朱小忠，張 潔，肖菊梅，董馥聞

（1甘肅省中醫(yī)院醫(yī)學影像科 甘肅 蘭州 730050）

（2甘肅省中醫(yī)藥大學附屬醫(yī)院影像科 甘肅 蘭州 730000）

（3甘肅省婦幼保健院生殖內分泌科 甘肅 蘭州 730050）

正確診斷和精確測量對診斷有著非常重要和預后的作用。隨著CT成像技術的發(fā)展，光譜CT已成為分解人體組織圖像的首選方式。常規(guī)CT已在臨床治療實際中獲得應用，但它只能提供骨骼的解剖學信息和組織，而不是它的成分。當面對密度或CT值相似的病變時，會出現(xiàn)誤診。而能譜CT的廣泛應用對于病變的確診提供了重要的推動意義，并可運用其單能量圖象、基物質圖形、能譜曲線、有效原子序數(shù)等各種信息技術參數(shù)開展對病變的檢測與定性研究中，從而大大地增加了確診內容。該文重點介紹能譜CT去金屬植入物假影的研發(fā)近況和發(fā)展。

1 能譜CT的簡介

能譜CT（multi-energy/spectral CT，MSCT）圖像的基本原理，是運用物體在各種X光線能力下發(fā)生的變化的吸收效應,以便于提供較常規(guī)CT更近一步提供的影像信息[1-2]。從倫琴發(fā)現(xiàn)X線開始，CT的進展大約分為五代[3]，每一代的誕生都為臨床帶來了技術進步，而發(fā)展到能譜CT時，更是為臨床帶來了全新的體驗的同時也為眾多臨床工作者解決了諸多問題。CT成像系統(tǒng)的原理為：高速運轉的電子流撞擊靶物質發(fā)生韌致輻射而產(chǎn)生X射線，不同能級的X射線穿過物體時會發(fā)生不同程度的衰減，其成像原理即根據(jù)物質對X線的吸收的結果[4]。而能譜CT與常規(guī)CT相比，能利用其單能量圖像、基物質圖像、能譜曲線、有效原子序數(shù)等多種參數(shù)進行疾病的診斷及定量分析，不僅為我們提供了傳統(tǒng)CT具有的人體解剖形態(tài)圖像，并且利用其多參數(shù)成像實現(xiàn)了物質成分分析及定量，提高了疾病診斷的準確率。

2 能譜CT的成像技術

2.1 序列掃描成像技術

序列掃描成像技術即CT成像系統(tǒng)不發(fā)生改變，而采用兩次旋轉掃描成像，一次采用高kVp（如140 kVp）的X射線，一次采用低kVp（如80 kVp）的X射線。兩次成像數(shù)據(jù)在圖像數(shù)據(jù)空間匹配，進行雙能減影[5]。

2.2 雙球管雙能量成像技術

雙球管雙能量成像技術是在CT機架中內嵌兩套球管和探測器，兩個球管呈一定角度排列，成像時兩球管同時產(chǎn)生X射線，一個球管產(chǎn)生高kVp的X射線，一個球管發(fā)射低kVp的X射線。兩套系統(tǒng)分別獨立采集數(shù)據(jù)信息，并在圖像空間匹配，進行雙能減影分析。通常使用最低電壓（80 kVp）和最高電壓（140 kVp）來達到最大能量分離以最大限度地區(qū)分不同的物質[6]。

2.3 雙層探測器技術

探測器采用雙層設計，選擇不同材料組合，以使每一層探測器僅對一定能量的X射線光子產(chǎn)生激發(fā)作用。在兩塊探測器之間用濾片將射線整形以減少低能量和高能量射線的能量重疊區(qū)，并被分別探測，從而得到高、低能投影數(shù)據(jù)并進行雙能CT重建。這種方法X射線球管僅產(chǎn)生一組kVp的X射線，通過探測器接收并轉換成兩組能量數(shù)據(jù)，并重建出能量圖像[7]。

2.4 光子計數(shù)技術

光子計數(shù)系統(tǒng)使用了最新的探測器材料和設計。X射線球管通常僅產(chǎn)生一組kVp的輻射，探測器還可以探測X射線中光子的能量并計算，進而可以根據(jù)所計算出的能量信號分析出不同的單能圖像[8]。光子計數(shù)式傳感器具備能值識別功能，可將帶有很廣能譜的X光線分為不同能量段加以計算，由此實現(xiàn)了單能成像[9]。目前，應用最多和使用最多的計數(shù)型傳感器材料有兩類，一類是碲鋅鎘（cadmium zinc telluride，CZT）等材料制造的0.5導體收音機傳感器。而CZT結構晶體是目前使用較快的一類傳感器材料，主要是由CdTe與ZnTe的混合物通過特定的晶體生長技術加工制造而成，它具備了很強的檢測效能和生物識別功能，是目前在人類前期實驗室工作和動物實驗活動中使用最多的傳感器材料之一；另一類則是由碲化鎘材料制作的探針。這兩類材料都是光子學計算探針中最重要的制造材料。

2.5 單源瞬時kVp切換技術

單源瞬時kVp轉換技術是在CT機架中內嵌一個球管和檢測器以高壓發(fā)生器的瞬時kVp轉換技術和超快速探測器技術為主要技術基礎進行能譜圖像。該種方式通過利用在一個球墨鑄鐵管中高低雙能（80 kVp和140 kVp）的瞬時轉換（＜0.5 ms的能量時間分辨率）生成空間上完全對應的雙能數(shù)值，從而進行大數(shù)據(jù)空間能譜分析。

3 能譜CT圖像技術用在去金屬植入物偽影的研究現(xiàn)狀

3.1 金屬偽影的種類及相關機制

CT圖像偽影是在CT檢查所獲取影像中非實際存在的影子，而其中未實際存在的影子則是干擾CT圖像檢查，削弱CT檢查正確性、靈敏度的關鍵因素[10]。CT圖像偽影按照其來源分類，可分成系統(tǒng)偽影和掃描圖像偽影兩大類。系統(tǒng)偽影一般是指在CT機應用過程中控制系統(tǒng)自身所形成的偽影，如探測器偏移等偽影；而掃描假影則是指CT機應用過程中，受數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理、圖像重構、檢測者行為等各種因素影響而產(chǎn)生的偽影[11]。

在用CT掃描患者軀體內附帶有大量金屬物質的區(qū)域中，可形成巨大的金屬偽影。這些金屬偽影往往嚴重影響到臨床工作者的正確診斷。金屬偽影形狀由于金屬物質的形態(tài)與密度差異而改變，并形成了相應的物理化學效應，如射線硬化效應、部分容積效果、光子不足效應等。金屬X線硬化的偽影形成機理為：在CT中使用的X線源均并非單色源，只是有定頻譜寬的X線源，由于各種X線源的定頻譜寬不一，而X線光分能量也不一。同時，不同射線的吸收效果也不同，吸收系數(shù)隨X線能量的增大而減小。當X線通過人體時，較低能輻射首先被吸收掉，而較高能量的輻射則會直接通過。這樣X線平均能力小段上升的現(xiàn)象，就叫作硬化效應[12]。部分容積效應偽影產(chǎn)生機制是當X線穿過人體時，由于人體內各點密度不同，同一個探測器所探測的人體內各點密度的結果就會出現(xiàn)不同，因而可能出現(xiàn)在同一個探測器上一半有高密度的測量數(shù)據(jù)，下一半有低密度的測量數(shù)據(jù)。因而探測器的輸出信號是左右兩半檢測數(shù)據(jù)的平均值。這主要是由于探測器采集的樣本不足，即光子不足所導致的。

3.2 能譜CT消除偽影的原理和效果

金屬植入物為高密度物體，X光線在通過該物體周圍時，X線光子被全部吸收，因此產(chǎn)生光子能量不足效果，從而造成投影信號的不足，能量大幅減弱，從而無法清晰精確地表示金屬植入物周圍的組織學位置，故而影響臨床工作者們對疾病的診斷。同樣，由于CT圖像一直是在混合能源下完成的，在對各種金屬植體病人實施CT檢測時，當X線穿過植入物后，高能力輻射穿透，而低能射線則被吸引，即產(chǎn)生上文所說的輻射硬化效果，而這個效應也會產(chǎn)生線束硬化偽影[12]。針對CT圖像假影的去除，許多臨床工作者提出了優(yōu)化CT掃描方案參數(shù)、提高CT設備性能、針對假影校正算法等多項方案，盡管在一定程度上減少了CT圖像假影，但整體假影的消除效果卻并不理想[13-14]。由于能譜技術的研究與開發(fā)，再加上廣大醫(yī)學應用工作者們的不斷研究，能譜CT圖像技術已經(jīng)越來越成為去除金屬等典型器物的主要方法。科學研究人員證實，應用能譜法CT圖像技術可獲?。?0～140）keV的多個單能量影像，可減少因CT機自身不平衡而造成的CT值漂移現(xiàn)象，從而減少了系統(tǒng)偽影產(chǎn)生，并提升了CT圖像清晰度[15]。這說明能譜CT技術在其成像原理上,就存在降低金屬植入物偽影的效果。美國通用電氣公司所生產(chǎn)的高寶石能譜CT機所激發(fā)的X射線，比相當于傳統(tǒng)CT機而言產(chǎn)生了更強的穿透力，能在0.5 ms內進行（80～140）keV的速度轉換，這既保證了數(shù)據(jù)收集速率和圖像速度一致，又在一定程度上提高了其圖像的質量品質[16]。能譜CT圖像技術將單能量圖像技術和金屬假影的去除技術有機融合，可按照CT值閾值的不同分段，依次實施投射校正，在很大程度上確保了投射數(shù)據(jù)的精確，從而做到了對金屬假影的高效消除。

CT采取了單探針、單球管的設計，最大時間分辨率可高達0.5 ms[17]。在寶石能譜CT掃描時，用80、140 kVp在0.5 ms內迅速地交互進行，再經(jīng)過運算從而分析得出了不同的單能源圖形（40～140 keV共101個連續(xù)keV能源圖），即得出了能源區(qū)域從（40～140）keV的共101個單能源圖形。同時，高能譜成像技術增加了空間清晰度，也能夠顯著減少金屬偽影[18]。能譜CT技術通過優(yōu)化了病灶和背景的對比和降低偽影，大大提高了圖像品質。

早期的學者們提出了許多辦法可用于校準各種金屬偽影，當中包含對產(chǎn)生偽影的金屬投影值加以插值。王朕等[19]采用DBP重建方法插值修正CT的金屬偽影；李銘等[20]用先驗插值計算校正CT的金屬偽影。近年來，人們使用迭代重建算法實現(xiàn)圖像重建，其中迭代重建法和局部迭代混合計算等也被用于糾正金屬偽影。越來越多的研究表明能譜CT可以減少金屬偽影[21-22]。能譜學CT探測系統(tǒng)通常采用單一X射線源，并通過兩千伏設備（80 kVp和140 kVp之間）快速進行，并通過交替的高能與低能X輻射光譜信號獲得投影。通過使用兩種不同方式所獲得的投影信息，可以得到高度組合的虛幻單能源圖像，這種虛幻單能源成像方式有助于減少射束的偽影[23]。但是能譜CT卻從工作機理上入手，做到了單能量成像技術和金屬典型器件的技術有機融合，從而明顯減少甚至降低了金屬植入物的偽影，進而提高了影像品質，也不同以往學者們通過插值技術來校準金屬典型器件技術，從根本上改善了攝影設備和臨床醫(yī)生對疾病診斷的正確率，對于骨骼內固定術后這類金屬植入物患者疾病的評價也具有明顯意義。

4 展望

能譜CT技術成為圖像生物醫(yī)學方面的一種新興技術手段，代表了目前CT的主要發(fā)展趨勢，并且由于其多參數(shù)圖像模型越來越被人們熟知和接受，有助于為臨床工作者們關于病變的新發(fā)現(xiàn)以及為鑒別診斷提供更多的信息。

能譜CT成像技術在脊柱金屬植入物偽影去除中的臨床價值顯著，能有效改善脊柱金屬植入物患者CT圖像質量，降低影像與臨床醫(yī)師疾病診斷難度，提高診斷效能。同時，能譜CT成像技術的應用可在一定程度上提高金屬植入物可視性，便于觀察植入物在患者體內的狀況，進行術后病情觀察與并發(fā)癥預防。

目前，能譜CT在臨床上的應用還未達到最優(yōu)化，還需要更多的學者進行重復研究證實，關于能譜CT的功能更進一步深入研究。