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导语
“匠心”系列第5篇，选择了近年来CT最重要的发展方向：CT能量成像。结合中国专家共识讨论其价值。毫无疑问，能量成像就是CT的未来。
年5月，《中华放射学杂志》发表重磅作品：《能量CT临床应用中国专家共识》，5位通信作者均为我国放射学界的“话事人”。该共识由中华医学会放射学分会、中国医师协会放射医师分会和安徽省影像临床医学研究中心，组织全国多家单位、多位专家专家参阅大量文献并结合我国临床实践经验，经反复讨论达成，旨在推动能量CT的临床规范应用。
我们站在“巨人的肩膀”上，回首过去、立足现在、放眼未来。不得不说，及笄之年的能量CT，已出落得亭亭玉立。
1、“双能实验”成真
年，在CT发明后的两年，Housefield教授又开展了神奇的“双能实验”，使用高低管电压进行序列扫描，通过光子吸收差异区分碘、钙等不同原子序数的物质，实现了能量成像。早期能量CT的探索，就是从这两次高低kV扫描开始的。
从简单的水-碘抽象模型，实际临床研究，到实现商用，科学家们在这条路上走了漫长的35年。
年，GE在北美放射学年会上推出能谱CT：HD，正式拉开了能量CT的序幕。区分一杯水到底是糖水还是盐水的故事，迅速点燃了放射界对于能谱的热情。随后，所有整机厂家也均将赛道转向了能量CT。
年，飞利浦再进一步，带来了业界唯一的“探测器驱动”光谱CT：IQon，并首次提出“彩色CT”的理念。
时至今日，能量CT在肿瘤早发现、冠心病、大血管造影等疾病精准诊断方面展现了独特价值，已经被业界专家广泛认可，成为临床指南中的推荐扫描方式。
传统CT和能量CT对比(来自互联网)
2、理论与现实的困境
能量CT，能在双能或多能量下获取物质衰减信息，通过不同组织的光子吸收差异，实现对不同组织的鉴别，提供比常规CT更多的影像信息。
尽管人体组织是复杂的混合成分，不同组织对X射线的衰减不同，不过很多时候，任何组织的吸收均能由衰减高低不同的基物质对组合表示。水和碘是其中最常用的组合，因为其包含了从软组织到含碘对比剂以及医学常见物质的能量依赖范围。
我们利用不同物质在高低管电压扫描下X线衰减不同，通过以下方程组计算碘基物质和水基物质的密度，将复杂的能量成像问题转换为简单的二元一次方程求解问题，通过直观的物质密度图实现不同物质的区分。这是能量CT的理论基础，包括后续的钙基图、等效原子序数概念也都基于此。
Housefield教授在建立理论时，认为理想的能量CT模型是“同源、同时、同向”，即同一射线源发射，同一时间采集数据，同一方向采集数据，也就是我们熟知的“三同”原则。
然而，人体成分十分复杂，而二元一次方程是线性描述，描绘能谱曲线时，必须需要更加纯粹的能量分离手段，甚至更多元的能量分离手段。能量重叠越小，能谱越纯，双能量结果也就越准确。
举个例子，我们看到的自然光是白光的，经过三棱镜折射会分离出红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等七个颜色。说明白光其实不是白色的，而是由不同颜色的单色光混合而成的复色光。
白光由7色光复合而成(来自互联网)
X射线也是混合X射线光谱，被称为“多色X射线（polychromaticx-rays）”。如果管电压为kVp，则其光谱的能量范围大概为30~keV，平均能量约是70kVp。当这一混合能量的射线穿过组织时，由于硬化效应和平均吸收效应，会产生线束硬化伪影和异物同影现象。因此，为了获得更精确的图像，必须获得X射线的单能级图。
单能级图CT值的准确性是其它参数图像的基础，能量分离越开，能级越多，所解出的多元方程结果越接近于真实世界。
3、一步一个脚印
近年来，随着球管、高压发生器、探测器等技术的高速发展，能量CT才真正落地。目前已出现6种比较成熟的商用能量CT技术，其中4种(单源序列扫描、单源双光束、双源双能量、单源瞬时管电压切换)是基于X射线管实现的；2种(光谱CT、光子计数CT)是基于探测器实现的。
目前来看，公认比较有临床应用价值的是单源瞬时管电压切换、双源双能量和双层探测器等3种技术。
不同能量CT成像模式及特色(来自《中华放射学杂志》)
01、单源瞬时管电压切换
由于X射线投影角度几乎相同，允许直接在投影数据域空间进行双能量重建，有利于减少线束硬化伪影并提高能量分析的准确度。新一代能量CT的管电压管电流能同步匹配，加上深度学习重建算法的联合使用，能在降低辐射剂量的同时保证优质的图像质量。
“三同”评价：同源、几乎同时(0.5ms)、几乎同向(小于0.18度，投影域重建)。
02、双源双能量
优势是球管前加装锡过滤，能更好纯化X射线，提高剂量效率，减少线束硬化伪影；两个球管的管电压/管电流能独立调整，有利于实现辐射剂量均衡分布。不过，高低能量数据不纯粹同向，只能基于图像域重建。与常规50cmFOV相比，双源能量FOV仅为35cm，体型较大受检者会受到一定限制。
“三同”评价：不同源、同时、不同向(图像域重建)。
03、双层探测器
优势是高、低能数据在投影数据域内时间和空间上完全匹配，同时基于反相关噪声降噪技术，有效降低光谱图像噪声，使其40~keV虚拟单能量图像VMIs拥有几乎平坦的、较低水平的噪声曲线，大幅提升图像质量。
由于受到固定探测器设计的限制，第一代只能在或kVp管电压下扫描才能进行光谱分析。不过，最新一代光谱CT能实现kVp的能量CT，再次扩大临床应用范围并降低辐射剂量。
“三同”评价：同源、同时、同向(投影域重建)。
3种能量CT实现逻辑(来自互联网)
虽然上述方法在技术实现上存在巨大差异，但基本都能获得成对高/低能X射线吸收数据，以便用于能谱多参数图像的回顾性重建和分析。
4、吾家有女初长成
16年来，能量CT凭借多参数、多维度、定量成像，提供了传统CT不具备的组织特征性信息，日渐在疾病诊断中发挥了重要作用。
目前，能量CT已有比较成熟的后处理应用，包括常规诊断图像、虚拟单能级图像VMIs、物质分离图像、有效原子序数图和电子云密度图。其中，有效原子序数、电子密度加权图像，目前临床应用经验有限；但虚拟单能级图像VMIs、物质分离图像已获得广泛应用，尤其是虚拟单能量图像VMIs的重要价值，其低能量段VMIs图像能够有效提高细小血管的显示、增加组织的对比度、并大大提高隐匿性病灶和微小性病灶的检出率；高能量段VMIs能够有效减少金属引起的线束硬化伪影，提高支架内管腔的可视化，总体提高图像质量。
与kVp相比，70keV单能量图像质量更高(来自互联网)
《能量CT临床应用中国专家共识》极为详细阐述了能量CT临床应用，包括CTA、头颈部CT成像、心脏成像、肺部成像、腹部实质性脏器、腹部空腔脏器(胆道系统、胃肠道)、骨骼肌肉成像等领域，强烈建议反复琢磨。
以目前极为优秀的能量CT：飞利浦皓克SpectralCT的能量成像为例，经过全新设计，具有80cm大孔径、球面宽体双层探测器、精准快速扫描床和人工智能技术，再次拓宽能量CT应用范围，其搭载的一站式心脏、一体化肿瘤、零等待卒中精准光谱诊疗方案，大幅提高在心血管、肿瘤和脑卒中等领域首次扫描诊断的精准性。
皓克CT的一站式能量应用(来自互联网)
需要补充的是，《共识》未提及能量CT在放治领域的应用。近年来质子治疗(质子重离子)在国内迅速火热，仅在论证阶段的项目就多达85个。质子束是超高能的笔形束，对粒子射程把控要求更加严格，要更好地保护危及器官和正常组织。传统模拟定位技术难以满足其精度，CT能量成像能使得粒子治疗射程计算更加准确。
比如，医院质子中心(UCLH)采用SpectralCT用于质子治疗模拟定位，可谓“壕无人性”。其碘图能有效代替F-FDG分子代谢成像，使工作流程加快；电子云密度和有效原子序数能提高对质子束停止位置的信心，对质子的精准勾画和精准计划实现更高飞跃。
UCLH的皓克CT用于模拟定位(来自互联网)
上述大量临床案例表明，常规CT存在一定的诊断短板，而临床对更高质量CT图像的渴望从未止步。如今，能量CT早已不再被束之科研高阁的“玩具”，而是在临床诊断中发挥重要作用。
5、未来属于探测器
目前，能量CT技术的发展分为两种：基于能量源的和基于探测器的。两种技术各种拥趸，几年前围绕其展开了技术论战。如今，随着光子计数CT的到来，这种讨论终于尘埃落定：能量CT的未来一定属于探测器。
因为，光谱CT开创了“非耗时协议”。不同于其他能量CT的“耗时协议”，即扫描前需事先预判是否需要进行能量扫描而选择特殊的能量CT扫描参数，探测器端能量CT的优势在于不改变既往工作流程，能从任何常规CT扫描中获得能量成像数据。
光子计数CT是基于光子计数探测器的，同光谱CT一样，其能量成像也使用“非耗时协议”。这种一切扫描皆能量的技术，大大降低了CT能量成像的可及性难度，使能量成像能随时随地应用于全身。
年，西门子NAEOTOMAlpha获得FDA批准，宣告光子计数CT正式到来。与此同时，GE、飞利浦、佳能、三星等CT厂商也早已布局，并进行了多年的临床验证。
GE和飞利浦光子计数CT原型机(来自互联网)
基于直接转换的光子计数CT，公认的下一代X射线成像技术，具有更低剂量，更低噪声等优点。更重要的是，其引入了的“能量箱”理念，能同时提供多个能量阈值的CT数据，用于多能量成像。
从成像理念角度，光子计数CT一定是更好的技术。但从实际临床应用角度，目前初代光子计数CT的主要价值还是低剂量成像。根据FDA显示，其成像是基于光子计数迭代重建(QuantumIterativeReconstruction)，天然具备低噪声，但目前仅能在kV和kV条件下进行多能量箱的光子捕获。
此外，在能量成像方面，仅能提供单能级图、虚拟平扫、碘图、水基图、钙基图等在能量积分CT上早已成熟应用多年的技术。光子计数CT的新应用，才是我们期待的。
初代PCCT的能量应用(来自FDA)
此外，在高能物理和空天探测已经表明，光子计数探测器的辐射损伤比较明显。尽管CT的X射线光子能量并不算高，但因其并未经过大规模长时间测试，其稳定性及抗辐射损伤能力仍需要长时间检验。考虑探测器是CT最昂贵的部件，约占总成本1/3之一左右，希望厂家能研发出能使用8~10年的光子计数探测器。
目前来看，初代光子计数CT应该属于更好的“继承者”，我们期待其有朝一日成为真正的“颠覆者”。
6、小结
自螺旋CT问世以来，CT先后经历了三个时代：1）螺旋CT时代：年-年，致力于解决血管成像；2）多排CT时代：年-年，致力于解决冠脉成像；3）能量CT时代：年-至今，致力于解决多参数成像。
《能量CT临床应用中国专家共识》的发布，正式确定了能量CT在精准诊疗与检查效率方面的价值。后续，我们将不断探索并充分发挥其潜能，使其应用更加成熟，实现临床飞跃。
此外，随着能量CT的临床可及性问题、收费问题被广泛讨论，相信能量CT还会焕发出更多大活力，愿目之所及皆是星辰大海。。。
