急诊神经影像的双能CT成像PPT课件.ppt

,厚德精业敦行至善,急诊神经影像的双能CT成像：AddedValueandNovelApplications,Dual-EnergyCTinEmergencyNeuroimaging:AddedValueandNovelApplicationsRadioGraphics2016;36:21862198,目录CONTENTS,基物质分离碘,概述,辐射剂量与限制,骨减影,双能CT：采集、后处理和发展,基物质分离钙,虚拟单能成像,结论与总结,概述,双能计算机断层扫描（CT）是一个强大的诊断工具，在临床上得到越来越广泛的应用。利用后处理技术，双能CT有助于评估各种紧急神经系统疾病。区分碘与出血有助于揭示在CT血管造影上看到的颅内小出血灶。骨减影可以有效地去除增强血管周围的骨结构，提高血管可视化，并得到外观与三维磁共振成像血管重建类似的图像。骨减影也有助于显示小的脑外积液和脑外肿块。物质特性有助于明确密度相似的小病灶是否代表出血，钙化或异物，并且它还可以用于量化先前存在或偶然检测到的病变中出血或碘的量。虚拟单能成像也可用于解决具有挑战性的问题。本文提供了一个新兴的双能CT应用于急诊神经影像的概述。,双能CT：采集、后处理和发展,双能CT的核心概念是不同物质的X射线吸收特性是X射线能量的函数，特别是对于高原子序数物质。在诊断成像中，光子吸收主要是由于光电效应，康普顿散射具有较小的作用。元素的光电吸收与其原子数和K边缘有关，其反映原子最内层电子K壳的能级。入射光子的吸收通过光电效应，在K边缘处或略高于K边缘处最大化。低原子量元素例如氢，碳，氧和氮（大多数软组织的组成成分）的相对X射线衰减在临床CT扫描使用的千伏特能谱之间几乎没有变化，因为这些元素的k边缘远低于平均能谱水平。高原子序数的元素具有更高能量的K壳，非常适合从X射线光谱中吸收X射线，这是CT特有的。在临床CT扫描中使用的X射线能谱在某种程度上取决于在X线球管上施加的千伏电压。千伏电压加速电子，直到它们撞击阳极并产生具有宽能谱的X射线-达到与所施加的千伏电压匹配的最大值（以kV为单位）。,双能CT：采集、后处理和发展,在双能CT中，利用患者体内不同物质的能量依赖性X射线吸收的差异，从低能和高能X射线能谱采集X射线吸收数据。目前使用最广泛的双能CT系统：单源快速kVp切换系统和双源系统。,快速千伏切换系统,单个X线球管和探测器，其中管电压在80kV和140kV之间快速交替，在扫描架围绕患者旋转时获取连续的投影。优点：在两个能级的全视野数据采集以及在两个能级互相配准的投影数据，这允许直接在原始投影数据中进行后处理。缺点：扫描肥胖患者时，因为80kV频谱穿透不足以及需要用最大管电流运行X线球管，这妨碍同时使用管电流调制技术来自动调节患者的整体尺寸和局部厚度的辐射剂量。,双源双能CT,双源双能CT扫描仪使用两个独立、几乎成直角排列的X线球管和探测器。高能X线球管在140kV下操作，锡滤线器被添加在高管电压的球管上，减弱140kV能谱的低能量部分以增加能谱分离并突出不同物质的能量依赖性吸收的差异。优点：1.较低能量的X线球管可以在80kVp或100kVp下操作，这比使用80kVp，140kV组合更能对肥胖患者进行双能扫描。2.可以独立地调制X射线管电流以允许使用常规的管电流调制技术。缺点：1.第二探测器阵列的有限视场（由于扫描机组件的物理限制）可导致周边解剖结构的截断。对图像进行后处理时，尽管所获取的图像在几何上被配准，但所采集的投影数据在两个球管之间偏移接近90，这会影响使用原始数据。2.需要购买和维护一个扫描机上的两个CT扫描系统。,双能CT：采集、后处理和发展,使用双能CT采集数据之后，混合图像通常在图像显示和存储系统上生成，用于常规图像解读。这些传统的CT灰度图像是高和低千伏电压图像数据的加权平均值。这些横断位高和低千伏图像组也被发送到薄层双能CT后处理服务器，用于创建和解读双能后处理数据集。后处理算法能够表征和区分不同类型的物质。本文在以下各节描述了与急诊神经成像最相关的算法，以及其重要临床应用的实例和描述。本文的所有图像都是在作者所在医院急诊部使用双源双能CT扫描获取的，并且所述的双能数据的后处理是在图像重建后。,基物质分离,任何物质的X线吸收系数可由任意两种基物质的X线吸收系数来决定，因此可将一种物质的衰减转化为产生同样衰减的两种物质，这样可以实现物质分离。在能谱成像中，经过高、低两组电压扫描的X射线衰减图像可以表达为两种基物质的密度图，其过程为物质分离。物质分离图像中的每一个体素反映了相应的物质密度信息，所以物质分离能获得配对的两组基物质密度图。在医学上最为常用的基物质对是水和碘，水和钙，及钙和碘。,基物质分离碘,基物质分离是许多双能CT后处理技术的基本机制。因为如碘和钙等物质在低和高千伏下的x射线吸收具有特征性，所测量的CT值可以用于分解每个体素，或者利用每个原始投影数据，在已知的基物质中推测碘的含量。在大脑中，基物质线（abasematerialline）一般用脑脊液和脑实质的低和高千伏CT值（以Hounsfield为单位）来定义。在对比增强CT中，第三种物质是碘，其含量可以通过比较在低千伏和高千伏电压下的体素衰减来确定（图1）。沿着被称为碘双能比的特征斜率，更高的碘密度在低电压下比在高电压下衰减增加的更多。用这种方式，确定碘在每个体素的衰减，并且可以得到碘图、虚拟平扫图（VNC=virtualnoncontrast）和在VNC灰度图像上的彩色叠加图像（图2）。,图1.碘的分离。基物质线（红线）被定义为脑脊液（CSF）和脑实质在低和高千伏电压的CT值（以Hounsfield为单位）。向基物质线添加碘（蓝线）增加了CT值，有特征斜率（即，双能比）。然后可以将任何体素（X）增强后的密度分解成碘的密度和虚拟平扫（VNC）的密度。,基物质分离碘,VNC图像和碘图的限制：与常规单能头部CT平扫图像相比，较低的信噪比，以及较不吸引人的图像外观。硬化伪影（因为X线为一混合能量射线，所以在X线通过高密度物质的时候，能量较低的光子首先被吸收导致剩余的光子能量偏高变硬，因此透过物体的X线光子被“硬化”，最终在致密物体附近产生暗影或条纹影。）导致的图像质量下降也是有动脉瘤夹或线圈的患者的限制。颅内急性出血时，对活动性出血的认识至关重要。CT血管造影斑点征实际上是增强后CT对比剂的外渗造成的斑点样改变，外渗是持续性的出血并且与血肿扩大相关。CT血管造影斑点征被发现与院内死亡和3个月后检测出死亡有很大的相关性。此外，动物模型证实使用华法林会增加CT血管造影斑点征的大小和数量。碘图结合VNC图像帮助发现CT血管造影斑点征（图2）。,图2.一名74岁，在钝性创伤后表现为精神状态改变的男性的碘图，显示CT血管造影斑点征。最初获得的CT平扫图像（未显示）显示双侧额叶和左顶叶大片出血。（a）随后获得的横断位双能混合CT血管造影显示出血（黄色箭头）和碘造影剂（白色箭头）的混合物，这与CT血管造影斑点征一致。橙色箭头=脑实质。（b）在横断位碘图上，着色区代表碘造影剂，并且包括出血区内明显的外渗（箭头）。（c）在横断位VNC图像上去除碘剂以显示血肿。（d）虚拟单能曲线显示衰减是a图中箭头标记的相应区域的x射线能量的函数。在低千伏电压，外渗碘造影剂的衰减显著增加（白色曲线），而出血（黄色曲线）和脑实质（橙色曲线）的衰减几乎保持平坦。,基物质分离碘,VNC图像不需要单独获取CT平扫图像，能减少患者的辐射，然而，图像质量已成为问题。虽然已经报道了VNC图像的图像质量比常规CT平扫图像的图像质量差，并且已经引起了对检测蛛网膜下腔少许出血的关注，但是没有证明统计学上有显着的诊断性差异。在脑卒中评估方面，双能CT已经应用于多个研究中，如在动脉内抗纤溶治疗后或不进行血栓切除术的情况下使用碘图和VNC图像区分颅内新的出血与造影剂染色。缺血时，由于血脑屏障的破坏，血管造影术后造影剂染色是常见的，并且可能难以区分急性出血。不能正确区分造影剂和出血可导致抗血小板或肝素治疗的延迟，从而改变临床急诊诊治。据报道，血栓切除术后，在双能CT中，准确区分造影剂和出血从87.2提高到100。,基物质分离碘,已经研究了在不明原因的急性颅内出血时使用VNC图像和碘图检测增强病灶（图3）。使用碘图的双能CT阳性和阴性预测值分别为94和97，优于标准的CT平扫。已经提出使用碘图代替灌注图像，在少数研究中也已经评估了该提议的实用性和限制。,图3.54岁男性，上矢状窦顶点急性出血。（a）横断位混合CT图像显示假定为与微小结节相邻的出血病变（箭头）。（b、c）矢状位（b）和冠状位（c）碘图显示团块内的增强区（箭头）。（d）在VNC图像上减去增强区（箭头）。,基物质分离钙,钙在低和高千伏下也表现出有显著特征性的x射线吸收，虽然与碘相比程度较低。用钙的双能比替代碘的双能比，使用基物质分离技术能较容易得到钙图和虚拟非钙（VNCa=virtualnoncalcium）图像。钙的双能比的斜率较缓（图4）。虽然这种分离方法相对较新，但在急诊神经影像学中可能很有帮助。它通常用于急诊头部CT平扫，以识别脑实质中的高密度灶，这可以显示急性出血或钙化的CT值（图5）。在这些情况下，人们或许能使用钙图和VNCa图像来确切区分脑实质的钙化与出血，而且不需要影像随访或临床观察。在回顾性研究中，亨斯菲尔德等人使用这些图像报道检测出血的精确度达99。我们在工作中发现了类似的临床效用。基物质分离方法也可以用于显示肿块中钙的含量如脑膜瘤（图6）。,图4.钙的分离。用钙的双能比（绿色实线）替代碘的双能比（蓝色虚线）得到的VNCa图像。类似碘分离，可以得到钙图和VNCa图像。CSF=脑脊液。,图5.鉴别出血与钙化（a）一位70岁女性外伤后的横断位CT图像显示大脑镰旁一个结节状高密度（85HU）（箭头）。（b，c）由于其在横断位钙图（b）上显示为高密度区（箭头），而且在横断VNCa图像上被完全去除（箭头），所以病变被确定为钙而不是出血。这些发现使该患者不需要在急诊部等待头部CT平扫随访。（d-f）另一病例，一位侧脑室出血（箭头）的60岁男性，横断位混合（d），钙（e）和VNCa（f）CT图像。出血在钙图和VNCa图像上保持可见，而在VNCa图像上相邻的脉络丛钙化为低密度。,图6.显示一位81岁女性的肿块中钙含量。（a）横断位混合CT图像显示左顶叶团块（箭头）。（b，c）在横断位钙图（b）上突出钙密度（箭头），在横断位VNCa图像（c）上减去钙密度（箭头）以显示软组织肿块。,基物质分离钙,值得注意的是基物质分离不允许同时量化碘密度和钙密度，因为没有足够独特的数据来解决这两个未知值。这将需要四种物质分离，需要使用至少来自三个不同的x射线球管的x射线能量吸收数据，这是未来的光子计数检测器系统。利用当前的双能CT采集和基物质分离后处理的碘图，钙在碘图和VNC图像上都保持可见，钙的CT值大致平分在两个图像的之间。因此，碘图上的高密度可以代表碘或钙，但是这两种物质在VNC图像上可以区分，因为碘将消失而钙保持可见。相应地，在钙图中，碘被误认为钙，导致人为减少VNCa图像的衰减。,骨减影,骨减影的算法不同于基物质分离，是基于每个体素的综合特征，类似于碘或钙的特征。每个体素的特征在于落在分离线（aseparationline）之上或之下，所述分隔线的斜率在碘的双能量比与钙的双能量比之间（图7）。骨减影最引人注目的临床应用之一是帮助评估颈部和头部血管，颅底和颈椎横突孔的骨结构可能干扰血管评估，特别是在最大密度投影图像上（图8，9）。双能CT骨减影对患者运动伪影不敏感，而且不易受血管腔减影的影响。,图7.骨减影算法的图解。通过定义碘的双能量比（蓝色虚线）和钙的双能量比（绿色线）之间的斜率得到分隔线（黄线）。落在该分割线以下的体素被认为是骨并且归零以完成骨减影。CSF=脑脊液。,图8.一名90岁，有脑卒中症状的女性进行头颈部双能CT血管造影，骨减影能提高血管可视化。（a）冠状位常规最大密度投影显示脊椎血管和颈内动脉，其被相邻骨掩盖。（b，c）冠状位骨减影重建图（b）示归零的骨体素，能够重建冠状位骨减影的最大密度投影图像（c），完整显示椎动脉和颈动脉。（d）三维重建图像后面观，使血管树能够完全可视化，除非假牙（箭头）影响血管评估。在左颈动脉分叉处的钙化斑块（大箭头）由于近似碘而显影，它可以留在图像上或与骨一起去除。,图9.一名55岁，患有严重的头痛和蛛网膜下腔出血的男性，骨减影提高血管可视化。在最初的常规CT血管造影中未观察到明确的病灶（未显示）。（a）常规冠状位最大密度投影图像，显示了床突周围一个微小的异常轮廓（箭头）。（b）在骨减影重建图像上，床突左侧小的动脉瘤（箭头）显示更清楚。（c）随后获得的三维数字减影血管造影的结果证实了CT血管造影结果，测得的动脉瘤（箭头）大小类似。,骨减影,在最近的一项研究中，比较骨减影双能CT血管造影与三维旋转数字减影血管造影检测动脉瘤，发现骨减影CT血管造影测量动脉瘤大小具有较高的精确度。在其他研究中，与单能CT血管造影相比，双能骨减影CT血管造影更易去除与骨相似的结构，但是具有较低的辐射剂量。Buerke等人发现血管狭窄程度在双能CT骨减影、骨减影单能CT血管造影和MR血管造影中，没有明显的统计学差异。但是，目前使用单能CT检测颅底血管狭窄程度，有过度诊断的趋势，这被认为是由于过度减影。此外，与常规CT血管造影相比，用骨减影双能CT血管造影能减少读片时间。除了能够实现血管可视化之外，骨减影可能有助于辨别与颅骨相邻的微小颅内病变。例如，可以使基底节区病灶和脑外小血肿显示更为清楚（图10,11）。,图10.骨减影使脑外出血显示更清晰。（a，b）一位75岁，跌倒后的男性，横断位混合CT图像（a）和骨减影CT图像（b）显示右侧额部硬膜下小面积出血（箭头）。（c，d）一位59岁，跌倒后头痛的男性，横断混合CT图像（c）和骨减影CT图像（d）显示左侧硬膜下少许出血（箭头）。硬膜下出血在常规混合图像（a，c）上很小，但是在相应的骨减影图像上（b，d）显示较清晰，这是因为去除了相邻的颅盖骨。,图11.一名33岁女性，脑外肿块。在没有（a）和有（b）骨减影的轴位CT图像上偶然发现左侧桥小脑角区肿块（箭头）。在骨减影图像上，肿块和其在左侧内耳道内的侵犯显示更明显。,虚拟单能成像,传统的CT采集基于混合X射线能谱的射线能量，相当于在x射线管上施加的千伏峰值电压的最大值，这是多变的。使用高和低千伏组合的双能数据，可以得到虚拟单能图像，如果患者可以用固定的单能（以千电子伏特为单位）X射线源成像，其可以显示预期的CT值。模拟图像可以通过使用所选择的单能量来产生，或者可以将感兴趣区中的预期CT值绘制为单能量的函数。随着单能级降低，能谱衰减曲线显示高原子序数物质（例如碘和钙）的特征性衰减增加，低原子序数物质（例如脂肪和塑料）衰减减小，身体中大多数其他软组织相对平坦的衰减曲线。因此，感兴趣区的能谱衰减曲线可以作为区分物质的工具（图2,12）。,图12.在一名62岁、近期植入脑起搏器、摔倒后的男性中使用虚拟单能成像光谱曲线来表征物质。（a，b）横断位混合CT图像（a）显示在开颅手术位点下的高密度区（白色箭头，未知物质），其持续存在横断位骨减影CT图像上（b），表明它不代表钙化。黄色箭头=脑实质。,图12.（c）从高密度灶（未知物质）的感兴趣区（白色曲线）和另一层面的感兴趣区（未示出）（紫色曲线）以及脑实质的感兴趣区（黄色曲线）得到虚拟单能成像光谱衰减曲线。这些曲线证明未知物质的衰减在低能级中降低。这种表现不同于出血和脑实质（其衰减曲线为平直曲线），并与高原子序数物质（例如钙和碘）（在低能量水平中衰减度增加）的表现相反。这种表现与用于固定起搏器植入物的胶水一致而不是急性出血。,虚拟单能成像,当研究单源虚拟单能成像时，发现使用65keV的单能量值能使灰质-白质分界更清晰，75keV对于减少后颅窝的硬化伪影是最有效的。多个研究结果表明，在高能级获得的虚拟单能图像上基本减少了金属物质的硬化伪影;然而，这些研究大多数是在头颈外进行的。最近有研究表明，在有颅内动脉瘤线圈和动脉瘤夹的情况下，成功减少伪影（图13）。使用高能图像减少金属伪影在一定程度上取决于金属的数量和类型，因为如果在低千伏电压中没有足够的数据来进行双能量后处理，则不能使用虚拟单能成像来校正真正的光子缺失。我们还发现，减少CT血管造影的虚拟单能图像上的金属伪影是具有挑战性的，因为减少硬化伪影所需的高能量值会减低碘的对比增强。减少假牙伪影也存在问题，一些研究结果表明，与单能CT相比，双能CT可能由于降低信噪比，实际上会降低影像诊断的质量。,图13.一名70岁，切除复发性脑膜瘤和近距离放射治疗后新发颅内出血的男性，在虚拟单能成像上，金属伪影减少。在横断位（a，c）和冠状位（b，d）CT图像上，利用虚拟单能成像，顶部的硬化伪影部分减少。伪影在80keV虚拟单能CT图像（a，b）上比在相应的170keV图像（c，d）上更明显。伪影在170keV图像上减少能够提高邻近出血的可见性。,图13.一名70岁，切除复发性脑膜瘤和近距离放射治疗后新发颅内出血的男性，在虚拟单能成像上，金属伪影减少。在横断位（a，c）和冠状位（b，d）CT图像上，利用虚拟单能成像，顶部的硬化伪影部分减少。伪影在80keV虚拟单能CT图像（a，b）上比在相应的170keV图像（c，d）上更明显。伪影在170keV图像上减少能够提高邻近出血的可见性。,虚拟单能成像,以前已经研究了在双能CT中，血管可视化所需的最佳对比度噪声和信噪比。随着能级降低，碘的衰减及其与周围软组织的对比增加。这些特征可使碘显影更清楚以改善强化较差的CT血管造影，甚至产生接近来自传统CT增强延迟期的CT血管造影的血管图像。即使使用虚拟单能成像后处理技术，在较低能级下，噪声也会显着增加，导致信噪比和噪声比降低。应当注意虚拟单能成像技术在厂家之间的不同，并且最近已经设计了更新的算法以在较低的虚拟X射线能量下改善噪声。因此，最佳能级在厂家或后处理算法之间不可再现;需要扫描仪和专业软件来确定特定应用程序的最佳值。,辐射剂量,常见的误解是，由于在高和低千伏电压水平下采集数据，所以用双能CT会增加辐射剂量。实际上，对于现有系统，辐射剂量分散在低和高千伏电压采集的数据之间，所以与传统采集方式相比，总辐射剂量大致相当。双能CT用于头部CT平扫的方法(包括本文）是使用锡过滤器和管电流调制系统（CareDose4D;SiemensHealthineers），千伏值为100和140kV，涉及的电