HDCT成像原理及临床应用价值

何文胜

安徽医科大学第一附属医院 医学工程部，安徽 合肥 230022

HDCT成像原理及临床应用价值

何文胜

安徽医科大学第一附属医院 医学工程部，安徽 合肥 230022

本文主要介绍了多排CT在功能性成像方面的最新进展，着重阐述了HDCT（高清CT）能谱栅成像的技术原理、实现能谱成像的技术方法和临床方面利用CT扫描、实现组织定性分离的应用价值。

HDCT；能谱成像；宝石探测器

0 前言

1 HDCT的能谱栅成像原理

自1895年伦琴发现X线以来，X线在医学诊断方面发挥了重大的作用，但最大的且具有革命性意义的突破是1972年CT的研制成功，它首先用于颅脑疾病的诊断，很快扩大到全身检查，直至今日成为医学诊断中不可缺少的重要设备。

纵观CT的发展，从头颅扫描到全身扫描，从断层扫描到螺旋扫描，从单排螺旋扫描到多排螺旋扫描，经历了多次的创新，供应商所追求的设计理念都是为获得更高的图像分辨率、更好的图像清晰度、更快的扫描速度、更少的X线剂量、更强大的采集功能、更完善的重建技术等。但当多层的发展受到硬件发展的制约时，如：不断增宽的探测器，便产生了很多影响图像质量的不利因素：超宽体探测器形成的大角度的锥形束造成锥形伪影，即所谓的“屋顶效应”而致CT值的失真；超宽体探测器引起超宽的Z轴扫描使散射线增加而致密度分辨率下降，影响体部临床图像的质量等。因此全球CT生产商开始寻求增加探测器宽度以外的其它CT设计技术，在2009年GE公司成功地推出了一款可用于功能性成像的HDCT，在设计理念上突破了过去20年内所使用的探测器材料范畴，使用了一种全新的检测材料，具有极好光学特性的石榴石作为探测器基材，产生了能谱栅成像的概念。

X线在物体中的吸收主要是通过光电效应和康普顿散射两种作用产生。光电效应是指光射入物质后，物质中的电子吸收光子能量并激发出自由电子的行为（图1），康普顿散射是指入射光子与物质原子中的核外电子产生非弹性碰撞而被散射的现象。碰撞时，入射光子把部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子，而散射光子的能量和运动方向发生变化（图2）。

图 1 光电效应示意图

图 2 康普顿散射现象示意图

物体在经X线照射后其质量吸收系数随X线能量而变化，同一物体对应不同的X线能量有不同的质量吸收系数，因此用任意两个能量点即可获得物体的质量吸收曲线，不同物体则对应各自固定的特征吸收曲线，而CT值反映的正好是物体对X线的线性吸收，这就获得能谱栅CT成像可定性分离不同物质的基理[1]。在单电压所产生的连续能量X线CT成像过程中所获得的物体质量吸收是平均效应，不同的能量所获得的是不同的平均效应，CT值所反映的也是平均吸收系数，因此无法定性区分物质成份。

1977年CT物理学家Dr.Brooks RA著文阐明任何一种物质对X线的吸收都可用两种“基物质”来表达[2]，最常用的基物质是水和碘，在已知水和碘在各能量点的吸收系数μ的情况下，可鉴别其他不同物质：

在单能的情况下，选择任意两个不同能量建立能量栅，测出被检物质的两个吸收系数μ(E1)和μ(E2)，结合水和碘在该两个不同能量下的 μ(E1)水、μ(E2)水、μ(E1)碘、μ(E2)碘，便可测算出相应的a1和a2值，从而可获得对各种物质的测定和分离。

2 HDCT能谱栅成像的实现

综上所述，实现能谱栅成像的关键在于如何在单能扫描的条件下同时获得双能数据，HDCT采用了单源瞬时变能技术解决了这一问题。

2.1 高速瞬时高压发生器

区别于传统的高压发生器，HDCT的高压发生器采用了被称之为快速管电压开关的设计，可以使系统在0.5ms周期内对X线进行80kVp和140kVp电压切换，实现瞬时变能目的[3]。

2.2 高速采集的新型探测器

对于探测器来说，X射线激发可见光速度越快越好，初始速度越快，可见光转换速度越快，清空速度越快，余晖效应越小。为了获得对X线快速检测反应，HDCT探测器突破探测器传统材料使用范畴，采用了具有极好的光学特性的石榴石为基材，俗称宝石探测器，其可见光转换速度达到0.03μs，比传统材料加快了近100倍。宝石探测器也是能谱成像的硬件基础，是能谱成像链上关键的环节。它在机架旋转一次的时间内能够实现2496次采集（比64排CT增加了2.5倍），实现了全身的空间分辨率与图像质量的提高。能谱采集每圈实现128层的采集与101个单能谱的成像。

2.3 动态变焦球管

传统的球管不能克服高、低毫安与大、小焦点之间的任意匹配，HDCT的球管使用非常耐用的灯丝材料，采用一个焦点，通过电磁场的聚焦和偏转，实现动态变焦的技术，从而可以根据不同条件自动选择需要匹配的焦点大小。

2.4 ASiR重建引擎

HDCT的DAS系统较传统采样率提高约2.5倍，采集速度达到了 目前最高的7131views/s ,且采用了全新的数据模型与算法，称之为ASiR重建引擎，该种重建方式可在极低的剂量条件下实现高清晰成像，可使胸部扫描剂量降低26%~29%[4]，心脏成像可降低90%。

3 HDCT的临床应用价值

3.1 组织的定性分离和定量测定

HDCT由于采用的能谱栅成像方法，这使得其能量时间分辨率达到0.5ms，是双源CT的100多倍，同进可获得101单光子能级成像，可使水、碘、钙、铁等单独作为一个序列成像。提供了更多的组织信息，使得精确判定物质的组织成分成为可能。

3.2 MARs 去除硬化伪影技术

HDCT的单能谱成像和探测器材料的固有物理学特性，可以实现去除硬化伪影。

3.3 全身高清成像

由于新技术新材料的应用，使得HDCT的空间分辨率和低密度分辨率都得到了大幅度的提高，使CT图像获得了很高的清晰度，提高了临床诊断率和鉴别诊断。

3.4 四维动态功能成像

传统CT灌注局限于覆盖范围，无法明确病灶及供血动脉的位置。HDCT利用精准的控制系统实现了螺旋往穿梭式扫描技术，使得灌注覆盖范围远远超过探测器宽度的限制，可达到500排CT（312.5mm）的范围，从而拓展了功能学诊断，可观察动态状况下的生理功能、病变性质、生理特性等。

3.5 全身低剂量成像

HDCT提高的探测器采样效率，采用了全新的数据模型及算法，通过影像链的革命，实现了全身真正意义的低剂量扫描，传统CT心脏平均使用剂量为12mSv，HDCT可实现0.1mSv心脏成像，只相当于10张胸片的剂量，因此使心脏平均放射剂量可降低90%左右，全身扫描放射剂量降低50%左右。

4 结束语

HDCT采用新的材料理念、新的设计理念实现了CT扫描技术革命性的突破，改善了图像质量、降低了扫描剂量[5,6]，给临床诊断提供了更广更多的发展空间，为心脏冠脉能谱成像、心脏斑块定性定量检测、区分冠状动脉钙化和造影剂、大范围灌注及动态CTA等奠定基础。

[1] 郑世才.CT技术和康普顿散射成象检测技术[J].无损检测,2000(9):423-428.

[2] 郑世才.对ASTM E1742-2008标准射线照相质量级别规定的讨论[J].无损检测,2009(9):731-737.

[3] 梁长虹,黄飚.多层CT技术飞速发展,临床应用不断创新[J].中华放射学杂志,2006(9):901-902.

[4] 王爽.多层螺旋CT在肝脏扫描中的应用[D].北京:中国协和医科大学,2007.

[5] Pfriyanka Prakash MD, Mannudeep K. Kalra MD,et al.Radiation Dose Reduction With Chest Computed Tomography Using Adapitve Statistical Iterative Reconstruction Technique:Initial Experience[J]. J Comput Assist Tomogr,2010,34(1)[Epub ahead of print].

[6] Daniele Marin,MD,Rendon C.Nelson MD,et al,Low-Tube-Voltage, High-Tube-Current Multidetector Abdominal CT:Improved Image Quality and Decreased Radiation Dose with Adaptive Statistical Iterative Reconstruction Algorithm—Initial Clinical Experience[J].Radiology,2010,254(1) [Epub ahead of print].

Principle and Clinical Application Value of HDCT Imaging

HE Wen-sheng
Medical Engineering Department,First Affiliated Hospital of Anhui Medical University,Hefei Anhui 230022,China

TH774

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2010.07.021

1674-1633(2010)07-0057-02

2010-04-12

2010-04-21

作者邮箱：hewenshengahmu@yahoo.cn

Abstract: This paper introduces the latest technology of functional imaging in multiple-phase CT,and expounds on the technical principle of Gemstone Spectral Imaging in HDCT(high-definition CT),also describes the application value of tissue decomposition by CT scanning.

Key words: HDCT; energy spectrum imaging;gemstone detector