冠状动脉CT成像和双能量CT成像（精）

冠状动脉CT成像和双能量CT成像

自1998年多家高端CT生产厂商同时推出四层螺旋CT以来,CT的领域无论从硬件制造、应用软件的推出和临床检查的方法等方面都发生了重要的改变,其中最重要的进展是冠状动脉CT成像和双能量CT成像。

1、冠状动脉的CT成像

无论从何种角度评价,冠状动脉CT检查进入临床实用阶段,是多层螺旋CT应用中的一大贡献。在四层及以上多层螺旋CT阶段,冠状动脉CT成像的扫描方式主要分为心电触发序列扫描和心电门控螺旋扫描。

心电触发序列扫描是根据心电监控预设的扫描时机,在病人心电图R波的间期触发序列扫描,触发方式既可以选择R-R间期的百分比,也可以选择绝对值毫秒。这种方式又被称为前瞻性心电门控触发序列。前瞻性心电门控触发序列的优点是:由于是只在R-R间期触发扫描,病人的辐射剂量较小。缺点是由于选择性扫描,无法准确选择心率复杂、不规则病人的扫描时机,并且重要的解剖结构有可能遗漏。其三是由于心动周期的相位不一致,不能做心脏功能的评价检查。

心电门控螺旋扫描又被称为回顾性心电门控螺旋扫描,目前用于16层以上螺旋CT的心脏成像。心电门控的方法是:在记录心电监控信号的同时,采集一段时间、全部心动周期的扫描数据,采用回顾性图像重建的方法,将心动周期舒张期的图像重建用于诊断。回顾性心电门控的图像重建分两个步骤:第一步采用多层螺旋内插,以修正扫描时检查床移动的影响;第二步根据所需图像的位置,采用部分扫描数据重建横断面图像。采用一周扫描的部分数据重建图像,主要是为了提高心脏扫描的时间分辨力。

回顾性心电门控螺旋扫描可采用单个或多个扇区重建心脏图像,目的是为了提高心脏成像的图像质量。一般,在心率较慢时常采用单扇区重建;在心率较快时采用2扇区或多扇区重建。图像重建时扇区的划分方法有自动划分方法和根据基准图像划分方法等。自动划分方法是:根据扫描时病人的心率,自动将扫描的容积数据划分

为一个或两个扇区(又称为“自适应心脏容积”算法;基准图像划分方法是:先将单扇区的扫描数据重建成一个基准图像,然后再回顾性地作两扇区的图像重建,以改善心率较快病人的时间分辨力。另一种方法是根据病人的心率事先调整机架旋转的速度,以获得较好的时间分辨力,但这种方法的前提是病人的心率比较稳定。

以两大CT制造厂商GE和Siemens公司的冠状动脉成像图像重建方法为例。GE公司的单扇区图像重建采用240度扫描数据,双扇区则采用两个120度扫描数据,GE的冠状动脉图像重建最多可采用4扇区(4个60度扫描数据。而Siemens的单扇区重建则采用180度的扫描数据,双扇区重建采用90度的扫描数据,Siemens冠状动脉CT图像重建方法中无4扇区及以上的图像重建。最新推出的Toshiba 320层多层螺旋CT,单扇区图像重建也采用180度扫描数据,双扇区采用90度扫描数据,3扇区采用60度扫描数据,最多5扇区重建采用36度扫描数据,采用扇区的大小分别对应于心率的快慢,一般在心率大于85次/分时,需采用5扇区重建。

2 、双能量X线CT成像

双能量成像方法早期曾用于X线摄影、数字X线摄影(digital radiography和CT 扫描,2005年首次由Siemens公司采用双辐射源的方法再次引入CT检查中,由此开拓了CT 双能成像的新领域。

双能量CT成像的基本原理是X线与物质相互作用时的衰减定律。在早期的X线性质研究中我们已知,相同能量的单能谱射线与单一物质相互作用时,其衰减值是不变的,同样在多能谱射线中我们可采用平均辐射能的计算方法来计算某一物质的衰减值,采用两种有差值的不同能谱对一种物质进行照射后,我们可利用已知的某一物质的衰减值,以及使用不同辐

射能衰减值的差值来计算衰减差,最终由计算机图像处理系统完成双能图像的重建。

目前在CT临床应用中的双能成像方法主要有两种:一种是由Siemens公司为代表的双源CT扫描仪,它采用两个X线辐射源产生两种不同的辐射能量对病人进行

扫描检查;另一种以GE公司的高分辨率CT(HDCT为代表,它采用单个X辐射源,利用专门设计的高压发生器,使瞬间产生高低不同的辐射能,达到双能CT检查的目的。相比较而言,前者对探测器的响应和刷新速度要求不高,但必须同时采用两套X线发生和接收系统。在Siemens双源CT中,其高压发生器是专门设计、合而为一的,但在扫描机架中同时装备了两套X线球管和探测器系统。在GE的HDCT中,X线球管和探测器系统只有一套,它利用特殊设计的高压发生器系统,使曝光的同时产生两种电压的变化,转换速率可达0.35ms。由于需在很短的瞬间接收两种不同的能量,HDCT在探测器材料上也作了改变,采用加入碳分子结构(俗称宝石物质来替代探测器中的某些材料,此举一是大大缩短了探测器的响应时间和余辉时间(响应时间约缩短150倍,余辉时间约十倍,其次是提高了CT成像后的图像质量。

在不同的辐射能量时,并不是所有的物质都能显示明显的衰减差值,但至少是目前已知的人体组织和一些其它物质都表现出了良好的衰减差,如骨骼和碘剂。在临床应用中,双能CT成像一般选择使用的千伏值是140kVp和80kVp,其主要原因是因为这两种千伏值在CT 成像中的剂量效率最高;同时在双能CT成像时所使用mAs的比值一般要求为1:4,即140kVp 使用1mAs,则80kVp的扫描使用4mAs,以使两次扫描所获得的噪声水平相同并便于能量衰减的计算。

双能CT成像的临床应用范围目前尚无法明确,但从已知的初步临床应用结果来看,已展示了其良好的应用前景,如:从增强图像获得虚拟平扫图像;显示、分辨肌腱和韧带;(胆囊,肾脏结石的成分分析;去除血管壁上的钙化斑块;CT血管造影的直接去骨功能;肺灌注异常的评估等。

3、128、256及320层多层螺旋CT

2007年的北美放射学年会,多家厂商宣布推出128层、256层以及320层多层螺旋CT 扫描仪,使多层螺旋CT发展进程的步伐又迈出了坚实的一步。

128层的商品名是Definition AS,由Siemens公司推出。它沿袭了Siemens 64层螺旋CT的设计理念,X线球管仍采用零兆球管(Straton tube,发生器功率100kW,机架开口的孔径78cm。探测器阵列纵向的排列方式为等宽64排,单个探测器宽度为

0.6mm,纵向探测器阵列的总宽度为38.4mm。128层的采集方法仍采用Z-sharp飞焦点技术,即利用64排物理探测器阵列通过曝光时焦点瞬间的变换,获得双倍的采样,机架扫描一周最短时间缩短到0.30秒。在扫描功能上除了64层已有的功能外,在Definition AS上开发了螺旋动态扫描方式,螺旋动态扫描最大覆盖范围27cm。

256层由Philips公司推出,商品名为Brilliance i。Brilliance iCT探测器的物理排数为等宽128排,单个探测器的宽度0.625mm,探测器阵列纵向的宽度为80mm。扫描机架旋转部分采用了空气轴承技术,使旋转一周扫描时间缩短至0.27秒,心脏成像时的时间分辨率可达34ms。值得一提的是,Philips的256层螺旋CT成像也采用了飞焦点技术,使128排的物理探测器阵列通过Z轴双倍采样,获得了旋转一周256层图像的结果。在心脏冠状动脉成像方式中,256层CT可采用螺旋或非螺旋扫描方式,两种方式的机架旋转时间都是0.27秒,螺旋扫描的可使用全部80mm的探测器,但相对而言,非螺旋扫描的图像质量较高和辐射剂量较低。动态扫描最大覆盖范围40cm,动态连续扫描时间20秒。

320层是目前CT扫描仪中探测器排数最多的CT机,由Toshiba公司在2007年北美放射年会上推出,商品名称为Aquilion One。Aquilion One CT探测器阵列物理排数也为等宽并且达到320排,每排探测器的宽度沿用Toshiba公司的设计风格为0.5mm,因此该款机型探测器阵列纵向的物理总宽度达到160mm,扫描机架旋转一周的最短时间是0.35秒。在冠

状动脉扫描成像方式中,Aquilion One采用非螺旋扫描模式,由于160mm足够覆盖整个心脏,故在心率控制良好的情况下,一次旋转就能完成整个心脏图像的采集。心脏成像的图像重建方式根据心率的变化有单扇区(180°、双扇区(90°、3扇区(60°以及5扇区(36°。在螺旋扫描方式中,由于大探测器阵列的辐射剂量、对比剂注射流率和高速床移动的原因,320层CT只采用了其中的64排探测器阵列,即32mm的物理覆盖宽度。

4、多层螺旋CT的相关问题和基本概念

1.重排、重建与重组(Rebinning、 Reconstruction and Reformation

重排是多层螺旋CT扫描利用原始数据重建图像过程中的预处理阶段。 原始扫描数据经计算机采用特定的算法处理,最后得到能用于诊断的一幅横断面图像,该处理方法或过程被称为重建或图像的重建。

重组是不涉及原始数据处理的一种图像处理方法。如多平面图像重组、三维图像处理等。

由于重组是使用已形成的横断面图像,因此重组图像的质量与已形成的横断面图像有密切的关系,尤其是层厚的大小和数目。一般,扫描的层厚越薄、图像的数目越多,重组的效果就越好。

2.准直宽度、层厚与有效层厚(Collimation, Slice and Effective Slice

准直宽度是指CT机球管侧和病人侧所采用准直器的宽度,在非螺旋和单层螺旋扫描方式时,所采用的准直器宽度决定了层厚的宽度,即层厚等于准直器宽度。

但在多层螺旋扫描方式时,情况则不完全一样,因为同样的准直宽度可由4排甚至16排探测器接收,而此时决定层厚的是所采用探测器排的宽度。如同样10mm的准直宽度,可以由4个2.5mm的探测器排接收,那么层厚就是2.5mm;如果由16个6.25mm的探测器排接收,那么层厚就变成了0.625mm。

有效层厚指扫描时实际所得的层厚,由于设备制造的精确性原因,标称1mm甚至0.5mm 的层厚设备制造厂家无法做到如此精确,一般都有一定的误差,其误差范围大约在10%~ 50%之间,层厚越小,误差越大。一般,层厚的误差与扫描所采用的方式和设备的类型无关。

3.时间分辨力(Temporal Resolution

时间分辨力的主要含义是指扫描机架旋转一周的时间,但在多层螺旋CT中,它还与扫描覆盖范围和重建方式有关,它也是影像设备的性能参数之一,并且与每帧图像的采集时间、重建时间以及连续成像的能力有关。在CT中表示了设备的动态扫

描功能,如在多层螺旋CT 心脏成像时,时间分辨力的高低则决定了CT机在这方面临床应用的适应性和范围。

4.单扇区和多扇区重建(Single Sector and Multi Sector Reconstruction

单扇区和多扇区重建是冠状动脉CT检查的专用术语。一般,冠状动脉CT图像的重建采用180°或240°的扫描数据,称为单扇区重建;采用不同心动周期、相同相位两个90°或120°的扫描数据合并重建为一幅图像称为双扇区重建;采用不同心动周期、相同相位的4个60°扫描数据(如GE合并重建为一幅图像称为多扇区重建。多扇区重建的目的主要是为了改善冠状动脉CT检查的时间分辨力。

5.准直螺距和层厚螺距(Collimaton Pitch and Slice Pitch

准直螺距和层厚螺距是自4层螺旋CT出现后对螺距的一些不同计算方法。准直螺距(或称螺距因子、射线束螺距的定义是:不管是单层还是多层螺旋CT(与每次旋转产生的层数无关,螺距的计算方法是扫描机架旋转一周检查床移动的距离除以所使用探测器阵列的总宽度。如16层螺旋CT每排探测器的宽度为0.75mm,当扫描机架旋转一周的移动距离为12mm时,16排探测器全部使用,则此时多层螺旋扫描的螺距为1(16×0.75mm=12mm,12/12 =1。4层螺旋CT时,如扫描机架旋转一周移动的距离为10mm,使用两排5mm的探测器,此时螺距同样为1。上述螺距计算的特点是不考虑所使用探测器的排数和宽度,与单层螺旋CT螺距的计算基本概念相同,同样由于螺距变化对图像质量的影响也相同。层厚螺距(或

称容积螺距的定义是:扫描机架旋转一周检查床移动的距离除以扫描时所使用一排探测器的宽度,如4层螺旋CT使用2排5mm的探测器,检查床移动距离10mm,则层厚螺距为2(10/5 =2。又如检查床移动距离仍为10mm,使用4排2.5mm的探测器,则层厚螺距为4(10/2.5 =4。层厚螺距的特点是着重体现了扫描时所使用探测器的排数。

6.共轭采集和飞焦点采集重建(Conjugate and Fly Focus Acquisition

共轭采集重建是在扫描时快速地改变探测器的位置,分别采集180°和360°的扫描数据,并利用两组数据重建图像。飞焦点采集重建是在扫描时使焦点在两个点之间快速变换,得到双倍的采样数据并重建图像。共轭采集和飞焦点采集都可提高扫描图像的纵向分辨力。

7 .各“相”同性(Isophasic

“各相同性”名词的出现源于多层螺旋CT探测器技术的发展,主要指心脏冠状动脉的CT扫描。在256层以下(包括双源CTCT的冠状动脉检查中,扫描机架旋转一周无法覆盖整个心脏,一般至少需5~10次旋转,由于心脏的图像是采用回顾性重建,在多扇区心脏图像重建中,需采用相同相位、不同扫描时间的CT扫描数据。而目前256层心脏CT扫描,其探测器阵列的宽度旋转一周足以覆盖整个心脏,即扫描覆盖的所有层面都在同一心动周期相位中。因而这种一次旋转完成采集的心脏扫描方式,其获得的心脏图像被称为“各相同性”,即无需相位选择的一次性采集。

8.过度射线和过扫范围(Overbeaming and Overranging

过度射线和过扫范围都与多层螺旋扫描有关。过度射线主要是由于多层螺旋扫描使用了孔束(或称锥形束射线,使得在每一层横断面重建的原始数据中冗余了一个扇形角射线,尽管在横断面的图像重建中这部分数据可被适当利用,但有时由于螺距的设置和原始数据利用率等问题,使多层螺旋扫描的辐射剂量较非螺旋扫描有所增加。过扫范围是由于螺旋扫描螺旋状的扫描轨迹所需,为适应横断面图像重建原始数据量的要求,必须在一个扫描容积的头尾部分补上适当的扫描范围,以使横断面的重建有足够的原始扫描数据量。过扫范围在单、多层螺旋扫描中都存在,而过度射线主要存在于多层螺旋扫描中,随着探测器阵列纵向宽度的增加,冗余的扇形角和过度扫描的范围趋于增加。

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