能量成像的基本概念

能量CT成像的发展到目前为止经历了双能减影和能谱成像两个阶段或两种模式。双能减影在图像空间完成，而能谱成像在原始数据空间实现。当双能量信息具有不一致性时（同向但不同时，或同时但不同向），我们只能通过双能量图像减影的方式来获取能量信息。而当双能量数据信息具有一致性时（同时且同向），我们可以通过对原始数据空间的能量解析，获取更多的能量信息以实现能谱成像。

双能减影和能谱成像这两种能量CT成像模式对设备和成像条件的要求不同，能够为临床提供的信息也存在很大差异。

双能减影CT成像通过单球管高低电压同向但不同时两次扫描和双球管高低电压同时但不同向扫描来实现。目前，能谱成像则通过单球管高低电压瞬时切换来实现，利用单球管双层探测器的方法来实现能谱成像也曾经被研究过，但近期没有太多的进展。另外，利用半导体材料探测器进行单光子计数和能量甄别的能谱成像的方法也在研究中。

双能减影的一个优点是对设备的要求相对较低。原则上任何多排CT都能进行某种双能减影成像，但只有达到一定的能量时间分辨率（即获取两个不同能量信息的时间差），才能得到具有临床意义的图像。目前使用的单球管双能扫描方法，两个不同能量扫描序列的时间差几百毫秒，双球管模式能把能量时间分辨率提高到几十毫秒。但这两种成像模式都还不具备足够的能量时间分辨率以使双能量原始数据具有一致性。

双能减影的另一个优点是能够通过调整电流强度更好地匹配两个不同能量级别的信号强度。目前，双能减影成像中通常使用CT机中能够提供的最低电压（80 kVp）和最高电压（140 kVp）来达到能量分离以实现对不同物质的区分。对两组不同电压的数据进行独立重建以获取不同能量级别的CT图像。对比两组图像CT值的变化，并同已知物体（如水、钙和碘）的校正曲线进行对比以区分物质。同时两组在不同球管电压下获得的图像也可通过不同的权重组合以满足临床的需求。给予低电压图像更多的权重有助于提高图像对比度，给予高电压图像更多的权重有助于降低图像的噪声。在近期的研究中，非线性的权重组合也被尝试过以便优化图像的显示能力。但因不同的权重组合，最终图像的CT值就不同，使双能减影成像难以实现量化分析。

目前，双能减影成像存在的最大问题就是运动伪影及硬化伪影。双扫描或双球管模式的双能减影成像会因能量时间分辨率不足而引起运动伪影。心脏搏动、呼吸运动及器官蠕动都会出现伪影。虽然器官蠕动和呼吸运动伪影在常规的CT影像中，特别是高机架旋转速度的CT影像中不明显，但经过双能减影，这种运动伪影显得非常明显。其次，双扫描或双球管模式的双能减影会导致硬化伪影。硬化伪影是CT的固有问题，它会随物体的大小、组成以及感兴趣区在物体中的位置而变化。低电压的图像往往带有较严重的硬化伪影，这样使得最终的组合减影图像的硬化伪影也更为突出。这些运动伪影和硬化伪影使双能减影CT在临床应用中受到一定的限制。

为了克服双能减影技术的不足，人们开始研发另一种能量成像的技术方法——能谱成像。能谱成像就是通过在多个单光子能量水平下的成像，得到能量的原始信息，对图像的分析和处理都是在原始数据空间进行。能谱成像因较高的物质密度分辨率，实现了较准确的物质分离。单能量成像在一定程度上可以消除硬化伪影，并为肿瘤的早期发现、定性和定量分析提供更多信息。能谱成像是在原始数据空间对能量数据进行处理和分析，要求两种不同能量的数据具有时间和方向上的一致性，这不仅对能量时间分辨率提出了非常高的要求，同时对X线的产生、接收和信号的重建也提出了较高的要求。

目前临床上能谱CT成像是通过使用单球管双能瞬时切换技术以及超快速宝石探测器（gemstone spectral imaging，GSI）实现的。这种成像方法通过单一球管高低双能瞬时切换技术（80 kVp和140 kVp，好于0.5 ms的能量时间分辨率）产生时空上完美组合的双能数据，实现数据空间能谱解析。另外，这种通过使用单球管双能瞬时切换技术实现的能谱CT可以对50 cm的完整空间进行能谱成像。

能谱成像不但为临床提供了物质密度图像实现物质分离，同时也提供了单能量图像，大大扩展了能量CT的临床应用价值。研究者们仍然在不断挖掘能谱成像的临床应用和科研价值。

能谱成像的临床应用可以从物质分离和单能量成像两个方面推进。从物质分离方面来看，①虚拟平扫功能，即一次增强扫描中，不仅获得了增强图像，还获取平扫图像，不仅简化工作流程，更降低了受检者的辐射剂量；②肺栓塞的诊断，可以通过分析增强扫描图像中，碘在肺中的分布，来获取肺段血液灌注信息，为肺栓塞的检出和肺功能的分析提供帮助；③结石成分分析，以提供更合适的治疗方案；④钙碘分离，更清晰地显示血管狭窄，消除钙化影响；⑤还有其他多种物质的定量研究，等等。从单能成像方面来看，①提高了对细微结构和低密度差物质的显示和观察能力，这一点是通过对最佳单能量的选取和使用实现的,如对亚毫米胰管、视网膜中央动脉和对肌腱韧带病变的显示能力大为提高。②消除硬化伪影和金属伪影，这是常规CT很难甚至无法实现的。能谱CT还能够通过最佳单能量点的选取，优化成像条件，增加对比度，特别是血管和肿瘤中的对比剂同实质性组织的对比度，有利于显示细微血管和早期发现微小低密度差肿瘤。③增强扫描时减少对比剂用量。④能谱CT成像可以提供指定感兴趣区的独特能谱曲线，为确定肿瘤和斑块性质提供了可能。

能谱CT成像的科研潜力体现在能谱成像可用于物质分离、肿瘤定性和治疗随访的研究上。此外，还可用于降低硬化伪影和金属伪影价值的研究，CT定量研究（如脑部灌注），去除钙化对狭窄血管测量准确性影响的研究，确定斑块性质研究及虚拟平扫准确性评估的研究，以及单能成像的临床应用价值和最佳单能成像点选取的研究上。

总之，能谱CT成像已经彰显出它在临床和科研中的独特性和巨大优势，而且这种独特性和巨大优势还在随着临床应用的深化而得到不断的强化。