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1、双能（能谱）CT的临床应用 能谱CT分析泌尿结石成份新进展,一、CT发展史 二、双能CT的成像原理 三、能谱 CT的临床应用价值 四、能谱CT的临床应用范围 五、 泌尿系统的应用进展,一、CT发展史,自 20 世纪 70 年代问世以来，CT 是医学影像学中进步最快的技术之一。在将近 40 年的发展历程里，CT 技术经历了以下4次革命性的进步。,第一次, 上世纪 80 年代 特点：a、扫描部位的延伸，b、气体探测器技术的不断改进图像质量不断提高，c、1987 年固体探测器的诞生图像质量实现质的飞跃，空间分辨率达到了0.5mm 。 第二次，20 世纪 90 年代螺旋CT 时代 重点：集中在扫描速度
2、的提高，1995 年突破 1s 1997 年2年突破0.5s。,第三次，1998 年至 2008 年的多排螺旋 CT 时代 特点：探测器排数摩尔定理不断增加，由 4 排迅速 64 排，不但能够高分辨地显示静态图像，也使心脏冠状动脉成像的质量达到了较好水平。,第四次，CT 能量成像。实际上产生于 20 世纪 70 年代 ，80年代开展了双能量减影临床研究，因受成像技术的限制，临床未能广泛应用 。 2009 年出现的以瞬时双 kVp 为核心技术的能谱 CT 成像（或双源CT），为现今能谱成像更广阔的临床应用和研究创造了可能。,双能量CT （DECT ）的技术优势及原理,双能量CT 技术最早出现在2
3、0世纪70年代, 由于受当时CT 分辨率等的限制以及球管在低电压下输出的能量达不到高千伏的一致性, 未得到广泛应用。,以双源CT为例， 在旋转的机架内安装了2个相隔 90度的球管及 2套对应的探测器系统, 一个探测器( A) 覆盖整个扫描视野( 直径 50 cm) ,而另一个探测器( B)仅限于中心更小的视野( 直径26 cm) , 2个X 线球管可以独立的电压和电流运行,因而可采集双能量数据。,双源CT系统示意图 注：左图：双源CT的图像采集系统。右图：双源CT的能谱仿真图。双源CT的双能采集组合除了80 kVp和140 kVp外，还有80 kVp和100 kVp，80 kVp和Syn 14
4、0 kVp（加锡滤线镜）。,CT双能量成像方法？,仍以双源为例：是利用双源 CT相互垂直的两个球管发出的两种不同能量的射线进行同步螺旋扫描,通过探测器接受后对不同能量下所采集的各种密度物质的衰减信息进行分析的一种新的 CT成像方法。 目前, 双源 CT双能量成像所使用的管电压是 80 kVp和 140 kVp。因为 X 线的衰减取决于 X线的能量 当用 80 kVp和 140 kVp的 X 线对同一组织进行扫描时的 X 线衰减不同。,不同的被扫描组织的 X线衰减也会不同。比如说低能量 X线，碘的衰减系数最大, 而在高能 X 线条件下, 其衰减系数就减少了一半以上。而气体的衰减系数, 与高能 X
5、线相比,在低能 X 线条件下几乎无变化。DECT即是利用上述原理进行成像的 比方：相同重量的棉布（80 kVp ）比尼龙布（140 kVp）吸水多；棉球吸水比棉布多，尼龙球与尼龙布吸水差别小。根据吸水性能区分棉制品与尼龙制品。,能谱图像的形成？,在 CT 图像中, 组织之间的差异取决于它们对射线的衰减, 在诊断性 CT 所使用的 X 线能量范围内, X线在穿过人体组织的过程中, 主要发生光电吸收效应和康普顿散射效应而衰减,光电吸收效应的强度与被曝物质的原子量及 X 线光子的能量相关, X 线光子能量衰减主要是对钙、骨骼、 碘造影剂等高密度物质的衰减,常规 CT 所得到的图像中包含上述两种衰减效
6、应的综合信息。软组织的 CT 值随 X线能量的变化不明显, 而高原子物质的 CT 值随 X 线能量变化显著,因此, 可利用不同能量的X 线以及组织相对应的 CT值变化,得出能体现组织化学成分的所谓组织特性图像,目前实现 CT 双能量成像的方法包括哪些？ (1)常规单源 CT：不同kV 条件两次连续扫描 (2) DSCT：两个球管在不同 kV 条件同时扫描,(3)能谱 CT 的快速 kV 切换技术 (4)双层“三明治”探测器 CT：一次扫描，不同层的探测器接受不同能量 X 线，还处于研发阶段,双源CT系统示意图 注：左图：双源CT的图像采集系统。右图：双源CT的能谱仿真图。双源CT的双能采集组合
7、除了80 kVp和140 kVp外，还有80 kVp和100 kVp，80 kVp和Syn 140 kVp（加锡滤线镜）。,快速kVp切换技术示意图 注：左图：理想条件下，受脉冲波驱使管电压在单圈旋转中来回在80kVp和140kVp之间切换。右图：快速kVp切换技术中双能谱示仿真图。管电流不能自适应管电压的变化导致两能谱区分不好，甚至低能谱完全被高能谱覆盖。,不同CT 双能量成像的方法比较,常规单源 CT 双能量成像 技术限制：需要进行高能和低能两次扫描；呼吸运动等原因易导致两次数据的空间位置不能完全匹配；扫描时间长。,DSCT（双源）： 很好的解决了常规单源 CT 双能量成像的不足 有两个
8、X 线球管和两组对应的探测器 两组系统呈 90角安装在机架上，两个球管能同时同层扫描 一次采集后对探测器接受的不同组织的衰减信息进行分析处理，实现双能量成像。,两代DSCT的区别 第一代 DSCT 球管电压一般分别设为 80 和 140 kV，为保证低 kV 球管输出足够的X线光子能量，其管电流约为高kV球管的34倍。（剂量大） 第二代DSCT双能量扫描时球管电压为 100 和 140 kV。扫描获得的高能和低能图像数据可按照一定比例重建融合图像，其图像质量与单源 120 kV 图像类似，能用于病变的常规诊断。,宝石能谱CT 是一种单源CT 它的动态变焦球管可以在0.5ms内实现高低电压的切换
9、 相对其它单源CT只有混合能量的图像，其能谱技术可得到101个单能谱图像(40 keV至140 keV)及基物质(水、碘、钙等)图像 通过观察单能谱下物质的衰减曲线区分物质成分,2010RSNA会议上有学者报道，基物质成像技术对于鉴别结石成分有很好的敏感性，能够克服人体体型的外在干扰。,双层“三明治”探测器CT 通过探测器实现光谱分离 上层探测器吸收低能X线能量光谱 下层探测器吸收高能X线能量光谱,相关研究显示双层“三明治”探测器CT： 能区分体内的尿酸结石、胱氨酸结石和含钙结石,双能量CT技术应用的主要领域?,(5)结石成分定性分析； (6)血管硬斑块显示及去除； (7)心肌灌注技术； (8
10、)肺结节分析。,(1)直接血管造影和去骨功能；金属伪影及硬化伪影去除 (2)虚拟平扫； (3)肺容积灌注； (4)显示肌腱、软骨和钙化；,虚拟平扫:显示泌尿结石,图 1 男, 38 岁, 左侧输尿管结石 A. 普通横断面 CT 平扫检出输尿管下段结石; B. MPR 重建显示出盆段输尿管结石及上段扩张输尿管; C. 排泄期双能量扫描后去除对比剂后得出 VNC T 轴位图像显示出结石; D. VNCT 数据 MPR 重建出结石及扩张的输尿管, 与常规CT 平扫和增强图像类似,图 1 男, 38 岁, 左侧输尿管结石 A. 普通横断面 CT 平扫检出输尿管下段结石; B. MPR 重建显示出盆段输
11、尿管结石及上段扩张输尿管; C. 排泄期双能量扫描后去除对比剂后得出 VNC T 轴位图像显示出结石; D. VNCT 数据 MPR 重建出结石及扩张的输尿管, 与常规CT 平扫和增强图像类似,结石成分定性分析:,图. 实验中将不同成份肾结石放入新鲜猪肾脏中，能谱扫描，可以观察出不同成份 结石的能谱曲线不同，其物质分离钙水散点分布图各不相同，CaP、STR、COX、 CYS及UA分别代表磷酸钙结石、鸟粪石、草酸钙结石、胱氨酸结石及尿素结石。,金属伪影及硬化伪影去除:,图 2 120 k eV 时软组织窗(图 A)和骨窗( B)图像,图3 混合能量( 140 kVp)时软组织窗( A)和骨窗(
12、B)图像,图4 70 k eV 时软组织窗( A)和骨窗( B)图像,图 1A C 分别为双能未去骨 3D图像、 传统自动去骨 M I P图像、 双能去骨 M IP图像, 此患者双侧腓动脉上段显示, 中下段闭塞 (黑箭 ) , B图右侧胫前动脉下段及右侧足背动脉去骨时误去掉(白箭 ),直接血管造影和去骨功能:,图1双能 C T 膝关节扫描显示韧带的图像 A.VRT 图像显示前交叉韧带; B. VRT 图像显示后交叉韧带,显示肌腱、软骨和钙化:,血管硬斑块显示及去除:,图 1 患者, 女, 57 岁, 发作性心前区疼痛不适 3 天。DSCT 心胸联合造影, 冠状动脉 VRT 冠脉束靶重组图像可清
13、晰地显示右冠状动脉及左冠状动脉的多发狭窄及回旋支的支架影 图 2 同一患者的 SCA 图像右冠状动脉亦可显示与 DSCT 相似的多发狭窄,肺容积灌注:,图3 女 岁 慢性肾小球肾炎 横轴面双能量肺灌注图像 示右上肺外周性肺灌注缺损 箭 肺血管增强软件显示相应部位血管被编码为红色 箭,图 1 DEPI 示右肺中叶片状灌注稀疏( A, 紫圈) , CT PA 图像见右肺中叶肺动脉内见低密度充盈缺损( B, 白箭),能谱 CT的临床应用价值 1 去除硬化伪影：总体上 CT 图像伪影分为扫描过程中产生的伪影和 CT 本身系统有关的伪影，对图像质量影响最显著的伪影有金属伪影和射线束硬化伪影。,伪影产生的
14、机理 ： CT 成像中所选择管电压只是一个峰值电压，实际表达为一连续 kV 值的混合电压，产生的 X 线光子也是由不同能量的光子构成，在经过密度较高的物质衰减后，低能量的光子比高能量的光子被衰减吸收得更多，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，使图像质量明显减低，甚至无法诊断。 金属伪影、致密骨边缘的硬化伪影、高密度对比剂的硬化伪影，自CT 应用 40 年来都未解决，给诊断带来许多困难 。,图1. 能谱CT在硬化伪影的去除中的应用，图中 A为定位像显示患者右侧胫骨骨折后 外固定器影，B为混合能谱常规CT图像由于外固定金属伪影右侧胫骨结构及周围软组 织情况无法观
15、察，C为单能量MARs技术后显示图像，金属硬化伪影明显消除，可 以清晰显示金属钉在右侧胫骨中的位置及右侧胫骨骨质及周围软组情况,能谱 CT 单能量成像以及去伪影技术（metal articacts reduction systemMARs）优点 ：可以纠正 X 线扫描金属后产生的“光子饥饿”现象而导致的低信号，可以对金属及金属周边的组织提供准确的投射数据，能有效抑制常见的金属伪影及其他射线硬化伪影。,因此：利用CT 能谱单能量图像结合 MARs 能消除硬化伪影，能够在颅脑成像、颅内脑动脉瘤栓塞术后及骨与关节金属植入物复查中获得良好的成像效果，为临床诊断提供有效信息。,国内有学者研究结果表明，7
16、0keV 是颅脑 CT 成像的最佳能量水平，与常规混合能量图像相比，能够降低图像的背景噪声和后颅窝的硬化伪影。能谱成像技术能准确校正距离金属 3cm 范围的伪影，并提供准确的 CT值，对于减少术后金属伪影具有以往 CT 无法比拟的优势。,碘是 CT 增强对比剂的主要成分，CT 能谱成像可以对基物质（水，碘，尿酸）进行物质密度成像和定量分析。 常规 CT 无法显示肺实质血流灌注的分布状态，而 CT 能谱成像碘基图可以有效反映肺实质血流动力学的变化，可同时提供解剖和功能信息。肺栓塞在碘基图上的直观表现为肺组织局部密度低于周围组织，提示该部位血流灌注缺失或降低 。,吴华伟 等研究结果显示 CT 能谱成像可以一次扫描为肺栓塞提供定性、定量分析，其 FOV 大，碘基物质图的定量分析能提供更为客观和科学的依据，可以作为评价病变程度以及指导治疗的有效手段。对于发现微小栓塞以及隐匿性部位肺栓塞有潜在临床意义及应用前景。,2 进行物质定量分析 ：,图 1 DEPI 示右肺中叶片状灌注稀疏( A, 紫圈) , CT PA 图像见右肺中叶肺动脉
