多层螺旋c能谱成像技术的研究进展

多层螺旋c能谱成像技术的研究进展

自1972年第一次临床应用以来，ct的发展经历了多个重要的发展阶段：单面式撒布、扇形撒布、反扇束扫描、动态空间扫描、电子束扫描、单螺线扫描和多层螺钉扫描。尤其是螺旋CT问世以来,其发展日新月异,各种成像及重组技术极大地促进了CT在临床实践中的应用。能谱(量)成像作为一项新技术,根据X线在物质中的衰减系数转变为相应的图像,除形态展示外尚能够进行特异性的组织鉴别,能够瞬时进行高能量与低能量的数据采集,采用原始数据投影的模式对两组数据进行单能量重建。1能谱成像的原理1.1x线基础1.1.1x线的测量。据其所示X线的质和量主要取决于管电流和管电压等复合因素。X线管的管电流愈大表明阴极发射的电子数愈多,X线强度愈大。常用X线管的管电流与照射时间的乘积来表示X线的量,通常以毫安秒(mAs)为单位。X线的质表示X线穿透物质的能力,只与光子能量有关而与个数无关。在X线的诊断应用中,以X线管电压大小来描述X线的质。1.1.2x线连续谱的形成X线和微波、可见光、紫外线等一样,其本质都是电磁波。由X线管产生的X线并非单一能谱,而是包括特征谱和连续谱两部分。X线的特征谱可用量子理论作出完美解释,即当X线管所产生的高能束流电子轰击靶极时,靶极原子的内层电子脱离原轨道,外层电子填充该空位时产生辐射跃迁,辐射光子的能量取决于跃迁前后的能级差,辐射光子的频率或波长对确定的物质有确定的数值。X线的连续谱源于轫致辐射,即高能电子进入靶原子核附近,受原子核电场作用急剧减速,损失的能量以X光子的形式辐射出去,因高速电子与原子核电场相互作用的情况不同,因而辐射出的X光子具有各种各样的能量,从而形成连续谱。图1为100kV条件下,X线机的钨靶辐射谱。1.1.3医用x线散射型X线波长很短,具有很强的穿透力,并在穿透过程中造成一定程度的衰减。X线与物质的相互作用可以有许多种方式,在医用X线能量范围内,主要有光电效应、相干散射(Rayleigh散射)和非相干散射(康普顿散射),相干散射的效果常可以忽略。光电效应和康普顿散射共同决定了X线的衰减,即每种物质的X线衰减曲线是特定的,CT图像重建过程即是求解每个体素线性衰减系数的过程。1.2一般ct基础1.2.1x线束扫码过滤原理CT图像重建是运用物理技术,测定X线透过人体某断层各方向的透射强度,采用数学方法,求解出衰减系数在人体某剖面上的二维分布矩阵,再将其转变为人眼看到的二维灰度分布图,从而实现断层成像。假设体素的厚度为d,那么当强度为I0的X线束穿透体素后衰减为I,衰减规律遵守朗伯定律即公式(1),其中P为投影值。如果在X线束扫描通过的路径上,介质是不均匀的,可将沿路径l分布的介质分成n小块,每一小块为一个体素,厚度为d,那么投影值P符合公式(2)。如果在X线束扫描通过的路径上,介质不均匀,而且衰减系数连续变化,即衰减系数μ是路径l的函数,那么投影P符合公式(3)。理论上,若用X线束沿不同路径对受检体进行投照,就会得到一系列的投影值P,从而获得一系列的线性方程,按一定算法可求得每个体素的μ值,目前CT多用滤波反投影法。按公式(4)就可得到体素的CT值,从而进一步获得断层图像。1.2.2ct成像原理和x线吸收剂对x线诉由于X线为一混合能量射线,当X线束(如120kV)穿过人体时,低能量X光子首先被吸收掉,这种现象称为硬化效应。即使X线在均匀物质中穿行,先接触到射线的物质对X线的吸收要多于后接触射线的物质,而CT成像原理又决定了对X线吸收能力强的物质,其CT值要高于对X线吸收能力弱的物质,所以同为一种物质却表现为不同的CT值,即CT值的“漂移”。不同的CT设备因为使用不同的球管,其CT值亦不再具备可比性。1.3x线束成像法线性衰减系数μ是光子能量E的函数即μ(E),传统X线-CT计算出的μ值是混合能量等效值,即采用平均辐射能的计算方法得到μ值。理论上利用不同能量水平的单能量X线可以得到一系列相应能量水平的CT图像,即能谱成像。因此要实现能谱(量)成像首先想到的解决方案是产生单能量的X线,同步辐射被认为是一种单能量成像,可以产生一个连续范围的光谱,并用单色器选择任意所需波段,调出适用波长的光进行生物品分析,目前主要处于实验阶段,尚未用于临床实践。另一种方案就是双能量技术,这早在CT发明的初期就已有报道,但CT软硬件的限制无法真正在临床上广泛应用。目前CT临床应用中的双能量成像方法主要有两种:一种是以Siemens公司为代表的双源CT,它采用两套互相垂直的X线球管及探测器,可以产生两种不同辐射能量而实现双能量成像,但对双能量数据的处理是在图像重建后而不是利用投影数据进行的,同时由于两个球管的视野大小不同,在较肥胖的病人可能会出现视野丢失;另一种以GE公司的高分辨CT为代表,它采用单个X线球管,在瞬间实现高低能量切换,达到双能量成像的目的。本文讲述的是单球管双能量技术的成像原理。1.3.1不同能量x线的关系前面已提到在医用X线能量范围内,光电效应和康普顿效应共同决定了物质对X线的衰减,这样人体中任何物质会随X线能量变化呈现出不同的X线吸收衰减能力,即每种物质都有其特征X线吸收曲线。当X线的能量远离K吸收边界时,物质的衰减系数与X线能量的关系为一平滑的曲线。因此可以认为在人体中,当X线能量高于40keV时,作为CT图像重建时体素的衰减曲线为一平滑的曲线,而曲线上的任何两点便决定整个曲线走向,也就是说仅需要2次能量采集即可确定一条特征吸收曲线。DiscoveryCT750HD采用高(140kV)、低(80kV)能量瞬时切换,几乎在同时同角度得到2种能量X线的采样数据,并根据这两种能量数据确定体素在40~140keV能量范围内的衰减系数,进一步得到101个单能量图像,这种相对纯净的单能量图像能够大大降低硬化伪影的影响并获得相对纯净CT值的图像,即CT值无论在整个视野不同位置、不同扫描,还是不同病人中,都更为一致和可靠。目前有研究认为65keV和70keV图像噪声较低,并有较高的对比噪声比。1.3.2衰减系数和密度的测定任何物质的X线吸收系数可由任意2个基物质的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2种物质的密度,这样可以实现物质组成分析与物质的分离。进行物质组成分析时,物质m1和m2的衰减系数是已知的,分别为μ1(E)和μ2(E),d1和d2代表分离出的物质密度。通过公式(5)计算,物质组成分析就能用计算得到的单色光源的数据来表示。双能能谱成像物质组成分析并不是确定物质组成,而是通过给定的2种基础物质来产生相同的衰减效应;成分分离时,并不是固定以某种物质作为基物质进行物质分离,而是可选择任意2种基物质进行物质分离。当能量变化时,2种物质的衰减也会发生变化,因此可按公式(6)将水作为单能量图像中的标准物质。2高能能量采样能谱分析DiscoveryCT750HD双能量技术是利用单球管能量切换实现的,可在0.5ms时间内瞬时完成高低能量切换,在第一个采样点位置上用高能,角度变化了零点几度的时候再用低能。因此可以说几乎在同时同角度得到了2个能量的采样,这样能谱分析可以在投影数据空间进行分析。能谱成像技术要素如下:2.1高压发生器区别于传统的高压发生器,DiscoveryCT750HD的高压发生器采用了被称之为快速管电压开关的设计,可以使系统在0.5ms周期内对X线进行80kV和140kV电压切换,实现瞬时变能目的。2.2设置快速转化装置实现双能谱成像要求探测器具备良好的高低能谱区分能力,即瞬时切换的高低能量X线要能被探测器快速转化成可见光,同时探测器及时恢复常态准备下一次能量转化。DiscoveryCT750HD采用宝石作为探测器材料,与传统稀土陶瓷探测器和钨酸镉探测器相比较,其稳定性高出20倍。宝石探测器的快初始速度、低余晖效应、良好的稳定性及通透性优点使双能谱成像成为可能。2.3图像质量的相关性研究常见的图像质量区别为临床提供更色图像质量,一个动态变焦球管可以动态改变球管的焦点,这样系统就可以根据不同条件自动地选择匹配的焦点,从而为临床带来更出色的图像质量。双能成像要求高低能量下具有相同的图像质量,而kV的切换会导致焦点的漂移,宝石能谱CT球管通过3对偏转磁场的聚焦,可获得所需要的焦点,并通过对mAs的独自优化实现高低能量下图像质量的匹配。2.4高速数据采集系统宝石能谱CT具有7131帧/s的采样率,较传统采样率提高约2.5倍,保证了高低能量下图像的精度。2.5标准通用域名重建技术2.5.1基于fbp的迭代重建统计迭代重建在发射断层显像(SPECT、PET)的成功应用表明,即使在低信噪比(signalnoiserario,SNR)的发射数据集利用FBP重建得到的图像质量极差时,迭代重建仍然可以重建出高质量的图像。Prakash等在比较ASIR与FBP在弥漫性肺疾病中细微的正常及异常结构显示能力后发现,ASIR对于细微解剖结构及微小病变的显示明显优于FBP。2.5.2asir重建图像质量的意义由于迭代重建算法所需的投影数少,具有可在数据不完全条件下成像的优点,可以实现低剂量成像。Singh等在比较不同管电流-时间乘积(mAs)条件下不同比例ASIR与FBP图像质量与微小病灶显示能力后发现,ASIR能够降低图像噪声、提高图像质量,从而提高医生的诊断信心,即使在腹部CT扫描100mAs条件下(CTDIvol8.4mGy),采用30%ASIR重建图像仍能达到满意的图像质量。3能谱成像的临床应用3.1硬木去除3.1.1瘤夹、血管支架、钙斑块血管成像中高密度物质会产生硬化伪影,如动脉瘤夹闭术所用瘤夹、血管支架、钙化斑块。能谱CT利用单能量成像技术可以去除瘤夹的金属伪影,并且任意分离瘤夹、血管、骨骼3种物质,为动脉瘤夹闭术后的复查提供完美的影像。3.1.2金属伪影的形成对于许多骨科病人,一旦放置金属类材料植入物以后,在CT中会有大量的金属伪影产生而直接影响诊断。能谱CT特有的单能量去除伪影技术[keV和MARS(MultiArtifactReductionSystem)]可以降低金属伪影的影响。3.1.3不同能量图像对亨氏暗区的影响传统X线-CT由于X线束硬化效应,在颅底会产生亨氏暗区,理论上单能量图像能有效降低亨氏暗区的影响,Lin等[19研究认为颅脑能谱成像中70keV单能量图像能有效降低噪声及束线硬化伪影。3.2物质的分离和组成分析3.2.1防小活检和发病灶的检测CT能谱技术的一个重要工具就是可以同时生成多种单能量图像和基物质图像,可以避免对比剂硬化伪影和容积效应造成的小病灶遗漏,可以提高小病灶和多发病灶的检出率。有研究认为能谱CT物质图像和单能量图像能对富血供的小病灶起到放大的突显作用,如小胰岛细胞瘤、小肝癌等。3.2.2水基图像和碘基图像CT能谱技术通过物质分离技术,可以明确判断对比剂(碘)的分布以及病灶囊性成分的区别。能谱技术通过水基图像和碘基图像,可以判断病灶是否有碘摄入,以及区分囊性病灶是否含水。Santamaria-Pang等认为单能量图像能够准确地区分肝内小囊肿与低密度转移瘤(直径<1cm)。Lv等认为能谱技术能够提高鉴别肝脏微小血管瘤及小肝癌的敏感性。Li等对离体甲状腺结节研究认为能谱技术能较好区分甲状腺结节良恶性。3.2.3ct能谱分布日常工作中经常会遇到某些较大的肿块定位困难,如肝肾间隙肿瘤,有文献报道动态增强各期的CT能谱特征,如基物质散点图的分布模式、70keV单能量CT值分布直方图以及能谱曲线形态特征,能够较好地对肝肾间隙肿瘤做出准确诊断。3.2.4模拟平扫和模拟平扫物质分离技术及基物质图像能将碘剂分离出来,在增强扫描的条件下实现模拟平扫,如水基图,从而实现一次增强扫描可同时获得平扫和强化图像,其与真实平扫在临床诊断中的差异有待进一步研究。3.2.5易损斑块的检测能谱CT利用单能量成像准确界定斑块各种成分的CT值,通过定量分析斑块各种成分的含量,以及物质解析等多种技术区分冠状动脉的易损斑块和稳定斑块,降低冠心病突发事件发生率和致残率。3.2.6体外结石结构常规CT能很好地检测出阳性结石,但对阴性结石缺乏敏感性。Joshi等对体外肾结石模型行能谱成像认为能谱CT物质分离技术、单能量图像及有效原子序数能很好地检出阴性结石。Qu等研究认为能谱CT能够很好地区分不同种类的肾结石,并可根据有效原子序数确定结石类型。4图像重建算法DiscoveryCT750HD能谱成像和低剂量高清图像给临床带来了诸多前所未有的突破,为临床应用和临床科研提供了无限广阔的前景。我们在充分认识双能能