光子计数探测器CT 在骨肌系统疾病中的研究进展

2023-08-16孙振业王植孟祥虹

国际医学放射学杂志 2023年3期

孙振业，王植，孟祥虹

自Hounsfield 开发出CT 并应用于医学以来，CT 技术经历多次革新，目前医学领域主流的CT 成像设备是多层螺旋CT，是通过能量积分探测器（energy integrating detector,EID）将接收到的所有带有信息的X 线先转化为光信号，再经过电子元件转换为图像信号的间接检测方法，存在检查辐射剂量高、信号电子噪声大等缺点[1]。光子计数探测器（photon counting detector,PCD）是CT 的一种新兴技术，可以完成单个X 线光子的信息采集和处理，探测器单元小，分辨力高，后处理能力强[2]。骨肌系统CT 检查是临床工作中的重要组成部分，PCD-CT 的主要成像技术包括物质分离、低剂量成像、超高分辨力（ultra-high resolution，UHR）成像、去金属伪影成像等。本文主要对PCD-CT 的成像特点及在骨关节炎分析、骨肿瘤定量诊断、儿童骨肌低剂量扫描、骨骼微结构显示及骨关节假体评估中的应用予以综述。

1 PCD-CT 的成像特点

EID-CT 采用闪烁体和硅原件完成光电转换，信号转换率低，转换时间长。PCD-CT 不存在“X 线-光信号-电信号”之间的转换，而是通过特殊材料，即碲化镉（CdTe）来完成“X 线-电信号”的直接转换[3]。因此，PCD-CT 可以保证较高的信号转化率和响应速度，且不受发光二极管单元尺寸的限制，完成单个X 线光子直接转换为电信号的过程，空间分辨力更高。

PCD 感应X 线产生的电脉冲信号与X 线能量成正比，对信号超过预设阈值的脉冲数进行计数。阈值设置在高于电子噪声水平且低于入射X 线产生的脉冲信号之间，将每个脉冲与各阈值进行比较，可以划定不同信号的能级[4]。因此，PCD-CT 可以大大降低电子噪声对脉冲信号的影响，从而保证影像质量，降低扫描剂量。

具有能谱分析功能的PCD-CT 能够为低阈值信号分配更高的权重，以减少高阈值噪声信号对影像的影响，从而优化影像对比噪声比；还可以通过物质分离消除射线束硬化伪影[2]。

2 PCD-CT 在骨肌系统的临床应用

2.1 骨关节炎定量评估和病变早期诊断 PCD-CT可以进行骨关节炎病因分析，辅助针对性治疗。由于PCD-CT 可对不同能级信号进行分析，故其物质分析能力较常规CT 更加精准，对单一物质的识别能力更强，因此PCD-CT 可以对骨关节炎的相关代谢产物进行识别和定量评估，分析病变的程度。尽管目前PCD-CT 对骨关节炎特殊标志物的分析还处在实验室阶段，但已初步体现出临床价值。

急性骨关节炎或肩周炎常存在有焦磷酸钙或羟基磷灰石晶体沉积，病情严重程度与晶体沉积量相关。Bernabei 等[5]研究发现PCD-CT 检测关节软骨矿化非常敏感，可发现沉积在软骨深层或软骨下骨的羟基磷灰石晶体。Paakkari 等[6]应用PCD-CT 测量人体骨软骨组织内吸收阳离子碘化CA4+（反映蛋白聚糖含量）和钆特醇（反映水含量）的对比剂浓度，结果显示PCD-CT 结合双对比剂成像法可早期、定量检测骨关节炎病人关节软骨内蛋白多糖和自由水含量的变化，而常规CT 检查不能进行检测。Chappard 等[7]应用PCD-CT 虚拟单能量成像可以不进行关节造影直接显示关节软骨和软骨下骨质的结构和成分，并对软骨下骨囊性变的数量和大小进行定量测量，进而对骨关节炎严重程度进行分级。

目前一些研究显示骨关节炎是由关节软骨退变引起的退行性骨关节病，PCD-CT 可显示软骨退变程度并对其进行分级。Rajendran 等[8]应用PCDCT 对实验猪的软骨损伤程度进行物质分离定量研究，分析羟基磷灰石的含量及分布，结果发现PCDCT 可实现探测器像素更小的所谓超高分辨力成像，且捕获不同成分的光谱特征，从而有利于评估软骨损伤；该研究还发现，使用PCD-CT 特有的V71 重建算法处理图像有助于对单碘乙酸引起的软骨损伤进行分级，可以作为评估疾病严重程度的生物标志物；另外，该研究获得的CT 数据还可以生成体积骨密度图，进一步评估关节软骨下骨密度水平。

晶体性关节炎有许多类型，常见的有痛风和假痛风等，两者在临床表现上难以区分，前者因尿酸盐沉积引起，后者为焦磷酸钙沉积所致。相对于常规CT，多能量PCD-CT 由于其探测器空间分辨力高，测量精度准确，能够更准确地检测尿酸单钠结晶的容积。Stamp 等[9]研究发现多能量PCD-CT 不仅可以在体外检测、区分和量化痛风中的尿酸单钠晶体沉积，还可以特异性地检测、识别和量化骨关节炎半月板中的焦磷酸钙，并将其与羟磷灰石晶体沉积区分开来，可显著提高晶体沉积性关节病的诊断能力；该研究还发现当设定低能量阈值20～30 keV扫描时，可以在合成的晶体悬浮液中准确区分尿酸单钠和焦磷酸钙。

2.2 骨肿瘤定量诊断与常规EID-CT 相比，PCD-CT 对成骨性和溶骨性骨肿瘤的诊断和鉴别更有优势，其特有的高分辨率模式可以发现因肿瘤导致的细微骨质结构的改变，也可以对肿瘤的分化程度进行影像组学分析[10]。Wehrse 等[11]对乳腺癌骨转移病人的CT 影像研究发现，在相同的剂量下，PCD-CT 影像的空间分辨力更高。使用PCD-CT 高分辨率模式，可以减少影像边缘的散射线伪影，影像的噪声和像素更小，肿瘤边缘可以显示得更清晰，更容易评估剩余的骨小梁和骨质结构的完整性，有助于定量评估乳腺癌骨转移的情况。

PCD-CT 相较EID-CT 具有更高的空间分辨力，可以突出显示更小的结构和更多的细节，直接影响CT 影像的影像学特征的提取。Allphin 等[12]对放射治疗后的实验小鼠肿瘤部位注射碘化脂质体后，分别应用PCD-CT 和EID-CT 延迟扫描检测肿瘤的血供情况，并对肿瘤容积进行图像分割和特征提取，建立临床和影像组学模型来分析肿瘤分化程度，结果显示依据PCD-CT 和EID-CT 的数据计算得到的受试者操作特征曲线下面积（AUC）分别为0.74 和0.65，表明PCD-CT 的影像数据可以提高影像组学分析的准确性和有效性，高于应用常规单能EID-CT 的诊断效能。Dunning 等[13]通过对相同剂量下的植物样本进行基于PCD-CT 和EID-CT 影像的影像组学比较分析，分别提取纹理特征，并使用聚类分析进行分类，结果发现前者较后者的影像组学诊断效能更高。

2.3 儿童骨肌系统低剂量扫描 CT 检查在儿童颅缝早闭、先天性髋关节发育不良等疾病中起着重要作用，因此儿童骨肌低剂量CT 扫描尤为重要。有研究[14]显示如果患儿儿童时期所受辐射剂量累计多于50 mGy，其患白血病的风险会增加3 倍；累计剂量多于60 mGy，其患脑肿瘤的风险也将增加3 倍。由于骨的相对原子序数较大，常规儿童骨肌系统CT检查降低剂量会导致噪声增加，严重影响影像质量。而PCD-CT 低剂量扫描模式通过设置合适的阈值解析单个X 线光子的能量信息，削弱不带有人体信息的低能信号，降低电子噪声，有助于完成儿童骨肌系统扫描方案的设置[15-16]。

有研究[17]应用PCD-CT 对6 岁儿童胸部进行CT 低剂量成像检查，结果显示CT 检查的辐射剂量与常规X 线检查接近，且成像质量满足诊断需求。Ferrero 等[15]应用PCD-CT 和EID-CT 对髋关节撞击症病人进行扫描，结果显示与EID-CT 相比，在扫描剂量相同的情况下，PCD-CT 的成像质量更高，且使用UHR 模式进行髋关节扫描，满足诊断要求的同时能够减少50%的辐射剂量；该研究还表明PCDCT 低剂量髋关节扫描对儿科病人手术计划制定具有极大的价值。Cao 等[16]对接受PCD-CT 检查的儿童病例进行汇总分析，发现在相同扫描条件下，PCD-CT 对儿童颞骨的成像噪声与常规CT 相比减少17%，空间分辨率增加2.5 lp/cm。

2.4 骨骼细微结构的显示骨肌系统的CT 影像诊断依赖于在保证成像范围的同时对细微结构及病变的显示[1]。PCD-CT 的UHR 成像模式空间分辨率和光谱敏感度极高，影像噪声少，该成像方法对颞骨、鼻窦和脊椎等骨质细微结构的显示能力突出，也可以有效提高肩、髋等大关节的影像诊断能力[18]。Leng 等[19]应用PCD-CT UHR 扫描模式对人体模型、动物尸体和标本进行扫描，结果表明，PCD-CT UHR扫描模式下骨骼图像的空间分辨率高达20 lp/cm，在颞骨高分辨扫描方面有较大的应用潜力。Bette 等[20]研究发现，PCD-CT 的单像素采集模式在显示骨骼细微结构方面比EID-CT 更具有优势，具有更高的信噪比。由于这种模式可以识别探测器单个像素的信息，故可以更好地显示骨骼的解剖细节[19]。另有研究[17]显示，与EID-CT 的胸椎影像相比，PCD-CT UHR 扫描模式显示胸椎裂性病变更清晰，椎体中较小的溶解性病变在PCD-CT 影像上显示更为明显。

2.5 骨关节假体的评估骨肌系统的影像检查常需要对金属植入物的状态（如骨折病人内固定术后需CT 对骨折愈合情况或髓内钉稳定程度）进行评估[21-22]。通过设定PCD-CT 探测器特定能量阈值对每个光子进行计算，以显示特定能量的物质，由此可以在扫描时对金属植入物和骨骼进行滤过、分离和提取，对评估骨关节假体具有较大优势。Do 等[23]根据能量阈值大小对光子进行划分，观察不同阈值下PCD-CT 对金属假体影像的去金属伪影能力，结果表明，与传统EID-CT 相比，PCD-CT 在高阈值的条件下可以有效减少金属伪影，但小于阈值的低能光子信息被滤过会造成影像噪声的增加。该研究还发现PCD-CT 不同扫描模式对不同部位植入物的成像能力也不同，在含有金属假体的情况下，PCDCT 的微距高能阈值成像模式对皮质骨和周边组织成像的效果更好，影像受到金属伪影的影响较小；而棋盘高能阈值成像模式对骨髓成像的去伪影能力更强，该模式分别将高低能量阈值的像素以交替排列的方式在影像中排布，能有效诊断金属假体是否松动。

全膝关节置换术病人术后会出现持续性残留疼痛和功能限制，需要对膝关节假体进行功能评估，而PCD-CT 通过检测金属物质在多能谱X 线下的衰减程度可以得到不同信息，生成伪彩影像和高分辨力影像以评估假体情况[24-26]。Lau 等[27]应用多能谱PCD-CT 来判断假体置入术是否成功，结果表明多能谱PCD-CT 影像可以清晰显示聚乙烯金属植入物的磨损，重建的三维伪彩影像与假体的实际外观一致。普通X 线摄影、超声和MRI 对有金属假体部位显示各有其局限性，PCD-CT 的多能谱技术能够准确、清晰地显示假体磨损部位和程度，没有明显金属或其他的伪影，有助于评估人工关节置换术后病人金属假体的早期磨损，以便更换受损关节部件[28-29]。