岑峰 谢艺才
（梧州市红十字会医院CT室，广西 梧州543002)
摘要：简要介绍了能谱CT成像的基本原理及分析平台，通过能谱CT的物质分离技术、单能量曲线、能谱曲线、有效原子序数技术在胸部检查的应用，分别阐述了利用能谱CT的技术分析平台在肺部占位性病变的分析、肺动脉栓塞成像分析、心脏冠状动脉成像应用、胸腔积液成分分析的临床应用。指出了能谱CT作为一种新兴的影像检查技术，弥补了以常规CT的检查局限性，使胸部影像诊断更加全面和精准。
关键词：能谱CT；胸部检查；影像检查技术；定量定性诊断
Abstract: this paper briefly introduces the basic principle of spectral CT imaging and analysis platform, through energy spectrum CT material separation technology, single energy curve, energy spectrum curve, effective atomic number technology applied in the chest examination, respectively expounds the advantage of energy spectrum CT technical analysis platform in the lungs of space-occupying lesions, pulmonary embolism imaging analysis application, pleural effusion, heart coronary artery imaging component analysis of clinical application. Points out the energy spectrum CT as a new imaging technology, made up for by conventional CT examination limitations, making the diagnosis of chest imaging is more comprehensive and accurate.
自1972年第一台CT机问世以来，CT技术迅速发展，扫描速度从最早的几百秒缩短到亚秒，层厚从10mm减少到0.625mm，而探测器排数从单排增加到目前的64排、128排……甚至更多。CT进入到后64排时代之后，为了提高图像空间分辨率、密度分辨率，更充分地挖掘病灶的性质，人们提出了以能谱成像为代表的双能量技术[1]。其优势在于实现多参数成像，较传统成像单一的CT值，影像信息得到了极大丰富，并在常规CT所具备的时间分辨率和空间分辨率的基础上，还实现了能量分辨率，通过单能量成像、物质分离技术及能谱线的绘制，使得能对物质进行化学成分分析，对组织的性质和功能的评价提供更多信息和参考。
1 能谱CT成像的基本原理及分析平台
1.1成像原理
在CT的成像系统中，CT通过计算物体对X线的衰减来成像，当X线穿透物质时，物质X线的吸收随X线能量变化而变化，而且不同的物质，这种随能量变化的程度是不一样的，即任何物质都有固定的对X线衰减的特征吸收曲线，并且任何物质的吸收系数可以用两种基物质的吸收系数来表达，这就是能谱成像的基本原理。对于医学影像成像来说，最常用的基物质对组合为水和碘。目前能谱CT成像方法主要为单源瞬时kVp切换技术、双侧探测器技术。
1.2 分析平台
物质分离技术，从能谱成像原理可知，经过高、低两组电压扫描的X线衰减图像可以表达为两种物质的密度图，这个过程就是物质分离，分离后的物质密度图像中每一个体素反映了相应的物质密度信息。在医学影像学中，最常用的物质对为碘和水、钙和水、钙和碘。根据不同的诊断目的，选择使用不同的物质对。临床常用于识别强化、虚拟平扫、去除钙化的CTA、真假痛风石的鉴别、良恶性病变的鉴别、放化疗疗效的评估。[2]
单能量曲线图像，在使用水和碘的质量吸收函数随能量变化的关系和通过物质分离技术获得的物质对的密度值，就能计算出所感兴趣物质在各个单能量点钟对X线的吸收，从而实现CT单能量成像。不同组织随着X线束能量的变化，其衰减特性会发生相应变化，较低的单能量水平可以提高图像的密度分辨率，有助于病灶的显示；较高的单能量水平会降低图像的对比度，但是可以去除金属伪影。临床常用于去除颅后窝硬化伪影、优化低对比结构的显示或提高小肿瘤的检出、去除金属伪影。
能谱曲线，是物质或结构的衰减（即CT值）随X线能量变化的曲线，从能谱曲线上可以得到40~140keV每个能量点的平均CT值和标准差。每一种物质都有特有的能谱曲线，由此可推断出医学上不同的能谱曲线代表不同的结构和病理类型，类似能谱曲线提示同样或类似的结构和病理类型。临床常用于肿瘤来源的鉴别、良恶性肿瘤的鉴别、恶性肿瘤的分级等方面。
有效原子序数，是从原子序数引申发展而来的一个概念，如果某元素对X线的吸收衰减系数与某化合物或混合物的吸收衰减系数相同，该元素的原子序数就是某化合物或混合物的有效原子序数。从而用于进行物质的检测、鉴别或物质分离等技术应用。临床上比较成熟的应用于肾结石的成分分析、进行肿瘤的鉴别诊断等应用。
2.能谱CT在胸部成像的应用
2.1肺部占位性病变的分析
肺部占位性病变多种多样，肺部占位同时也是临床常见的胸部疾病之一，其中恶行病变最常见的是肺癌，如何对肺部占位性病变进行有效鉴别，是人们长期关注的重点。传统CT主要依据形态学（如病灶的毛刺征、分叶征、胸膜凹陷征、支气管截断征及血管集束征等）及增强后肿物强化程度进行鉴别，但在实际工作中，部分病变存在异病同影等不典型表现，造成部分病变的误诊。能谱CT相较于传统CT，可以进行多参数成像，利用各种分析平台对病变进行分析，可以在功能学上对病变进行定量定性诊断。对于肺部良恶性病灶，其中心病灶含有的成分不同，因此通过物质分离技术，对病灶组织钙（水）浓度、脂（水）浓度等成分进行分析，能够对肺部良恶性病灶进行鉴别。临床常见的肺癌病理类型有腺癌、鳞癌、小细胞肺癌等，对于早期明确肺癌类型，对制定针对性的治疗方案，提供临床治疗效果尤其重要，传统CT仅靠形态学很难进行定量分析。不同的肺癌病理类型在发生、发展过程中，有明显的差异，每种物质都有代表其组织成分的特征性能谱曲线，通过能谱CT检查的能谱曲线技术，以不同keV水平下的CT值连线呈现。研究表面，腺癌、鳞癌曲线斜率明显高于小细胞肺癌，腺癌曲线斜率较鳞癌高[3]，同时，有研究表明，炎性占位曲线斜率高于肺癌[4]。在肺癌患者中，对于肺门和纵隔增大淋巴结的鉴别是否为反应性增生或癌性转移，能谱CT不但可以测量淋巴结大小，还可以在低keV能谱图上定量测定碘浓度值进行鉴别[5]，从而精准的判断肺癌的TNM分期。
2.2肺动脉栓塞成像分析
肺栓塞是心血管疾病最常见的死亡原因之一，肺栓塞患者的病死率高达30%，及时有效的诊治可以大大降低肺栓塞的病死率。
目前临床上最常用的检测可以肺栓塞患者的方法为CT肺血管成像（computed tomography pulmonary angiography,CTPA），常规的CTPA检查只能告知临床肺动脉是否存在栓子，无法显示肺组织血流灌注一次情况。而能谱CT成像可以同时提供形态学信息和功能分析，通过一次增强扫描即可获得反映形态学的CTPA图像，同时，利用能谱CT定量碘基物质图反映不同类型肺栓塞患者的灌注情况[6]。由于肺栓塞患者栓塞血管所供应的肺实质灌注减低，在碘基物质图，通过与同层面对侧或同侧肺组织碘分布正常区域对照，碘分布缺失或稀疏，从而反映出肺组织低灌注区，进而反应栓塞后肺循环血流动力学的变化[7]。此外，利用这种碘基物质图可以评估肺栓塞治疗后效果。利用能谱CT低能量点的单能量重建，通过寻找低灌注区更容易找到肺动脉细小分支的血栓，从而提高肺亚段栓塞的诊断。[8]
2.3心脏冠状动脉成像应用
随着社会老年化的加剧，人们生活水平的不断提高，生活中各种不良习惯的影响，目前冠心病已成为严重威胁人类健康的主要杀手之一，冠心病的发病率逐年提高。随着影像技术的发展，多排螺旋CT在冠心病的成像质量不断提高，CT检查同时具有无创性，且通过CT心机灌注成像技术，对于冠心病患者，冠状动脉CT成像（coronary computed tomography angiography,CCTA）可以进行一站式评价冠状动脉狭窄的解剖解剖及功能。但是，常规的CCTA成像检查存在着较大的局限性，比如射线硬化伪影的存在影响心机缺血评价的准确性、冠状动脉钙化斑块的存在导致狭窄率高估、心脏冠脉支架或心脏起搏器患者产生的伪影影响血管腔的观察等。能谱CT具备多种技术算法及强大的后处理系统，大大的提升冠状动脉图像质量。利用能谱CT单能量技术应用，处于最佳信噪比的单能量中，图像硬化伪影的影响最小，有研究表明，60~70KeV水平的能量图像信噪比和噪声比最高，图像噪声最低[9]。冠脉支架置入术后的患者，在140keV单能量的能谱CT图像可以清晰的显示冠状动脉管腔的情况，消除支架金属硬化伪影的影响[10]。在严重冠状动脉钙化的患者，常规CCTA评价管腔狭窄程度非常困难，利用物质分离技术，可以去除钙化斑块，提高了对钙化斑块狭窄率的判断准确性。在对斑块成分的分析中，多以CT值进行分析，存在较大局限性，通过能谱CT的能谱曲线、有效原子序数图等技术方法，能够更加直观、定量、准确地分析斑块的性质和成分，有研究发现，脂质斑块能谱曲线呈弓背上抬型，钙化斑块能谱曲线呈弓背下降型，由此可以对冠状动脉粥样硬化斑块的稳定性进行有效评估[11]，指导治疗。综上，能谱CT冠状动脉检查具有重要的临床应用价值。
2.4胸腔积液成分分析
胸腔积液在临床疾病中是非常常见的并发症之一，根据胸腔积液的性质可分为渗出液和漏出液，其中最为复杂的为渗出液，多为炎性渗出或恶性胸腔积液。最常见为结核性胸腔积液，其次为癌性胸腔积液，两者的主要成分明显不同。结核性胸腔积液以乳酸脱氢酶（LDH）、腺苷脱氨酶（ADA）、蛋白含量（TP）增高为主，而癌性胸腔积液的葡萄糖（GLU）、癌胚抗原（CEA）明显高于结核性胸腔积液[12]。常规的影像学检查主要是发现胸腔积液，评估积液的量，偶尔可以根据肺部、纵隔、胸膜等病变间接评估胸腔积液的性质，对于胸腔积液的定性诊断，临床上采用的主要方法是胸腔积液穿刺引流实验室检查，但这些途径特异性不高，且具有一定的创伤性。能谱CT多参数的实现，可以对良恶性胸腔积液的定性诊断起到很好的作用。由于不同的物质其化学分子结构不同，因此，不同的物质对不同单能量X线的衰减特征不相同，通过能谱CT物质分离技术，利用高、低两组X线投影数据进行分析，从而得到胸腔积液的单能量图像、能谱吸收曲线、碘（水）基物质浓度、水（碘）基物质浓度、有效原子序数，从而对胸腔积液性质实现定性诊断。有研究表明，渗出液碘（水）浓度高、能谱曲线斜率及70KeV单能量CT值高于漏出液，有效原子序数直方图两者亦存在明显差异[13]。通过能谱CT多参数成像，可以对胸前积液进行定性诊断，有效区分渗出液与漏出液。
3.能谱CT未来发展与展望
能谱CT作为一种新兴的影像检查技术，在临床应用价值日渐凸显，应用范围越来越广泛。能谱CT利用其先进的硬件基础、强大的后处理技术，采用个性化的扫描方案，采取较低辐射剂量扫描在胸部的应用中发挥了诸多优势。利用能谱CT对疾病的诊断、病灶性质的鉴别、肿瘤是否同源性、多物质定量分析等，弥补了以常规CT以CT值作为分析参数的单一性，更全面的反应病变的组织来源和生物信息。未来，能谱CT的优势将更加体现，肺癌早期筛查及定性，胸部疾病影像组学的构建及冠状动脉造影同时心肌灌注一站式成像等，将会是未来能谱CT研究发展的主要热点和方向。综上，通过利用能谱CT检查，将使胸部影像诊断更加全面和精准。
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