儿童胸部能量CT昨天今天和明天
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计算机断层扫描技术自20世纪70年代问世以来，一直在不断发展和改进（参见：）。CT技术的初步改进提高了速度，提高了分辨率，并更有效地利用了电离辐射。最近的技术创新围绕着双能量/能谱的扩展使用展开。
传统CT都是利用单一混合能量成像的，在扫描之前，手动或自动选择管电压（kV），利用单能量球管和多排探测器阵列进行成像。双能量成像经历了漫长的发展阶段（参见：）。最近的技术飞跃是光子计数探测器CT的发展（参见：）。它允许一次评估一系列能级，再次为获取和评估以前无法获得的数据提供了机会。今天我们讨论一下双能CT和光子计数探测器是如何工作的，以及它们如何用于小儿胸部成像。
硬件：扫描仪类型
单源
单源扫描仪有多种类型。同源双光束，也称为分裂滤波器或双光束，使用金和锡滤波器以及单个探测器阵列将单个光源分为两个能级。单球管以kV的电压发射X射线，机架时间低至0.28s，视野为50cm。快速管电压切换利用单探测器阵列，同时每0.2ms将管电压从80kV更改为kV，旋转时间为0.5s，视野为50cm。双层探测器使用单个能量束，但在每个探测器处过滤不同的能级，旋转时间为0.27s，视野为50cm。
对于易移动的儿童来说单源扫描仪不太理想。所有单源CT系统的光谱分离有限。
双源
双源CT是双能CT最稳健的实现方法。这些扫描仪有两个X射线球管，彼此呈约90角。虽然能量（kp）不同，但两个光束同时打开，并执行一次扫描。当前最新的扫描仪，最大管电压差为70kV和kV，低能球管和高能球管的最大视野分别为50cm和35cm。机架旋转时间也减少到了0.25s，提供了更快的扫描速度（参见：）。
双源系统具有可用的双能量扫描仪中最大程度的光谱分离。第二代和第三代双源CT扫描仪还在高能球管上安装了一个锡过滤器，以衰减低能光子并进一步增强光谱分离程度（参见：）。
光子计数器探测器
光子计数器探测器CT是一种基于探测器的多能量成像技术，与单源类型中描述的基于探测器的技术具有本质的不同。虽然光子计数探测器已经在核医学正电子发射断层扫描（PET）/单光子发射计算机断层扫描（SPECT）和乳腺光谱成像中广泛使用了一段时间，但分辨率非常有限，不足以满足CT应用的需要。随着临床光子计数探测器CT最近开始商用，了解其潜力和局限性非常重要。
光子计数探测器技术不同于以往的常规单能和双能CT。首先，消除了常规和双能CT的光子闪烁体和可见光传感器，并用碲化镉或碲锌镉半导体二极管代替，直接将X射线光子转换为电信号，按比例分离X射线能量，以便可以单独计算每个能量阈值。这项新技术允许进一步减少辐射剂量，提高空间分辨率，减少噪声和多能量数据采集，并为新型造影剂的开发提供了可能性。此外，光子计数探测器CT消除了探测器隔栅的使用，并使用更小的像素，有助于提高固有剂量效率和常规CT所未见的高分辨率成像。
双能量及多能量CT成像原理
常规CT利用一个管电压，在扫描开始之前确定。这限制了可获得的组织分化量。单能CT成像中的一个常见问题是区分碘和钙，根据物质的浓度，碘和钙可能具有相似的Hounsfield单位（HU）。
因此，需要两种能量来区分两种相似的材料。这就是所谓的材料分解，这是一种后处理算法，它根据不同材料衰减不同能量的方式来分离出不同的材料。双材料分解（如水、碘）用于单源双能CT，而三材料分解（如软组织、碘、空气）用于更稳健的双源双能CT。
双能CT中的两种能量是根据研究类型选择的，对于胸部成像，第三代双源CT扫描仪通常为70kV和kV，第二代扫描仪通常为80kV和kV。肺部成像中感兴趣的成像输出包括碘图、虚拟平扫、肺血容量和单能谱图。
光子计数探测器成像以类似的方式工作，利用两种基材和碘进行三种材料的分解技术。可用于处理的更广泛的能量阵列允许去除线束硬化伪影并改进碘浓度的测量。多能量的另一个优点是可以同时评估具有特征k边界的多个造影剂。
胸部成像的输出图像
混合图像
双能CT扫描仪的多次迭代会根据采集的能级生成两个或多个数据集。例如，对双源CT数据集进行平均，以生成线性融合或混合图像，该图像看起来像是获得了单个能级，可以立即进行读片。使用第三代双源CT的胸部检查示例可能会使用70kV的低能量和kV的高能量，混合图像分别代表50:50的高能量和低能量比。这将产生与常规CT相同的图像。
碘图
碘图是人体应用中广泛使用的能谱成像特征图像，对常规肺成像用处不大；然而，它们可以在纵隔和胸壁肿块以及腺病评估中发挥作用。
在碘图中，碘显示为纯碘图或彩色编码浓度，作为CT图像上的覆盖，以增加醒目性。
虚拟平扫
与碘图配对的是虚拟平扫。这是与相关碘图相反的外观：碘以碘图的形式叠加在解剖图像上，而虚拟平扫显示的是减去造影剂后的CT图像。这些配对技术有助于确定什么是真正的造影剂，无论是作为组织增强还是外渗。它还具有减少辐射的潜力，因为它减轻了对平扫成像的需要，这有时是诊断评估所需要的。
肺PBV
肺PBV，类似于碘图，计算给定体素中的碘浓度，并生成肺部的彩色叠加图。因此，肺PBV被用作肺灌注的替代物，应与肺血流量定时的CT血管造影一起进行。理论上，肺PBV可以量化每个肺中的造影剂，或进一步划分为肺叶。
单能＋
除了双能CT产生的两种原始能量外，单能＋成像允许将能量外推至40千电子伏（keV）和keV。低keV利用碘在33keV时的k边界，增加对比剂的显影，而高keV利用减少金属伪影。由于光谱分离的改善，光子计数探测器进一步改善了这些特征。
临床应用
肺栓塞
胸部能量成像的主要用途是评估肺栓塞。CT血管造影对比剂的使用与常规单能量CT相同，精确定时的团注对诊断极为有利。值得注意的是，在对成人双能CT和单能CT进行比较的荟萃分析中，在确定肺叶和节段水平的肺栓塞方面没有显著差异。然而，双能量扫描的可以在多个方面帮助改进肺栓塞的检测，文献支持改进亚段栓塞的检测。肺PBV碘覆盖可以描述灌注缺陷，例如，当较小的亚节段凝块被可疑地看到或不能作为管腔阻塞最终解决，但可能仅被视为灌注缺陷时。此外，利用单能＋应用程序可以改善对比度可视化。能级越低，碘的k边界越近，碘衰减越大，对比度越亮。这有助于挽救不良的团注，在必须给予较小的对比剂剂量时有帮助，并且对组织衰减较大的患者有益（图1和图2）
图1一名17岁女孩的肺栓塞。a轴位CT混合图像显示右下叶节段肺动脉分支可能存在充盈缺损（箭头所示）。黄色圆圈表示较小视野数据集的边缘，无法对包围区域外的组织进行后处理。轴位（b）、冠状位（c）和矢状位（d）肺PBV图显示右下象限存在灌注缺陷（十字线）。右侧权重灌注色标；红色是良好的灌注，而蓝色和紫色是较差的灌注。十字线代表表示每个成像平面上相应位置的正交平面，橙色代表轴位，紫色代表冠状面，红色代表矢状面。
图2一名10岁女孩的非闭塞性肺栓塞。采用单能增强技术获得四个轴位CT切片，以克服不良的团注时间。（a）50keV、（b）70keV、（c）90keV和（d）keV图像上的非闭塞性栓塞（箭头）。轴位CT上的肺PBV彩色编码图显示肺灌注的均匀性，表明肺灌注正常。
肺血管成像
还可以进行血管分析。肺动脉的高碘浓度用颜色编码（例如蓝色），肺静脉的低碘浓度用另一种颜色编码（例如红色）。这有助于评估血栓，如肺栓塞，或增加肺动静脉畸形的显著性（图3）。可以选择将该信息与肺血流融合，以确定与任何血管异常相关的灌注缺陷。
图3一名13岁特发性肺动脉高压女孩的肺血管成像。肺窗内的轴位CT胸部显示肺周围扩张的血管结构和周围的毛玻璃混浊，与动静脉畸形一致。a箭头表示动脉，箭头表示静脉。b轴位CT血管成像整体图彩色编码显示高碘浓度动脉（蓝色，箭头）和低碘浓度静脉（红色，箭头）。
慢性肺部疾病的肺灌注
双能量CT的候选者最好能够保持静止和屏住呼吸，这对年幼的儿童来说是一个很大的限制。在这里，有一个折衷方案，即使用双源扫描仪提供的高速、低运动的大螺距扫描，或使用具有更多功能信息的低速、低螺距双能量扫描。来到CT室的儿童已经在重症监护室通气或能够屏住呼吸，将使用双能量扫描。在使用肺PBV作为肺灌注替代物的基础上，还可以评估病变肺中的肺实质。这对新生儿和婴儿评估肺发育不良、先天性肺叶过度膨胀（CLO）或支气管肺发育不良（BPD）有一定的影响。发育不全的肺或CLO在混合图像上是高透光的，而在肺PBV上表现为低灌注。患有慢性阻塞性肺病和肺动脉高压的成年人在继发于血管病因学时，存在灌注异常和异质性以及镶嵌衰减。支气管肺发育不良的表现也因严重程度而异：BPD越严重，灌注越不均匀，偶尔以特定肺叶为主（图4）。根据最近一项成功比较双能CT与通气灌注（V/Q）SPECT/CT的初步研究结果，在呼吸功能差的儿童中，双能CT上的非灌注肺有助于指导外科医生是否进行肺叶切除术。在紫绀型先天性心脏病患儿中使用肺灌注也有类似的描述。
图4一名27周出生的患有支气管肺发育不良（BPD）的5个月大男孩的肺灌注成像
a肺窗轴位CT显示重度BPD。b使用“致密肺”工具的相应轴位肺PBV显示出明显的肺灌注不均匀性，一些区域显示灌注增加（红色），其他区域显示灌注减少（蓝色）。c不使用致密肺工具，在相同水平的轴位CT上进行肺PBV叠加。注意多个区域现在错误地显示为非灌注（箭头）。
肺血容量的量化
碘的浓度可以通过量化更详细地评估。当评估流入肺部的碘血流量时，碘对比度与肺动脉相匹配，以最佳确定肺血流量。后处理软件可以分割肺部并确定区域内的浓度，或者可以选择和评估单个感兴趣区域（图5）。
图5一名患有右下叶病变的5岁男孩的肺血流定量。
a肺窗轴位CT显示右下叶巨大病变，伴有大小不等的囊肿，符合先天性肺气道畸形（CPAM）。b肺PBV轴位CT叠加显示该病变几乎没有灌注。异常区（右下叶）和正常区（左下叶）内的相关区域以mg/ml和亨斯菲尔德单位（HU，标记为CM）测量碘密度，右下叶病变显示密度为0.9mg/ml和26.3HU，而正常左下叶实质测量密度为4.9mg/ml和.3HU。c冠状位肺PBV显示CPAM（深蓝色）和肺分割（绿线），根据肺容量划分肺叶。d输出图表描述了增强模式。请注意，根据该方法，病变位于右侧中叶和下叶，两个叶显示计算相对增强降低（分别为88%和68%），绿色框中突出显示。
在未来，随着光子计数探测器分辨率的提高，沿着裂缝的分割可能成为可能，稍后将进行更详细的讨论。此外，人工智能在分割肺部、检测灌注和标记异常方面的应用刚刚开始研究，如果适用于儿童肺部，则有可能改进工作流程。然而，就目前情况而言，在较小的儿童中，双能CT对肺裂的计算机辅助检测，尤其是对病变肺的检测，是有限的。如图5所示，当前的限制反映了供应商软件无法沿裂缝分割儿童肺部，可以选择基于距离或体积的方法，从而限制了其实用性。
出血
碘图和虚拟平扫的应用可以更容易地检测急性出血。最常用于寻找胃肠道出血，胸部在血管评估中有一定作用，如内漏或创伤性撕裂伤。光子计数探测器可以更进一步，同时使用两种造影剂评估内漏，以减少额外扫描的需要。
手术后纵隔出血也可以通过这种方式进行评估，或者在创伤的情况下进行评估，类似于在腹部更广泛报道的用途。
使用单能技术降低keV可以进一步增加碘的显著性，使小出血更容易识别。
病变分析
对比增强可以用两种方式表达。在一种情况下，可以评估增强的Hounsfield单位，与平扫的Hounsfield单位相比尤其有用。这可以直接比较病变或实质的强化程度。或者，碘的密度可以报告为毫克每毫升（mg/ml），这可能因供应商而异。据报道，这些技术在成年人群的肿瘤评估、进展和治疗反应方面具有价值。
虽然有必要对儿童特异性肿瘤进行进一步研究，以确定真实病变增强和治疗反应的临界值，但可以使用该技术评估肺结节、纵隔或胸壁病变（图6）。增强CT可以区分强化肿块和有碎屑的囊性肿块。
图6转移性横纹肌肉瘤10岁男孩的病变评估。
a通过上腹部进行轴位CT扫描，并在腹膜后肿块上放置一个感兴趣区域（ROI），在椎旁肌肉组织上放置一个感兴趣区域（ROI）。对比剂密度（CM）在肿块中为37.8HU，在背景棘旁肌中为16.2HU，而与背景棘旁肌在0.7mg/mL时相比，碘浓度在病灶中增加（1.4mg/mL）。b轴位CT胸部碘图。在后纵隔肿块周围绘制ROI，该肿块与腹膜后肿块具有相似的对比度密度（33.5HU），表明增强。纵隔肿块的碘浓度与腹部肿块的碘浓度相同，为1.4mg/mL，而脊旁肌的对比度密度为17.6HU，碘浓度仅为0.6mg/mL。同一水平软组织窗的轴位CT混合图像（c）和轴位虚拟平扫图像（d）显示所有碘均受到抑制。
在单期增强检查中，虚拟平扫可以区分钙和造影剂。碘浓度较高的肺结节和肿块更可能是恶性的。虽然在儿科人群中没有可靠的文献，但成人文献支持使用碘浓度来确定淋巴结是否转移，因为恶性淋巴结比良性淋巴结更具血管性。肿瘤内碘浓度降低也可以通过治疗反应来观察。
减少条纹伪影
对于双能量CT，为了减少金属伪影，必须增加keV以减少条纹伪影。这取决于组织类型，对于胸部应用（如脊柱硬件），这一点更高。另一种可能遇到的致密材料是淋巴管造影栓塞术研究中使用的碘油。keV的任何增加也会增加周围组织的噪声；因此，利用高keV单能图像和混合图像有利于评估周围组织（图7）。光子计数探测器可以同样通过利用更高的能量箱和锡滤波器来减少条纹伪影。
图7淋巴管造影术后10岁男孩状态的条纹伪影减少
胸部轴位增强CT。在（a）70keV、（b）keV、（c）keV和（d）keV下，利用单能增强成像对同一轴位切片重建多幅图像。keV的增加导致条纹伪影的减少。请注意，在更高keV的图像上，周围骨骼的可视化效果有所改善（箭头所示）。随着keV越高，碘的k边界越远，keV越高的图像也开始出现类似于虚拟平扫成像的效果。高kev图像会受到更大的图像噪声影响。
超高分辨率
与光子计数探测器不同的一个特征是超高分辨率肺成像，因为光子计数探测器固有的剂量效率高分辨率特性。这种超高分辨率将像素大小减小到仅0..25mm，并使用低能量阈值，从而提高了肺部成像的空间分辨率。这改善了肺部细节的可视化，如小气道和小叶间隔，并有助于检测间质性肺疾病。据报道，当控制图像噪声时，该特性会导致辐射剂量减少50%，或当控制剂量时，会导致图像噪声减少29%，这两种情况有时会对目前的双能CT迭代带来挑战。
替代造影剂
光子计数探测器的一个潜在应用是使用新型CT造影剂，这是双能CT无法实现的，因为获得的能谱更宽，因此能够定位特定造影剂的k边界。例如，实验中使用了钆（剂量高于MRI），因为它的k边界为50.2keV。然而，在对钆沉积风险尚未确定的认识方面，以高于MRI的剂量使用钆有进一步的影响，如果临床应用成为现实，则需要谨慎。此外，还尝试了金、氙、铋等。光子计数探测器CT可以区分同时使用的多个对比剂。这一特征已在腹部应用中进行了研究，以减少扫描阶段的数量，并可能在胸部成像中具有未来价值。
局限性
体型
对于一些较大的青少年或年轻人，尺寸可能是一个限制因素，具体取决于扫描仪类型。具有两个能量束的双源双能CT扫描仪具有不同的视野（FOV），较低的kV导致较大的FOV（图1）。任何位于较小视野和较大视野之间的组织都不会进行双能量后处理，因为只有一个数据集可用。
由于这一点，以及双源和双光束扫描仪上的蝶形滤波器能够衰减外围X射线，因此将儿童放置在CT孔中心至关重要。
造影剂条纹伪影可能难以抑制。这在肾集合系统和CT血管造影中也是如此，尤其是在团注高浓度碘的情况下，通常会导致上腔静脉或头臂静脉出现条纹。HU增加可能被软件解释为真正的增强或灌注，导致虚假的碘覆盖。一种技术是稀释造影剂在团尾以降低密度。
肺密度
早产和病变肺的致密性对肺实质的准确解释提出了挑战。在评估这些肺时，重置软件检测到的最小HU的“致密肺”工具是必要的调整。检测的默认最大HU阈值为?HU，但通常提高到?HU。这种差异允许密度更大的肺显示灌注，而不是人工显示为非灌注组织（图4）。
双源CT的检查床和机架速度是指当双能量模式开启时，扫描速度受到限制。同时使用两个球管的更快的“TurboFlash”模式允许球管旋转四分之一，并且检查床移动的螺距大于3。双能量模式具有与单能量CT扫描仪类似的螺距限制。这限制了易运动儿童的效用，因为在这些情况下需要更高的螺距来限制运动伪影。
辐射剂量
据报道，快速kV切换和双层探测器中的辐射剂量高于单能量扫描，因为它们无法调节管电流。相反，在几乎所有应用中，双源双能CT的辐射剂量几乎与单能CT的辐射剂量相等。具体而言，对于儿科胸部应用，Zhu等人表明，使用不同年龄的体模模型，双源双能CT剂量在优化单能CT的20%以内。可以通过降低毫安（mA）下限来进一步降低剂量，甚至可以通过在某些应用中移除扫描期相来进一步降低剂量。此外，光子计数探测器已被证明可以降低获得类似对比噪声比所需的剂量，但应在儿童中进行进一步研究，以评估每个年龄组的剂量。
结论
双能量/能谱CT成像在小儿胸部影像学中具有新兴但潜在的重要作用。进一步采用和改进所述技术有可能提供比单源CT更相关的临床信息。下一次使用商用光子计数器探测器进行光谱成像的迭代可能会在胸部功能CT成像中发挥更大的作用，因为光谱分离更大，辐射剂量更低。
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