多層螺旋c能譜成像技術(shù)的研究進(jìn)展

多層螺旋c能譜成像技術(shù)的研究進(jìn)展

自1972年第一次臨床應(yīng)用以來，ct的發(fā)展經(jīng)歷了多個重要的發(fā)展階段：單面式撒布、扇形撒布、反扇束掃描、動態(tài)空間掃描、電子束掃描、單螺線掃描和多層螺釘掃描。尤其是螺旋CT問世以來,其發(fā)展日新月異,各種成像及重組技術(shù)極大地促進(jìn)了CT在臨床實(shí)踐中的應(yīng)用。能譜(量)成像作為一項新技術(shù),根據(jù)X線在物質(zhì)中的衰減系數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的圖像,除形態(tài)展示外尚能夠進(jìn)行特異性的組織鑒別,能夠瞬時進(jìn)行高能量與低能量的數(shù)據(jù)采集,采用原始數(shù)據(jù)投影的模式對兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行單能量重建。1能譜成像的原理1.1x線基礎(chǔ)1.1.1x線的測量。據(jù)其所示X線的質(zhì)和量主要取決于管電流和管電壓等復(fù)合因素。X線管的管電流愈大表明陰極發(fā)射的電子數(shù)愈多,X線強(qiáng)度愈大。常用X線管的管電流與照射時間的乘積來表示X線的量,通常以毫安秒(mAs)為單位。X線的質(zhì)表示X線穿透物質(zhì)的能力,只與光子能量有關(guān)而與個數(shù)無關(guān)。在X線的診斷應(yīng)用中,以X線管電壓大小來描述X線的質(zhì)。1.1.2x線連續(xù)譜的形成X線和微波、可見光、紫外線等一樣,其本質(zhì)都是電磁波。由X線管產(chǎn)生的X線并非單一能譜,而是包括特征譜和連續(xù)譜兩部分。X線的特征譜可用量子理論作出完美解釋,即當(dāng)X線管所產(chǎn)生的高能束流電子轟擊靶極時,靶極原子的內(nèi)層電子脫離原軌道,外層電子填充該空位時產(chǎn)生輻射躍遷,輻射光子的能量取決于躍遷前后的能級差,輻射光子的頻率或波長對確定的物質(zhì)有確定的數(shù)值。X線的連續(xù)譜源于軔致輻射,即高能電子進(jìn)入靶原子核附近,受原子核電場作用急劇減速,損失的能量以X光子的形式輻射出去,因高速電子與原子核電場相互作用的情況不同,因而輻射出的X光子具有各種各樣的能量,從而形成連續(xù)譜。圖1為100kV條件下,X線機(jī)的鎢靶輻射譜。1.1.3醫(yī)用x線散射型X線波長很短,具有很強(qiáng)的穿透力,并在穿透過程中造成一定程度的衰減。X線與物質(zhì)的相互作用可以有許多種方式,在醫(yī)用X線能量范圍內(nèi),主要有光電效應(yīng)、相干散射(Rayleigh散射)和非相干散射(康普頓散射),相干散射的效果常可以忽略。光電效應(yīng)和康普頓散射共同決定了X線的衰減,即每種物質(zhì)的X線衰減曲線是特定的,CT圖像重建過程即是求解每個體素線性衰減系數(shù)的過程。1.2一般ct基礎(chǔ)1.2.1x線束掃碼過濾原理CT圖像重建是運(yùn)用物理技術(shù),測定X線透過人體某斷層各方向的透射強(qiáng)度,采用數(shù)學(xué)方法,求解出衰減系數(shù)在人體某剖面上的二維分布矩陣,再將其轉(zhuǎn)變?yōu)槿搜劭吹降亩S灰度分布圖,從而實(shí)現(xiàn)斷層成像。假設(shè)體素的厚度為d,那么當(dāng)強(qiáng)度為I0的X線束穿透體素后衰減為I,衰減規(guī)律遵守朗伯定律即公式(1),其中P為投影值。如果在X線束掃描通過的路徑上,介質(zhì)是不均勻的,可將沿路徑l分布的介質(zhì)分成n小塊,每一小塊為一個體素,厚度為d,那么投影值P符合公式(2)。如果在X線束掃描通過的路徑上,介質(zhì)不均勻,而且衰減系數(shù)連續(xù)變化,即衰減系數(shù)μ是路徑l的函數(shù),那么投影P符合公式(3)。理論上,若用X線束沿不同路徑對受檢體進(jìn)行投照,就會得到一系列的投影值P,從而獲得一系列的線性方程,按一定算法可求得每個體素的μ值,目前CT多用濾波反投影法。按公式(4)就可得到體素的CT值,從而進(jìn)一步獲得斷層圖像。1.2.2ct成像原理和x線吸收劑對x線訴由于X線為一混合能量射線,當(dāng)X線束(如120kV)穿過人體時,低能量X光子首先被吸收掉,這種現(xiàn)象稱為硬化效應(yīng)。即使X線在均勻物質(zhì)中穿行,先接觸到射線的物質(zhì)對X線的吸收要多于后接觸射線的物質(zhì),而CT成像原理又決定了對X線吸收能力強(qiáng)的物質(zhì),其CT值要高于對X線吸收能力弱的物質(zhì),所以同為一種物質(zhì)卻表現(xiàn)為不同的CT值,即CT值的“漂移”。不同的CT設(shè)備因?yàn)槭褂貌煌那蚬?其CT值亦不再具備可比性。1.3x線束成像法線性衰減系數(shù)μ是光子能量E的函數(shù)即μ(E),傳統(tǒng)X線-CT計算出的μ值是混合能量等效值,即采用平均輻射能的計算方法得到μ值。理論上利用不同能量水平的單能量X線可以得到一系列相應(yīng)能量水平的CT圖像,即能譜成像。因此要實(shí)現(xiàn)能譜(量)成像首先想到的解決方案是產(chǎn)生單能量的X線,同步輻射被認(rèn)為是一種單能量成像,可以產(chǎn)生一個連續(xù)范圍的光譜,并用單色器選擇任意所需波段,調(diào)出適用波長的光進(jìn)行生物品分析,目前主要處于實(shí)驗(yàn)階段,尚未用于臨床實(shí)踐。另一種方案就是雙能量技術(shù),這早在CT發(fā)明的初期就已有報道,但CT軟硬件的限制無法真正在臨床上廣泛應(yīng)用。目前CT臨床應(yīng)用中的雙能量成像方法主要有兩種:一種是以Siemens公司為代表的雙源CT,它采用兩套互相垂直的X線球管及探測器,可以產(chǎn)生兩種不同輻射能量而實(shí)現(xiàn)雙能量成像,但對雙能量數(shù)據(jù)的處理是在圖像重建后而不是利用投影數(shù)據(jù)進(jìn)行的,同時由于兩個球管的視野大小不同,在較肥胖的病人可能會出現(xiàn)視野丟失;另一種以GE公司的高分辨CT為代表,它采用單個X線球管,在瞬間實(shí)現(xiàn)高低能量切換,達(dá)到雙能量成像的目的。本文講述的是單球管雙能量技術(shù)的成像原理。1.3.1不同能量x線的關(guān)系前面已提到在醫(yī)用X線能量范圍內(nèi),光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)共同決定了物質(zhì)對X線的衰減,這樣人體中任何物質(zhì)會隨X線能量變化呈現(xiàn)出不同的X線吸收衰減能力,即每種物質(zhì)都有其特征X線吸收曲線。當(dāng)X線的能量遠(yuǎn)離K吸收邊界時,物質(zhì)的衰減系數(shù)與X線能量的關(guān)系為一平滑的曲線。因此可以認(rèn)為在人體中,當(dāng)X線能量高于40keV時,作為CT圖像重建時體素的衰減曲線為一平滑的曲線,而曲線上的任何兩點(diǎn)便決定整個曲線走向,也就是說僅需要2次能量采集即可確定一條特征吸收曲線。DiscoveryCT750HD采用高(140kV)、低(80kV)能量瞬時切換,幾乎在同時同角度得到2種能量X線的采樣數(shù)據(jù),并根據(jù)這兩種能量數(shù)據(jù)確定體素在40~140keV能量范圍內(nèi)的衰減系數(shù),進(jìn)一步得到101個單能量圖像,這種相對純凈的單能量圖像能夠大大降低硬化偽影的影響并獲得相對純凈CT值的圖像,即CT值無論在整個視野不同位置、不同掃描,還是不同病人中,都更為一致和可靠。目前有研究認(rèn)為65keV和70keV圖像噪聲較低,并有較高的對比噪聲比。1.3.2衰減系數(shù)和密度的測定任何物質(zhì)的X線吸收系數(shù)可由任意2個基物質(zhì)的X線吸收系數(shù)來決定,因此可將一種物質(zhì)的衰減轉(zhuǎn)化為產(chǎn)生同樣衰減的2種物質(zhì)的密度,這樣可以實(shí)現(xiàn)物質(zhì)組成分析與物質(zhì)的分離。進(jìn)行物質(zhì)組成分析時,物質(zhì)m1和m2的衰減系數(shù)是已知的,分別為μ1(E)和μ2(E),d1和d2代表分離出的物質(zhì)密度。通過公式(5)計算,物質(zhì)組成分析就能用計算得到的單色光源的數(shù)據(jù)來表示。雙能能譜成像物質(zhì)組成分析并不是確定物質(zhì)組成,而是通過給定的2種基礎(chǔ)物質(zhì)來產(chǎn)生相同的衰減效應(yīng);成分分離時,并不是固定以某種物質(zhì)作為基物質(zhì)進(jìn)行物質(zhì)分離,而是可選擇任意2種基物質(zhì)進(jìn)行物質(zhì)分離。當(dāng)能量變化時,2種物質(zhì)的衰減也會發(fā)生變化,因此可按公式(6)將水作為單能量圖像中的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。2高能能量采樣能譜分析DiscoveryCT750HD雙能量技術(shù)是利用單球管能量切換實(shí)現(xiàn)的,可在0.5ms時間內(nèi)瞬時完成高低能量切換,在第一個采樣點(diǎn)位置上用高能,角度變化了零點(diǎn)幾度的時候再用低能。因此可以說幾乎在同時同角度得到了2個能量的采樣,這樣能譜分析可以在投影數(shù)據(jù)空間進(jìn)行分析。能譜成像技術(shù)要素如下:2.1高壓發(fā)生器區(qū)別于傳統(tǒng)的高壓發(fā)生器,DiscoveryCT750HD的高壓發(fā)生器采用了被稱之為快速管電壓開關(guān)的設(shè)計,可以使系統(tǒng)在0.5ms周期內(nèi)對X線進(jìn)行80kV和140kV電壓切換,實(shí)現(xiàn)瞬時變能目的。2.2設(shè)置快速轉(zhuǎn)化裝置實(shí)現(xiàn)雙能譜成像要求探測器具備良好的高低能譜區(qū)分能力,即瞬時切換的高低能量X線要能被探測器快速轉(zhuǎn)化成可見光,同時探測器及時恢復(fù)常態(tài)準(zhǔn)備下一次能量轉(zhuǎn)化。DiscoveryCT750HD采用寶石作為探測器材料,與傳統(tǒng)稀土陶瓷探測器和鎢酸鎘探測器相比較,其穩(wěn)定性高出20倍。寶石探測器的快初始速度、低余暉效應(yīng)、良好的穩(wěn)定性及通透性優(yōu)點(diǎn)使雙能譜成像成為可能。2.3圖像質(zhì)量的相關(guān)性研究常見的圖像質(zhì)量區(qū)別為臨床提供更色圖像質(zhì)量,一個動態(tài)變焦球管可以動態(tài)改變球管的焦點(diǎn),這樣系統(tǒng)就可以根據(jù)不同條件自動地選擇匹配的焦點(diǎn),從而為臨床帶來更出色的圖像質(zhì)量。雙能成像要求高低能量下具有相同的圖像質(zhì)量,而kV的切換會導(dǎo)致焦點(diǎn)的漂移,寶石能譜CT球管通過3對偏轉(zhuǎn)磁場的聚焦,可獲得所需要的焦點(diǎn),并通過對mAs的獨(dú)自優(yōu)化實(shí)現(xiàn)高低能量下圖像質(zhì)量的匹配。2.4高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)寶石能譜CT具有7131幀/s的采樣率,較傳統(tǒng)采樣率提高約2.5倍,保證了高低能量下圖像的精度。2.5標(biāo)準(zhǔn)通用域名重建技術(shù)2.5.1基于fbp的迭代重建統(tǒng)計迭代重建在發(fā)射斷層顯像(SPECT、PET)的成功應(yīng)用表明,即使在低信噪比(signalnoiserario,SNR)的發(fā)射數(shù)據(jù)集利用FBP重建得到的圖像質(zhì)量極差時,迭代重建仍然可以重建出高質(zhì)量的圖像。Prakash等在比較ASIR與FBP在彌漫性肺疾病中細(xì)微的正常及異常結(jié)構(gòu)顯示能力后發(fā)現(xiàn),ASIR對于細(xì)微解剖結(jié)構(gòu)及微小病變的顯示明顯優(yōu)于FBP。2.5.2asir重建圖像質(zhì)量的意義由于迭代重建算法所需的投影數(shù)少,具有可在數(shù)據(jù)不完全條件下成像的優(yōu)點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)低劑量成像。Singh等在比較不同管電流-時間乘積(mAs)條件下不同比例ASIR與FBP圖像質(zhì)量與微小病灶顯示能力后發(fā)現(xiàn),ASIR能夠降低圖像噪聲、提高圖像質(zhì)量,從而提高醫(yī)生的診斷信心,即使在腹部CT掃描100mAs條件下(CTDIvol8.4mGy),采用30%ASIR重建圖像仍能達(dá)到滿意的圖像質(zhì)量。3能譜成像的臨床應(yīng)用3.1硬木去除3.1.1瘤夾、血管支架、鈣斑塊血管成像中高密度物質(zhì)會產(chǎn)生硬化偽影,如動脈瘤夾閉術(shù)所用瘤夾、血管支架、鈣化斑塊。能譜CT利用單能量成像技術(shù)可以去除瘤夾的金屬偽影,并且任意分離瘤夾、血管、骨骼3種物質(zhì),為動脈瘤夾閉術(shù)后的復(fù)查提供完美的影像。3.1.2金屬偽影的形成對于許多骨科病人,一旦放置金屬類材料植入物以后,在CT中會有大量的金屬偽影產(chǎn)生而直接影響診斷。能譜CT特有的單能量去除偽影技術(shù)[keV和MARS(MultiArtifactReductionSystem)]可以降低金屬偽影的影響。3.1.3不同能量圖像對亨氏暗區(qū)的影響傳統(tǒng)X線-CT由于X線束硬化效應(yīng),在顱底會產(chǎn)生亨氏暗區(qū),理論上單能量圖像能有效降低亨氏暗區(qū)的影響,Lin等[19研究認(rèn)為顱腦能譜成像中70keV單能量圖像能有效降低噪聲及束線硬化偽影。3.2物質(zhì)的分離和組成分析3.2.1防小活檢和發(fā)病灶的檢測CT能譜技術(shù)的一個重要工具就是可以同時生成多種單能量圖像和基物質(zhì)圖像,可以避免對比劑硬化偽影和容積效應(yīng)造成的小病灶遺漏,可以提高小病灶和多發(fā)病灶的檢出率。有研究認(rèn)為能譜CT物質(zhì)圖像和單能量圖像能對富血供的小病灶起到放大的突顯作用,如小胰島細(xì)胞瘤、小肝癌等。3.2.2水基圖像和碘基圖像CT能譜技術(shù)通過物質(zhì)分離技術(shù),可以明確判斷對比劑(碘)的分布以及病灶囊性成分的區(qū)別。能譜技術(shù)通過水基圖像和碘基圖像,可以判斷病灶是否有碘攝入,以及區(qū)分囊性病灶是否含水。Santamaria-Pang等認(rèn)為單能量圖像能夠準(zhǔn)確地區(qū)分肝內(nèi)小囊腫與低密度轉(zhuǎn)移瘤(直徑<1cm)。Lv等認(rèn)為能譜技術(shù)能夠提高鑒別肝臟微小血管瘤及小肝癌的敏感性。Li等對離體甲狀腺結(jié)節(jié)研究認(rèn)為能譜技術(shù)能較好區(qū)分甲狀腺結(jié)節(jié)良惡性。3.2.3ct能譜分布日常工作中經(jīng)常會遇到某些較大的腫塊定位困難,如肝腎間隙腫瘤,有文獻(xiàn)報道動態(tài)增強(qiáng)各期的CT能譜特征,如基物質(zhì)散點(diǎn)圖的分布模式、70keV單能量CT值分布直方圖以及能譜曲線形態(tài)特征,能夠較好地對肝腎間隙腫瘤做出準(zhǔn)確診斷。3.2.4模擬平掃和模擬平掃物質(zhì)分離技術(shù)及基物質(zhì)圖像能將碘劑分離出來,在增強(qiáng)掃描的條件下實(shí)現(xiàn)模擬平掃,如水基圖,從而實(shí)現(xiàn)一次增強(qiáng)掃描可同時獲得平掃和強(qiáng)化圖像,其與真實(shí)平掃在臨床診斷中的差異有待進(jìn)一步研究。3.2.5易損斑塊的檢測能譜CT利用單能量成像準(zhǔn)確界定斑塊各種成分的CT值,通過定量分析斑塊各種成分的含量,以及物質(zhì)解析等多種技術(shù)區(qū)分冠狀動脈的易損斑塊和穩(wěn)定斑塊,降低冠心病突發(fā)事件發(fā)生率和致殘率。3.2.6體外結(jié)石結(jié)構(gòu)常規(guī)CT能很好地檢測出陽性結(jié)石,但對陰性結(jié)石缺乏敏感性。Joshi等對體外腎結(jié)石模型行能譜成像認(rèn)為能譜CT物質(zhì)分離技術(shù)、單能量圖像及有效原子序數(shù)能很好地檢出陰性結(jié)石。Qu等研究認(rèn)為能譜CT能夠很好地區(qū)分不同種類的腎結(jié)石,并可根據(jù)有效原子序數(shù)確定結(jié)石類型。4圖像重建算法DiscoveryCT750HD能譜成像和低劑量高清圖像給臨床帶來了諸多前所未有的突破,為臨床應(yīng)用和臨床科研提供了無限廣闊的前景。我們在充分認(rèn)識雙能能