張唯唯，張華

東芝醫(yī)療系統(tǒng)（中國(guó)）有限公司科研培訓(xùn)中心 CT研究室

雙能成像技術(shù)的最新進(jìn)展

張唯唯，張華

東芝醫(yī)療系統(tǒng)（中國(guó)）有限公司科研培訓(xùn)中心 CT研究室

自從CT發(fā)明后，能譜信息就開(kāi)始被用來(lái)對(duì)物質(zhì)進(jìn)行區(qū)分和描述。為了實(shí)現(xiàn)一臺(tái)雙能CT，其設(shè)計(jì)需要滿足對(duì)放射源和探測(cè)器的要求，本文簡(jiǎn)單介紹了目前市場(chǎng)上三款雙能CT，并著重觀察這三種不同設(shè)計(jì)的雙能CT對(duì)掃描劑量的影響。

雙能CT；雙源CT；快速kVp切換；旋轉(zhuǎn)kVp切換

0 前言

雙能CT的研究和使用最早可以追溯到20世紀(jì)70年代中后期，CT之父Hounsfield在1973年就提出“在同一層面采集兩幅圖像，一幅使用100 kV，另一幅使用140 kV……原子序數(shù)Z高的區(qū)域則因此被增強(qiáng)了。目前的實(shí)驗(yàn)中亦顯示出碘Z=53能夠清晰地從鈣Z=20中區(qū)分開(kāi)來(lái)”[1]。這短短的幾句話點(diǎn)出了雙能CT的一大特征：物質(zhì)區(qū)分（material differentiation）[2]，也為能譜分析奠定了基礎(chǔ)。后來(lái)，有的學(xué)者和工程師們甚至把設(shè)計(jì)一款理想的雙能CT歸納為滿足“同源、同時(shí)、同向”的“三同條件”。在實(shí)驗(yàn)室條件下，這些條件相對(duì)來(lái)說(shuō)比較容易滿足，因?yàn)橛脕?lái)做實(shí)驗(yàn)的水模和體模本身可以固定不動(dòng)，只需要在同一層面用雙能采集，就可以近似的看作是同一被測(cè)物體在同一放射源下同時(shí)采集到的雙能數(shù)據(jù)。但是，在進(jìn)一步的人體試驗(yàn)中，則遇到了很大的挑戰(zhàn)。由于早期設(shè)備的CT密度值穩(wěn)定性較差，掃描時(shí)間長(zhǎng)，病人的運(yùn)動(dòng)引起偽影，空間分辨率不足及圖像后處理的困難等等[3]，而無(wú)法廣泛地應(yīng)用于臨床，甚至銷聲匿跡很長(zhǎng)一段時(shí)間。

可以說(shuō)，正是這個(gè)“三同條件”一直困擾著許多學(xué)者和CT制造者，為了實(shí)現(xiàn)一臺(tái)可用于臨床的雙能CT，不得不做出一定的妥協(xié)。下面，我們從物理角度來(lái)看設(shè)計(jì)一臺(tái)能滿足臨床需求的雙能CT需要具備什么樣的基本條件，并著重觀察不同設(shè)計(jì)的雙能CT對(duì)掃描劑量的影響。

1 雙能CT的實(shí)現(xiàn)方法

首先，X射線源需要提供不同能量的X射線量子（X-ray quanta），并且能譜（spectrum）之間的重疊越少越好（兩能譜如果重疊的多，說(shuō)明他們相似度大，平均光子能量（keV）類似，相當(dāng)于用同一能量進(jìn)行兩次掃描，所以物質(zhì)區(qū)分的效果就不會(huì)好）。為了減少重疊最好的辦法就是增大兩次掃描中峰值管電壓（kVp）的差別（圖1）。一般來(lái)說(shuō)，雙能采集中的高、低管電壓會(huì)分別設(shè)置在80 kVp和140 kVp。這是由于低于80 kVp的時(shí)候，多數(shù)的量子被人體吸收而無(wú)法打擊在探測(cè)器上；而高于140 kVp時(shí)，大量剩余量子通過(guò)人體直接打擊在探測(cè)器上造成軟組織對(duì)比不好。要想產(chǎn)生兩種不同能量的X射線，則可以使用兩個(gè)球管，每個(gè)球管使用不同的管電壓。另外，也可以使用同一個(gè)球管，令它能夠在高、低管電壓之間自由地切換。

另外，可以從探測(cè)器角度出發(fā)，使它能夠區(qū)別不同能量的X射線量子。一種設(shè)想是采用雙層或“三明治”探測(cè)器，使每層探測(cè)器對(duì)不同能量的光子有最大的敏感性及吸收（過(guò)濾）。這是一條比較難以實(shí)現(xiàn)的條件，因?yàn)槟壳岸鄶?shù)的CT探測(cè)器是在每單個(gè)讀出間隔（readout interval）中對(duì)所有被探測(cè)到的光子進(jìn)行熒光強(qiáng)度整合，而不對(duì)他們的能量進(jìn)行區(qū)分。因此，要想實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)想，必須對(duì)現(xiàn)有的探測(cè)器材料進(jìn)行較大的革新，目前尚未能應(yīng)用到臨床上。

圖1 高、低兩能譜示意圖

第二，雙能采集到的圖像需要精確的匹配（registration）或?qū)ξ?。這個(gè)要求是從圖像后處理的角度考量的，因?yàn)樵谖镔|(zhì)分解等的處理方法中，需要雙能圖像體素對(duì)體素的對(duì)應(yīng)（voxel-to-voxel correspondence）。另外，在利用雙能圖像對(duì)比來(lái)觀察病灶時(shí)，準(zhǔn)確的對(duì)位對(duì)診斷也有一定輔助作用。關(guān)于對(duì)位的要求，可以從兩個(gè)方面滿足，一個(gè)是從CT系統(tǒng)的硬件，比如提高旋轉(zhuǎn)時(shí)間（rotation time），就能在很短的時(shí)間內(nèi)凍結(jié)物體的運(yùn)動(dòng)，一定程度上保證了對(duì)位。目前CT的旋轉(zhuǎn)時(shí)間已經(jīng)非?？?，但不能無(wú)限制地縮短時(shí)間，因此，另外一個(gè)方法是從軟件上實(shí)現(xiàn)精確的對(duì)位，比如使用3D非剛性匹配（3D nonrigid registration）。但是這樣的軟件需要大量的數(shù)據(jù)處理，因此也增加了雙能圖像重建的時(shí)間。

這兩個(gè)要求是設(shè)計(jì)一臺(tái)雙能CT首先要考慮到的，也直接影響到他們的性能和由之帶來(lái)的掃描劑量的問(wèn)題。而第三個(gè)條件，要求被研究的物質(zhì)或組織的能譜屬性有足夠大的差別。這點(diǎn)在臨床應(yīng)用上已經(jīng)普遍使用，比如，對(duì)比劑碘的增強(qiáng)成像。只是在單能CT上，碘的密度分布圖不容易被單獨(dú)分離出來(lái)，雙能CT使用物質(zhì)分解的后處理辦法，如基本物質(zhì)分解（basis material decomposition）[4]和三物質(zhì)分解（three material decomposition）[5]，把碘的密度圖單獨(dú)提取出來(lái)，更加有效和直觀地觀察被增強(qiáng)的組織中碘的密度分布（如果還能動(dòng)態(tài)地觀察碘的密度分布，對(duì)評(píng)價(jià)器官的灌注非常有診斷價(jià)值），并在不增加掃描的情況下虛擬出平掃圖像（virtual non-contrast image）。下面我們由前兩個(gè)條件出發(fā)針對(duì)三種雙能CT的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

1.1 雙源CT

該設(shè)備的特點(diǎn)是在同一個(gè)機(jī)架內(nèi)設(shè)置了兩套圖像采集系統(tǒng)，每套圖像采集系統(tǒng)擁有各自的球管，高壓發(fā)生器，探測(cè)器和控制系統(tǒng)，只有降溫系統(tǒng)和圖像重建系統(tǒng)是彼此共享的，如圖2所示。

圖2 雙源CT系統(tǒng)示意圖

由于兩套獨(dú)立采集系統(tǒng)的設(shè)置，兩個(gè)球管可以分別在不同的管電壓和管電流下操作，并且獨(dú)立地采集和進(jìn)行圖像重建。管電壓和管電流自由的調(diào)節(jié)可以使兩個(gè)采集到的圖像達(dá)到可能一致的噪聲水平，因此來(lái)自兩個(gè)探測(cè)器之間的投影數(shù)據(jù)亦有可能拼加在一起。

雙源CT系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也會(huì)帶來(lái)一些實(shí)際運(yùn)用中的弊端。由于機(jī)架的尺寸和內(nèi)部空間的限制，兩個(gè)探測(cè)器很難達(dá)到一致的尺寸。在第一代雙源CT系統(tǒng)中，大的探測(cè)器能提供500 mm的視野（FOV, field of view），而小的探測(cè)器僅能提供268 mm的FOV。在第二代雙源CT系統(tǒng)中，兩個(gè)球管之間的夾角從90°增加到95°，小的探測(cè)器視野提高到了332 mm。盡管如此，大小不一的探測(cè)器尺寸或視野給圖像處理及分析造成不便，特別是對(duì)體積較大的病人。

兩個(gè)球管互相垂直亦會(huì)對(duì)同時(shí)激發(fā)出來(lái)的X射線帶來(lái)互相干擾和交錯(cuò)散射效應(yīng)（cross-scatter），造成射線不是直接打擊到與之對(duì)應(yīng)的探測(cè)器上，并會(huì)造成雙能頻譜重疊的增加，削弱物質(zhì)區(qū)分的效果。2008年，第二代雙源CT系統(tǒng)的發(fā)布中，錫濾線器（tin filter）被添加在高管壓的管球上，從而一定程度上降低了球管之間的相互影響，如圖2所示。這個(gè)濾線鏡的作用首先增加了高能譜與低能譜之間的分離效果，其次使高能譜變得狹窄（未加濾線器的球管的能譜相對(duì)較寬而容易和低能譜疊加），減少硬化偽影的影響。但是，濾線鏡同時(shí)減少了光子總輸出的數(shù)量，因此，管電流被增加到700 mA以增加光子的輸出，也增加了放射劑量。

1.2 快速kVp切換

該類型CT利用已有的高壓發(fā)生器在單圈旋轉(zhuǎn)內(nèi)快速和頻繁地切換管電壓kVp，并分別在瞬時(shí)的高管電壓和低管電壓下采集數(shù)據(jù)，提供均為500 mm視野的雙能圖像，如圖3所示。

電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和新材料技術(shù)的發(fā)展使得快速kVp切換技術(shù)得到繼承和發(fā)展。它擁有一種復(fù)雜稀土氧化物的閃爍晶體（scintillator）為材質(zhì)的探測(cè)器和高效率的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（Data Acquisition System, DAS），成為快速kVp切換技術(shù)的物理保障。

圖3 快速kVp切換技術(shù)示意圖

在進(jìn)行雙能圖像采集和分析的時(shí)候，快速kVp切換也有其不足之處。在進(jìn)行雙能掃描的時(shí)候, 其單圈旋轉(zhuǎn)時(shí)間大約為0.9～1 s，比大多數(shù)CT單能掃描的單圈旋轉(zhuǎn)時(shí)間（約為0.5 s）長(zhǎng)。這是由于在高、低管壓切換的時(shí)候有一個(gè)0.5 ms的時(shí)間間隔，加上頻繁的管壓切換次數(shù)，使得單圈的旋轉(zhuǎn)時(shí)間延長(zhǎng)，導(dǎo)致劑量的增加。雖然可以在螺旋掃描的時(shí)候通過(guò)增大螺距來(lái)削弱這種影響，但是僅有4 cm寬度的探測(cè)器對(duì)大器官的成像，如心胸部和腹部，會(huì)產(chǎn)生對(duì)位不準(zhǔn)和階梯偽影等降低圖像質(zhì)量的效果。

理想的雙能圖像采集，需要每個(gè)管電壓保持在一個(gè)平穩(wěn)的狀態(tài)，但由于快速kVp切換的時(shí)間間隔非常短（0.5 ms），在極端采樣的瞬時(shí)，同時(shí)調(diào)制出一系列高、低固定值之間切換的理想脈沖波來(lái)保持電壓水平是非常困難的。這也造成了快速kVp切換時(shí)管電壓實(shí)際上是受一個(gè)非理想脈沖波（曲線狀或正弦波）驅(qū)動(dòng)而變化的。所以，管電壓在瞬時(shí)會(huì)在基準(zhǔn)電壓水平上下波動(dòng)，產(chǎn)生不穩(wěn)定的高低信號(hào)源。如果這樣的波動(dòng)變化加劇，會(huì)因管電壓過(guò)低而無(wú)法采集到低信號(hào)，或因管壓過(guò)高而采集到過(guò)多無(wú)用的高信號(hào)，對(duì)圖像的重建和處理產(chǎn)生嚴(yán)重影響。另外，管電流應(yīng)該自適應(yīng)管電壓的變化?？墒?，出于同樣的原因，通常很難調(diào)制出與管電壓值相反或相對(duì)的理想脈沖管電流?？尚械霓k法就是讓管電流保持在一個(gè)固定值而不隨管電壓的變化而變化，所以快速kVp切換的CT在做雙能掃描的時(shí)候，不管在高管電壓和低管電壓下，其管電流是固定不變的。同時(shí)，為了保證在低管電壓采集信號(hào)的時(shí)候，有足夠的光子輸出，管電流的值需要保持在一個(gè)高位。固定不變且較高的管電流值自然而然的會(huì)增加雙能掃描劑量的負(fù)擔(dān)。有文獻(xiàn)指出，在雙能圖像質(zhì)量和單能圖像質(zhì)量均接近的某LCD（Low Contrast Detectability）值的情況下，快速kVp切換CT對(duì)頭部體模及腹部體模的雙能掃描劑量最高能達(dá)到單能掃描劑量的1.5倍[6]。

圖4 普通單能成像和合成單色譜成像

快速kVp切換采用了“基本物質(zhì)分解”（basis material decomposition）的方法，模擬在單色譜能量（keV）下投影出來(lái)的數(shù)據(jù)并依靠計(jì)算出來(lái)的基本物質(zhì)對(duì)（水和碘）的密度圖“合成”出單色譜能量下的影像。由于純單色譜的能量不包含除本身以外的其他能量，（圖4）理論上，合成單色譜圖能夠完全移除硬化偽影。如果連續(xù)的以單色譜能量的小間隔（0.5～1 keV）為單位來(lái)合成一系列的單色譜圖，就能獲得多能級(jí)（100級(jí)甚至更高）的“能譜圖像”。在這一系列能譜圖像的不同區(qū)域選擇ROI并測(cè)量其CT值，就可以把這些值通過(guò)曲線連接起來(lái)并描繪成“能譜曲線”。因?yàn)椴煌瑓^(qū)域的物質(zhì)有其獨(dú)特的衰減系數(shù)和能譜曲線，通過(guò)觀察和比較這些能譜曲線，就能起到一定的“物質(zhì)區(qū)分”作用。臨床上，能譜曲線甚至被運(yùn)用到病灶的定性分析中，比如腫瘤的良惡性。但非常值得注意的是，這種物質(zhì)區(qū)分的方法是建立在“真正和準(zhǔn)確的單色譜CT值”的基礎(chǔ)之上的，也就是說(shuō)，合成的單色譜圖像不能有硬化偽影和混合能量的存在，否則ROI內(nèi)的組織就不能真正和準(zhǔn)確地反映其自身的衰減系數(shù)，失去物質(zhì)區(qū)分和能譜分析的效果。在最近的一篇文獻(xiàn)中[7]，已經(jīng)有學(xué)者指出，通過(guò)對(duì)已知模體CT值測(cè)量結(jié)果的比較中，發(fā)現(xiàn)快速kVp切換CT的合成單色譜CT值不準(zhǔn)確。另外，在低keV下, 被測(cè)量材料的合成單色譜CT值仍然掛靠了大量周邊的材料和物質(zhì)，顯示出其CT值并非出自真正的單色譜態(tài)（圖5）。在試驗(yàn)結(jié)果中[9]，可以清楚看到使用Brooks的方法后（也是快速kVp切換CT采用的基本物質(zhì)分解的處理方法），合成單色譜圖仍存在大量的硬化偽影。綜上所述，快速kVp切換的雙能采集會(huì)增加掃描劑量，對(duì)能譜圖像的處理也不理想。

圖5 三種基本物質(zhì)分解方法的效果比較（圖像摘取自[9]）

1.3 旋轉(zhuǎn)kVp切換

旋轉(zhuǎn)kVp切換是（圖6）一種相對(duì)較新的技術(shù)，與快速kVp切換不同的是kVp的切換不是在單圈內(nèi)完成，而是在連續(xù)的掃描中每圈以高或者低kVp來(lái)掃描，并在每圈旋轉(zhuǎn)中保持kVp不變。

圖6 旋轉(zhuǎn)kVp切換CT示意圖

旋轉(zhuǎn)kVp切換對(duì)于寬體探測(cè)器和同時(shí)能采集超多層圖像的CT來(lái)說(shuō)是比較可行的設(shè)計(jì)。采用寬體探測(cè)器設(shè)計(jì)的CT能在不移床的條件下完成16 cm以上寬的雙能圖像采集，加上快速的旋轉(zhuǎn)時(shí)間，最大程度保證了高低能量采集之間病人的對(duì)位。必須指出寬體探測(cè)器CT在雙能切換之間會(huì)有一個(gè)大約0.5 s的間隔，雖然相對(duì)于螺旋CT來(lái)說(shuō)，這個(gè)參數(shù)偏高。如果輔助精確的非剛性匹配軟件，它就能充分解決時(shí)間間隔帶來(lái)的對(duì)位問(wèn)題，這不但確保了雙能成像的圖像質(zhì)量，也拓寬了雙能技術(shù)在大器官和運(yùn)動(dòng)器官的對(duì)比成像甚至功能成像上的臨床應(yīng)用。對(duì)采用于比較窄探測(cè)器的螺旋CT，也可以運(yùn)用旋轉(zhuǎn)kVp切換技術(shù)，但在每圈的旋轉(zhuǎn)之中，有半圈的時(shí)間里X線處于關(guān)閉狀態(tài)。這樣的設(shè)計(jì)一來(lái)是為了降低劑量，增加對(duì)病人的保護(hù)（X線只是在病人背部的半圈處于開(kāi)啟狀態(tài)，這對(duì)病人的眼睛和胸部起到很好的保護(hù)作用）；二來(lái)大大節(jié)省了因?yàn)楣茈妷呵袚Q和雙能采集之間所需要的時(shí)間差，因?yàn)樗麄兌伎梢栽诓话l(fā)射X線的那半圈中來(lái)完成。

管電流能自由地調(diào)節(jié)并且自適應(yīng)管電壓的變化是旋轉(zhuǎn)kVp技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。首先，劑量會(huì)顯著的降低。這是通過(guò)在高管壓采取低管電流和低管電壓采取高管電流的方案通過(guò)手動(dòng)或自動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在自適應(yīng)的部分，自動(dòng)曝光技術(shù)會(huì)根據(jù)掃描部位和預(yù)掃描自動(dòng)推薦最能保持圖像質(zhì)量，同時(shí)最節(jié)省劑量的管電流參數(shù)值。另外，雙空間的快速容積迭代技術(shù)，也能應(yīng)用在雙能掃描協(xié)議中，進(jìn)一步降低了劑量。其次，通過(guò)管電流的調(diào)節(jié)，雙能圖像的噪聲水平也可能保持一致。一直以來(lái)在使用“圖像空間”進(jìn)行雙能圖像后處理的方法中，圖像質(zhì)量或噪聲水平很難到達(dá)一致或近似的水平（80 kVp成像的特點(diǎn)是對(duì)比好，但是圖像的噪聲很大，不如140 kVp平滑），因此，對(duì)一些實(shí)際的臨床問(wèn)題，比如雙能減影，虛擬平掃等，帶來(lái)很大的困擾。旋轉(zhuǎn)kVp切換技術(shù)通過(guò)靈活的管電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)，保證在最低劑量采集雙能圖像的同時(shí)也能匹配兩者的圖像質(zhì)量。在物理模體實(shí)驗(yàn)中，雙能圖像和單能圖像在幾乎一致的噪聲水平值時(shí)，雙能采集所用到的劑量比單能采集還要低（圖7）。由于這種有效的管電流和圖像質(zhì)量的自動(dòng)調(diào)節(jié)，也使得他們的光子總輸出能達(dá)到一致的水平，進(jìn)一步減少能譜之間的重疊，增加了物質(zhì)區(qū)分的能力。

圖7 旋轉(zhuǎn)kVp切換與劑量

2 雙能CT的臨床應(yīng)用

自從雙能CT的推出，臨床上已經(jīng)開(kāi)發(fā)出很多成熟的應(yīng)用，包括（頭頸）自動(dòng)去骨，去鈣化斑塊，虛擬平掃圖像的重建，病灶中碘增強(qiáng)的定量分析，肺部對(duì)碘和氙分布的顯示，腎結(jié)石的成分分析，痛風(fēng)的顯示和辨識(shí)等等。另外，雙能的圖像質(zhì)量和顯示也比單能圖像更為優(yōu)化，如通過(guò)混合產(chǎn)生的單能對(duì)等圖像（120 kVp equivalent image），噪聲、對(duì)比優(yōu)化和提高后的圖像等。由于這些更有針對(duì)性或功能性的信息可以不通過(guò)增加劑量來(lái)獲取，所以他們應(yīng)該在診斷中充分被重視和利用。

3 討論

本文從物理上簡(jiǎn)述了雙能CT的設(shè)計(jì)理念和成像原理，并著重介紹了三款雙能CT的設(shè)計(jì)。一直以來(lái)被推崇的“同源、同時(shí)、同向”的設(shè)計(jì)理念，在制造出能實(shí)際運(yùn)用在臨床上的雙能CT遇到很多的挑戰(zhàn)。這三款雙能CT的設(shè)計(jì)：雙源、快速kVp切換和旋轉(zhuǎn)kVp切換，無(wú)一不例外的需要對(duì)雙能數(shù)據(jù)包分開(kāi)來(lái)采集。由之帶來(lái)的時(shí)間差，加上病人自主和不自主的運(yùn)動(dòng)，“同源、同時(shí)、同向”是不可能完全滿足的。盡管如此，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)還是盡最大的可能考慮到“三同條件”，特別是針對(duì)“同時(shí)、同向”這兩個(gè)條件，并在圖像上和臨床上取得很好的效果。在放射劑量方面，能采用管電流自適應(yīng)管電壓變化的旋轉(zhuǎn)kVp技術(shù)很好地降低了劑量，同時(shí)能優(yōu)化圖像質(zhì)量。在臨床上，除了廣泛應(yīng)用的物質(zhì)成分分析與碘圖的提取等，改善雙能CT設(shè)計(jì)，發(fā)開(kāi)和拓展一些能提供功能性信息和臨床診斷價(jià)值的新應(yīng)用，是值得進(jìn)一步思考的問(wèn)題。

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