能量CT：亭亭少年，未來可期
導語
“匠心”系列第5篇，選擇了近年來CT最重要的發(fā)展方向：CT能量成像。結合中國專家共識討論其價值。毫無疑問，能量成像就是CT的未來。
2022年5月，《中華放射學雜志》發(fā)表重磅作品：《能量CT臨床應用中國專家共識》，5位通信作者均為我國放射學界的“話事人”。該共識由中華醫(yī)學會放射學分會、中國醫(yī)師協(xié)會放射醫(yī)師分會和安徽省影像臨床醫(yī)學研究中心，組織全國多家單位、多位專家專家參閱大量文獻并結合我國臨床實踐經(jīng)驗，經(jīng)反復討論達成，旨在推動能量CT的臨床規(guī)范應用。
我們站在“巨人的肩膀”上，回首過去、立足現(xiàn)在、放眼未來。不得不說，及笄之年的能量CT，已出落得亭亭玉立。
1、“雙能實驗”成真
1973年，在CT發(fā)明后的兩年，Housefield教授又開展了神奇的“雙能實驗”，使用高低管電壓進行序列掃描，通過光子吸收差異區(qū)分碘、鈣等不同原子序數(shù)的物質，實現(xiàn)了能量成像。早期能量CT的探索，就是從這兩次高低kV掃描開始的。
從簡單的水-碘抽象模型，實際臨床研究，到實現(xiàn)商用，科學家們在這條路上走了漫長的35年。
2007年，GE在北美放射學年會上推出能譜CT：HD750，正式拉開了能量CT的序幕。區(qū)分一杯水到底是糖水還是鹽水的故事，迅速點燃了放射界對于能譜的熱情。隨后，所有整機廠家也均將賽道轉向了能量CT。
2017年，飛利浦再進一步，帶來了業(yè)界唯一的“探測器驅動”光譜CT：IQon，并首次提出“彩色CT”的理念。
時至今日，能量CT在腫瘤早發(fā)現(xiàn)、冠心病、大血管造影等疾病精準診斷方面展現(xiàn)了獨特價值，已經(jīng)被業(yè)界專家廣泛認可，成為臨床指南中的推薦掃描方式。
2、理論與現(xiàn)實的困境
能量CT，能在雙能或多能量下獲取物質衰減信息，通過不同組織的光子吸收差異，實現(xiàn)對不同組織的鑒別，提供比常規(guī)CT更多的影像信息。
盡管人體組織是復雜的混合成分，不同組織對X射線的衰減不同，不過很多時候，任何組織的吸收均能由衰減高低不同的基物質對組合表示。水和碘是其中最常用的組合，因為其包含了從軟組織到含碘對比劑以及醫(yī)學常見物質的能量依賴范圍。
我們利用不同物質在高低管電壓掃描下X 線衰減不同，通過以下方程組計算碘基物質和水基物質的密度，將復雜的能量成像問題轉換為簡單的二元一次方程求解問題，通過直觀的物質密度圖實現(xiàn)不同物質的區(qū)分。這是能量CT的理論基礎，包括后續(xù)的鈣基圖、等效原子序數(shù)概念也都基于此。
Housefield 教授在建立理論時，認為理想的能量CT模型是“同源、同時、同向”，即同一射線源發(fā)射，同一時間采集數(shù)據(jù)，同一方向采集數(shù)據(jù)，也就是我們熟知的“三同”原則。
然而，人體成分十分復雜，而二元一次方程是線性描述，描繪能譜曲線時，必須需要更加純粹的能量分離手段，甚至更多元的能量分離手段。能量重疊越小，能譜越純，雙能量結果也就越準確。
舉個例子，我們看到的自然光是白光的，經(jīng)過三棱鏡折射會分離出紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等七個顏色。說明白光其實不是白色的，而是由不同顏色的單色光混合而成的復色光。
X射線也是混合X射線光譜，被稱為“多色X射線（polychromatic x-rays）”。如果管電壓為140kVp，則其光譜的能量范圍大概為30~200keV，平均能量約是70kVp。當這一混合能量的射線穿過組織時，由于硬化效應和平均吸收效應，會產(chǎn)生線束硬化偽影和異物同影現(xiàn)象。因此，為了獲得更精確的圖像，必須獲得X射線的單能級圖。
單能級圖CT值的準確性是其它參數(shù)圖像的基礎，能量分離越開，能級越多，所解出的多元方程結果越接近于真實世界。
3、一步一個腳印
近年來，隨著球管、高壓發(fā)生器、探測器等技術的高速發(fā)展，能量CT才真正落地。目前已出現(xiàn)6種比較成熟的商用能量CT技術，其中4種(單源序列掃描、單源雙光束、雙源雙能量、單源瞬時管電壓切換)是基于X射線管實現(xiàn)的；2種(光譜CT、光子計數(shù)CT) 是基于探測器實現(xiàn)的。
目前來看，公認比較有臨床應用價值的是單源瞬時管電壓切換、雙源雙能量和雙層探測器等3種技術。
01、單源瞬時管電壓切換
由于X射線投影角度幾乎相同，允許直接在投影數(shù)據(jù)域空間進行雙能量重建，有利于減少線束硬化偽影并提高能量分析的準確度。新一代能量CT的管電壓?管電流能同步匹配，加上深度學習重建算法的聯(lián)合使用，能在降低輻射劑量的同時保證優(yōu)質的圖像質量。
“三同”評價：同源、幾乎同時(<0.5ms)、幾乎同向(小于0.18度，投影域重建)。
02、雙源雙能量
優(yōu)勢是球管前加裝錫過濾，能更好純化X射線，提高劑量效率，減少線束硬化偽影；兩個球管的管電壓/管電流能獨立調整，有利于實現(xiàn)輻射劑量均衡分布。不過，高低能量數(shù)據(jù)不純粹同向，只能基于圖像域重建。與常規(guī)50cm FOV相比，雙源能量FOV僅為35cm，體型較大受檢者會受到一定限制。
“三同”評價：不同源、同時、不同向(圖像域重建)。
03、雙層探測器
優(yōu)勢是高、低能數(shù)據(jù)在投影數(shù)據(jù)域內(nèi)時間和空間上完全匹配，同時基于反相關噪聲降噪技術，有效降低光譜圖像噪聲，使其40~200keV虛擬單能量圖像VMIs擁有幾乎平坦的、較低水平的噪聲曲線，大幅提升圖像質量。
由于受到固定探測器設計的限制，第一代只能在120或140 kVp管電壓下掃描才能進行光譜分析。不過，最新一代光譜CT能實現(xiàn)100 kVp的能量CT，再次擴大臨床應用范圍并降低輻射劑量。
“三同”評價：同源、同時、同向(投影域重建)。
3種能量CT實現(xiàn)邏輯(來自互聯(lián)網(wǎng))
雖然上述方法在技術實現(xiàn)上存在巨大差異，但基本都能獲得成對高/低能X射線吸收數(shù)據(jù)，以便用于能譜多參數(shù)圖像的回顧性重建和分析。
4、吾家有女初長成
16年來，能量CT憑借多參數(shù)、多維度、定量成像，提供了傳統(tǒng)CT不具備的組織特征性信息，日漸在疾病診斷中發(fā)揮了重要作用。
目前，能量CT已有比較成熟的后處理應用，包括常規(guī)診斷圖像、虛擬單能級圖像VMIs、物質分離圖像、有效原子序數(shù)圖和電子云密度圖。其中，有效原子序數(shù)、電子密度加權圖像，目前臨床應用經(jīng)驗有限；但虛擬單能級圖像VMIs、物質分離圖像已獲得廣泛應用，尤其是虛擬單能量圖像VMIs的重要價值，其低能量段VMIs圖像能夠有效提高細小血管的顯示、增加組織的對比度、并大大提高隱匿性病灶和微小性病灶的檢出率；高能量段VMIs能夠有效減少金屬引起的線束硬化偽影，提高支架內(nèi)管腔的可視化，總體提高圖像質量。
《能量CT臨床應用中國專家共識》極為詳細闡述了能量CT臨床應用，包括CTA、頭頸部CT成像、心臟成像、肺部成像、腹部實質性臟器、腹部空腔臟器(膽道系統(tǒng)、胃腸道)、骨骼肌肉成像等領域，強烈建議反復琢磨。
以目前極為優(yōu)秀的能量CT：飛利浦皓克Spectral CT的能量成像為例，經(jīng)過全新設計，具有80 cm大孔徑、球面寬體雙層探測器、精準快速掃描床和人工智能技術，再次拓寬能量CT應用范圍，其搭載的一站式心臟、一體化腫瘤、零等待卒中精準光譜診療方案，大幅提高在心血管、腫瘤和腦卒中等領域首次掃描診斷的精準性。
皓克CT的一站式能量應用(來自互聯(lián)網(wǎng))
需要補充的是，《共識》未提及能量CT在放治領域的應用。近年來質子治療(質子重離子)在國內(nèi)迅速火熱，僅在論證階段的項目就多達85個。質子束是超高能的筆形束，對粒子射程把控要求更加嚴格，要更好地保護危及器官和正常組織。傳統(tǒng)模擬定位技術難以滿足其精度，CT能量成像能使得粒子治療射程計算更加準確。
比如，英國倫敦大學學院醫(yī)院質子中心(UCLH)采用Spectral CT用于質子治療模擬定位，可謂“壕無人性”。其碘圖能有效代替F-FDG分子代謝成像，使工作流程加快；電子云密度和有效原子序數(shù)能提高對質子束停止位置的信心，對質子的精準勾畫和精準計劃實現(xiàn)更高飛躍。
上述大量臨床案例表明，常規(guī)CT存在一定的診斷短板，而臨床對更高質量CT圖像的渴望從未止步。如今，能量CT早已不再被束之科研高閣的“玩具”，而是在臨床診斷中發(fā)揮重要作用。
5、未來屬于探測器
目前，能量CT技術的發(fā)展分為兩種：基于能量源的和基于探測器的。兩種技術各種擁躉，幾年前圍繞其展開了技術論戰(zhàn)。如今，隨著光子計數(shù)CT的到來，這種討論終于塵埃落定：能量CT的未來一定屬于探測器。
因為，光譜CT開創(chuàng)了“非耗時協(xié)議”。不同于其他能量CT的“耗時協(xié)議”，即掃描前需事先預判是否需要進行能量掃描而選擇特殊的能量CT掃描參數(shù)，探測器端能量CT的優(yōu)勢在于不改變既往工作流程，能從任何常規(guī)CT掃描中獲得能量成像數(shù)據(jù)。
光子計數(shù)CT是基于光子計數(shù)探測器的，同光譜CT一樣，其能量成像也使用“非耗時協(xié)議”。這種一切掃描皆能量的技術，大大降低了CT能量成像的可及性難度，使能量成像能隨時隨地應用于全身。
2021年，西門子NAEOTOM Alpha獲得FDA批準，宣告光子計數(shù)CT正式到來。與此同時， GE、飛利浦、佳能、三星等CT廠商也早已布局，并進行了多年的臨床驗證。
基于直接轉換的光子計數(shù)CT，公認的下一代X射線成像技術，具有更低劑量，更低噪聲等優(yōu)點。更重要的是，其引入了的“能量箱”理念，能同時提供多個能量閾值的CT數(shù)據(jù)，用于多能量成像。
從成像理念角度，光子計數(shù)CT一定是更好的技術。但從實際臨床應用角度，目前初代光子計數(shù)CT的主要價值還是低劑量成像。根據(jù)FDA顯示，其成像是基于光子計數(shù)迭代重建(Quantum Iterative Reconstruction)，天然具備低噪聲，但目前僅能在120kV和140kV條件下進行多能量箱的光子捕獲。
此外，在能量成像方面，僅能提供單能級圖、虛擬平掃、碘圖、水基圖、鈣基圖等在能量積分CT上早已成熟應用多年的技術。光子計數(shù)CT的新應用，才是我們期待的。
此外，在高能物理和空天探測已經(jīng)表明，光子計數(shù)探測器的輻射損傷比較明顯。盡管CT的X射線光子能量并不算高，但因其并未經(jīng)過大規(guī)模長時間測試，其穩(wěn)定性及抗輻射損傷能力仍需要長時間檢驗。考慮探測器是CT最昂貴的部件，約占總成本1/3之一左右，希望廠家能研發(fā)出能使用8~10年的光子計數(shù)探測器。
目前來看，初代光子計數(shù)CT應該屬于更好的“繼承者”，我們期待其有朝一日成為真正的“顛覆者”。
6、小結
自螺旋CT問世以來，CT先后經(jīng)歷了三個時代：1）螺旋CT時代：1989年-1998年，致力于解決血管成像；2）多排CT時代：1998年-2007年，致力于解決冠脈成像；3）能量CT時代：2007年-至今，致力于解決多參數(shù)成像。
《能量CT臨床應用中國專家共識》的發(fā)布，正式確定了能量CT在精準診療與檢查效率方面的價值。后續(xù)，我們將不斷探索并充分發(fā)揮其潛能，使其應用更加成熟，實現(xiàn)臨床飛躍。
此外，隨著能量CT的臨床可及性問題、收費問題被廣泛討論，相信能量CT還會煥發(fā)出更多大活力，愿目之所及皆是星辰大海。。。
