CT双能量扫描模式在腹部应用的研究进展

杨帆 综述

林伟， 陈卫霞 审校



CT双能量扫描模式在腹部应用的研究进展

杨帆 综述

林伟， 陈卫霞 审校

CT双能量扫描技术是利用物质在两种不同能量级别下对X线不同衰减的物理特性，获得反映组织化学成分的组织特性图像，从而提高腹部富血供病变的显示，同时能够进行组织化学成分分析等，获得物质特异性图像，如虚拟平扫图像、碘图等。目前已较广泛应用于肝脏、胆道、肾脏、肾上腺以及胃肠道等主要腹部器官组织疾病的研究。本文就CT双能量扫描技术的基本原理及其在腹部的应用进展作一综述。

计算机体层成像； 双能量； 腹部； 虚拟平扫； 碘图

随着CT技术的发展，显著提高了成像速度、图像分辨率及病人耐受性。而双能CT(dual-energy computed tomography，DECT)的临床应用，使无创且快捷的影像技术鉴别不同物质成分成为可能，亦是当今CT临床应用的研究热点之一。本质上，DECT通过提供物质在两种不同能量级别下(通常为80kVp，140kVp)对X线不同的衰减，从而获得反映组织化学成分的组织特性图像。根据DECT的原始数据，可重建获得虚拟平扫图像、碘图、虚拟单能谱图像及线性与非线性融合图像等。本文现将CT双能量扫描技术的基本原理及其在腹部的应用进展作一综述。

CT双能量扫描技术的原理

在诊断性CT使用的X线能量范围内，X线光子在穿过人体组织的过程中，主要以光电效应和康普顿效应与组织发生相互作用而衰减。光电效应是指入射光子的能量被物质吸收后，原子的K层电子逸出的现象[1]。入射光子的能量必须达到能克服K层电子的束缚能才能发生光电效应[1]。同时，光电效应具有能量依赖性，即入射光子的能量越接近K层电子的束缚能，光电效应越强[1]。不同物质的K层电子的束缚能不同，且随物质的原子序数增加而增加(表1)。光电效应的能量依赖性与K层电子束缚能的差异性构成DECT的基础[2]。人体组织由碳、氢、氧、氮、磷、钙等基本元素根据不同的比例混合组成。碳、氢、氧以及氮的K层电子束缚能较低，为0.01～0.53keV，且明显低于目前诊断用DECT的X线两种能量级别(通常为80kVp，140kVp)，而钙及碘的K层电子束缚能较软组织高，分别为4.0及33.2 keV，比软组织更接近DECT的X线能量。因此在DECT的X线能量级别下，钙与碘的光电效应比软组织强，光电效应的相对强弱决定物质的X线衰减程度(表现为CT值的高低)，因此DECT可以将钙、碘以及尿酸晶体与软组织加以区分。同时，80kVp比140kVp更接近钙、碘的K层电子束缚能，钙化灶、骨以及含碘对比剂的组织或血管在低能量级别下的衰减比高能量级别下的衰减明显，CT值升高，且碘在低能图像中CT值升高较钙更明显[3]，这种差异可鉴别这两种物质。

表1　生物性元素及对比剂的K层电子束缚能及原子序数

CT双能量扫描仪的种类

根据同时采集低能与高能CT数据的技术不同，目前主要有三种DECT扫描仪：双源双能量CT(dual-souse dual-energy CT scanner，dsDECT)、快速千伏电压转换双能量CT(rapid kilovoltage switching dual-energy CT scanner，rsDECT)、双层探测器双能量CT(dual-detector dual-energy CT scanner，ddDECT)。

1.双源双能量CT

dsDECT(Somatom Definition Flash,Siemens Medical Solutions,Erlangen,Germany)具有两个X线球管，两者具有90°或以上的旋转偏离，同时有两组相对应的探测器[4]，一个探测器的视野(FOV)为50 cm，而另一个探测器的视野为26 cm(第一代dsDECT)或33 cm(第二代dsDECT)。进行双能量扫描时低能与高能球管的管电压分别为80 kVp(或100 kVp)和140 kVp[4]。为了更好地分离低能与高能X线光谱，减少光谱重叠，常将一个锡过滤器附加于高能球管上[5]。因此dsDECT可以获得两个独立的80 kVp(或100 kVp)和140 kVp图像集。因两个球管在螺旋扫描时所投影的数据不会相互重合，因此获得的图像集只能在“图像空间”里进行融合，于扫描后进行图像后处理。此种DECT的限制为低FOV，因此在评价具有较高身体质量指数(body mass index，BMI)的患者时，具有一定局限性。

2.快速千伏电压转换双能量CT

rsDECT(Discovery CT 750HD,GE Healthcare,Milwaukee,USA)只具有一个X线球管，在扫描架一次旋转过程中其管电压在低千伏与高千伏间快速转换，间隔时间为0.5 ms[6]。为了让对比噪声比(contrast noise ratio，CNR)最大化，通常将数据采集的曝光时间比例设置为80 kVp、140 kVp各占65%和35%[7]。同时，rsDECT具有一组快速反应的探测器以及数据采集系统[6]，探测器的FOV为50 cm。rsDECT能几乎同时采集80和140 kVp的数据，并在"数据空间"里产生物质密度图像及虚拟单能谱图像，而不能像dsDECT获得独立的80和140 kVp图像。因这种DECT仅具用一个X线球管，因此个性化修改低能与高能光谱比较困难，同时光谱重叠也增加[8]。

3.双层探测器双能量CT

ddDECT(Brilliance CT,Phillips Healthcare)具有一个X线球管及一个改装后的探测器，改装后的探测器分为上下两层，上部分接收低能衰减数据，下部分接收高能衰减数据[9]。目前ddDECT尚未应用于临床。

CT双能量扫描模式的图像处理技术

DECT采集后的数据主要可重建两大类图像，一类图像与常规CT相似，提供组织的解剖结构特征，另一类图像能够提供特定物质的特征信息，被称为“物质密度图像”，如碘图、尿酸图、虚拟平扫图像等。

在dsDECT中，解剖结构图像由80和140 kVp图像以及二者根据不同权重融合的图像组成。低能图像与高能图像相比，具有更高的对比分辨率，但图像噪声更高。因此，图像融合技术的关键在于让低能图像的高对比分辨率特征最大化，高能图像的低噪声特征最优化。低能图像与高能图像融合的比例分为线性与非线性。线性融合是将图像中各个像素部分按照同一个权重常数进行融合，非线性融合根据低能图像上的相对CT值决定融合比例[4,10]。通常临床诊断用的图像有80和140 kVp图像、线性融合图像以及非线性融合图像。而rsDECT通常无80 kVp重建图像，140 kVp图像在控制台重建，这些图像并没有完全进行扫描仪校准，仅用于确定扫描范围[11]。校准修正应用于“数据空间”里的高能与低能数据，并获得任意具有特定光子能谱(kVp)水平的图像[11]，这些图像被称为虚拟单能谱图像，诊断用的单能谱图像其能量水平通常为75kVp，具有较低的噪声及较高的CNR[12,13]。单能谱图像具有降低线束硬化伪影的优势。

为了获得“物质密度图像”，dsDECT利用图像域分离技术，在低能与高能图像融合后进行处理，rsDECT则利用数据域分离技术，在低能与高能正弦图融合前进行处理[14]。图像域分离技术基于三种物质分离算法，它是假设组织的每一个体素均由软组织、脂肪和第三种物质组成，第三种物质通常为碘，偶尔为骨、钙、尿酸等[15,5]。第三种物质可以被显示或去除。在腹部应用中，碘在碘图中显示，在虚拟平扫图像中被去除。数据域分离技术基于两种物质分离算法，它假设每个体素的衰减为两种成对的基本物质衰减的加权和，常用的成对物质为水与碘以及钙与碘[15,5,8]。当水与碘为成对的基本物质时，同样产生虚拟平扫图像与碘图。

CT双能量扫描技术在腹部的应用

1.在肝脏、胆道的应用

在显示肝脏富血供恶性肿瘤时，病灶与正常肝组织的高密度对比度是临床工作中需要的。在注射对比剂后，肝脏的富血供病灶在低能图像上的显示较高能图像更突出，这是因为碘在低能光谱下的衰减系数更大[16,17]。同时DECT能提供物质密度图像，应用于分析肝脏脂肪及铁沉积、胆道结石、测定肿瘤组织内的碘含量等。常规单能量CT图像很难在合并肝脏铁沉积时评价脂肪沉积，反之亦然。然而，研究显示应用dsDECT的铁特异性三种物质分离算法，可以在合并肝脏脂肪沉积时较准确地评价铁沉积，以及在合并肝脏铁沉积时评价脂肪沉积[18,19]。同时，可利用低能与高能图像的CT值差异区分铁沉积超过10%的患者[20]。另外DECT的碘图可应用于肝脏肿瘤的评价。Lee等[21]应用碘图评价肝细胞癌肝动脉化疗栓塞术后的复发情况，认为碘图与常规肝脏CT技术相比具有相似的评价功能，但其辐射剂量更低。应用碘图测定肝细胞癌患者血管内栓子的碘含量可鉴别癌栓及血栓[22]。

在胆道结石的诊断中，一项体模研究显示，DECT在显示胆固醇含量>70%、无钙化成分的胆囊结石时，具有95%的灵敏度及100%的特异度[23]。但虚拟平扫图像与常规平扫图像相比，虚拟平扫图像在显示较小(<9 mm2,<1.7 mm)以及胆色素结石(≤78 HU)方面存在一定的局限性[24]。

2.在泌尿系统的应用

对于泌尿系统结石，准确判断结石的位置、大小以及主要成分对临床选择治疗方案至关重要[25]。常规单能CT图像能准确提供结石的位置及大小，但提供结石成分信息的能力有限[26]。了解结石的主要化学成分可指导临床选择合适的治疗方法。DECT可根据其物质密度图像鉴别结石的化学成分。早期的研究[27,28]主要将DECT用于区分尿酸结石与非尿酸结石，而近期的研究显示DECT还可用于区分非尿酸结石的各个亚类(钙化结石、胱氨酸结石及磷酸镁胺结石)[29-32]。然而，DECT在显示<3 mm结石的灵敏度不高，并较难分析<3 mm结石及混合结石的化学成分[25,29]。同时虚拟平扫图像显示结石大小比常规平扫图像所示小[33]。另一方面，在重建虚拟平扫图像时，如果使用的原始数据为较晚时相图像(如排泄期)，集合系统碘含量很高，会在集合系统边缘形成“环状伪影”而将其误认为结石[34]。

DECT的物质密度图像还能在单独的对比增强图像中检测肾脏病灶中的碘含量，鉴别强化的肾脏病灶与非强化的肾脏病灶，如肾脏肿瘤与高密度肾囊肿[35,36]。Graser等[37]发现，CT双能量扫描模式下的单独对比增强图像判断肾脏良、恶性肿瘤的准确率高，为94.6%。另外研究显示，肾脏病灶在虚拟平扫图像上的CT值与常规CT平扫图像上的CT值近似，但具有更高的噪声[38]。DECT还可应用于肾脏肿瘤热消融后的随访，以虚拟平扫图像替代常规平扫图像，减少随访患者的辐射剂量[37]。

3.在肾上腺的应用

约5%的患者在行单独腹部增强扫描时可意外发现肾上腺占位病变[39]。为了鉴别病变的性质，常常需要加做常规平扫而增加患者的辐射剂量。意外性占位的一个重要鉴别点为病灶内的脂肪成分，如果病灶在平扫图像上的CT值小于10 HU，诊断为良性病变的灵敏度与特异度分别为71%、98%[40]。DECT虚拟平扫图像与常规平扫图像在显示肾上腺病灶的CT值上差异无统计学意义，同时，以常规平扫图像为参考标准，虚拟平扫图像在显示>1 cm的意外性病灶时，其灵敏度、特异度及准确度均可达90%以上[41]。然而，由于重建虚拟平扫图像时碘去除不完全，使虚拟平扫图像的CT值高于常规平扫图像，导致脂肪成分含量高的腺瘤检测灵敏度降低[42]。

4.在胰腺的应用

胰腺癌在CT图像上通常表现为低密度病灶，然而约11%的病灶表现为等密度[43]。提高肿瘤与正常胰腺组织间的CNR能提高较小及等密度病灶的显示。DECT的低能图像能提高病灶的对比度，碘图不仅能提高病灶的检测，还能鉴别病灶内的实性与囊性成分，更清晰的评价肿瘤与周围血管的关系[44,45]。另外，碘图还可评价胰腺炎时胰腺坏死情况。

5.在胃肠道的应用

DECT应用于胃肠道可提高富血供的肠道病变及缺血性肠道节段的显示。应用DECT 80 kVp的图像能提高克罗恩病活动期检测的敏感性[46]。同时，在未进行肠道准备的患者中，应用碘图可显示96.7%的结肠癌[47]。另外，有研究认为，病灶中的碘含量可作为转移性胃肠道间质瘤治疗后疗效评价的指标[48]。DECT还能提高胃癌影像学分期的准确性，病灶碘含量可提高分化型与未分化型胃癌及转移性与非转移性淋巴结的鉴别[49]。

6.在急腹症的应用

在显示腹部血肿时，DECT虚拟平扫图像的图像质量与常规平扫图像相似，因此可用虚拟平扫替代常规平扫[50]。然而，如前文所述，在显示胆道及泌尿系统结石时，虚拟平扫具有其局限性，此时常规平扫是必要的。另外，一项动物研究表明，可应用肠道双相对比剂(肠内铋对比剂/肠壁碘对比剂)能鉴别腹部穿通性损伤时对比剂外渗位置(肠壁穿通伤或血管破裂)[51]。

7.DECT血管成像的应用

DECT可提高血管造影的准确性，能更准确显示钙化斑及含碘区域，还能区分血管斑块的成分。dsDECT非线性融合图像与权重为0.5的线性融合图像及常规单能量CT图像比较，具有更高的信噪比、对比噪声比以及主观图像质量[52]。腹主动脉瘤腔内修补术后，虚拟平扫图像的主动脉血流及血栓CT值与常规平扫图像相似，在显示内漏时，虚拟平扫图像结合静脉期图像及碘图具有非常高的诊断准确度，灵敏度、特异度、阳性预测值及阴性预测值均为100%，因虚拟平扫图像代替常规平扫，可降低约28%的总辐射剂量[53]。

DECT通过利用物质在两种不同能量级别下对X线不同衰减的物理特性，获得反映组织化学成分的组织特性图像，使其在腹部的应用越来越广泛。低能图像对腹部病灶的突显能提高病灶的诊断，同时物质密度图像可产生虚拟平扫图像、碘图及分析结石的成分及肝脏弥漫性病变等。应用虚拟平扫图像替代常规平扫图像，可明显降低患者的辐射剂量。

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2014-11-06修回日期：2015-02-21)

610000成都，成都市第一人民医院放射科(杨帆、林伟)；610000成都，四川大学华西医院放射科(陈卫霞)

杨帆(1988-)，女，四川岳池人，硕士，住院医师，主要从事腹部影像诊断工作。

陈卫霞，E-mail：wxchen25@126. com

·综述·

R445.3； R814.42

A

1000-0313(2015)04-0388-04

10.13609/j.cnki.1000-0313.2015.04.021