原创赵喜同学XI区
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近日，美国放射物理师学会AAPM发布了一份出版物，来自梅奥诊所、德克萨斯大学安德森癌症中心、德克萨斯大学西南医学中心、斯坦福大学以及西门子医疗、飞利浦医疗、通用电气医疗、佳能医疗的专家详细介绍了双能量的实现方法（参见：）与临床应用，今天我们一块学习一下。
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自年以来，许多临床应用已经被开发用于商业用途，包括1）自动直接去骨或去除钙化斑块；2）从增强CT数据中创建碘浓度图和/或量化绝对碘浓度；3）通过增强扫描创建虚拟的平扫图像；4）识别肺实质或心肌中的灌注血容量；5）根据材料的元素组成确定材料的特征，这可以在体内区分尿酸和非尿酸尿路结石或尿酸（痛风）或非尿酸（钙焦磷酸盐）沉积在关节和周围组织中。
物质分离
尿酸尿路结石鉴别（与非尿酸尿路结石比较）
了解尿路结石成分对治疗和预防复发至关重要。特别是，区分尿酸（C5H4N4O3，Zeff≈6.9）和非尿酸结石的能力至关重要。根据低能量和高能量时材料衰减值的变化对结石进行分类是双能量CT首次探索的临床任务之一。随着双能技术的改进，证据越来越多，研究人员不仅评估了区分尿酸和非尿酸结石的方法，而且还评估了进一步区分不同类型非尿酸结石的方法，如胱氨酸（C6H12N2O4S2，Zeff≈11.1）、钙基（包括草酸钙Ca2O4H2O、Zeff≈14.0，碳黑CaHPO42H2O，Zeff≈14.2，鸟粪石CaGnH4po46H2O，Zeff≈12.6），磷灰石Ca10（PO4）6（OH）2，Zeff≈16.2）。
尽管多能CT与单能CT相比，在鉴别尿酸结石和非尿酸结石及非尿酸结石亚类方面显示了更高的准确性，但仍存在一些局限性。首先，非尿酸结石的Zeff值在非常窄的范围内，大约在11到16之间，这使得很难区分这些结石类型，因为Zeff值非常相似。相比之下，尿酸的Zeff值（6.9）与水的Zeff值（7.4）非常接近。因此，尿酸结石虽然比水密度更高（更亮），但在双能空间中的表现与非尿酸结石截然不同，后者的Zeff值远高于水。这解释了为什么从非尿酸中分离尿酸的准确度接近%，而到目前为止，分离非尿酸结石的类型尚未被认为足够强大的临床实施。
也许最具临床意义的局限性是难以用混合尿酸和非尿酸成分正确分类结石。这是由于有限的空间分辨率，因此双能量衰减值的部分体积平均。Leng等人改变从非尿酸结石类型中分离尿酸的DER阈值，发现DSCT技术可以准确定量尿酸和非尿酸成分，在一项研究中，他们比较了同一结石的DSCT数据和显微CT数据，双能CT显示尿酸和非尿酸混合结石的鉴别及其各自的相对贡献是可能的。该领域正在进行的工作，包括利用基于投影的材料分解确定Zeff，可以解决这些限制。
痛风分离（与假性痛风相比）
痛风和假性痛风是关节炎的一种，当晶体在关节和关节周围软组织（包括肌腱和韧带）中积聚时就会发生。痛风的特征是尿酸晶体（C5H4N4O3，Zeff≈6.9）和伪痛风的焦磷酸钙（Ca2O7P2，Zeff≈15.6）晶体。治疗方案不同，因此区分痛风和假性痛风在临床上非常重要。多能CT鉴别尿酸和钙的能力使其非常适合痛风的诊断。双能量衰减差通常用于对扫描区域内的组织成分进行颜色编码。许多研究表明，与超声、数字x线摄影和单能CT等其他可用的诊断成像技术相比，双能CT对尿酸和钙晶体的鉴别诊断具有良好的准确性。将双能CT与标准诊断标准、美国风湿病学会痛风和/或尿酸单钠晶体沉积分类标准进行比较的多项研究的荟萃分析，双能CT对痛风诊断准确率高。
研究支持双能CT不仅可以诊断痛风，而且可以通过监测降尿酸药物治疗的有效性来指导治疗。双能CT监测是通过对尿酸盐晶体的数量和体积的可重复测量实现的。
双能CT在评价和监测痛风方面的局限性已经被注意到，包括对新近发病的患者的敏感性较低。这可能与未能检测到早期的小尿酸盐晶体有关。另外，由光束硬化或运动引起的伪影会导致假阳性诊断的风险（更多关于双能痛风的内容可以参考：）。
硅酮分离（与致密软组织相比）
硅胶（一例式CH3[Si（CH3）2O]nSi（CH3）3，Zeff≈10.7）乳房植入物可破裂并漏入周围组织。硅酮和乳腺组织之间的衰减差异很小，在单能CT上很难检测到，但是在多能CT上可以获得额外的衰减信息，从而可以看到渗漏。文献中的例子清楚地表明了双能CT在评估乳腺组织完整性方面的潜在价值硅胶乳房植入物。
硅胶假体的评估
骨去除（与碘相比）
在CT血管造影上评估造影剂填充血管有时需要去除可能模糊感兴趣区域的骨。使用双能量衰减值比较容易区分钙和碘。这允许在CT血管造影上识别和去除骨，以直接显示增强血管和器官。基于双能量的骨去除术被认为对显示颅内血管和识别骨附近的小的或细微的颅内异常非常有用。一些研究也证明了双能CT骨切除在体部成像中的实用性。
与基于阈值的单能量技术相比，迄今为止的大多数研究都证明了自动双能量骨去除技术提高了图像质量，减少了错误，并加快了图像复查速度，但也注意到了局限性。临床上，双能CT骨去除术仍然容易出现一些不准确的地方，例如由于图像伪影。另外，对于一些双能CT技术，在去除骨的图像中，线束硬化伪影实际上可以增强。
双能量直接去骨
材料特性
建立定量碘和虚拟非对比增强双能CT
双能CT有助于区分透明细胞肾癌和乳头状肾癌患者。这是肾细胞癌的两个主要亚型，它们的预后截然不同。它们也有着广泛不同的治疗策略，因此正确诊断个别患者的这种情况在临床上极为重要。
有几个小组应用了双能CT来应对这一挑战。Mileto等人采用DSCT系统，对经病理证实的82例肾损害患者进行了碘含量测定。0.9mg/ml碘的阈值可以区分透明细胞癌和乳头状肾细胞癌。对72例患者进行了类似的研究，使用单源快速kV切换双能CT；对于这种技术和相同的造影增强期（肾图），鉴别这两种细胞类型的阈值被确定为1.28mg/ml碘。这两项研究之间阈值水平的差异可能是由于多种因素造成的，包括双能量投影数据分离、材料分解方法、对比度增强时间和患者群体变异性（例如心功能的差异）。这两项研究在阈值上的相对较大差异（超过40%）表明需要适当的质量控制，并需要对使用不同多能CT技术检查的患者进行仔细的数据处理程序。
双能CT也被成功地应用于区分出血与静脉造影染色和外渗，首先是在18例患者，然后是在中风治疗背景下的40例患者。双能量方法也被用于区分头颈部肿瘤出血和单纯出血。
关于双能CT测量与甲状腺结节标本病理结果的相关性，已发表了有希望的工作。许多研究已经验证了用一组虚拟的未增强图像替换单独的非对比度CT的可行性，其中使用双能CT分析工具去除了碘对比度材料。Ferda等人发表的一份比较早的出版物显示了这种脑成像方法的可行性。
多能CT在腹盆部的应用越来越多。除了上述肾癌研究外，双能CT技术的应用还对偶然发现（如肾囊肿鉴别）的特征和多囊肾病的评价有好处。肝脏病变的检测和评估是CT面临的更困难的挑战之一；在这方面，使用双能CT工具已经完成了许多工作。胃癌分期也有助于双能量CT方法的应用。
虚拟平扫和碘图
定量钙与虚拟非钙图的建立
对62名在急诊室就诊的患者进行了以下检查：双源双能CT，采用三物质分解模型（脑实质、出血和钙）。使用虚拟非钙图像和钙覆盖物来区分小出血和小良性钙沉积的患者。类似的方法已被用于分离增强病变和其他高度衰减的生理结构。
肺结节的特征是多能CT测量的又一潜在应用。胸部区域的其他研究也为双能CT分析提供了有希望的结果。
钙特异性成像的另一个应用是识别和去除骨钙信号的能力。这允许骨髓水肿（即“骨挫伤”）的可视化，否则在常规CT中是看不到的。这为骨挫伤的MRI评估提供了一种替代方法。
更多内容参见：。
双能量骨髓分析
定量虚拟单能图像的生成
到目前为止，关于头部和颈部使用的最佳虚拟单能能级，已经完成了许多工作。使用快速kV切换双能CT平台的40例患者，测量信噪比的最佳虚拟单能水平为65keV，但肿瘤显影的最佳虚拟单能水平为可能的最小水平，该扫描仪的最佳虚拟单能水平为40keV。另一项采用快速kV切换双能技术对40名患者进行的研究表明，40keV和70keV对于鉴别良恶性组织以及头颈部的恶性组织是有用的。
另一项使用快速kV切换双能CT平台对25个未增强的头部扫描的研究表明，使用65keV虚拟单能图像获得了最大的灰质信噪比、白质信噪比和灰质白质对比噪声比。在75keV下获得最佳的后颅窝图像质量。所有这些测量结果都被发现比这25名患者的常规（混合单能）图像集有所改进。
采用双源双能CT方法对41例患者进行脑或颈部血管检查，确定60keV虚拟单能图像可获得最佳的血管衰减和对比度噪声比。一项针对71名头颈部癌症患者的类似研究发现，60keV的虚拟单能图像提供了最佳的病灶对比度与噪声比以及最高的主观图像质量分数。
所有这些工作都表明，虚拟单能图像提高了碘化对比剂的有用性，并提出了在双能CT的设置中降低对比剂体积和/或浓度的可能性的问题。已经发表了多项研究，这些研究提供了证据，证明碘对比度可以在产生较低（40-60）keV单能图像的同时降低一半，而不会失去视觉增强。多期肝脏CT和冠状动脉CTA检查均与同一患者的单能量CT图像进行对比，结果相当。此外，在双层探测器CT扫描仪上进行的患者和体模研究结果表明，用于儿科人群放射肿瘤学治疗计划的标准多色CT的CNR可以在50keV图像上匹配或改进，该图像通过使用50%的低对比度获得。这样的改变将减少所有患者肾脏的生理负荷，提高患者的整体安全性，并可能降低成像设备用对比剂的成本。（更多单能谱图的临床价值可以参见：）。
定量灌注血容量图像的创建
已有多篇文献证明，双能CT肺灌注血容量成像可提高肺栓塞的检出率。通常叠加在灰度解剖图像上的灌注血容量图像已被证明可改善周围肺内血栓的检测，并可用于评估灌注不足的严重程度。根据制造商提供的软件，可根据CT值（单位：HU）或绝对碘浓度（单位：mg/ml）报告灌流血容量图。
双能CT也被用于第一次增强时心肌的灌注血容量成像。与单能CT图像上的低衰减相比，双能碘成像对低灌注心肌的检测可能更敏感和更特异。ECG控制的双能CT在静息时和药理学诱导的应激期间被执行，以检测固定灌注缺陷和可逆性缺血。或者，在动物模型中使用虚拟单能图像来提高动态心肌灌注CT的质量。
双能量肺灌注血容量图
放射治疗中电子密度和有效原子序数图像的生成
为了开发质子治疗的潜在效益，必须准确了解质子束穿过组织的阻止能力。单能CT不能区分病人密度和化学成分的变化，这限制了停功率比（SPR）计算的准确性。为了克服这一局限性，双能CT被用来计算电子密度相对于水的分布图ρe/ρe，w和有效原子数Zeff，以便更好地预测SPR值。
平均而言，与单能CT相比，双能CT的SPR计算精度更高。利用由双能CT图像确定的ρe/ρe、w和Zeff，人体组织的均方根（RMS）误差理论上可低至0.2%。然而，在临床实践中，图像噪声降低了SPR计算的准确性，与重建图像中的非理想性（如线束硬化和散射）一样。研究了在图像重建之前执行材料分解的技术，以利用sinogram数据解决这些限制，包括使用联合估计方法。
改善SPR预测和减少CT相关不确定性的另一种方法是临床使用虚拟单能图像，随着患者大小的变化，该方法提高了CT值的稳定性。此外，来自不同CT扫描器制造商的不同CT扫描器模型的虚拟单能图像的CT数精确到10HU以内。这些理想的特性减少了SPR值计算中的变化。
减少伪影
降低线束硬化伪影
CT系统使用多色x射线束，其产生的光子穿过不同能量的光谱，将经历不同的、与能量相关的衰减。换言之，在检测器水平，光子束通过患者的总透射强度将表示构成该束的每个能量的透射强度之和。单能光束的假设重建，特别是对于长路径或高原子序数材料，可能导致线束硬化伪影。基于单个材料（通常是水）已知衰减特性的光束硬化校正算法，在减少原子序数与水类似的材料的伪影方面相当有效。当不满足光束硬化校正算法的假设时，校正往往是不充分的，并且可能产生伪影，包括阴影和暗带。
多能CT可以很好地解释多色光谱，并通过生成虚拟单能图像来实现更稳健的线束硬化校正。在CT心肌灌注成像中，虚拟单能图像在减少线束硬化伪影方面显示出良好的应用前景，这些伪影可能类似于心肌灌注缺陷，特别是在后基底壁处。同样，另一项研究发现，使用60-80keV单能图像与单能CT图像相比，心肌和冠状动脉的SNR和CNR值更高。Stolzmann发现牙科修复患者使用虚拟单能图像与单能CT相比，线束硬化伪影有所改善。
双能量去金属伪影
金属伪影还原
身体中的金属代表一种高衰减、高原子序数的材料，这种材料可能与传统重建的假设相混淆，导致条纹、阴影和其他伪影。与金属植入物相关的伪影可能有多种原因，但如上所述，线束硬化是金属相关畸变的重要原因。因此，虚拟单能图像可以有效地减少金属伪影。大量的金属物体，包括髋关节置换术/假体、牙科金属植入物、主动脉修复支架、动脉瘤夹等，已经证明金属伪影的减少或消除。
多能CT的剂量学考虑
与传统的单能CT相似，多能CT的采集和重建参数必须根据尽可能低的合理可行原则（ALARA）来优化成像任务。如果材料特定信息值增加或碘对比噪声比增加，则多能CT相对于单能CT的剂量增加是合理的。然而，所使用的剂量通常是相当可比的，如果不是经常较少的话，则显示图像质量可以保持而无需剂量惩罚。
在多能CT中，考虑所用技术的局限性也很重要。对于低能量数据集来说，这一点尤其重要，因为这是噪声最突出的地方，更容易产生伪影，并且量化精度最有限。因此，除了剂量学方面的考虑外，开发多能协议还需要注意低能量采集的质量。
管电流调制可用于几种商用多能CT系统。Masubara等人比较了kV单源双能、双源双能CT图像噪声，采用定制的不同尺寸的椭圆聚甲基丙烯酸甲酯模型进行双能CT采集，并根据实验确定了不同尺寸模型的最佳管电位组合和质量参考mAs值。Michalak等人也做了类似的工作，他们确定了双源双能虚拟单能图像的最佳管电压组合。
已公布方法/剂量的审查
传统的CT剂量学技术已经很成熟，但也存在一些缺陷。如果在没有适当调整的情况下将这些技术应用于新扫描仪上的宽准直，由于标准CT电离室的有限长度（mm）和延伸到长度以外的宽剂量分布，可能会产生严重的CT剂量报告不足。ICRU第87号报告和AAPM第号报告提出了一种60cm长的聚乙烯体模，以更准确地描述广泛的剂量分布，并将剂量测量误差降至最低。或者，AAPM报告建议在没有模型的情况下测量空气中游离的CT剂量指数（CTDI）。AAPM报告方法适用于螺旋和轴向扫描模式；适用于任何束宽、扫描床增量和扫描长度；也适用于任何形状的模型。此外，已经建立了IEC标准，所有CT制造商必须遵循该标准来适当报告宽准直扫描仪的剂量；这导致在所有光束准直中CTDIvol的近似恒定值。这种方法减轻了传统CT剂量测量在宽准直扫描模式下的误差。
多能CT在使用电离室时面临着与传统CT相同的挑战。或者，有商用的辐射检测装置，例如热释光剂量计（TLD）、光激发光剂量计（OSL）和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。然而，所有这些设备都具有已知的能量依赖性，这对于多能量CT来说可能特别有问题。这些器件的潜在用途将需要表征不同能量下的不同光束分布，并制定适当的校准系数。
基于CTDI的剂量测量量化了CT扫描仪的辐射输出，这对标准化和性能评估非常重要。与其他电离辐射源相比，通常需要估计特定CT检查的相对风险。有效剂量是一个单一的参数，用于解释非均匀、部分身体暴露的生物效应，并可用于这些类型的比较。
用于确定CT检查有效剂量的两种常用方法是：1）计算器官剂量估计值并使用国际放射防护委员会（ICRP）的组织加权系数的蒙特卡罗模拟；2）使用公布的剂量-长度乘积（DLP）转换为有效剂量的方法换算系数。Christner等人研究了头部、胸部、冠状动脉、肝脏、腹部和骨盆的单能和双能CT检查方法。研究人员发现两种方法都没有明显的能量依赖性；单能和双能有效剂量计算的观察差异在8%以内。
双能CT胸部有效剂量的计算
由几位作者完成研究人员使用点剂量计（TLD和MOSFET）和拟人男性模型（AldersonRando，ThephantomLaboratory，Salem，NY，USA），将剂量计放入模型中，以获得代表特定器官剂量的点测量值；另外的剂量计被放置在模型表面差异小于0.4mSv，使用TLD测量胸部器官剂量，然后计算有效剂量。
Mattison等人开发了一种描述光束能量的方法，并计算修正系数以解决能量依赖性，与DLP方法相比，总体误差为5.9%。然而，这些研究并没有明确地试图匹配图像质量。
Schenzle等人用TLDs、量化噪声和CNR对胸部图像质量进行统计评价。对于80/kV、/SnkV和kV单能采集，测量的有效剂量分别为2.61、2.69和2.70mSv。采用非线性混合算法生成双能量图像。
测量了80/kV、/SnkV和kV图像的噪声分别为11.0HU、10.7HU和9.9HU（P0.05），碘对比度（CNR）值分比为33.4HU、30.7HU和14.6HU（P0.05），表明在相同的辐射剂量下，双能CT可以保持图像噪声，提高碘对比度。
由于降噪方法引起的图像质量变化
单能和多能CT图像噪声对疾病检测、对比度分辨率和量化精度都有影响。由于材料分解过程中噪声的放大，多能CT应用特别容易受到图像噪声的影响。迭代重建技术已被应用于低能量和高能量图像或特定材料图像的降噪。一般的方法是建立噪声统计模型或利用两个源数据集之间的噪声相关性来降低图像噪声。其结果是能够在不增加图像噪声的情况下减少辐射剂量。然而，对于低对比度对象，迭代重建降低了边缘锐度，降低了检测或解析低对比度对象的总体能力。
Leng等人已经证明，在多能CT中，可以利用能量域中的冗余信息来降低噪声（从而降低剂量）。Bruder等人利用低能量和高能量图像之间的冗余信息实现了类似的方法和Grant等人，Bellini等人研究了使用商业化版本的这些技术对胰腺双能CT检查的噪声改善，发现在低于70keV的所有能量下，噪声显著降低，CNR显著增加。
Petrongolo等人提出了一种用于多能CT-图像去噪的图像区域分解方法。该方法在保持高对比度空间分辨率、噪声功率谱和电子密度精度（2%的偏置误差）的同时，噪声标准差降低了一个数量级，并且优于滤波和迭代重建。
准确定量的考虑
多能CT定量需要制定质量控制程序，以确保准确性和再现性。量化特定元素（即碘）或材料（即脂肪）的方法因制造商而异，包括利用国家标准与技术研究所（NIST）公布的已知物理特性或用户定义的相关材料参数校正。使用者有责任确保定量的准确性和再现性；否则，在临床结论和决定方面必须非常谨慎。
质量控制程序的开发通常需要一个具有已知标准的模型。目前有几种专门设计用于评估和监测多能量CT系统定量精度的商用模型。Nute等人的一项研究首先报告了质量控制计划的重要性，通过演示系统内的可变性和剂量水平的性能差异。
同一小组通过说明多个供应商碘定量误差的潜在误差，扩大了研究范围。Jacobsen等人报告了未进行后处理参数优化时碘定量的系统误差。
多能CT对碘的定量分析具有重要的临床意义，因为碘是临床上使用最多的造影剂，为提高CT定量分析水平提供了巨大的机遇。采集技术（管电压和预滤波组合）、重建和后处理都会对定量产生巨大影响，如Krauss等人所示，其中碘增强率随着低能束管电位的降低和高能束管电位的增加而增加，尤其是当锡过滤器用于高能x线束时。关于定量CT的另一个重要考虑因素是检查之间的可重复性，不同品牌和型号的扫描仪之间的检查差异，以及患者尺寸或检查床高度的变化可能导致错误的结果。
与传统CT相比，多能CT在碘定量方面的优势在于，当使用选择性材料分解或虚拟单能成像时，灵敏度提高。这种敏感性的增加导致了减少碘造影剂剂量的能力，这有利于肾功能下降的患者。Foley等人讨论了辐射剂量对碘敏感度的重要性，并注意到一些研究表明，与千伏单能CT图像相比，双能CT70keV单能图像的固有碘衰减增加了25%，相反，碘负载可能减少了25%。
除碘外，多能CT对其它材料的定量和定性也有很强的临床应用价值。双能CT平扫诊断尿酸结石和非尿酸结石时，放射剂量显著降低（50-75%），但仍保持所需的敏感性和特异性。
总结
双能和多能CT技术可以区分不同有效原子序数的物质，使新的临床相关CT应用成为可能。从年到9年，应用主要局限于CT血管造影中的自动骨和斑块去除、对比增强扫描中碘信号的去除、灌注血容量的单相成像以及具有特定元素成分的组织的识别。从那时起，已经开发出更多的应用，并进行了前瞻性临床试验，以评估这些技术的临床疗效。
其结果是，双能和多能CT正逐渐成为临床影像学的主流。双能CT在20世纪80年代可能已经从临床上消失，但随着自那时以来发生的巨大技术进步，现代CT技术现在能够充分利用GodfreyHounsfield在年设想的基础物理学和临床前景。
文章翻译整理自：ReportNo.-PrinciplesandApplicationsofMulti-energyCTReportofAAPMTaskGroup()。文章所述内容为原作者观点，仅用于专业人士交流目的，不作为商业用途。
年6月29日
原标题：《双能量CT的临床应用概述》
