CT 能谱成像基本原理及其临床应用进展

王 欣，陈刘成，2，沈龙山，周牧野，2，陈少男

（1.蚌埠医学院第一附属医院放射科 蚌埠医学院医学影像学院医学影像诊断教研室，安徽 蚌埠 233004；2.数字医学与智慧健康安徽省重点实验室 蚌埠医学院临床应用解剖研究所，安徽 蚌埠 233004；3.蚌埠医学院第二附属医院放射科，安徽 蚌埠 233030）

以往单排、双排及MSCT 探测器，仅有1 套球管发射X 线对病灶进行扫描，只能定位病灶，显示病灶及其邻近组织结构，而无法定量、定性分析、辨别病灶组织结构成分。2005 年Siemens 推出全球首台配备2 套球管、可分别产生高低2 种千伏能量的双源CT（dual source computer tomography，DSCT），2009年GE 推出以双kV 瞬时切换为核心技术的能谱CT成像，均为CT 能量成像的临床广泛应用和研究奠定了基础。近年来，CT 能谱成像临床应用显著增加，与之相应的应用研究也成为热点。笔者结合相关文献，就CT 能谱成像基本原理及临床应用进展综述如下。

1 CT 能谱成像基本原理

常规CT 球管产生的X 线为连续能谱的混合能量电磁波，物质的吸收系数实际上是对各种能量X线吸收的总体效应。双能CT 成像以2 种不同的能量扫描，通常是低能和高能光子光谱。定量双能CT 解决了在图像强度和材料组成之间须建立相对应关系的不足，除了可获取基于物质密度差异、与CT 值差异重建的常规CT 图像对应外，还可获得从低能级到高能级各单一能级的单能谱图像，后者图像是基于物质对单能量吸收系数的差异而成像。不同能量图像的CT 值在部分组织器官不等效，此种成像需减少光束硬化伪影［1-3］。

CT 能谱成像的基本物理学原理包括3 个方面：①X 线作用于物质后能量会衰减，其衰减程度与X线能量及物质密度有确定的函数关系；②衰减曲线由X 线与物质作用产生的光电效应和康普顿效应决定，2 种效应各自独立，与X 线能量、所作用物质的原子系数或电子密度具有函数关系；③任何一种特定组织的X 线吸收效应，可通过由2 种物质相应比例的基物质对组合来等效表示，临床上常用水和碘作为基物质对，也可用钙和水。基物质对的不同比例可等效于从软组织到碘对比剂、医学中常见吸收系数范围的物质［1，3］。

光电吸收效应强度与被检物质的原子系数成正比，钙、骨骼、碘对比剂等高密度物质受其影响更显著；而康普顿效应强度与物质的电子密度有确定的函数关系，软组织受其影响更显著。进行双能量扫描时，双球管分别产生不同电压或单球管高、低电压瞬切技术，均可产生2 种不同能量的X 线，经被检体衰减后由对应探测器分别检测，从而获得2 组原始双能量吸收的数据，建立2 元方程组，可计算出被照射物质的康普顿效应和光电效应的数据，从而重建出双能量图像。由于纯水及纯碘的能量谱线已知，通过方程组还可计算出被检体物质所等效的基物质对的相应比例。不同比例的基物质对的能谱曲线可事先检测，只要得到被检体物质所等效的基物质对中各基物质的比例，被检体物质的能谱曲线也等效于相应比例基物质对的特征谱线，从而实现由双能量CT获得虚拟单能谱图像［3-4］。

2 单能量成像

以往单球管高低电压序列扫描成像技术，2 次扫描，空间匹配困难，易受人体位置移动、呼吸运动及器官蠕动的影响。双球管技术（双源CT），双球管（一大一小）、双探测器、扫描野受限（小球管视野30 cm），运动伪影大，散射线较多。CT 能谱成像是近年来新兴的双能量成像技术，采用单球管瞬时kV 切换技术，在0.5 ms 内实现80 kV 和140 kV 快速转换，采集和处理几乎同方向，同源2 种能量X 线的数据，生成40～140 keV 101 组单能量图像，得到能反映不同物质特征的能谱曲线［4］。

由双能量CT 获得的虚拟单能谱图像，除了具有常规CT 的空间分辨力（高对比分辨力）、密度分辨力（低对比分辨力）、时间分辨力之外，还增加了能谱分辨力，常用单能谱70 keV 图像，使CT 功能成像得以实现。由双能量CT 提取的单能谱图像，可计算得到40～140 kV（不同设备范围略有差异）的一序列单keV 能量图像，从中获得优化的最低噪声、最高对比的图像。CT 图像上的组织分割是三维重建的基础，须同时控制剂量。在组织分割时，由双能量CT 获得的单能谱图像明显优于常规混合能量CT 图像。双能量CT 能选择更多的组织，从而提高剂量计算的准确性［4］。与常规混合能量CT 成像比较，单能谱CT 成像测得的CT 值与碘浓度的相关性更高、误差更小，能谱成像还可消除硬化伪影，相比普通混合能量CT，对病灶的强化程度和强化-时间曲线更准确可靠［5］。

3 CTA 中的自动去骨

骨骼对不同能量X 线的吸收系数不同，且与软组织和碘化血管有较明显区别，原子序数的差异可使用双能技术使钙和碘易于分离，这奠定了双能CT可直接进行CTA 检查的技术基础。能谱CTA 扫描的优势是通过获得多组单能量图像，自动去骨降低噪声，提高SNR，明显改善图像质量，且能谱扫描可通过降低对比剂用量，降低患者的过敏概率。然而在临床工作中，采用能谱自动去骨扫描获得的数据量较大，以致工作站运算处理运算速度较慢，增加了软硬件工作量负荷，影响工作效率，应改善与升级软硬件，以满足临床需求［6-8］。

在下肢静脉CTA 中，与混合能量CT 比较，采用能谱CT 的单能量扫描下肢静脉血管重建获得的图像质量更高［9］。双能量算法识别并去除骨骼，可直接观察碘化血管。在65 keV 和50%ASIR 条件下，双能CTA 低容量对比剂与常规对比剂容量图像对比度相当，在评估外周动脉病变中，图像符合临床诊断要求，下肢CTA 在60 keV 能达到最佳图像质量［10］。一项关于低剂量对比剂双能量肺血管CTA 联合先进单能量成像重建对疑似肺栓塞患者的疗效的研究［11］证明，对比剂用量仅需6 g，就能可靠鉴别诊断中央型、肺叶型和肺段性肺栓塞。

4 灌注成像（血池成像）与碘化血管

除了去除骨骼以观察碘之外，碘体素的识别允许碘化区域的颜色增强，一种临床用途是灌注血液体积的可视化，也称为血池成像。已被开发用于检测灌注不足在肺继发于肺栓塞及检测心肌局部缺血的区域。研究发现CT 能谱灌注扫描兔肿瘤模型时，肿瘤组织动脉期碘含量与血容量、血流量、肝动脉分数、表面通透性及微血管密度成正相关，表明CT 能谱灌注扫描能定量反映兔肝癌模型肿瘤新生血管情况［12］。在鉴别兔乳腺癌腋窝炎性淋巴结和转移时，CT能谱灌注成像定量参数也有一定价值，联合血流量+动脉期40～70 keV 能谱曲线斜率（λ）＋静脉期λ 的高AUC 值，诊断价值较高［13］。能谱CT 张力灌注成像对病变的冠状动脉粥样硬化CTA 是一个很好的补充，能更准确检测病变冠状动脉的血流动力学［14］。借助专用软件，双源CT 灌注成像较单纯的肺血管CTA能显著提高节段性和亚节段性肺栓塞的检出率［15］。

5 虚拟平扫及去钙质

能谱纯化技术能够将碘、钙质、铁等成分从CT值中分离，达到物质分离的目的，其重要应用：①分离碘，除去CT 强化图像中的碘成分来创建一个虚拟非增强图像（virtual non-contrast，VNC），即虚拟平扫图像［16］。虚拟平扫需引入对比剂，0%的碘形成虚拟平扫而100%的碘形成碘图，也是目前定性、定量的重要方法之一。②胰腺癌，真实非对比图像（true non-contrast，TNC）组和VNC 组比较，VNC 图像质量满足诊断要求，可代替动态增强扫描作为基线的常规平扫［17］。③甲状腺病变，VNC 代替常规平扫时，既不影响诊断，获得优质的图像信息，又可明显降低辐射剂量［18-19］。④肾癌患者VNC 组与TNC 比较，肿瘤组织及邻近脏器的CT 值和SNR 差异均无统计学意义，双能量VNC 可替代TNC［20-21］。

去钙质目前更多是应用在骨关节及血管壁的评估中，无需引入对比剂。去除钙质，可突出显示骨髓的水肿；去除动脉粥样硬化斑块，更好地显示血管壁非钙化斑块；分离出铁质，可消除骨折外固定钢架的CT伪影［22-23］。如果VNC 图像具有良好的图像质量以替代TNC 图像，则可省略多相检查的非对比扫描。与单能量CT 相比，双能量CT 显著提高了对物质或组织的分辨，对冠状动脉钙化斑块的定量测定有重要的临床意义。研究［24］表明，基于非传统双能量CT 的钙斑块定量测量结果与传统单能量CT 所获得的钙评分一致。另一组研究也证实，主动脉行CTA 时，VNC 组的主动脉衰减明显高于TNC 组；基于动脉相位CTA 的VNC图像具有较高的平均衰减率和较高的噪声水平［25］。在骨折金属支架固定术后复查患者，应用双能量CT单能谱成像进行不同密度的金属减影处理，可将金属伪影去除，更清晰地显示骨折及金属固定处解剖细节，获得更高的图像质量［23］。去除钙质最重要的价值在于去除动脉粥样硬化斑块和虚拟去钙质。能谱CT物质分离技术评价冠状动脉钙化斑块狭窄率，具有较高的准确性，但钙化斑块所在动脉节段管腔大小影响狭窄率的判断，管腔管径大者符合率较高［26］。

利用光谱CT 纯化功能，采用双层光谱CT，使用特定开发的算法分解成羟基磷灰石、水肿当量和脂肪当量密度图，对急性骨折、骨髓水肿的敏感性均较普通CT 显著提高［27］。

6 物质成分检测

6.1 结石 临床上准确辨别尿酸和非尿酸石具有重要意义。应用双能量CT 鉴别尿酸、草酸钙水合物、胱氨酸和磷灰石4 种常见肾结石时，结果表明尿酸肾结石最易鉴别，其次是胱氨酸，而草酸钙水合物和磷灰石较难区分；系统能区分尿酸结石和非尿酸结石，并以不同颜色显示［28-29］。

结石的易碎性也具有重要的临床意义，可由双能量CT 预测。混合低能和高能图像被用来测量体积、表面粗糙度和12 个描述石头内部形态的指标，同时计算低能量与高能量CT 值的比值，可作为超声碎石术测定结石粉碎时间的方法［30-31］。

6.2 从乳房植入物泄漏检测有机硅 当植入乳房硅胶物的完整性受到破坏时，少量硅酮渗透到邻近组织结构，并蔓延至周围淋巴结，造成组织炎症或免疫反应。硅树脂与衰减的相邻解剖结构相似，有时，MRI 也难以检测。MRI 虽是评价乳腺植入物完整性的首选检查手段，但当患者有心脏起搏器、人工耳蜗植入或幽闭恐惧症等检查禁忌证时，常无法扫描，且其费用较高。双能量CT 能清楚区分硅胶与周围软组织的结构，还可测定组织的密度值，定性分析组织成分。硅含有14 号非金属元素硅，软组织含有氢和氧较轻的元素。低能量CT 与高能量CT 由于斜率不同，可区分硅和软组织。与MRI 扫描相比，双能CT不仅能明确囊内破裂和浆膜瘤情况，而且能更清楚地显示胸壁组织、1～3 级腋淋巴结和腋外淋巴结内的囊外硅酮。双能CT 还可识别肋骨骨折情况和冠状动脉钙化等相关信息。尽管MRI 是目前评价囊内和囊外硅胶乳房植入术的首选检查方法，但双能CT在评价囊外破裂程度和单次、非创伤性、屏气扫描的结节性病变方面显示出较大临床价值［32］。

7 肿瘤的诊断及鉴别诊断

能谱CT 利用能谱曲线、物质分离（碘基定量）等对组织成分及血供的异常改变等参数，进行定量分析，对良恶性肿瘤的诊断、鉴别诊断及分型均有重要的临床价值。任占丽等［33］收集57 例肺癌患者，行能谱双期增强扫描，得到多参数成像可为肺癌分型提供多参数鉴别依据，为临床合理制订治疗方案和改善预后提供帮助。鲁法美等［34］通过能谱CT 混合能量成像、钙基图和碘基图等物质分离图像，定量、定性分析病变，了解其病理学信息，在肝癌诊断及肝癌与肝脏局灶性结节性增生鉴别诊断中具有重要临床参考价值。能谱CT 较常规CT 提高了结直肠癌的检出率，术前能定量检测和描绘结肠及其周围组织内病变，并对结直肠癌进行术前精确分期，利于治疗策略的选择和预后［35］。

综上所述，双能量和多能量CT 是临床CT 成像的新兴领域，二者有着区分不同有效原子序数材料的能力，使得几种新的和临床相关的CT 应用成为可能，如CTA 可自动去除骨斑块和金属伪影、从对比增强扫描中去除碘信号、灌注血容量的单相成像，以及识别具有特定元素组成的组织，在肿瘤的诊断及鉴别诊断方面有着一定临床应用效应。但目前能谱CT 的价值仍需大量研究去证实，在临床应用中仍存在相对局限性：对肿瘤淋巴结的定性，仍存在不确定性，还需进一步扩大样本研究；对肥胖患者应用价值相对受限、对软组织分辨力不及MRI 等。相信随着以后研发技术的进步，其临床应用还将有大量创新成果涌现，双能量或多能量CT 正在成为CT 成像的主流检查方法。