国际医学放射学杂志International Journal of Medical Radiology 2011Nov ;34(6)作者单位：200040上海，复旦大学附属华东医院放射科（任庆国为在读博士研究生，滑炎卿）；通用电气医疗集团CT 影像研究中心（李剑颖）通讯作者：滑炎卿,E-mail:cjr.huayanqing@ *审校者DOI:10.3784/j.issn.1674-1897.2011.06.Z0612【摘要】随着多层螺旋CT 问世，各种成像技术及图像后处理技术不断涌现，极大地促进了CT 的临床应用。

能谱成像作为CT 的一项新技术能够生成40~140keV 的101个单能量图像；能够进行物质分离，生成新的基础物质密度图像，如水、碘、钙，并测量其相对浓度及展示不同物质CT 值能量曲线图，在临床及科研应用中拥有巨大潜力，就该技术的基本原理及临床应用展望予以综述。

【关键词】Discovery CT 750HD ；自适应迭代重建；能谱成像；X 线；体层摄影术，X 线计算机CT 能谱成像的基本原理及临床应用The basic principle and clinical applications of CT spectral imaging任庆国滑炎卿李剑颖放射技术学**自1972年第一台头部CT 应用临床以来，CT 发展经历了单笔型束扫描、扇形束扫描、反扇束扫描、动态空间扫描、电子束扫描、单层螺旋扫描和多层螺旋扫描几个重要发展阶段。

尤其是螺旋CT 问世以来，其发展日新月异，各种成像及重组技术极大地促进了CT 在临床实践中的应用。

能谱（量）成像作为一项新技术，根据X 线在物质中的衰减系数转变为相应的图像，除形态展示外尚能够进行特异性的组织鉴别，能够瞬时进行高能量与低能量的数据采集，采用原始数据投影的模式对两组数据进行单能量重建。

1能谱成像的原理1.1X 线基础1.1.1X 线的质和量X 线的质和量主要取决于管电流和管电压等复合因素。

X 线管的管电流愈大表明阴极发射的电子数愈多，X 线强度愈大。

常用X 线管的管电流与照射时间的乘积来表示X 线的量，通常以毫安秒（mAs ）为单位。

X 线的质表示X 线穿透物质的能力，只与光子能量有关而与个数无关。

在X 线的诊断应用中，以X 线管电压大小来描述X 线的质。

1.1.2X 线的能量谱X 线和微波、可见光、紫外线等一样，其本质都是电磁波。

由X 线管产生的X 线并非单一能谱，而是包括特征谱和连续谱两部分。

X 线的特征谱可用量子理论作出完美解释，即当X 线管所产生的高能束流电子轰击靶极时，靶极原子的内层电子脱离原轨道，外层电子填充该空位时产生辐射跃迁，辐射光子的能量取决于跃迁前后的能级差，辐射光子的频率或波长对确定的物质有确定的数值[1]。

X 线的连续谱源于轫致辐射，即高能电子进入靶原子核附近，受原子核电场作用急剧减速，损失的能量以X 光子的形式辐射出去，因高速电子与原子核电场相互作用的情况不同，因而辐射出的X 光子具有各种各样的能量，从而形成连续谱[2]。

图1为100kV 条件下，X 线机的钨靶辐射谱[3]。

1.1.3X 线与物质的相互作用X 线波长很短，具有很强的穿透力，并在穿透过程中造成一定程度的衰减。

X 线与物质的相互作用可以有许多种方式，在医用X 线能量范围内，主要有光电效应、相干散射（Rayleigh 散射）和非相干散射（康普顿散射），相干散射的效果常可以忽略[4]。

光电效应和康普顿散射共同决定了X 线的衰减，即每种物质的X 线衰减曲线是特定的，CT 图像重建过程即是求解每个体素线性衰减系数的过程。

1.2普通CT 基础1.2.1普通CT 图像重建原理CT 图像重建是运用物理技术，测定X 线透过人体某断层各方向的透图1100kV 条件下，X线机的钨靶辐射谱:559－563559国际医学放射学杂志Int J Med Radiol 2011Nov ;34(6)射强度，采用数学方法，求解出衰减系数在人体某剖面上的二维分布矩阵，再将其转变为人眼看到的二维灰度分布图，从而实现断层成像[5]。

假设体素的厚度为d ，那么当强度为I 0的X 线束穿透体素后衰减为I ，衰减规律遵守朗伯定律即公式（1），其中P 为投影值。

如果在X 线束扫描通过的路径上，介质是不均匀的，可将沿路径l 分布的介质分成n 小块，每一小块为一个体素，厚度为d ，那么投影值P 符合公式（2）。

如果在X 线束扫描通过的路径上，介质不均匀，而且衰减系数连续变化，即衰减系数μ是路径l 的函数，那么投影P 符合公式（3）。

（3）理论上，若用X 线束沿不同路径对受检体进行投照，就会得到一系列的投影值P ，从而获得一系列的线性方程，按一定算法可求得每个体素的μ值，目前CT 多用滤波反投影法。

按公式（4）就可得到体素的CT 值，从而进一步获得断层图像。

1.2.2硬化效应由于X 线为一混合能量射线，当X 线束（如120kV ）穿过人体时，低能量X 光子首先被吸收掉，这种现象称为硬化效应。

即使X 线在均匀物质中穿行，先接触到射线的物质对X 线的吸收要多于后接触射线的物质，而CT 成像原理又决定了对X 线吸收能力强的物质，其CT 值要高于对X 线吸收能力弱的物质，所以同为一种物质却表现为不同的CT 值，即CT 值的“漂移”。

不同的CT 设备因为使用不同的球管，其CT 值亦不再具备可比性。

1.3双能能谱成像线性衰减系数μ是光子能量E 的函数即μ(E)，传统X 线-CT 计算出的μ值是混合能量等效值，即采用平均辐射能的计算方法得到μ值。

理论上利用不同能量水平的单能量X 线可以得到一系列相应能量水平的CT 图像，即能谱成像。

因此要实现能谱（量）成像首先想到的解决方案是产生单能量的X 线，同步辐射被认为是一种单能量成像，可以产生一个连续范围的光谱，并用单色器选择任意所需波段，调出适用波长的光进行生物品分析，目前主要处于实验阶段，尚未用于临床实践。

另一种方案就是双能量技术，这早在CT 发明的初期就已有报道[6-7]，但CT 软硬件的限制无法真正在临床上广泛应用[8]。

目前CT 临床应用中的双能量成像方法主要有两种：一种是以Siemens 公司为代表的双源CT ，它采用两套互相垂直的X 线球管及探测器，可以产生两种不同辐射能量而实现双能量成像，但对双能量数据的处理是在图像重建后而不是利用投影数据进行的，同时由于两个球管的视野大小不同，在较肥胖的病人可能会出现视野丢失[9]；另一种以GE 公司的高分辨CT 为代表，它采用单个X 线球管，在瞬间实现高低能量切换，达到双能量成像的目的。

本文讲述的是单球管双能量技术的成像原理。

1.3.1单能量图像前面已提到在医用X 线能量范围内，光电效应和康普顿效应共同决定了物质对X 线的衰减，这样人体中任何物质会随X 线能量变化呈现出不同的X 线吸收衰减能力，即每种物质都有其特征X 线吸收曲线。

当X 线的能量远离K 吸收边界时，物质的衰减系数与X 线能量的关系为一平滑的曲线[10]。

因此可以认为在人体中，当X 线能量高于40keV 时，作为CT 图像重建时体素的衰减曲线为一平滑的曲线，而曲线上的任何两点便决定整个曲线走向，也就是说仅需要2次能量采集即可确定一条特征吸收曲线。

Discovery CT 750HD 采用高（140kV ）、低（80kV ）能量瞬时切换，几乎在同时同角度得到2种能量X 线的采样数据，并根据这两种能量数据确定体素在40～140keV 能量范围内的衰减系数，进一步得到101个单能量图像，这种相对纯净的单能量图像能够大大降低硬化伪影的影响并获得相对纯净CT 值的图像，即CT 值无论在整个视野不同位置、不同扫描，还是不同病人中，都更为一致和可靠。

目前有研究认为65keV 和70keV 图像噪声较低，并有较高的对比噪声比[11-12]。

1.3.2物质组成分析与物质分离任何物质的X线吸收系数可由任意2个基物质的X 线吸收系数来决定，因此可将一种物质的衰减转化为产生同样衰减的2种物质的密度，这样可以实现物质组成分析与物质的分离[13]。

进行物质组成分析时，物质m 1和m 2的衰减系数是已知的，分别为μ1(E )和μ2(E )，d 1和d 2代表分离出的物质密度。

通过公式（5）计算，物质组成分析就能用计算得（2）（1）（5）（4）560国际医学放射学杂志International Journal of Medical Radiology2011Nov;34(6)到的单色光源的数据来表示。

双能能谱成像物质组成分析并不是确定物质组成，而是通过给定的2种基础物质来产生相同的衰减效应；成分分离时，并不是固定以某种物质作为基物质进行物质分离，而是可选择任意2种基物质进行物质分离。

当能量变化时，2种物质的衰减也会发生变化，因此可按公式（6）将水作为单能量图像中的标准物质。

（6）2能谱成像技术支持Discovery CT750HD双能量技术是利用单球管能量切换实现的，可在0.5ms时间内瞬时完成高低能量切换，在第一个采样点位置上用高能，角度变化了零点几度的时候再用低能。

因此可以说几乎在同时同角度得到了2个能量的采样，这样能谱分析可以在投影数据空间进行分析。

能谱成像技术要素如下：2.1瞬时变能高压发生器区别于传统的高压发生器，Discovery CT750HD的高压发生器采用了被称之为快速管电压开关的设计，可以使系统在0.5ms 周期内对X线进行80kV和140kV电压切换，实现瞬时变能目的。

2.2宝石探测器实现双能谱成像要求探测器具备良好的高低能谱区分能力，即瞬时切换的高低能量X线要能被探测器快速转化成可见光，同时探测器及时恢复常态准备下一次能量转化。

Discovery CT750HD采用宝石作为探测器材料，与传统稀土陶瓷探测器和钨酸镉探测器相比较，其稳定性高出20倍。

宝石探测器的快初始速度、低余晖效应、良好的稳定性及通透性优点使双能谱成像成为可能。

2.3动态变焦球管动态变焦球管可以动态改变球管的焦点，这样系统就可以根据不同条件自动地选择匹配的焦点，从而为临床带来更出色的图像质量。

双能成像要求高低能量下具有相同的图像质量，而kV的切换会导致焦点的漂移，宝石能谱CT球管通过3对偏转磁场的聚焦，可获得所需要的焦点，并通过对mAs的独自优化实现高低能量下图像质量的匹配。

2.4高速数据采集系统宝石能谱CT具有7131帧/s的采样率，较传统采样率提高约2.5倍，保证了高低能量下图像的精度。

2.5自适应迭代重建技术自适应迭代重建（adaptive statistical iterative reconstruction,ASIR）技术最大特点在于采用一种迭代计算技术达到最佳的图像密度分辨率并且大大降低噪声。