能譜CT成像原理及臨床應用價值研究

張磊

河南省南陽市中心醫院CT影像科，河南南陽473000

能譜CT成像原理及臨床應用價值研究

張磊

河南省南陽市中心醫院CT影像科，河南南陽473000

自從射線成像技術被應用到醫學領域之后，CT設備經歷了巨大的進步與改善，已成為臨床疾病檢查與篩查的首選，為疾病的診斷帶來了巨大的推動作用。近年來，隨著多層螺旋CT的出現，成像技術及后期影像處理技術的發展，CT已在臨床疾病檢查、篩查、診斷、定位與治療等方面廣泛應用。CT成像原理主要基于單能量成像、能譜曲線、有效原子序數、X線與物質相互作用、能譜成像技術支持等，不僅有助于疾病的診斷和定量分析，而且為疾病數據分析，資料保存提供有效支持。在心血管系統、神經系統、泌尿系統、運動系統、腫瘤定位診斷、靶向治療、物質分離與鑒別等方面均得到廣泛應用，在臨床與科研應用中具有廣闊的發展空間和應用價值。

能譜CT；體層攝影術；成像原理；臨床應用

CT自20世紀70年代問世以來，得到了飛速的發展，1972年第一臺頭部CT被應用于臨床檢查，之后掃描部位得到不斷延伸，成像重要部件探測器也得到不斷改進和進步，使CT影像更加清晰，為臨床醫師提供了大量疾病診斷依據［1］。CT發展經歷了單筆型束掃描、扇形束掃描、反扇束掃描、動態空間掃描、電子束掃描、單層螺旋掃描和多層螺旋掃描幾個重要發展階段，掃描部位和應用范圍不斷擴展，不僅實現了物質成分分析、鑒別、定量等，而且對人體各個系統均可清晰掃描成像，特別是在腫瘤病灶的定位、大小測量以及靶向治療方面得到廣泛應用，大大提高了疾病診斷的準確性和可靠性。為了能量技術的發展和臨床應用需要，CT相關研究也越來越多，為了普及臨床醫師CT成像技術，更進一步推廣其臨床應用，該文將對能譜CT成像原理進行系統介紹，并對其臨床應用價值進行全方位探討。

1　能譜CT基本成像原理

1.1單能量成像

CT通過X線管發射不同強度的X射線，X射線束穿透選定的掃描層面，遇到不同密度的物質，其衰減程度不同，探測器接收到沿X線束方向的不同物質吸收、衰減之后的射線，將其設定為已知值，各層面總體射線衰減值為未知值，通過系統轉換成X射線衰減值，組成該掃描區域的射線掃描值，然后運用迭代方法求出每一體素的X射線衰減值，利于圖像重建技術，將被掃描區域的X射線衰減值轉換成不同密度組織的黑白影像。X射線的能量主要取決于管電壓和管電流等復合因素，當X線管的管電流增大時，其發射出的電子數增多，X射線強度變強，能量變大，穿透力增強；臨床常用X線管電流與掃描時間的乘積來表示X射線的量，單位為毫安秒（mAs），以X線管電壓表示X射線的穿透力和能量，其穿透力與射線個數無關，主要取決于X射線的能量。X射線本質也是一種電磁波，其主要包括特征能譜和連續能譜兩部分；X線管電流與靶極作用，致使靶極原子內層電子軌道發生偏移，脫落原來軌道，外層電子被吸收進來，在電子填充時產生輻射光子，形成不同頻率和波長的能譜射線，能譜射線的能量與線管電壓和電流有密切關系。高能量的電子在原子核電場的作用下，速度受到控制，能量受到一定損失，被損失的能量通過X光子的形式向外輻射，形成連續的射線能譜，射線能量各種各樣，也就是射線的連續能譜。每種不同密度的物質對X射線都有不同的衰減能力，當X射線掃描檢查層時，人體內不同密度的組織、病灶、骨骼等吸收不同量的線束，形成獨特的X線吸收曲線，當X線的能量高于40KeV時，CT成像系統顯示為一平滑曲線，每兩個X線能量采集點決定一條吸收曲線［2］，許許多多的X線能量采集點進行圖層重疊，便形成一個清晰的單能量圖像，也就是CT掃描影像。

1.2X線與物質相互作用

X線傳統能力很強，但其波長較短，當X射線掃描人體指定區域時，X射線穿透掃描區域內的器官、組織、骨骼、病灶、腫瘤時，射線能量被不同密度的物質所吸收，形成射線能量的衰減，不同密度的物質吸收X射線能力不同，導致射線能量衰減程度不同；這種X射線與掃描區域內物質的相互作用稱之為光電效應。CT通過計算機設備對X射線能量衰減變化規律收集掃描數據，任何物質都有其對X線衰減的特征吸收曲線，并且任何物質的X線吸收系數可由其他任意兩種基物質的X線吸收系數來決定；物理學家常將水與碘作為兩種不同射線衰減基物質對，利用其對射線吸收系數不同，將CT探測器接收到的不同投影數據進行轉換，重建出不同掃描曲線，最終形成CT掃描影像。

1.3有效原子序數和物質分離

每種物質的X射線吸收系統都不相同，但任何物質的X射線吸收系數都能夠用其他兩組基物質的吸收系數來表示，也就是說任何物質對X射線的吸收能力都能夠通過其他與之相近吸收系數的基物質來表達其X線衰減效應，因此就可以用已知的某種物質評價出該物質的密度和空間分布，將其作為比對目標，而實現物質組成成分的初步分析及物質分離，并產生物質分離圖像。若某種物質對X射線的吸收系數與其他物質或化合物的X射線衰減系數相同，那么該物質的原子序數就可以作為某種化合物的原子序數，X射線對檢查區域進行掃描，然后通過計算機得出掃描區物質原子序數，可用來對某種物質的監測、鑒別和分離［3］。

1.4能譜成像技術支持

①CT設備中的瞬時變能高壓發生器能夠通過快速管電壓開關控制線管電壓，使其能夠在0.5 ms以內進行80～140KVp電壓間切換，達到射線能量及其反應速度加快的效果，有效提高空間分辨力，降低高頻噪音，實現清晰CT圖像。②瞬間切換的高低不能能量射線在穿透掃描區后應被準確接收，寶石探測器比傳統稀土陶瓷探測器和鎢酸鎘探測器性能更加穩定，反應速度更快，余暉效應更低，能夠準確接收快速轉換的X射線，為能譜成像提供可靠數據。③動態變焦球管可以動態改變球管焦點，系統根據不同焦點選擇與之匹配的焦點，從而得到高質量的影像數據。④自適應迭代重建技術將收集掃描數據進行多次迭代運算，將實際掃描獲得的投影數據與理論計算所得數據進行反復比較，運用迭代法進行反復修正，直至找出最精確、最接近目標值的數據；即使在斷層顯像數據中，也能夠通過迭代重建技術得到高質量的CT影像。

2　能譜CT成像臨床應用

2.1硬化偽影去除

CT在成像過程中管電壓在80～140KVp間反復切換，雖然是一個峰值電壓，但實際所反映的是一個連續kV值的混合電壓，在不用峰值電壓下，產生能量各異的X射線，不能能量的射線光子在穿透掃描區域內不用密度的物質時，被不同密度物質吸收不同量的光子，導致射線衰減；當射線穿透高密度物質時，射線會被硬化，在高密度物體周圍出現暗影或條索狀陰影，這種現象被稱之為射線束硬化效應。偽影的出現嚴重影響了影像質量，為臨床疾病診斷帶來一定的影響，容易造成疾病漏診或誤診，甚至引發醫療事故。因此偽影的去除一直是臨床研究的重點，雖然不能夠完全消除，但可通過一些手段進行干預，以降低偽影對影像質量的影響。能譜CT的去偽影技術可通過糾正X線掃描高密度物質之后產生的“光子饑餓”現象，提升掃描信號強度，有效抑制射線硬化而產生的偽影［4］。對進行過骨科手術，放置有金屬材料的部位進行掃描時，能譜CT能夠單能量去除金屬植入物所產生的偽影，提高影像質量；同理，能譜CT也能夠去除心臟起搏器、人工關節、整形植入物等所引起的影像偽影，使其在骨科、心臟系統、關節等方面得到良好應用。

2.2低劑量掃描的應用

肺組織內有大量氣體，對X線吸收能力較弱，采用低劑量掃描不僅可以得出更加清晰的影像，而且還能夠降低射線強度，減少輻射和設備耗損。曾有學者研究指出，30 mAs的管電流不僅能夠得出清晰肺部掃描影像，而還能夠發現包括2.5 mm磨玻璃結節的肺部病變；目前低劑量CT在國外已經用于早期肺癌篩查，使用低劑量CT掃描能夠提高病變的檢出率，降低死亡率。CT單能量成像技術還能夠顯著提升手足肌腱掃描影像質量。可不用通過口服降心率藥物減緩心率，利于CT掃描一樣能夠得到清晰影像。低劑量CT掃描不僅可以顯示其擴張腸管內的氣液平面，而且能提示梗阻原因。低劑量的CT掃描腎、輸尿管等部位，單能量成像技術和有效原子序數能夠使輸尿管結石、腎結石等檢出準確率高達95%，并可以根據有效原子序數確診結石類型，因此在泌尿系統也得到廣泛應用。

2.3物質分離鑒別方面的應用

能譜CT能夠利于能譜曲線與射線吸收系數，成像出不同的影像，通過被掃描物質的原子序數圖，可準確地對所掃描的病灶成分進行鑒別分離。比如能譜CT能夠準確對動脈粥樣硬化斑塊中的纖維成分、脂質成分及血栓樣組織進行區分，通過顯示的斑點大小，可對斑塊中脂質成分含量進行評估，初步判斷斑塊的穩定性。能譜CT掃描碘基圖像對肺灌注十分敏感，能夠準確發現遠端微小栓子，對肺栓塞評價具有重要意義，已成為評價肺栓塞的首選檢查［5］。能譜CT還能夠將骨成像從SAOM影像中去除，消除鈣化影像，能夠有效評估骨髓情況，在骨挫傷后骨髓損傷的探測中廣泛應用。

2.4能譜CT在腫瘤定位、診斷鑒別中的應用

能譜CT影像的單能量圖像能夠顯示不同能量水平物質的不同影像特征，利于單能量圖像和物質分離圖像技術，選擇合適的能量水平，以達到提高微小病灶檢出率。單能量成像的射線衰減曲線有助于對掃描區域內不同物質的區分定性，不同組織的腫瘤和不同性質的腫瘤，其單能量衰減曲線也不相同，對其圖像進行分離，有助于腫瘤的定位、診斷和分級；通過對CT成像能譜進行綜合分析，不僅能夠準確定位腫瘤位置，而且還能夠對腫瘤大小進行初步測定，評估腫瘤的浸潤程度，是否出現轉移和淋巴結腫大，進一步判定腫瘤病例類型、惡性程度及其分期，為臨床資料診斷和治療提供資料支持和準確信息，有效提升治療診斷準確率和治療有效性［6］。

3　結語

通過對能譜CT成像基礎原理進行總結分析，使臨床醫生對能譜CT有一個更進一步的認識，在臨床工作中，能夠正確運用，以提高疾病診斷準確率和輔助檢查科學化。作為醫學技術的一項重要輔助項目，能譜CT從疾病篩查到診斷治療，經歷的質的飛躍，不僅為疾病篩查、診斷提供可靠依據，而且還為臨床疑難疾病的確診、治療提供更加準確的協助，特別是腫瘤微創靶向治療，CT在其中擔負著重要作用。我們相信，隨著醫療技術的發展和進步，能譜CT技術將會在臨床應用更加廣泛。雖然我們對CT成像給予了充分肯定，但仍要客觀看待，準確分析其存在的不足與缺陷，為其技術改進和修正提供依據，為醫學影像技術的發展和研究指明方向。

［1］李小虎.能譜CT的原理與臨床應用價值［J］.中國醫療器械信息，2011，10（1）：1-5.

［2］任慶國.CT能譜成像的基本原理及臨床應用［J］.國際醫學放射學雜志，2011，34（6）：559-563.

［3］雷立昌.能譜的臨床應用與研究進展［J］.中國醫學影像技術，2013，29（1）：146-149.

［4］惠萍.CT能譜成像在消除金屬移植物偽影中的應用價值［J］.中華放射學雜志，2011，45（8）：740-742.

［5］黃仁軍.能譜CT的臨床應用與研究進展［J］.放射學實踐，2015，30（1）：81-83.

［6］林曉珠.CT能譜成像的基本原理與臨床應用研究進展［J］.中華放射學雜志，2011，45（8）：798-800.

Research on Energy Spectrum CT Imaging Principle and Its Clinical Application Value

ZHANG Lei
Department of CT Imaging，Nanyang Central Hospital of Henan Province，nanyang，Henan Province，473000 China

CT equipment has experienced enormous progress and improvement and has been the preference of the clinical disease examination and screening since the X-ray imaging technique was applied to the medical field，which brings an enormous promotion effect on the diagnosis of diseases，in recent years，with the emergence of multi-slice spiral CT and development of imaging technique and post imaging processing technique，CT has been widely applied in the clinical disease examination，screening，diagnosis，location and treatment，CT imaging principle not only contributes to the disease diagnosis and quantitative analysis，but also providing effective support for the disease data analysis and data preservation mainly based on the monokinetic imaging，energy spectrum curve，effective atomic number，interaction between x-ray and matter and energy spectrum imaging technology support.And CT is widely applied in the cardiovascular system，nervous system，urinary system，locomotor system，tumor location diagnosis，molecular targeted therapy，physical separation and identification，and has a broad development space and application value in clinic and scientific research application.

Energy spectrum CT；Body section radiography；Imaging principle；Clinical application

R81

A

1672-5654（2016）10（b）-0033-03

10.16659/j.cnki.1672-5654.2016.29.033

張磊（1983.3-），男，河南南陽人，本科，醫師，研究方向：影像診斷。

（2016-07-11）