以两种不同的能量采集 CT 数据可提高用于放射治疗计划的图像质量，并提供对体内功能过程的洞察
现在您看到了：从双能 CT 获得的单能重建可以提供更好的图像对比度，以帮助临床决策。在此示例中，40 keV(右)的大脑单能图像比使用传统 CT 获得的等效图像显示更多细节。(礼貌：西班牙巴塞罗那德尔玛医院)
基于计算机断层扫描 (CT) 的成像技术的快速发展为使用放射疗法治疗癌症患者带来了一场革命。只需几秒钟的 X 射线扫描即可获得患者内部解剖结构的准确 3D 可视化，并提供医学物理学家计算治疗肿瘤的最佳剂量分布所需的关键信息。CT 技术的不断进步使临床团队能够获得更高质量的图像，从而能够更精确地定位肿瘤，同时最大限度地减少对健康器官和组织的损害。
然而，传统的 CT 图像有时可能缺乏清晰区分不同类型软组织所需的对比度。这使得放射肿瘤学家难以精确确定肿瘤的大小和形状，并勾勒出需要保护免受电离辐射影响的附近器官、组织和血管的轮廓。放射治疗部门常规使用的标准 CT 扫描的另一个显着限制是它们仅提供解剖信息，因此无法揭示可能为治疗计划提供一些额外见解的功能过程。
对于需要增强软组织对比度或功能信息的病例，CT 通常与其他成像方式相结合，例如磁共振成像 (MRI) 或正电子发射断层扫描 (PET)。尽管 Siemens Healthineers 提供的 MRI 和 PET 解决方案已针对放射治疗和预期治疗位置的患者成像进行了优化，但在某些情况下，此类补充成像方法可能不可用。对于做出临床决策，特别是当关键器官处于危险之中时——例如在头颈部区域、胸部或腹部——改善软组织对比度至关重要。
然而，现在，一种可以提高 CT 图像质量的新方法开始在放射治疗诊所中发挥作用。该技术称为双能 CT 或 DECT，从两个不同的 X 射线光谱而不是一个光谱中获取 CT 图像。传统 CT 使用单个 X 射线束捕获图像，该束具有平均约 70 keV 的光子能量谱和 120 keV 的典型峰值能量。每种材料的图像对比度取决于它对 X 射线的衰减程度，而这又取决于能量。
“在标准 CT 能量下，我们尝试成像的大多数软组织都具有非常相似的衰减系数，”西门子 Healthineers 的研究专家和研发合作科学家 Jainil Shah 解释说。“这意味着大多数器官在 CT 图像上显示时看起来非常相似。”
放射治疗中双能 CT 的路径
DECT 通过从两个不同能量范围内拍摄的 X 射线扫描生成图像来缓解这个问题。自 1970 年代第一次实验显示双能 CT 的潜力以来，已经出现了几种不同的获取 DECT 图像的方法——每种方法都有其优点和缺点。最简单的方法是以两种不同的能量对患者进行两次扫描，这种技术称为“双螺旋”或“双螺旋”。这种连续扫描可以提供出色的图像对比度，因为它允许两个光谱之间的广泛分离。由于两次扫描之间患者的任何移动都可能引入错误，因此在后处理期间会自动执行两个图像之间的非刚性图像配准，以解释和补偿位置的任何变化。
其他技术同时捕获两个光谱，在一次扫描中记录所有信息并限制患者暴露于 X 射线辐射。Siemens Healthineers 提供的一种选择是在扫描方向上使用过滤器将 X 射线束分开，从而产生两个具有不同平均能量的独立光束。这种 TwinBeam 技术提供了宽视场，但使用滤光片限制了光谱分离，因此限制了可以实现的图像对比度。
Siemens Healthineers 提供的第三种选择是 CT 扫描仪，它利用两个以不同能量运行的 X 射线源，每个源都连接到自己的探测器。这种双源方法比 TwinBeam 技术提供更好的光谱分离，因此为治疗计划提供更清晰的图像，以及每个单独光束中的更多 X 射线功率。视场略小，因为设备需要容纳两个单独的 X 射线管，在对身体的较大区域进行成像时需要考虑这一点。
这些 DECT 系统已经在放射诊所常规用于诊断成像，而扫描仪和软件的不断改进使放射治疗中心更容易将该技术集成到他们的临床工作流程中。“扫描可以由诊所的任何技术人员获取，放射肿瘤学家所需的所有信息都是自动生成的，”Shah 解释说。“可以在软件中设置临床工作流程，通过单次扫描自动执行额外的后处理和图像重建。”
捕获具有两种不同能量分布的 X 射线光谱可以在任何单一能量下重建图像。这会产生一系列虚拟单能图像 (VMI)，也称为 Monoenergetic Plus——能量范围从大约 40 keV 到 190 keV——可用于优化软组织对比度。“可以通过软件中的滑块轻松更改能量，”Shah 解释道。“放射肿瘤学家可以决定哪种能量为器官轮廓提供最佳对比度。”
比较和对比：头颈部区域在 40 keV(右上)的 VMI 显示了在正常 CT 图像上看不到的细节(左上)。能量范围为 40 到 100 keV(底部，从左到右)的 VMI 表明 40 keV 重建提供了最佳图像对比度。(礼貌：西班牙巴塞罗那德尔玛医院)
Shah 说，双能 CT 还能够提供有关体内动态过程的一些功能信息，例如肺部灌注或不同器官和血管中碘的吸收。例如，捕获两个不同能量范围内的 X 射线光谱可以确定材料成分，因为每种材料中 X 射线的衰减取决于能量。
“这意味着你可以做一些事情，比如从图像中去除骨头，或者区分脂肪和肝脏组织，”Shah 说。“从材料成分中，您可以预测材料的电子密度(Rho 图像)，这是用于放射治疗剂量计算的关键信息。” 与此同时，对于质子治疗，Siemens Healthineers 提供了一种称为“DirectSPR”的特定重建，它可以计算双能 CT 的停止功率比。
走进诊所
技术和软件的不断进步现在使医疗团队能够将双能 CT 整合到他们的临床实践中。
Beth Bradshaw Ghavidel ，美国埃默里大学 – 用于头颈部患者的 DECT
埃默里大学的首席医学物理学家之一 Beth Bradshaw Ghavidel 表示，TwinBeam DECT 主要用于头颈部患者，其中较高能量的 VMI 可以帮助去除体内金属物体产生的伪影，例如牙科填充物(DECT 与迭代金属人工制品重建兼容，iMAR)。“在扫描仪上设置所需的双能 CT 工作流程并允许自动后处理很容易，”Bradshaw Ghavidel 说。“根据需要进行哪些 CT 扫描，剂量师可以选择特定的研究进行导入。目前，我们不需要改变我们的临床工作流程来进行额外的影像学研究。”
Lili Chen，Fox Chase 癌症中心，美国 – DECT 用于颅内靶区勾画和直肠肿瘤
Fox Chase 癌症中心的 Lili Chen 也一直在探索双能 CT 提高不同疾病部位图像质量的潜力。在对头部和颈部进行成像时，她发现 - 与 Bradshaw Ghavidel 一样 - 190 keV 的 VMI 提供了一种有效的方法来减少由牙齿填充物和软腭中的碘摄取引起的伪影。Chen 还将 34 名不同患者的脑肿瘤 DECT 图像与 MRI 图像进行了比较。当使用碘造影剂时，她发现 40 keV 的 VMI 可以揭示传统 CT 或更高能量的 VMI 无法检测到的脑转移。更重要的是，在这项研究中，从 40 keV DECT 图像得出的脑肿瘤体积与从 MRI 获得的脑肿瘤体积相当。
低能量优势：Fox Chase 癌症中心的 Lili Chen 比较了脑转移瘤在通过(从左到右)40 keV 的双能 VMI、常规 CT 图像、190 keV 的 VMI、T1 加权的 MR 图像成像. 与 T1 加权 MR 图像相比，具有对比度的 40 keV 图像显示出相似的脑转移体积。(礼貌：Lili Chen，Fox Chase 癌症中心)
“在具有对比度的 CT 图像上发现了有意义的临床差异，40 keV 图像比其他能量下拍摄的图像更清楚地描绘了肿瘤，”陈评论道。“我们的研究结果表明，具有对比的双能 CT 可用于放射治疗计划中的颅内目标描绘。” 对直肠肿瘤的分析还揭示了在不同能量下拍摄的图像之间的明显差异，其中以 40 keV 拍摄的图像清楚地显示了肿瘤的坏死区域，并表明癌细胞已扩散到相邻的精管。
埃默里大学医院的杨晓峰 – DECT 图像对比用于头颈部轮廓的轮廓
同样在埃默里大学，杨晓峰一直在与 Bradshaw Ghavidel 和其他同事合作，研究双能 CT 是否可以提高他们为自动器官分割开发的深度学习模型的精度。在最近的一项研究中，他们设计了一个神经网络，利用 DECT 数据自动分割头部和颈部的 19 个危险器官，并使用为不同疾病部位的 66 名癌症患者生成的手动轮廓训练模型。然后将使用基于 DECT 的模型生成的自动轮廓与医生生成的手动轮廓以及使用埃默里大学医院开发的具有传统 CT 数据的相同模型获得的轮廓进行比较。“基于 DECT 的风险器官分割有可能促进当前头颈癌放射治疗工作流程中的治疗计划，”Yang 总结道。
美国威斯康星医学院 (MCW) 的 George Noid – DECT 用于临床常规和跟踪治疗效果
MCW 的医学物理学家 George Noid 表示，双能 CT 现在已用于几乎所有癌症患者的常规临床应用，尤其是那些需要在腹部或胸部进行治疗的患者。“我们使用 VMI 重建来增强图像对比度，”他说。“除了腹部和胸部患者，我们发现它对术前乳腺癌和腹部其他罕见疾病部位(如肾上腺)非常有用。”
Noid 希望在未来解决的一个特别棘手的问题是改进用于规划胰腺癌治疗的图像。“我们希望向胰头提供尽可能多的辐射，但主要的限制因素是我们可以向相邻十二指肠提供的辐射量，”他解释说。“这使得准确定义胰头和十二指肠之间的边缘在临床上很重要。” 在最近的一项研究中, Noid 及其同事将常规 CT 数据与 10 名正在接受胰腺癌治疗的患者的双能 CT 扫描进行了比较，在每种情况下，通过在扫描前向患者注射碘基造影剂来增强图像对比度。他们发现，在 40 keV 的最低可能能量下，VMI 的图像对比度提高了 2.8 倍，而图像质量的另一个重要指标，即对比度噪声比，也在该能量下最大化。来自其他治疗部位的图像，包括肝脏、乳房和胸腺，也显示肿瘤在 40 keV 下比在更高能量下更清晰可见。
Noid 还在研究从双能 CT 图像中提取的定量数据是否可以用作衡量患者对治疗反应程度的指标。“已经表明，胰腺癌的侵袭性与细胞外体积 (ECV) 分数相关，这可以从 DECT 扫描中计算出来，”他解释说。在最近的一项研究中在 AAPM 2021 上获得最佳物理学奖的 Noid 及其同事使用在每周治疗期间获取的 DECT 图像来计算 ECV 分数。对于 12 名胰腺癌患者，该研究揭示了 ECV 分数与血液中发现的癌抗原浓度之间的相关性，这表明定期 DECT 扫描可用于跟踪治疗效果。“这提供了基于 ECV 分数计算对患者风险进行分层的潜力，”Noid 解释说。“这些信息可能有助于推动您的临床决策，例如给患有更具侵袭性疾病的患者提供更高的剂量。我们还没有在我们的临床工作流程中使用它，但这就是我们的想法。”
Noid 相信 DECT 有可能提供更多的定量数据，这些数据将来可用于分析肿瘤的特性。“解锁这些信息在临床上将非常有用，”他说。“我们开始看到 DECT 有能力访问这些功能信息，我认为我们可以做的还有很多。”
