光子计数CT在肿瘤疾病中的应用
光子计数CT在肿瘤疾病中的应用
CT（计算机断层扫描）仍是检查肿瘤、肺部、骨骼和心血管疾病最常用的成像方式之一，在某些儿科临床图片中也被特别使用。然而，CT成像的一个主要局限性仍然是辐射暴露，这尤其影响到以下三个群体：第一，反复转诊进行CT随访的肿瘤患者；第二，接受冠状动脉CTA筛查冠心病（尤其是使用回顾性门控）的年龄较小的心血管疾病患者；第三，由于身体处于快速细胞分裂过程中，对电离辐射的影响更为敏感的儿科患者。随着光子计数探测器（PCD）CT的问世，现在应该可以在大幅降低剂量的同时保持相当甚至更好的图像质量。
技术原理
与传统的能量积分探测器（EID）相比，其他显著的技术优势在于空间分辨率的提高和记录单个光子能量的能力，从而通过 "多能量 "技术进行CT扫描。这些技术优势直接源于新的探测器技术。PCD以半导体材料（通常为碲化镉）为基础，可将每个进入的X射线光子直接转换为电信号，X射线光子产生的电流脉冲的电平与光子的能量成正比。这就绕过了EID所需的中间转换步骤，即X射线光子必须首先在闪烁体中转换成可见光，然后在光电二极管中转换成电信号。因此，单个探测器单元之间原本必要的反射 "隔膜 "也不复存在，因为光子无需捆绑到探测器单元上。这就实现了 PCD CT的更高分辨率，因为一方面，PCD上的单元密度可以更高，另一方面，原本会到达隔膜从而缺乏信息的能量比例也会丢失。此外，光子计数探测器还可以设计得更扁平。光子计数的另一个优点是消除了电子噪声（更多原理参见XI区：）。
头颈部应用
头颈部CT所面临的挑战是如何在应用辐射剂量（尽量减少晶状体、甲状腺等辐射敏感器官的辐射）和所需的详细图像质量之间实现最佳平衡。副鼻窦或颅底等精细结构尤其受益于PCD CT较高的图像分辨率，因为它能更好地显示内耳/中耳的外伤并发症以及炎症或肿瘤引起的细微骨浸润（见[图 1]）。这种高图像分辨率对于有时难以观察到的喉和（鼻）咽肿瘤也至关重要。特别是，评估喉软骨、舌骨甚至颅底是否有浸润至关重要，而PCD CT较高的空间分辨率使评估变得更加容易。同时，将 PCD CT的更高分辨率与已经验证的骨减影算法相结合，可以评估颅底可能受累的情况。此外，还可以最大限度地减少与颈部血管的潜在联系，例如，通过牙科植入物形式的高对比度伪影进行叠加。与双能量EID CT一样，通过计算实际虚拟单色（VMI）图像数据集，可以通过增加碘信号（低 keV）或减少线束硬化伪影（高 keV）获得高组织对比度。此外，与EID CT相比，PCD CT可使灰质和白质之间的组织对比度更高，再加上图像噪声降低，对诊断急性中风（1-3小时）尤其重要。
图 1 76 岁患者，人工耳蜗植入术前评估。a超高分辨率单源EID CT检查（西门子 SOMATOM Definition AS+ 120 kV）；b超高分辨率PCD-CT扫描（西门子 NAEOTOM Alpha 120 kV）。相比之下，PCD-CT图像的噪点更低，骨结构的分辨率更高，这一点尤为突出。在中耳等部位，可以看到高度精细的轮廓。
胸部和乳腺应用
PCD CT生成的数据集可通过定义不同的能量阈值划分为不同的能量区域。通过这种细分，到达探测器的光子可以根据能量水平分类到所谓的 "仓 "中。在胸部诊断中，使用造影剂后，低能量光子的这种捆绑可实现乳腺实质和肺实质的高组织对比度。这使得即使是肺结节等小结构，也能通过高分辨率PCD CT更清晰地显示在边缘区域，而且其大小随时间的变化也更具可比性。原生PCD CT的总体噪声水平较低，空间分辨率较高，因此也能更详细地显示肺部周围结构，如增厚的支气管壁（见[图 2]）、磨玻璃样改变和 "树芽征"/马赛克征，这些都是诊断间质性肺病的关键。研究表明，使用合适的卷积核（Bl64），在超高分辨率（UHR）PCD CT中可以更好地显示肺周边区域的支气管分支、肺小叶裂隙以及支气管壁，而不会影响血管噪声和肺圆形病灶细节的清晰度。为了进一步提高肺部图像质量，可以生成虚拟单色（VMI）图像数据集。这使得肺气肿在60和70 keV之间最清晰可见。此外，在增强的胸部PCD CT中，低于60 keV的血管对比度可显著提高。VMI图像数据集的生成还能显著减少90 keV的线束硬化和金属伪影，从而更好地评估伪影附近的肿瘤表现和转移情况。此外，与EID CT相比，在不影响图像质量和诊断确定性的情况下，可将辐射剂量减少66%，这在评估间质性肺病（ILD）等方面非常重要。另一个优点是能够创建虚拟平扫图像（VNC），从而更好地量化肺气肿，因为增强CT中较高的实质密度可能导致低估肺气肿。
图 2 65岁的慢性支气管炎患者。a EID-CT（西门子 SOMATOM Definition AS+ 120 kV），b PCD-CT（西门子 NAEOTOM Alpha 120 kV）。支气管壁的显示尤其清晰（长箭头）。与EID-CT相比，PCD-CT能更详细地显示直接位于胸膜的外周血管分支（见箭头）。
PCD CT对女性乳腺的成像也有显著优势。由于空间分辨率较高，可以对病灶和血管结构进行高质量成像（见[图 3]）。此外，通过对图像数据进行后处理，可以重建碘图，从而得出乳腺组织内造影剂摄取情况的结论。这样，就能更好地识别、评估和描述乳腺癌的范围，这与双能量EID CT的报道类似。最后，与乳腺X射线摄影相比，无需对乳房进行挤压，因此患者的舒适度明显提高。尽管乳腺X线照相术仍被公认为乳腺成像的标准诊断方法，但PCD CT仍提供了前景广阔的新可能性（如在分期检查中），应在进一步的临床试验中进行评估。
图 3 初步诊断为右侧乳房内上象限和外上象限肿块（箭头 a-c），疑似恶性肿瘤。MRI扫描的MIP显示可疑肿块（a）。相应的PCD-CT扫描 5 mm MIP（b）。注意磁共振成像扫描和 PCD-CT扫描左乳房内上象限均可见的细小血管结构（箭头所指）。
腹盆部应用
腹盆部成像在很大程度上受到身体这一区域脂肪比例较高的影响，这通常与体质有关，因为这需要增加辐射剂量。PCD扫描仪可提高图像质量，同时减少图像噪声和光子饥饿伪影，尤其是肥胖患者。一些研究报告指出，随着体重指数（BMI）的增加，PCD CT中各种腹部结构的信噪比下降幅度较小，而噪声的增加幅度则小于EID CT（见[图 4]）。量子迭代重建（QIR）具有进一步提高图像质量的潜力，可用于最佳检测肝脏病变。
图 4 69 岁患者，体重指数为 43。a 单源EID-CT对比度低，肠系膜静脉的可视度降低（白色箭头）。观察PCD-CT图像的较低图像噪声和较高的血管对比度。
PCD CT除了能通过提高剂量效率减少每次扫描的绝对剂量外，还能通过同时应用多种造影剂减少每次检查所需的总扫描次数。有几项前景看好的研究表明，在一次扫描中，可以将两种根本不同的造影剂分开，而这两种造影剂的给药时间有一定的延迟或方式不同。例如，在一个体外模型中，同时使用直肠造影剂和静脉造影剂可以区分单纯息肉和肠内容物。此外，在一项动物模型研究中，使用钆基和含碘造影剂，通过 PCD CT的双相单次扫描来区分肝动脉和肝静脉，结果很有希望，并为根据造影剂在每个阶段的强化特征正确区分肝脏病变铺平了道路。另一种表征肝脏病变的技术是所谓的容积灌注CT（VPCT）。该技术已在EID CT上用作肝脏MRI的替代方法，因为它能量化肝细胞癌（HCC）和其他肿瘤的动脉化程度。肝脏容积灌注CT结合PCD CT较高的分辨率和较低的辐射暴露，有望取得令人鼓舞的结果，并有可能导致指南的改变（见[图 5]）。此外，PCD CT使评估肝实质变得更容易，因为能谱信息可用于生成非常接近真实平扫数据集的VNC图像。这样，通过PCD CT上的VNC图像检测肝脏脂肪变性的灵敏度可达 94%。
图 5 63 岁男性肝癌患者：a 容积灌注 PCD-CT扫描显示肝脏第 8段有高动脉化病变（白色箭头）；b 动态灌注PCD-CT扫描，使用薄层MIP中显示动脉和静脉血管；c、d 相应的MRI图像显示肝脏病变对比度增强较弱（C = T1 Vibe DIXON DCE 动脉相轴位；d T2 Blade FS 轴位）。
关于肾脏，一方面，不同能量仓光子能量之间的能量分辨提供了有关特别小（< 3 mm）的肾结石基本成分的信息。另一方面，与 EID CT相比，PCD CT还能更好地检测此类小结石。
骨骼和骨髓应用
PCD CT能更好地显示骨小梁的微观结构，这也是空间分辨率提高的主要效果。一方面，骨质疏松症患者可从中受益，因为骨强度可通过骨矿物质密度来确定，骨折也可被更好地观察到。另一方面，癌症患者也能从中受益，因为骨转移灶及其病程可以更详细地显示出来（见图 6）。与身体其他部位一样，通过使用超高分辨率PCD CT图像数据集可以减少噪声，从而更详细地显示骨骼结构，更好地检测转移瘤和骨折。此外，可视化的改善还与四肢PCD CT检查中辐射剂量的显著降低有关，在腕部结构中，辐射剂量最高可降低 49%。在膝关节骨关节炎患者软骨的可视化方面已经取得了可喜的成果，有望提高PCT CT对关节疾病的诊断意义。PCD CT还能区分关节软骨中的焦磷酸钙沉积和羟磷灰石沉积。这可以为了解伴有晶体沉积的风湿性疾病的发病机制提供新的视角。此外，多能量后处理还可量化痛风沉积物，并创建虚拟去钙图像（VNCa），以观察骨髓水肿。与双能量EID CT相似，可视化骨髓水肿的目的是更容易发现细微骨折并评估骨折价值（参见XI区：）。
图6 73 岁多发性骨髓瘤患者，病情稳定，整个中轴骨有明显的溶解性改变。a）DSCT西门子 SOMATOM Definition Flash。b）PCD-CT 西门子NAEOTOM Alpha。请注意，PCD-CT扫描的噪声明显降低，L5的溶解性骨结构边缘清晰度明显提高。PCD-CT扫描使剂量减少了27%（CTDIvol 11.37mGy 对 8.19mGy）。
儿童成像应用
在对儿童使用电离辐射时，由于儿童对辐射的敏感性增加，对辐射照射的考虑尤为重要，因为在儿童时期受到辐射照射后，患恶性疾病的风险被认为会增加。CT扫描尤其在这方面起着至关重要的作用，因为它占了医学辐照的绝大部分。同时，只要适应症正确，CT对许多儿科疾病的治疗计划和决策具有重要意义。
因此，PCD CT在儿科放射学中的最大优势是减少辐射照射。所谓的 "低剂量 "PCD CT 一方面能显著降低辐射剂量，另一方面还能保持相关解剖结构的准确性，此外还能显著降低图像噪声。降低剂量的效果在重复检查时尤为明显（见[图 7]）。
图7 16 岁男孩，急性髓细胞白血病干细胞移植后出现浸润。a, b 第三代双源CT扫描（SOMATOM Force）--能谱纯化的低剂量方案；c PCD-CT 扫描（NAEOTOM Alpha 120 kV）--能谱纯化低剂量方案。所有检查的剂量值和图像质量相当，CTDI/DLP分别为0.31mGy/10.1 mGycm（a）、0.32mGy/9.8 mGycm（b）和0.38mGy/12.4 mGycm（c）。由于呼吸困难，检查过程中采用了不同的呼吸阶段。*
另一个优势在于通过PCD提取能谱信息。对探测器数据进行完整的能谱评估需要 120 kV或 140 kV的管电压。在EID CT上，由于辐射剂量较高，这种电压很少用于儿科患者。因此，在儿科CT中，管电压通常会降低到70至90kV，从而导致噪声增大，降低图像质量。不过，由于PCD CT具有能谱数据，因此可以进行单能量重建。例如，这可以提高对比度，从而减少造影剂的用量（见 [图 8]）。
图8 17 个月大的女孩，已知CPAM（先天性肺气道畸形），可能存在肺动脉栓塞。a, b 90 kV标准重建（a）与 60 keV重建（b）的对比度比较。单能量图像显示造影剂的HU值增加，这有助于更好地检测血管结构。
本文编译整理自：Hagen F, Soschynski M, Weis M, Hagar MT, Krumm P, Ayx I, Taron J, Krauss T, Hein M, Ruile P, von Zur Muehlen C, Schlett CL, Neubauer J, Tsiflikas I, Russe MF, Arnold P, Faby S, Froelich MF, Weiß J, Stein T, Overhoff D, Bongers M, Nikolaou K, Schönberg SO, Bamberg F, Horger M. Photon-counting computed tomography - clinical application in oncological, cardiovascular, and pediatric radiology. Rofo. 2024 Jan;196(1):25-35. English, German. doi: 10.1055/a-2119-5802. 仅供专业人士交流目的，不用于商业用途。