃描,可以觀察出不同成份結(jié)石的能譜曲線不同,其物質(zhì)分離鈣水散點(diǎn)分布圖各不相同,CaP 、STR 、COX 、CYS 及UA 分別代表磷酸鈣結(jié)石、鳥糞石、草酸鈣結(jié)石、胱氨酸結(jié)石及尿素結(jié)石。.5China Medical Device Information | 中國(guó)醫(yī)療器械信息Thematic Forum · Radiology能譜成像綜合分析有望在腫瘤的浸潤(rùn)程度、腫瘤的病理類型、惡性程度、淋巴結(jié)的轉(zhuǎn)移及遠(yuǎn)處轉(zhuǎn)移灶的診斷方面提供有效信息,