能谱CT成像技术在去金属植入物伪影中的研究现状与展望

朱小忠，张 洁，肖菊梅，董馥闻

（1甘肃省中医院医学影像科 甘肃 兰州 730050）

（2甘肃省中医药大学附属医院影像科 甘肃 兰州 730000）

（3甘肃省妇幼保健院生殖内分泌科 甘肃 兰州 730050）

正确诊断和精确测量对诊断有着非常重要和预后的作用。随着CT成像技术的发展，光谱CT已成为分解人体组织图像的首选方式。常规CT已在临床治疗实际中获得应用，但它只能提供骨骼的解剖学信息和组织，而不是它的成分。当面对密度或CT值相似的病变时，会出现误诊。而能谱CT的广泛应用对于病变的确诊提供了重要的推动意义，并可运用其单能量图象、基物质图形、能谱曲线、有效原子序数等各种信息技术参数开展对病变的检测与定性研究中，从而大大地增加了确诊内容。该文重点介绍能谱CT去金属植入物假影的研发近况和发展。

1 能谱CT的简介

能谱CT（multi-energy/spectral CT，MSCT）图像的基本原理，是运用物体在各种X光线能力下发生的变化的吸收效应,以便于提供较常规CT更近一步提供的影像信息[1-2]。从伦琴发现X线开始，CT的进展大约分为五代[3]，每一代的诞生都为临床带来了技术进步，而发展到能谱CT时，更是为临床带来了全新的体验的同时也为众多临床工作者解决了诸多问题。CT成像系统的原理为：高速运转的电子流撞击靶物质发生韧致辐射而产生X射线，不同能级的X射线穿过物体时会发生不同程度的衰减，其成像原理即根据物质对X线的吸收的结果[4]。而能谱CT与常规CT相比，能利用其单能量图像、基物质图像、能谱曲线、有效原子序数等多种参数进行疾病的诊断及定量分析，不仅为我们提供了传统CT具有的人体解剖形态图像，并且利用其多参数成像实现了物质成分分析及定量，提高了疾病诊断的准确率。

2 能谱CT的成像技术

2.1 序列扫描成像技术

序列扫描成像技术即CT成像系统不发生改变，而采用两次旋转扫描成像，一次采用高kVp（如140 kVp）的X射线，一次采用低kVp（如80 kVp）的X射线。两次成像数据在图像数据空间匹配，进行双能减影[5]。

2.2 双球管双能量成像技术

双球管双能量成像技术是在CT机架中内嵌两套球管和探测器，两个球管呈一定角度排列，成像时两球管同时产生X射线，一个球管产生高kVp的X射线，一个球管发射低kVp的X射线。两套系统分别独立采集数据信息，并在图像空间匹配，进行双能减影分析。通常使用最低电压（80 kVp）和最高电压（140 kVp）来达到最大能量分离以最大限度地区分不同的物质[6]。

2.3 双层探测器技术

探测器采用双层设计，选择不同材料组合，以使每一层探测器仅对一定能量的X射线光子产生激发作用。在两块探测器之间用滤片将射线整形以减少低能量和高能量射线的能量重叠区，并被分别探测，从而得到高、低能投影数据并进行双能CT重建。这种方法X射线球管仅产生一组kVp的X射线，通过探测器接收并转换成两组能量数据，并重建出能量图像[7]。

2.4 光子计数技术

光子计数系统使用了最新的探测器材料和设计。X射线球管通常仅产生一组kVp的辐射，探测器还可以探测X射线中光子的能量并计算，进而可以根据所计算出的能量信号分析出不同的单能图像[8]。光子计数式传感器具备能值识别功能，可将带有很广能谱的X光线分为不同能量段加以计算，由此实现了单能成像[9]。目前，应用最多和使用最多的计数型传感器材料有两类，一类是碲锌镉（cadmium zinc telluride，CZT）等材料制造的0.5导体收音机传感器。而CZT结构晶体是目前使用较快的一类传感器材料，主要是由CdTe与ZnTe的混合物通过特定的晶体生长技术加工制造而成，它具备了很强的检测效能和生物识别功能，是目前在人类前期实验室工作和动物实验活动中使用最多的传感器材料之一；另一类则是由碲化镉材料制作的探针。这两类材料都是光子学计算探针中最重要的制造材料。

2.5 单源瞬时kVp切换技术

单源瞬时kVp转换技术是在CT机架中内嵌一个球管和检测器以高压发生器的瞬时kVp转换技术和超快速探测器技术为主要技术基础进行能谱图像。该种方式通过利用在一个球墨铸铁管中高低双能（80 kVp和140 kVp）的瞬时转换（＜0.5 ms的能量时间分辨率）生成空间上完全对应的双能数值，从而进行大数据空间能谱分析。

3 能谱CT图像技术用在去金属植入物伪影的研究现状

3.1 金属伪影的种类及相关机制

CT图像伪影是在CT检查所获取影像中非实际存在的影子，而其中未实际存在的影子则是干扰CT图像检查，削弱CT检查正确性、灵敏度的关键因素[10]。CT图像伪影按照其来源分类，可分成系统伪影和扫描图像伪影两大类。系统伪影一般是指在CT机应用过程中控制系统自身所形成的伪影，如探测器偏移等伪影；而扫描假影则是指CT机应用过程中，受数据收集、数据处理、图像重构、检测者行为等各种因素影响而产生的伪影[11]。

在用CT扫描患者躯体内附带有大量金属物质的区域中，可形成巨大的金属伪影。这些金属伪影往往严重影响到临床工作者的正确诊断。金属伪影形状由于金属物质的形态与密度差异而改变，并形成了相应的物理化学效应，如射线硬化效应、部分容积效果、光子不足效应等。金属X线硬化的伪影形成机理为：在CT中使用的X线源均并非单色源，只是有定频谱宽的X线源，由于各种X线源的定频谱宽不一，而X线光分能量也不一。同时，不同射线的吸收效果也不同，吸收系数随X线能量的增大而减小。当X线通过人体时，较低能辐射首先被吸收掉，而较高能量的辐射则会直接通过。这样X线平均能力小段上升的现象，就叫作硬化效应[12]。部分容积效应伪影产生机制是当X线穿过人体时，由于人体内各点密度不同，同一个探测器所探测的人体内各点密度的结果就会出现不同，因而可能出现在同一个探测器上一半有高密度的测量数据，下一半有低密度的测量数据。因而探测器的输出信号是左右两半检测数据的平均值。这主要是由于探测器采集的样本不足，即光子不足所导致的。

3.2 能谱CT消除伪影的原理和效果

金属植入物为高密度物体，X光线在通过该物体周围时，X线光子被全部吸收，因此产生光子能量不足效果，从而造成投影信号的不足，能量大幅减弱，从而无法清晰精确地表示金属植入物周围的组织学位置，故而影响临床工作者们对疾病的诊断。同样，由于CT图像一直是在混合能源下完成的，在对各种金属植体病人实施CT检测时，当X线穿过植入物后，高能力辐射穿透，而低能射线则被吸引，即产生上文所说的辐射硬化效果，而这个效应也会产生线束硬化伪影[12]。针对CT图像假影的去除，许多临床工作者提出了优化CT扫描方案参数、提高CT设备性能、针对假影校正算法等多项方案，尽管在一定程度上减少了CT图像假影，但整体假影的消除效果却并不理想[13-14]。由于能谱技术的研究与开发，再加上广大医学应用工作者们的不断研究，能谱CT图像技术已经越来越成为去除金属等典型器物的主要方法。科学研究人员证实，应用能谱法CT图像技术可获取（40～140）keV的多个单能量影像，可减少因CT机自身不平衡而造成的CT值漂移现象，从而减少了系统伪影产生，并提升了CT图像清晰度[15]。这说明能谱CT技术在其成像原理上,就存在降低金属植入物伪影的效果。美国通用电气公司所生产的高宝石能谱CT机所激发的X射线，比相当于传统CT机而言产生了更强的穿透力，能在0.5 ms内进行（80～140）keV的速度转换，这既保证了数据收集速率和图像速度一致，又在一定程度上提高了其图像的质量品质[16]。能谱CT图像技术将单能量图像技术和金属假影的去除技术有机融合，可按照CT值阈值的不同分段，依次实施投射校正，在很大程度上确保了投射数据的精确，从而做到了对金属假影的高效消除。

CT采取了单探针、单球管的设计，最大时间分辨率可高达0.5 ms[17]。在宝石能谱CT扫描时，用80、140 kVp在0.5 ms内迅速地交互进行，再经过运算从而分析得出了不同的单能源图形（40～140 keV共101个连续keV能源图），即得出了能源区域从（40～140）keV的共101个单能源图形。同时，高能谱成像技术增加了空间清晰度，也能够显著减少金属伪影[18]。能谱CT技术通过优化了病灶和背景的对比和降低伪影，大大提高了图像品质。

早期的学者们提出了许多办法可用于校准各种金属伪影，当中包含对产生伪影的金属投影值加以插值。王朕等[19]采用DBP重建方法插值修正CT的金属伪影；李铭等[20]用先验插值计算校正CT的金属伪影。近年来，人们使用迭代重建算法实现图像重建，其中迭代重建法和局部迭代混合计算等也被用于纠正金属伪影。越来越多的研究表明能谱CT可以减少金属伪影[21-22]。能谱学CT探测系统通常采用单一X射线源，并通过两千伏设备（80 kVp和140 kVp之间）快速进行，并通过交替的高能与低能X辐射光谱信号获得投影。通过使用两种不同方式所获得的投影信息，可以得到高度组合的虚幻单能源图像，这种虚幻单能源成像方式有助于减少射束的伪影[23]。但是能谱CT却从工作机理上入手，做到了单能量成像技术和金属典型器件的技术有机融合，从而明显减少甚至降低了金属植入物的伪影，进而提高了影像品质，也不同以往学者们通过插值技术来校准金属典型器件技术，从根本上改善了摄影设备和临床医生对疾病诊断的正确率，对于骨骼内固定术后这类金属植入物患者疾病的评价也具有明显意义。

4 展望

能谱CT技术成为图像生物医学方面的一种新兴技术手段，代表了目前CT的主要发展趋势，并且由于其多参数图像模型越来越被人们熟知和接受，有助于为临床工作者们关于病变的新发现以及为鉴别诊断提供更多的信息。

能谱CT成像技术在脊柱金属植入物伪影去除中的临床价值显著，能有效改善脊柱金属植入物患者CT图像质量，降低影像与临床医师疾病诊断难度，提高诊断效能。同时，能谱CT成像技术的应用可在一定程度上提高金属植入物可视性，便于观察植入物在患者体内的状况，进行术后病情观察与并发症预防。

目前，能谱CT在临床上的应用还未达到最优化，还需要更多的学者进行重复研究证实，关于能谱CT的功能更进一步深入研究。