双能计算机断层扫描(CT)是一种强大的诊断工具，越来越广泛地应用于临床。双能CT有潜力帮助检测或增加诊断信心，通过使用后处理技术，可以利用不同材料的不同x射线能量依赖吸收行为，评估各种紧急神经系统疾病。鉴别碘与出血可能有助于划定CT血管造影斑点征象，这些斑点是急性出血病例在CT血管造影上看到的颅内出血的小病灶。骨减影可用于在成像时有效地排除增强血管周围的骨结构，以改善血管的可视化，并创建在外观上类似于三维磁共振成像血管重建的图像。骨减影也有助于改善小的轴外积液和轴外肿块的显著性。材料表征有助于阐明中等衰减的小病灶是否代表出血、钙化或异物，也可用于量化先前存在或偶然检测到的病变中出血或碘的量。虚拟单色成像也可用于解决难题的情况下。

引言

在过去的几十年里，计算机断层扫描(CT)一直是用于急诊神经影像学的主要成像方式，因为它在检测颅内出血和其他影响紧急情况下患者治疗的急性异常方面具有广泛的可用性、速度和准确性。在过去的30年里，在CT设备的重大技术进步之后，双能CT技术进入了临床领域。这些最新进展允许各种材料表征后处理技术应用于紧急环境，其中CT对患者治疗至关重要，并且通常是唯一实用的成像方式。本文概述了双能CT在急诊神经成像中的应用，重点介绍了其潜在的临床应用。

01 双能CT：采集和后处理技术与发展

双能CT的核心概念是不同材料的x射线吸收行为的差异作为x射线能量的函数，特别是对于具有高原子序数的材料。在诊断成像设置中，光子吸收主要是由于光电效应，康普顿散射的作用较小。元素的光电吸收与其原子序数和k边缘有关，k边缘反映了原子最内层电子k壳层的能级。通过光电效应对入射光子的吸收在k边缘或稍高于k边缘处达到最大。临床CT扫描仪中使用的x射线光谱部分取决于施加在x射线管上的千伏电压。千伏电压加速电子，直到它们撞击阳极并产生具有广泛能谱的x射线—达到最大值，以千电子伏特为单位，与施加的千伏电压相匹配。低原子量元素，如氢、碳、氧和氮(是大多数软组织的组成部分)的相对x射线衰减在临床CT扫描仪使用的千伏光谱之间变化不大，因为这些元素的k边缘远低于平均光谱能量水平。具有较高原子序数的元素具有较高能量的k壳层，非常适合从典型的CT x射线光谱中吸收x射线。碘的k边缘为33.5 keV，而典型的120-kV谱的平均x射线能值约为70 keV，这取决于x射线管结构和线束过滤规格。低千伏x射线光谱的平均能量值更接近碘k边缘，导致在低千伏电压下x射线吸收增加。

在双能CT中，从低能和高能x射线光谱中收集x射线吸收数据，以利用患者体内不同材料的能量依赖x射线吸收差异。不同的系统架构可用于完成此数据采集，最广泛使用的系统包括单源快速千伏切换单元和双源单元。

快速千伏切换方法使用单一的x射线管和探测器阵列，管电流在80和140千伏之间快速交替，以便在机架围绕患者旋转时获得连续的投影。潜在的优势包括两个能级的全视野数据采集和两个能级的近归一化投影数据，这使得后处理技术可以直接在原始数据或投影域中执行。潜在的缺点包括，由于80千伏频谱的穿透性不足，扫描大体型患者存在局限性，并且需要在最大管电流(即毫安)设置下运行x射线管，这阻止了使用同步管电流调制技术来自动调整辐射剂量以适应患者的总体尺寸和区域厚度。

双源双能CT扫描仪使用两个独立的x射线管和探测器阵列，在机架内几乎成直角排列。更高能量的x射线管在140千伏下工作，并增加了一个锡滤过器，衰减140千伏光谱的低能量部分，以改善光谱分离，并突出不同材料的能量依赖吸收的差异。低能量x射线管可以在80 kVp或100 kVp下工作，使双能可以扫描比80 kVp, 140 kV组合更大体型的患者。然而，第二个探测器阵列的有限视野(由于机架组件内的物理限制)可能导致外周解剖的截断。后处理是在图像域中进行的，因为尽管获取的图像是几何配准的，但获取的投影数据在两个球管之间偏移了近90°，这就排除了使用基于原始数据的方法。x射线管电流可以独立调制，以允许使用通常的管电流调制技术。一个潜在的缺点是需要购买和保持一个系统—在一个机架内包括两套球管和探测器。本文示例所包括的所有图像均在我们急诊科使用双源双能CT扫描仪(Definition FLASH，西门子医疗)，所描述的后处理方法是在双源双能量系统中用于图像域重建的方法。

在使用双能CT扫描仪采集数据后，在图像存档和通信系统中，通常生成用于常规图像解释的混合图像。它们模拟传统的灰度CT图像，并包含高、低千伏图像数据的加权平均值。薄层轴位低、高千伏图像集也发送到薄层双能CT后处理服务器，进行双能后处理数据集的生成和解释。后处理算法使不同类型的材料能够被表征和区分。在以下章节中，描述了与急诊神经影像学最相关的算法，并举例说明了它们的重要临床应用。

02 碘的三物质分解

三物质分解是许多双能CT后处理技术的潜在机制。由于碘和钙等材料的x射线吸收行为在低和高千伏设置下都有很好的特征，因此测量的CT衰减值可用于分解每个体素，或者使用基于原始数据的方法将每个投影分解为来自三种预定基础材料的假定贡献。在大脑中，基物质线通常通过使用脑脊液和脑实质的典型低、高千伏衰减值(以豪斯菲尔德单位)来定义。在对比增强CT上，第三种材料是碘，其含量可以通过对比低千伏和高千伏时体素衰减来确定(图1)。较高浓度的碘导致在低电压下与高电压设置相比衰减增加更大，沿称为碘双能比的特征斜率。通过这种方式，碘对每个体素衰减的贡献是确定的，并且可以显示为碘图，去除以产生VNC图像，或者在灰度VNC图像上呈现为彩色覆盖图像(图2)。与标准的单能量非增强头部CT图像的信噪比相比，VNC图像和碘图的潜在局限性包括较低的信噪比，并且主观上图像的外观不那么吸引人。对于有动脉瘤夹或动脉瘤线圈的患者，由于线束硬化伪影引起的退化也可能是限制。

4ffce04d92a4d6c-67 图1 碘的三物质分解图解。基物质线(红线)是用脑脊液(CSF)和脑实质在低和高千伏下的衰减值(以豪斯菲尔德单位)来定义的。在基物质线上加入碘(蓝线)，衰减值增大，具有特征斜率(即双能比)。然后，任何体素(X)的增强后衰减可以分解为其由含碘引起的衰减及其残留的虚拟非对比(VNC)衰减。

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4ffce04d92a4d6c-69 图2 74岁男性，CT血管造影显示斑点征象，钝性创伤后表现为精神状态改变。最初获得的非增强CT图像(未显示)显示双侧额叶和左顶叶大量出血。(a)随后获得的轴位双能混合CT血管造影显示外渗性出血(黄色箭头)和碘造影剂(白色箭头)混合，与CT血管造影斑点征象一致。橙色箭头=脑实质。(b)在轴位碘覆盖图上，彩色区域表示碘造影剂，包括出血内明显的活动性外渗灶(箭头)。(c)在轴位VNC图像上排除碘造影剂以显示潜在的血肿。(d)虚拟单色光谱曲线显示了a中箭头所示相应区域的衰减行为，作为x射线能量的函数。在低电压下，渗出的碘对比材料(白色曲线)的衰减急剧增加，而出血(黄色曲线)和实质(橙色曲线)的衰减几乎保持平稳。

对于急性颅内出血，识别活动性外渗是必要的。CT血管造影斑点征象已被描述，并与随后获得的扫描中颅内血肿扩张有关。该征象表示增强前图像中未出现的CT血管造影动脉期和增强后CT图像的造影剂外渗。CT血管造影斑点征象已被发现与住院死亡率和发现后3个月死亡率密切相关。此外，使用华法林被认为会增加CT血管造影斑点征象的大小和数量，这在动物模型中得到了证实。早期发现至关重要。碘覆盖图结合VNC图像可用于明确识别颅内碘，从而潜在地有助于检测CT血管造影斑点征象(图2)。

VNC图像通过消除需要单独获取非增强CT图像有可能减少病人的辐射暴露，然而，图像质量一直是一个问题。虽然有报道称，与标准的非增强CT图像相比，VNC图像的图像质量有所下降，并引起了人们对蛛网膜下腔出血细微病灶检测的关注，但尚未证明具有统计学意义的诊断性低下。

双能CT在卒中评估中的应用已经在多个研究中得到证实，其中碘图和VNC图像用于区分动脉内抗纤溶治疗后的新颅内出血和造影剂染色。在缺血的情况下，由于血脑屏障的破坏，血管造影后的造影剂染色很常见，很难与急性出血区分。造影剂和出血的不正确特征可导致抗血小板或肝素治疗的延迟，从而改变急性临床管理。据报道，双能CT对血栓切除术后出血与造影剂鉴别的准确率为87.2%至100%。

已经研究了在不明原因的急性颅内出血病例中使用VNC图像和碘图来检测潜在的强化病变(图3)。使用碘覆盖图的双能CT的阳性预测值和阴性预测值分别为94%和97%，优于标准的增强后CT。虽然也有人提出使用碘图作为灌注图像的替代品，但在少数研究中评估了该方案的潜在用途和局限性。

4ffce04d92a4d6c-71 图3 一例54岁男性上矢状窦顶点肿块引起的轴外急性出血。(a)轴位混合CT图像显示一个病变，推测为出血，邻近一个细微的肿块(箭头)。(b, c)矢状面(b)和冠状面(c)碘覆盖图显示下肿块内强化(箭头)。(d)增强(箭头)在VNC图像上被减掉。

03 钙的三物质分解

钙在低电压和高电压条件下也表现出很强的x射线差别吸收，尽管与碘相比程度较低。因此，三物质分解技术可以很容易地通过用钙取代碘的双能比来创建钙图和虚拟去钙(VNCa)图像。钙的双能比斜率较浅(图4)。

4ffce04d92a4d6c-70 图4 钙的三物质分解图解。VNCa图像是通过将碘的双能比(蓝色虚线)替换为钙的双能比(绿色实线)而生成的。就像碘的信号一样，钙的信号也可以被减掉，生成VNCa图像，并单独显示在钙覆盖图上。CSF = 脑脊液。

虽然这种分解方法相对较新，但它可能对急性神经影像学有很大帮助。它通常用于急诊非增强头部CT，用于识别脑实质中具有衰减值的高衰减灶，这些衰减值可能表明急性出血或钙化—通常没有对比图像的好处来证明稳定性(图5)。在这些情况下，可以使用钙图和VNCa图像明确区分实质钙化和出血，从而消除间隔随访成像或临床观察的需要。在一项回顾性研究中，Hu等人报道了使用这些图像检测出血的准确率为99%。在我们的机构经验中，我们观察到类似的临床效用。这种三物质分解方法也可用于表征脑膜瘤等肿块中的钙含量(图6)。

4ffce04d92a4d6c-72 图5 在衰减值不确定的情况下解决问题的钙表征。(a)一位70岁女性外伤后的轴位CT图像显示一个不清晰的高衰减(85HU)镰旁灶(箭头)。(b, c)病变明确确定为钙而非出血，因为它在轴位钙覆盖图(b)上表现为一个明亮的焦点(箭头)，在轴位VNCa图像(c)上完全消失(箭头)。这些发现消除了该患者在急诊科等待随访非增强头部CT的需要。(d-f)在另一个病例中，60岁男性的轴位混合(d)、钙覆盖(e)和VNCa (f) CT图像显示枕角脑室内出血(箭头)。在钙覆盖和VNCa图像上出血仍然可见，而在VNCa图像上相邻的脉络膜丛钙化被消除。

4ffce04d92a4d6c-73 图6 81岁女性肿块中钙含量的特征分析。(a)轴位混合CT图像显示左侧顶点肿块(箭头)。(b, c)轴位钙覆盖图(b)中突出显示的钙含量(箭头)在轴位VNCa图像(c)中被排除(箭头)，以显示下方的软组织肿块。

值得注意的是，三物质分解不允许同时定量碘含量和钙含量，因为没有足够的独特数据来解决这两个未知值。这将需要使用来自至少三个不同的x射线能量仓的x射线能量吸收数据进行四种物质分解，这将用于未来的光子计数探测器系统。因此，通过目前的双能CT采集和碘三物质分解后处理，钙在碘图和VNC图像上都是可见的，钙的衰减值在两幅图像之间大致平分。因此，碘图上的明亮内容可能代表碘或钙，但这两种元素可以在VNC图上区分开来，因为碘会消失，而钙仍然可见。相反，在钙三物质分解中，碘被误归为钙，导致VNCa图像上的衰减被人为降低。

04 骨减影

骨减影与三物质分解不同，它基于每个体素的二元特征，表现得更像碘或钙。每个体素的特征是落在一条分离线的上方或下方，其斜率落在碘的双能比和钙的双能比之间(图7)。那些主要含有钙的体素被归零，以便更好地评估相邻结构。

4ffce04d92a4d6c-74 图7 骨减影的图解。通过定义碘的双能比(蓝虚线)和钙的双能比(绿线)之间的斜率，形成了一条分离线(黄线)。落在这条分隔线以下的体素被归为骨骼，并被置零以完成骨骼减影。CSF = 脑脊液。

骨减影最引人注目的临床应用之一是帮助评估颈部和头部血管，其中颅底和颈椎横突孔的骨结构会干扰血管评估，特别是在最大强度投影图像上(图8,9)。历史上，已有多种方法用于在单能量CT上实现骨减影，在减影和自动化方面取得了不同程度的成功。双能量CT骨减影方法的优点是对患者运动引起的误配不敏感，并且不容易受到血管腔部分减影的影响，这与基于阈值或区域生长的骨减影方法不同。

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4ffce04d92a4d6c-76 图8、9 (8)一名90岁有脑卒中症状的女性患者行双能头颈部CT血管造影，骨减影改善血管显示。(a)冠状面常规最大强度投影图像显示被相邻骨遮挡的椎动脉和颅内颈内动脉。(b, c)冠状骨减影重组图像(b)显示了空骨体素，这使得创建冠状骨减影最大强度投影图像(c)能够完整地描述椎动脉和颈动脉。(d)从后面观察三维重组图像，除了牙齿硬件伪影(箭头)限制血管评估之外，可以完全可视化血管树。左侧颈动脉分叉处的钙化斑块(箭头)由于其与碘体素相邻，可以被表征，它可以留在图像上，也可以与骨骼一起被去除。(9)一例以严重头痛和蛛网膜下腔出血为表现的55岁男性患者，骨减影改善血管显示。在最初的标准CT血管造影检查(未显示)中没有发现明确的病因异常。(a)标准冠状面最大强度投影图像显示微妙的床突旁轮廓异常(箭头)。(b)在骨减影重组图像上，一个小的左侧床突旁动脉瘤(箭头)更为明显。(c)随后获得的三维数字减影血管造影的结果证实了CT血管造影的结果，具有类似的动脉瘤(箭头)测量。

在最近的一项研究中，将骨减影双能CT血管造影与三维旋转数字减影血管造影进行动脉瘤检测的比较，发现骨减影CT血管造影具有较高的准确性，其结果与动脉瘤尺寸测量密切相关。在其他研究中，双能骨减影CT血管造影显示，与增强前蒙片减影后的单能CT血管造影相比，总体上能促进相似程度的骨去除，但辐射剂量较低。Buerke等发现骨减影双能CT、骨减影单能CT血管造影和MR血管造影在血管狭窄程度上无统计学差异。然而，使用单能量技术有明显增加颅底狭窄的趋势，这被认为是由于过度减影。此外，与标准CT血管造影的阅读时间相比，双能骨减影CT血管造影可以减少图像阅读时间。

除了使血管可视化，骨减影可能有助于识别位于骨结构附近的小的或微妙的颅内异常。例如，颅底区域的小轴外血肿和病变的显著性可以得到改善(图10、11)。

4ffce04d92a4d6c-77 图10、11 (10)骨减影改善轴外出血的显著性。(a, b) 75岁男性跌倒后的轴位混合(a)和去骨(b)CT图像显示右侧额叶硬膜下出血(箭头)。(c, d) 59岁男性跌倒后头痛的轴位混合(c)和去骨(d) CT图像显示薄的左侧硬膜下出血(箭头)。硬膜下出血在标准混合图像(a、c)上不明显，但在相应的骨减影图像(b、d)上更为明显，因为排除了相邻的颅骨。(11)一例33岁女性轴外肿块的可见性提高。在没有(a)和(b)骨减影的轴位CT图像上偶然发现了左桥小脑角的肿块(箭头)。肿块及其向左侧内耳道的延伸在骨减影图像上更为明显。

05 虚拟单色成像

传统的CT采集基于多色x射线光谱，其x射线能量变化，达到最大值，相当于施加在x射线管上的峰值千伏电压。结合使用高、低千伏双能量数据，可以创建显示衰减值的模拟虚拟单色图像，该衰减值可以被预料，如果患者可以用固定单色能量值(以千电子伏特为单位)的x射线源成像。模拟图像可以通过使用选择的单色能量值来产生，或者可以将感兴趣区域中的预期衰减值绘制为单色能量值的函数。随着单色能级的降低，光谱衰减曲线显示出高原子序数材料(如碘和钙)的特征衰减增加，低原子序数材料(如脂肪和塑料)的衰减减少，而体内大多数其他软组织的衰减曲线相对平坦。因此，兴趣区域光谱衰减曲线可以用作帮助区分材料的额外解决问题的工具(图2、12)。

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4ffce04d92a4d6c-79 图12 使用虚拟单色成像光谱曲线对一名最近在跌倒后植入深部脑刺激器的62岁男子进行材料表征。(a, b)轴位混合CT图像(a)显示开颅部位下方有一个不确定的高衰减区域(白色箭头)，该区域在轴位骨减影CT图像(b)上持续存在，表明它不代表潜在的钙化。黄色箭头=脑实质。(c)虚拟单色成像光谱衰减曲线来自放置在不确定的高衰减区域(白色曲线)和a中的脑实质(黄色曲线)之上的感兴趣区域，以及放置在不同水平(未显示)的感兴趣区域(紫色曲线)。这些曲线表明，在单色能级较低时，未知物质的衰减减小。这种行为在出血和实质组织中是不典型的，它们的衰减值作为单色能量的函数保持不变，与高原子序数材料(如钙和碘)的行为相反，它们的衰减值在低单色能量水平下增加。这种行为与用于固定刺激器植入物的塑料水泥一致，而不是急性出血的指示。

当研究单源虚拟单色成像时，发现使用65 keV的单色能值可以优化灰质-白质的对比，而75 keV对于减少后窝线束硬化伪影最有效。多项研究的结果表明，在高单色能级获得的虚拟单色图像大大减少了金属结构的线束硬化伪影。然而，这些研究大多是在头颈部以外进行的。最近的研究表明，使用颅内动脉瘤线圈和动脉瘤夹可成功减少伪影(图13)。通过使用高单色能图像实现的金属伪影的成功减少部分取决于存在的金属的数量和类型，因为如果在低千伏设置下没有足够的数据来执行双能后处理，那么真正的光子缺乏就不能用虚拟单色成像来纠正。我们进一步发现，在CT血管造影的虚拟单色图像上减少金属伪影是具有挑战性的，因为减少线束硬化伪影所需的高单色能量值也会降低碘的对比增强。牙科汞合金伪影的减少也是一个问题，研究结果不一，其中一些研究结果表明，双能CT与单能CT相比，由于信噪比降低，实际上可能会降低诊断成像质量。

4ffce04d92a4d6c-80 图13 一位在切除复发脑膜瘤和近距离治疗后出现新的颅内出血的70岁的男性的虚拟单色成像对金属伪影减少。轴位(a, c)和冠状(b, d) CT图像顶点处的线束硬化伪影通过虚拟单色成像部分减弱。80 kev的虚拟单色CT图像(a, b)上的伪影比相应的170 kev图像(c, d)上的伪影更大。170 kev图像上的伪影减少，可以提高邻近出血的可见性。

在以前的研究中，双能CT对血管可视化所需的最佳对比噪比和信噪比进行了研究。随着单色能级的降低，碘的衰减及其与周围软组织的对比增加。这些特征可以用来增加碘的显著性，以改善次优CT血管造影的增强效果，甚至可以从传统的延迟增强后CT扫描中生成接近CT血管成像的血管图像。然而，对于许多虚拟单色成像后处理技术，在较低的单色能级下，噪声也会急剧增加，导致信噪比和对比噪比下降。在一项关于颈部血管的研究中，研究人员使用双源双能CT扫描仪，在单色能量水平为68-77 keV时获得了最佳的对比噪声比，在66-72 keV时获得了最佳的信噪比。应该指出的是，虚拟单色成像技术因制造商而异，最近已经设计出新的算法来改善较低模拟x射线能级下的噪声行为。因此，最佳单色能级在制造商或后处理算法之间是不可重复的，需要对扫描仪和软件进行特定的调查，以确定特定应用的最佳值。

06 辐射剂量

一个常见的误解是，由于在高和低千伏电压水平上采集数据，双能CT的辐射剂量增加。实际上，在现有的系统中，辐射剂量是在低千伏和高千伏设置下采集的数据之间分割的，因此在可比较的采集中，通常采用双能CT方法来维持总辐射剂量。本文中用于获取非增强头部CT扫描的双能CT方案分别使用100和140 kV的千伏电压和锡滤过器，以及参考值为300和100 mAs的管电流调制系统(CareDose 4D，西门子医疗)。采用迭代重建技术(SAFIRE，强度2；采用J37f卷积核处理常规混合图像，Q34f卷积核处理用于双能后处理的薄层轴位源图像。对于2015年进行的最后250次CT扫描，使用这些参数导致中位容积CT剂量指数为48.9 mGy(四分位数范围为46.0-51.9 mGy)，中位剂量长度乘积为868 mGy-cm(四分位数范围为807-939 mGycm)。这些容积CT剂量指数结果即低于诊断参考水平，也低于美国放射学会和美国医学物理学家协会联合实践指南中提出的可实现剂量水平。此外，双能CT有可能促进更大幅度的减少辐射剂量，可以消除获取额外的非增强图像，而可以通过从增强后图像中排除碘来获得VNC图像。

07 局限性

双能CT的局限性包括执行这些检查所需的高端扫描仪的硬件和软件成本，而没有任何相关的报销增加。添加后处理协议的工作流程效率低下是双能CT常规临床应用的常见障碍。技术专家或放射科医生驱动的工作流程在图像解释之前需要额外的时间，这可能无法实现，特别是在急性护理环境中。然而，制造商正在努力提高后处理工作流程的自动化。技术限制包括双能后处理在光子饥饿区域的伪影，在那里没有足够的低电压数据来表征材料。这种伪影可能出现在覆盖金属的区域或身体高度衰减的部位，如肩部，那里在80kv下可能没有足够的x射线穿透。