双源CT基本知识

自1998年，多层螺旋CT开始了真正意义的起步，主要表现在同步扫描的能力越来越强（4层/圈---6~8层/圈---10~16层/圈---32~40层/圈----64层/圈），扫描速度越来越快（0.5s---0.42s---0.37s---0.33s）图像分辨率越来越高（以Z轴分辨率为例：1mm---0.75mm---0.6mm---0.33mm）。时至今日，CT扫描的速度和分辨率均以达到前所未有的水平，极大程度上满足临床各种需要，那么多层螺旋CT还要继续向128层，256层甚至更多层数发展吗?换言之，CT的发展是否仅有“层数”这个主题？事实上，多层螺旋CT（）包括64层及更多层数、排数）的单源CT在临床上一直面临着难以逾越的问题。1、在高心率及不规则心率情况下无法实现有效的心脏成像（时间分辨率需要低于100ms）当机架旋转一圈时的时间最短达到0.33s时（SOMATOMSensationCT），就像百米赛跑中无限接近人体极限一样，对机械制造业来说已经达到了一个新的极限速度，其高速旋转的离心力达到28G，心脏成像的时间分辨率达到165ms。我、而为了适应心率的波动情况，特别是在高心率和心率失常的情况下，时间分辨率需要小于100ms，此时相应的机架旋转时间须在0.2s左右，离心力则将达到75G，而这是单源CT难以达到和维持的。2、一次扫描难以完成整个器官的扫描：目前所有的多层螺旋CT均采用在扫描方向上(Z轴)的多排亚毫米级的探测器组合，单圈扫描的最大覆盖范围仅为20—40mm，难以完成多整个器官的瞬间扫描。尤其对心脏等运动器官的扫描时，其采集方式为螺距小于1（pitch值一般为0.2—0.4）即多实相重叠扫描方式，需要多圈次的扫描来产生容积数据用于图像重建，但是通过这种方式无法观察到整个器官随时间变化的血流灌注情况，而且图像的空间分辨率难以进一步提高到常规X线平片的水平。3、难以最大的容积覆盖速度和足够的功率来完成搞清晰的成像：现在临床上越来越多的需要大范围、高速度、超薄层的扫描。既往常常不得不在上述三者之间根据实际情况做出选择和妥协，因为单源CT扫描功率有限，即使其功率值越来越大，但是实际的有效功率值和储备值并无明显提高。例如对肥胖病人的扫描常需要加大扫描剂量以取得高质量的薄层图像，但往往需要牺牲扫描速度或范围。4、对组织结构的区分能力不够：密度分辨率是CT成像的主要优势，也是CT成像原理的基本出发点。对于单源CT来说，密度是其分辨组织的唯一依据。如果失去密度对比，就难以进行诊断和鉴别诊断-心脏成像理想的心脏成像最好是在心动周期的舒张期，而心率越快，舒张期则越短。如果使用单源CT，X射线源/探测器系统就必须在心脏舒张期获得180o的数据投影才能完成图像重建。现在通过双源CT扫描仪，每组X射线源/探测器组合只需要转动90o就可以采集到质量卓越的心脏图像。基于0.33s的机架旋转时间，双源CT可提供83ms的时间分辨率，心脏CT成像将不再受心率的影响。成像剂量减小此外，SOMATOMDefinition在心脏CT检查时使用了极低的放射曝光剂量。由于是双源CT，CT机架只需要旋转90o就可以采集到质量卓越的心脏图像。通过实时的心电图门控，西门子的适应性ECG脉冲剂量调控技术对心率的任何变化都会作出相应的调节。与单源CT相比，双源CT的心脏图像采集速度要快两倍，加上剂量调控技术减少心脏采集时的高剂量曝光，它的心脏采集剂量要减少一半以上。双源CT具有非常高的时间分辨率，可以在任何心率下在一个心动周期内采集心脏图像，即使是更高心率的病例也不需要进行多扇区重建（即采用多个心动周期的数据采集心脏图像）。在心率较快时，SOMATOMDefinition通过自动的进床速度调节可以增加扫描的螺距，加快进床速度并相应减少曝光时间。换句话说，心率越高，心脏成像所需时间则越短，所需剂量也越少。扫描肥胖病人在扫描肥胖病人时，单源CT在扫描速度和图像质量之间常难以兼得。而双源CT通过第二个X射线源克服了功率储备的局限性。换句话说，它可以汇集两个独立射线源的功率，从而达到前所未有的160KW以提供足够的X射线功率储备，无论病人的高矮胖瘦，都能以最大的容积覆盖速度和最短的扫描时间实现高质量的图像。同时，由于扫描速度的提高，SOMATOMDefinition虽采用更高的功率来改善图像质量，但剂量却维持在单源CT同样的水平。另外，该款设备的大孔径设计使得病人的定位也更为简单。组织区分收集尽量多的信息以用于组织的区分——这一直是西门子医疗系统集团的目标。双源CT开创了一个新的纪元，将CT从单一的组织成像引向了组织分类定性的新境界。通过同时使用两个不同能量的X射线源，SOMATOMDefinition的两个不同电压值的球管在一次扫描中可同时采集到两个数据集。结果是，两个数据集提供了不同的信息，可以用于区分、标识、分离并鉴别成像的组织或物体，从而获得超出形态学的扫描对象的更多特殊细节。可以说，双源CT为更广泛的临床应用和更多更新的研究课题奠定了基础，这些可能的领域包括：扫描中血管或骨骼的直接减影、肿瘤学中的肿瘤分类、血管斑块的定性以及急诊中体液性质的鉴别等。现在，随着双源CT技术在2005年北美放射学会（RSNA）年会上的推出，西门子再次显示其在技术和临床运用领域的革命性创新，从此超越了扫描层数（或探测器排数）的简单累加（这是过去数年内CT技术的主要竞争点），重新定义和诠释了CT的概念。它全面拓展了CT的临床应用，将影像诊断领域推向了一个令人惊喜的高度！无创心脏CT成像是推动多层CT技术发展的动力，心脏CT检查需要解决的难题有3个：1、扫描时候的屏气时间；2、时间分辨率；3、空间分辨率。自64层CT引入临床后，心脏CT检查可以在10s以内完成，病人屏气基本没有问题。然而对于高心率病人，常常需要做必要的临床准备或等待以确保检查的成功。而在重度冠状动脉钙化或金属支架的狭窄评估方面，空间分辨率受到一定的限制。时间分辨率可以通过“软性”提高和“硬性”提高来实现——“软性”是指通过软件“多扇区”重建由多个心动周期叠加来缩短成像时间窗，由于扫描时间长，不同心动周期叠加错位会导致空间分辨率的明显下降，而且剂量大大增加，至今没有文献报告其临床价值；“硬性”是指通过提升机架旋转速度来实现，这需要强大的硬件支持，多层CT0.42s/360º旋转的离心力为17G，0.33s/360º旋转的离心力为28G，EBCT的经验是冻结心脏的理想时间分辨率需要小于100ms。而从成像原理上讲，现代CT进行180º数据成像就需要扫描机架的旋转速度达到0.2s/360º,在如此高速旋转的扫描情况下，其离心力将高达75G，但是目前的机械工业还达不到如此高的要求。所以西门子SOMATOMDefinition在成熟的SOMATOMSensation64技术和Straton零兆球管的基础上，在机架内一体化整合了两套64层CT成像系统，时间分辨率得到明显的提升，单扇区心脏成像实现常规化。除了心脏成像方面，双源CT在“一站式”急诊医疗、双能量减影成像等方面也有无可比拟的优势。双源CTSOMATOMDefinition基于西门子成熟的64层CT技术，可实现极为理想的扫描速度、时间分辨率和空间分辨率，其核心技术包括：1、Straton零兆金属球管。Straton球管恰似紧缩的EBCT,其体积和重量是常规玻璃球管的1/4，通过电磁偏转线圈控制电子束使管电流mA得到实时控制。采用Straton球管的另一个重要原因是，要在现有的64层CT机架空间内放置两套X线球管和探测器系统，体积庞大的普通球管显然是做不到的，而且高速旋转下对离心力的耐受力也是一个极大的挑战，普通玻璃球管难以担当此任。2、电磁直接驱动技术，净音扫描技术。3、特殊散射线校正重建技术。4、特殊的射线剂量调控技术，特别是适应性ECG门控剂量调控技术。SOMATOMDefinition具有83ms的时间分辨率，不受心率的影响，能够支持所有心率的心脏扫描，完成从急性胸痛的评估到冠状动脉的成像和心脏功能分析。它结合小于0.4mm的空间分辨率，使得极为细小的解剖结构的高质量成像成为可能。该系统具有78cm的大机架孔径和成像视野，以及200cm的扫描范围和高压发生器的功率，可对急症病人实施最恰当的扫描，而不受病人体型或身体状况限制——很重要的一点是，所有这些都是在极低剂量的情况下实现的。此外，SOMATOMDefinition拓展了临床的应用范围，可在数分钟内完成更快、更有信心的诊断。计算机辅助下的直观读片工具能够帮助医生进行早期探测、快速评价以及恶性疾病的密切随访，有时甚至能帮助医生在病人下检查床之前就完成评估。更有意义的是，SOMATOMDefinition的优越性将大大有利于发挥先进的临床检查新功能。2005年北美放射学会（RSNA）年会上提出了“双源CT技术”，指出了一条CT技术发展的崭新道路，同年德国SIEMENS公司凭借其技术优势推出了世界首台双源CT（Dual-SourceCT,DSCT）-SomatomDefinition，2006年10月北京协和医院引进了中国首台DSCT，它的问世更新了我们对CT的认识，开创了CT技术革命的新纪元。目前所有报道所涉及的DSCT设备均为德国SIEMES公司生产的SomatomDefinition。该设备主要包括主机配电柜、扫描机架、检查床、水冷系统、成像控制系统、图像重建系统及图像后处理系统等。在64层CT基础上增加一套DAS（数据采集系统）,即有两个高压发生器、两个直接冷却的“STRATON”零兆球管及2个UFC超快速陶瓷探测器组等。两球管在同一平面垂直固定于机架旋转部分,两个各有40排探测器的探测器组分别固定于对侧,其中一个为主探测器组,另一个为辅助探测器组，两者均采用对称不等宽模式,即中间32排为0.6mm准直宽度，两侧各4排为1.2mm准直宽度。超薄层扫描时只使用中间32排探测器组,实际组合为0.6mm×32,其纵向覆盖的等中心宽度为19.2mm(0.6mm×32),每周期可扫描输出32个0.6mm层厚的原始数据;当扫描层厚≥1.2mm时,实际组合为1.2mm×24(32/2=16,16+4×2=24),此时外侧的两组4排探测器组被利用,其纵向覆盖的等中心宽度为28.8mm(1.2mm×24)。扫描时采用Z轴飞焦点技术,两个连续以0.6mm准直宽度获取的32组数据可组合成等中心取样厚度为0.3mm的64层投影,因此每周期扫描每个探测器组可获得层厚为0.6mm的重叠64层图像。