能谱CT原理与临床

包建立Multi-energy/spectral CT：利用物质在不同X射线能量下产生的不同的吸收来提供比常规CT更多的影像信息的CT。能谱CT成像不但能够获得物质密度及其分布图像，还能获得不同keV水平的单能量图像。而且还能根据所得到的能谱曲线计算出该病变或组织的有效原子序数。由此可见，与常规的单参数CT图像相比，能谱CT成像具有多参数。定量分析的全新成像模式，拥有更多的有用的信息。（1）X 线通过物质的衰减能够客观反映X 线的能量；（2）任何物质都有其特征的衰减曲线；（2）X 线经过物质后产生的光电效应、康普顿效应和电子对效应共同决定了物质的衰减曲线；（3）物质的衰减曲线呈线性关系，可以选择任意两种不同的物质对能谱CT图像进行物质分离。原理：把物质对X线的吸收假设为另外两个物质（基物质对）对X线的组合。常用基物质对为水和碘，也可以是其他任何两种物质。CT(x,y,z,E)=D(water)*(water,E)+D(iodine)*(iodine,E)数学模型：n=aX+bYm=cX+dY80keV和140keV所得两组数据可得X、Y的值。已知X、Y的值，可以得特定kV条件下的n、m的值。探测器接收信号转换为数据空间数据把数据空间中单位体素按某种基物质对进行分类运算得出不同kV条件下X线在单位体素中的衰减数据 数模转换得到单位像素CT值，形成图像宝石能谱CT 球管能瞬时（0.5 ms）实现高低双能（80 kV 和140 kV）切换，球管几乎同时，同向产生两种能量的X线，再由高效率探测器先后（瞬时）采集两种能量X线所产生的数据（具有良好的一致性），能够进行数据空间的吸收投影数据到物质密度投影数据的转换，实现数据空间能谱解析。通过一次能谱扫描（80kV和140kV高低峰电压瞬时切换）可以获得扫描部位常规的混合能量CT 图像（kVp）、单能量CT 图像（40keV140keV 的101 个）及物质分离的密度图像，生成新的基物质密度图像：如水，钙，碘。CT(x,y,z,E)=D(water)*(water,E)+D(iodine)*(iodine,E)探测器：采用全新材料（红宝石）的探测器，其突出的特点是对X 线反应非常快，即将X 线转换为可见光的速度是一般探测器材料的100 倍，余晖效应（清空速度）快4 倍，确保两次高速数据采用之间有足够的时间分辨率，互不影响。球管：单一球管进行瞬时（0.5 ms 时间能量分辨率）实现高低双能（80 kV和140 kV）切换，配合宝石探测器，使得能谱CT 能够应用于临床。其独有的能谱栅成像技术能够做到真正的单能量成像及能谱分析。作为一名放射科员工，我们在CT检查中最关心的是什么？我们希望获得满意的图像质量的同时尽量降低辐射剂量。能谱CT的瞬时双能量采集与普通CT扫描相比，在获得相同图像质量时辐射剂量是否会翻倍？方法：对照组使用120kV的常规CT进行扫描第二组采用能谱采集扫描模式(80 kV，140 kV瞬时切换)进行扫描，两组扫描其它的参数完全一值，能谱成像使用65 kV的单能量图像用于图像质量的评估。这个基础实验提示人们，在同一毫安秒的扫描条件下能谱成像的图像质量同等于常规CT的120 kV的图像质量,但剂量只有常规CT扫描的。对于能谱成像的辐射剂量，有二个方面值得探讨：其一，因受80 kV和l40kV瞬时高速切换的物理条件的限制能谱成像的扫描不易实现自动毫安功能。其二，设定怎样的毫安来获得满意的图像质量并控制辐射剂量。检查的部位不同，患者的体格不同都有不同的最佳扫描参数。方法：1，累计的经验；2,使用常规CT扫描的自动毫安功能来推算。（1）能谱扫描模式中，使用了140 kV 的电压，容易导致球管过热，出于对球管的保护，能谱扫描不适于不间断、长时间、大范围、小螺距扫描的进行。（2）能谱重建时间稍长。能谱扫描信息量大，是常规扫描信息量的近5 倍，因此观察和后处理能谱信息时需要的时间较长。（3）能谱扫描信息量大及工作站硬盘空间的限制，数据存储需及时并有选择性。1.单能量成像：能谱成像能够获取40140 keV 不同的X线能量的单能量图像，可以根据临床诊断的不同需求进行选择最佳的单能量图像。2.能谱曲线：可以获得组织的能谱曲线，有利于对病变性质、同源性及差异性的判断。3.物质分离与定量：利用不同物质对X线衰减的不同，采用基物质配对的方法进行物质的分离，利用分离后的基物质进行物质的定量分析，并使得分离的基物质得到明确的显示。4.有效原子序数：对无机物精确分析的重要方法，能谱成像能够直接的反映感兴趣区域内部无机物的有效原子序数，进而对感兴趣区内的物质进行定性。比如：矽肺患者吸入的二氧化硅，尿路结石患者体内的钙酸盐结石。图1甲状腺右叶乳头状癌。图A 平扫碘基图，测得结节内。图B 增强后动脉期碘基图，测得结节内；图甲状腺左叶结节性甲状腺肿。图A 平扫碘基图，测得结节实性部分。图B 增强后动脉期碘基图，测得结节实性部分ml。甲状腺内的碘是以甲状腺球蛋白的形式存储于甲状腺滤泡内，正常甲状腺滤泡结构完整，在CT 上表现为高密度。不同种类甲状腺病变导致其内滤泡数量不同程度减少，使甲状腺内的碘含量也相应减少。图1 典型层面的选取；图2 120 keV；图3 混合能量140 kVp；图4 70 keV能谱CT选择最佳单能量图能减少X线硬化伪影，包括金属伪影、致密骨边缘的硬化伪影、高密度对比剂的硬化伪影等。图 A为定位像；图B为混合能谱常规CT图像；图C为选择性单能量图像，金属硬化伪影明显消除，可以清晰显示金属钉、胫骨骨质及周围软组织。图1、2混合能常规CT图；图3、4选择性单能量图像。将不同成份肾结石（磷酸钙结石、鸟粪石、草酸钙结石、胱氨酸结石及尿素结石）放入新鲜猪肾脏中，能谱扫描，可以观察出不同成份结石的能谱曲线各不相同。图a 为keV 图像。图b 为keV 图像，当肺动脉充盈欠佳时，调整单能量图，提高CT 值，保证图像质量，利于诊断。能谱扫描模式使用ml 对比剂CTPA，检查的影像与常规扫描模式使用ml 对比剂CTPA 形成的图像质量与肺动静脉增强相比，对比更好，可实现降低对比剂用量，减少患者对比剂不良反应。