CT能谱成像的基本原理与临床应用

·理解能谱CT之前，我们先来回顾一下传统CT扫描，一次扫描结束后，我们只能得到一个CT值参数，将所有的人体结构大致分为骨、软组织、水、脂肪等，而大多数成份无法区分，比如碘（Z=53）和钙（Z=20），它们的原子序数存在很大差异，但在传统CT图像上的CT值相差无几，根本无法区分。

·同物异影、异物同影等情况更增加了误诊和漏诊。能谱CT 成像的目的就是为了得到单能量图像、提高密度分辨率从而进行物质区分与定量。

1976年Alvarez及Macovski双能paper发表:同源，同时，同向

·1)同源，同一射线源发射(X射线高低能量的特性完全一致，无能量偏移)；

·2)同时，同一时间采集数据(X 射线高低能量的采集时间完全一致，无时间差异)；

·3)同向，同一方向采集数据(X 射线高低能量的衰减路径完全一致，无空间位移)。

·这是能谱CT的技术规范要求，然而，从技术角度实现起来有一定困难，目前只有Philips的IQon CT能相对准确地实现三同。

·KvP和Kev是不一样的概念，kvp指的是我们的管电压，就是我们常说的120kv，而kev指的是单能射线的能量，那么也就是说120kvp的X线是由0kev-120kev这些不同能量的X线组成的我们在CT扫描中，直接调节的是kvp，而不是kev。

·常规CT使用的是混合能量成像，无法体现不同能量的影像学特征。不同能量的干扰还可能导致伪影、CT值不稳定。能谱CT检查可以获得从40~140keV之间101级的单能级图像，从而根据临床诊断需求，选取最理想的单能级图像，即最佳CNR。

·低keV图像可以增加不同组织结构之间的对比，有利于等密度病变的探查、发现，使静脉成像图像更佳，优化动脉成像等；高keV图像可以有效减轻或者去除硬化伪影和金属伪影，克服传统混合能量CT图像的不足。

·双源CT（DSCT）是具有两个测量系统的CT系统，即两个x射线管和两个相应的探测器，在机架内以大约90°的角度偏移。两个测量系统同时在患者的相同解剖水平（相同的z位置）获取扫描数据。双能数据可以通过在不同的管电位设置下同时操作两个x射线管来获得，例如80kV和140kV。

·优势：

·两种测量系统的扫描参数（如管电流和电压）都可以单独调整，从而在低能量和高能量扫描之间实现辐射剂量均衡分布。有多种常规扫描协议。可供选择，扫描参数的选择没有限制，如机架旋转时间。使用解剖管电流调制允许根据患者的解剖调整辐射剂量。混合图像（低能量和高能量图像的加权平均值）是常规可用的，还可以通过在高能束中引入额外的预过滤来优化光谱分离（能谱纯化技术）。

·限制：患者必须在扫描视野内居中

交叉散射辐射杯状伪影或条纹伪影而导致CT值失真

西门子CT能谱纯化技术

·CT使用的x射线能量谱是连续的。在对天然密度差异较大的解剖部位或结构或组织进行非增强扫描成像时，比如肺、骨骼、关节、钙化斑块、内耳、鼻窦、高密度植入物如髓内钉等等,低KeV能量部分的x射线光子对成像的贡献非常小，只是主要贡献了受检者接受的辐射剂量，降低了CT非增强扫描的射线利用率，从而造成需要更多的辐射剂量来完成这类扫描。

·如果能够将低能量部分的x射线光子从x射线能量谱中移除，从而提高x射线的平均能量，则能带来以下几点成像优势：

·1、实现（非增强）高对比扫描序列的常规低剂量使用（比如肺筛查）和确保图像优秀；

·2、消除线束硬化伪影；

·3、显著降低辐射剂量（至微辐射扫描成像）。

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·基于球管的高管电流条件下在球管前端准直中加入特制独立锡（Sn）制x射线滤过器，当需要使用能谱纯化技术时使用滤过器功能（已植入到扫描序列中），此时就可以运用能谱纯化技术进行患者检查了。x射线能量谱的截止能量从传统的30keV提升到了50keV。

·能谱纯化技术应用下，例如Sn100kV与标准120kV扫描相比，首先过滤了低能量光子（50 keV以下光子），其次使光子整体能量均值向高能量侧偏移，这就使足够多的高能量光子被探测器接收，图像质量满足临床诊断需求，且可常规使用。而在西门子最新推出的Go系列CT中也能找到它的身影(Sn110/130kV)

碘比率对双能量图像的影响

·碘比率是低千伏图像碘值/高千伏图像碘值。碘比率越高，能量越分离，混杂能量越少，得到的碘含量等越精确。碘比率的提升需要尽可能的减小高低能量分布之间的重叠部分，从而使物质在高低能量下的衰减差异变大。既往使用的常规双能量kV组合（80kV/140kV）的碘比率均不如采用能谱纯化技术的双能量kV （80kV/Sn140kV）组合。双源CT通过能谱纯化技术来降低高低能量的重叠部分，大幅提高了双能量CT测量的准确性。

应用：

·双能量扫描模式：在进行双能量扫描时，A球管采用低千伏，B球管采用能谱纯化高千伏选项，如Flash CT 80/Sn140kV、100/Sn140kV；

·能谱纯化技术在双能量成像技术中的使用，使得双能量成像技术可以常规使用且辐射剂量可低于常规CT成像技术的辐射剂量水平。

单源滤片分离技术

·西门子黄金能谱球管内置纳米金（Nano-Au）-纳米锡（Nano-Sn）滤片，可同时产生高能和低能X射线，经扫描获得两个光谱的完整投影数据。

·优势：只需修改球管准直器。无需特殊球管或高压发生器要求。

 真正同步采集“纯化”的高低能谱X线数据，避免电压切换或双层探测器导致的高低能信号混叠串扰问题，提高物质识别精度，降低X线剂量。

·限制：采用束流过滤技术的光谱分离效果不如采用两种不同的管电压设置。此外，需要一个大容量x射线管，因为预过滤吸收了x射线通量的很大一部分。

飞利浦双层探测器

·双层探测器光谱CT所有的常规扫描都是上层采集低能数据、下层采集高能数据能数据、高能数据可直接解析出光电效应数据和康普顿效应数据，从而生成多种能谱图像, 探测器采用立体双层探测器结构设计，并搭配双重感光材料(上层探测器选择ZnSe或CsI，底层探测器采用Gd2O2S)，使每一层探测器仅对一定能量的X射线光子产生激发，分别接收低/高能量X线光子，实现了对同一束X射线的不同能量进行分离，从而实现光谱分析的功能。IQon可重建出 40~200 keV 的161单能量影像。

使用专用的能谱算法进行基对重建。使用基础图像进行材料特性和分解，以创建各种光谱图像类型

·优势

·双层探测器技术的优点之一是没有对双能量扫描的特殊要求（即特殊协议）。常规扫描协议可以“按原样”使用，无需增加剂量或改变工作流程。从每次120kV的扫描中都可以获得常规和双能数据，不必预先确定双能图像的需要。换言之，因为光谱采集协议与传统成像协议没有区别；双能量数据可以从任何常规CT扫描中进行回顾性检索。

·限制：

·1.由于光谱数据集的能量分离受到固定探测器设计的限制，只能使用在120kV峰值管电位下进行的扫描进行光谱分析。常规扫描可在80或100kV电压下进行，但只有常规数据集可用于重建。

·2.使用双层探测器的光谱分离比使用两种不同管电位设置和滤除其中一束光的方法更差。

单源瞬时kVp切换技术

·在低和高kV设置之间来回的电压通常被称为快速千伏切换。管电压的切换使得能够从两个在时间和空间上紧密排列的不同能量数据集中获取数据。当每台机架旋转采集2000多个视图时，相邻80和140kV投影之间的角度差小于0.18度。

·优势：

·快速千伏切换技术导致几乎同时采集低能量和高能量投影，确保运动相关问题最小化。

·限制：

·在目前商业上实现的快速kV切换中，x射线管电流在数据采集过程中不能动态变化。因此，管电流调制是不可能的。在实际应用中很难通过在高能束中加入预过滤来进一步优化光谱分离，因为它需要一个系统以极高的速率将滤波器移入和移出光束，并且以与千伏切换完全同步的方式。因此，kV开关的能量分离比双源的能量分离更差。

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·由于传统CT采用的固体闪烁晶体探测器是通过间接转换的方式获得图像（X线→可见光→电信号），因此目前的CT技术仍然面临着一些局限。

·1.探测器尺寸存在物理极限

·2.不同KV对图像有关键性影响

·3.能谱成像仍无法常规应用。