近年来双能量CT技术迅速发展,从最初仅双源CT能实现双能量CT成像,到目前已有多种技术可实现双能量CT扫描。这些双能量CT技术既包括配备2套球管-探测器的双源CT系统,也包括能在高低管电压下快速进行能量切换的单源CT系统(快速管电压切换双能量CT),还包括在不同能量状态下进行两次连续扫描的单源CT系统,以及配备有能量解析探测器的单源CT系统(“三明治”探测器双能量CT) ^[1]。上述基于单源CT的双能量CT技术的软硬件实现方式虽然不同,但高低能量的光谱有很大重合,区分高低能量数据的精度受到限制。还有一些双能量CT技术(如能量敏感的光子计数CT)尚未获得较多的临床或科研经验,本节不作介绍。

双源双能量CT的主要优势在于目前积累了较多的临床经验以及常规的图像重建技术 ^[2-3]。第一代双源CT在旋转的机架内安装了两个相隔90°的X线球管(图1-3-1),而这两个球管可以不同的管电压运行,在相对比较小的空间配准误差下进行双能量数据采集,减少了空间和时间配准错误的危险性。双源CT能独立选择每个X线球管的管电压(80 kV/140 kV,100 kV/140 kV),确保单个发生器不同管电压下光子的输出相似 ^[4]。双源双能量CT可同步应用降低辐射剂量的技术,如自动化管电流调制技术、迭代重建算法等,可调节的准直器宽度能确保图像质量和适中的辐射剂量。

第二代双源CT球管的功率从80 kW提升到了 100 kW,使得双能量CT临床应用的适用范围更广;第二代双源CT的机架旋转速度提升为0.28 秒/圈,使得扫描的单扇区时间分辨率从第一代双源CT的83 ms提高到75 ms,扫描速度更快。在第一代双源CT,A球管(140 kV)的视野为50 cm,而B球管(80 kV)的视野为26 cm;为了解决B球管的小视野问题,第二代双源CT B球管的视野增加到33 cm,改善了第一代双源CT图像后处理中经常遇到在体型较大患者的视野缺失问题。第二代双源CT在技术上的一些改良,例如更大的螺距、更大的覆盖范围等改善了双能量CT的图像质量,增加了该技术的可行性。此外,第二代双源CT两个球管之间的角度也由90°增加到95°,减少了B球管-探测器系统的横向散射问题;第二代双源CT在140 kV球管蝶形滤线器的远端增加0.4 mm的锡滤线板(图1-3-2),改善了高低能量X线的分离,提高了高能X线的平均能量,改善了物质的组织对比,提高了双能量CT算法的性能。增加高能X线的滤过还可相对提高低能X线的能量,使得100 kV/140 kV的双能量CT成像成为可能。能谱纯化滤板的出现还使双源双能量CT扫描的管电压组合从第一代双源CT上的80 kV/140 kV增加到第二代双源CT上的80 kV/140 kV、80 kV/Sn140 kV、100 kV/Sn140 kV,放射医师和技师需要根据患者体型和扫描部位选择最优化的管电压组合 ^[5-12]。此外,第二代双源CT上可以对双能量CT数据进行迭代重建处理,可以降低辐射剂量,提高图像质量。表1-3-1列出了第一代双源CT和第二代双源CT性能的异同。

双源双能量CT具有以下主要技术特点:

首先,双源CT系统的两个球管的电流均可单独调制。例如低管电压采用高毫安秒保证图像质量;高管电压调低电流毫安秒,在保证图像质量的同时,使得辐射的利用效率最大化,辐射剂量最小化。另外,在球管电流可分别单独设定的基础上,还可以进行实时调节。双源双能量的扫描参数可根据检查内容及患者体型灵活调节,并有多种辐射剂量优化技术,例如自动球管电流调制技术(CARE Dose 4D)、原始数据迭代重建等,以达到最大程度保证图像质量和最优辐射剂量的目的。其中CARE Dose 4D就是根据患者体型和检查部位对球管电流进行实时调节的智能化自动球管电流调制技术,减轻了医生工作负担,并且使检查更加个性化。而单源快速管电压切换技术,管电压在很短的时间内改变(一般低于 1 ms),但管电流却不能如此快速的改变。由于在同等电流下,80 kV输出的剂量远小于140 kV,所以使用管电压切换技术,要么使用过度的辐射剂量(球管运行在较高的电流下,保证 80 kV的图像质量),要么获得极高的图像噪声(球管运行在较低的电流下,足够保证140 kV的图像质量,但是低管电压图像质量不能保证)。

第二代双源CT使用了能谱纯化技术。X线球管在某一电压下会产生能量不同(电子伏特,keV)的X线光子,从而形成一个较宽的能量分布谱。工作在高电压下的球管发射的X线光子在低能部分与低电压球管发射的X线光子有较多的重叠(图1-3-3A)。双能量CT扫描是根据物质在高低能量下的衰减差别实现区分和鉴别物质的作用,所以高低电压球管发射的X线光子能量分布相距越远,对物质的区分能力越强。好的能量分辨率是体现双能量CT成像技术的临床应用和诊断价值的关键所在。能谱纯化技术是将锡滤线板放置在高电压工作的球管射线发出的位置,可阻止低能光子穿过滤线板,使两只球管发出X线光子的能量分布重叠部分减少(图1-3-3B)。

使用能谱纯化技术的优势在于:①能谱纯化能减少两只球管发射的X线光子能量分布的重叠部分,使能量分辨率提高,从而使双源双能量CT技术的临床诊断和物质鉴别更为准确。有研究表明,采用能谱纯化技术的双能量CT扫描在分辨肾结石和强化的肾肿瘤的临床应用中,敏感性和特异性显著提高,且与未采用能谱纯化的双能量CT技术相比辐射剂量更低 ^[13]。②能谱纯化减少重叠的低能光子,可大幅降低患者接受的辐射剂量。有研究表明,第二代双源双能量CT系统采用能谱纯化技术,比不加锡滤线板的双能量扫描的辐射指数降低50% ^[14]。双源双能量CT扫描并不高于常规120 kV扫描的辐射剂量,并且可带来更丰富的临床信息,例如肺灌注信息 ^[15]。双源双能量CT技术是目前唯一在球管端实现了能谱纯化的双能量CT技术。

第二代双源双能量CT系统提供多种管电压组合的选择方案:80 kV/140 kV、80 kV/Sn140 kV、100 kV/140 kV、100 kV/Sn140 kV。根据扫描部位和患者体型的不同,设置不同的管电压组合。例如头颅和腹部扫描采用较高管电压组合(如100 kV/140 kV)以保证图像质量;胸部因为组织天然对比明显,可采用较低管电压组合(如80 kV/140 kV)降低辐射剂量。对体质量指数(body mass index,BMI)较大或肥胖患者采用较高管电压组合(如100 kV/140 kV);对体质量指数较小的患者采用低管电压组合(如80 kV/140 kV)扫描方式;对儿童患者采用低管电压组合以减少辐射剂量。

双源双能量CT的主要不足包括:①第2个球管的扫描视野相对比较小(26～33 cm),因此在体型较大患者的应用受到限制 ^[1,2,4,16],在实际应用时需要通过放射技师对患者的恰当摆位的方式部分解决该问题。②两个正交安装的球管探测器系统容易在非对应的正交探测器阵列上产生横向散射,需要厂家提供专门的散射校正算法用以预防图像质量的降低,恢复图像对比。③相隔90°的2个球管探测器系统导致机架旋转时间为285 ms和500 ms的情况下高低能量投影之间有71 ms和125 ms的时间间隔,建议对于运动器官使用扫描机架高转速的扫描方案。

快速管电压切换技术(图1-3-4)通过在球管旋转投影的过程中,快速切换球管的管电压,使球管不断在高低管电压下(80 kV和140 kV)工作,能够在一圈扫描中完成双能量数据的采集。该技术现在已在GE Discovery CT 750HD设备上实现了临床应用。

快速管电压切换双能量CT基于当前两项技术进展,即高频瞬切高压发生器和X线球管,以及石榴石晶体结构的新型闪烁晶体探测器。与常规硫氧化钆为基础的闪烁晶体相比,这种新型闪烁晶体材料的光发射速度更快,余辉时间更短,从而可以将数据采样速度明显增加,从而可以允许在机架旋转期间从管电压快速切换的单个球管发出的高低能量光子进行交错式采集。两种能量数据几乎同步采集而不会缩小扫描视野,因此其最大扫描视野为50 cm ^[1,4,16]。

快速管电压切换双能量CT的主要不足:①高低能量采集之间快速的切换时间(<0.25 ms)导致视觉整合期X线谱的升降效应,延长了采集时间,降低了两个能谱的分离度。②如果140 kV和80 kV扫描拥有相同的投影数量,这样每个管电压下采集的投影数量都只有标准单能量扫描的一半。投影数量的降低,必然会降低图像质量。③由于低管电压下X线的衰减较多,为了保证数据的有效性,需要增加采集80 kV的投影数目;常需要将80 kV和140 kV的扫描比例调整为2∶1。这样虽然可以在一定程度上补偿80 kV数据,但是减少了140 kV的投影数目,会引起更多的伪影以及丧失空间分辨率。快速管电压切换技术的硬件设计不能满足管电流调制等降低辐射剂量的要求,常使用较高的管电流值,导致相对较高的辐射剂量。

连续采集的双能量CT最初开发用于不能内置同步双能量扫描硬件的单源CT扫描仪,可进行序列或螺旋扫描获得双能量CT数据。序列采集的双能量CT以轴位扫描运行可在同一解剖位置以固定能量谱(140 kV和80 kV)进行两次CT扫描,其主要的不足在于80 kV和140 kV数据采集的间隔和总的采集时间较长,因此未能得到推广应用。

连续采集双能量CT可在单源CT系统进行高低能量的2次螺旋扫描(图1-3-5)。西门子公司的单源CT连续采集技术(DNA能谱CT)和东芝公司的Aquilion Vision CT都是使用该技术。该技术分为两部分:首先,在原始数据空间上对采集到的高、低能量投影数据(140 kV和80 kV)进行同源配对,由于能量数据的求解过程在原始数据空间上完成,因而保证了免受器官的生理活动和可能的人体自主运动的干扰;其次,在图像空间上进行物质信息融合,解析出能谱信息。同源动态扫描技术能单独调节高低管电压扫描的电流比例,从而保证低管电压扫描的图像质量;同时能结合迭代重建技术、管电流实时调制、射线屏蔽技术、自由螺距等常规低辐射剂量扫描技术,因此只需常规的辐射剂量就可得到清晰的图像,为病变准确定性、定量及诊断提供更多的信息。

连续采集双能量CT的最大不足是高低能量采集之间相对长的时间间隔,该技术主要用于非对比增强的双能量CT应用,如尿路结石 ^[17]、痛风石检测及去除骨伪影 ^[18]等方面。

双层探测器技术,又称为“三明治”探测器技术(图1-3-6),通过采用新的探测器设计,而不是采用上述改变管电压来获取双能量CT数据。双层探测器,顾名思义,就是将两层闪烁晶体排列在一起分别获得高低能量的信号;其中上层探测器由ZnSe或者CsI组成,而下层探测器由Gd ₂O ₂S组成。在双能量CT成像过程中,球管只在一个固定管电压状态下(通常为120 kV)工作,X线先经过探测器的上层,低能量的光子被上层吸收,从而获得低能量数据;探测器下层吸收剩下的高能量光子,以获得高能量的数据。因此,在双层探测器CT设备的实际使用中,并没有明确的单能扫描和双能扫描的区分。Philips公司新的64排CT(IQon CT)配备了该技术。但由于该设备刚刚上市,其临床和科研价值还有待观察。

双层探测器技术的主要不足在于:①由于高能低对比投影多于低能高对比的投影使得软组织对比相对较差;②需要相对比较高的辐射剂量以降低噪声来保留低对比检测能力。

与双层探测器技术类似,同源双光束技术(图1-3-7)也是在单源CT平台上通过一个球管在同一管电压下进行双能量成像的。与双层探测器技术不同的是,同源双光束技术通过独特的球管技术,从一个球管同步发出两束不同能量的X线,从而在扫描的同时获得物质的高、低能量数据。该技术一方面可以分离高、低能量的光谱;另一方面,球管输出的高、低能量的X线光子数目也可以被调制,从而能够更好地匹配高、低能量输出,进而提高成像效果。该技术在SOMATOM Definition Edge CT上获得了实现,并在2014年北美放射学年会上首次发布。

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