2
功能成像
01
机会性筛查
在过去的几十年里，CT扫描的次数大大增加。因此，放射科医生在临床常规中面临着越来越多的图像和工作量的挑战。然而，在认知诊断决策过程中，CT扫描中只有少数图像信息被实际使用。在医学影像学中，人工智能和深度学习的应用越来越多，这为快速、自动化地分析这些额外的影像信息提供了独特的机会。自动量化不同人体组织，即所谓的人体成分分析，将有可能实现成本效益高的机会性筛查和风险分层，作为对其他适应症进行CT扫描的“一站式”方法。早期的研究显示，通过冠状动脉狭窄的自动评估、自动Agatston评分计算、和心外膜脂肪定量，心血管危险分层有很好的结果。此外，骨骼肌质量、内脏脂肪组织和骨密度的评估可能为一般人群和合并症患者提供预后信息。此外，器官大小和体积的自动分割可能有助于确定更准确的群体特定大小百分比。在大型多中心研究中，甚至在剂量登记中，未来应用人工智能进行自动化分析，将提供一个独特的机会，在区域甚至全球范围内将疾病和患者结局与身体成分联系起来。02
双能量CT
传统上，定量成像仅限于基于灰度的CT衰减测量。自年双能CT（DECT）商业化应用以来，CT成像已经从单一的基于灰度的诊断工具逐步发展成为一种功能成像工具，可以对人体内的不同物质进行识别和量化。这种量化将新的成像生物标记物引入临床成像，开辟了疾病特征和治疗反应监测的新维度。近年来，双能CT已经从一种研究工具发展到一种临床上公认的成像方式。它已经在所有的放射学子专业中启用了功能成像，并且最近的出版物已经展示了如何使用来自DECT的附加信息来影响患者的管理和结果。虚拟平扫成像（VNC）、虚拟单能成像（VMI）和材料图（如碘、钙、铁和脂肪）是DECT的主要临床应用。特别是，碘的定量已经作为一种成像生物标志物进行了研究。在紧急情况下，外伤性出血性脑挫裂伤的碘定量显示与住院死亡率和短期患者预后相关。此外，碘成像已被用作预测缺血性卒中血管内治疗成功后出血风险的潜在影像学生物标记物。为了与外伤性出血性挫伤患者的颅内压管理类型相关联，来自VMIs的图像显示，与动脉内溶解术后常规的非增强CT相比，它们能够更准确地预测颅内血肿的体积，因为它们能够区分碘渗漏和实际情况血肿。此外，基于DECT的钙显像可用于区分钙和出血。X-Map或水肿图已在脑卒中显像中得到广泛研究。这些图描绘了实质性水肿，与VNC和常规平扫CT相比，显示出更精确地测量梗死核心体积。大脑中动脉闭塞行动脉内血栓清除术后的CT随访。单能CT（a）显示右侧基底节高密度，提示颅内出血。然而，这与介入后对比剂外渗是分不开的。DECT的碘图（b）结合虚拟平扫图像（c）显示仅有碘对比剂外渗而无出血。
AlkadhiH,EulerA.TheFutureofComputedTomography:Personalized,Functional,andPrecise.InvestRadiol.Mar20.[Epubaheadofprint]
在胸部成像中，碘成像可用于量化肺实质灌注，可用于评估灌注缺陷，可用于改善亚节段性肺栓塞的检测。从VMIs获得的图像可用于改善血管混浊和挽救非诊断性CT肺动脉造影扫描。其他成像应用DECT包括心脏显像中心肌灌注的评估；肾上腺损伤和泌尿系结石的特征；胆结石的检测；血管性、炎症性和肿瘤性肠病的评估；骨骼显像中骨髓水肿和痛风的检测；肝脏脂肪和铁的定量；金属伪影的减少等。双能CT碘显像作为肿瘤影像学生物标志物具有重要的应用价值。在这里，它可以方便地检测和定性良恶性疾病，并可用于治疗监测和治疗反应评估。以往的研究表明，DECT可用于评估胰腺癌术后局部复发，预测宫颈癌放疗后的临床疗效，或预测立体定向放射治疗后肺癌的复发。碘显像在评估抗血管生成治疗后的治疗效果方面尤其有希望，其目的是减少新生血管，从而降低碘摄取。此外，DECT可用于预测恶性疾病的侵袭性，预测肿瘤分级和评估转移疾病的可能性（更多内容可以参见：双能量CT儿科临床应用进展；双能量CT在胰腺病变中的价值）。
除了在功能成像方面的优势外，DECT已经被证明可以提高基于VMI和碘成像的病灶检测的显著性和可信度。虚拟单能成像由于碘结构的CT衰减增加，为对比剂减少提供了潜力（更多关于单能谱图的应用，可以参见：DECT单能谱图的临床应用）。患者的辐射剂量可以通过重建VNC减少多个指征，这允许省略额外的平扫CT扫描。
考虑到全世界医疗保健系统诊断成像的财*负担越来越重，DECT可以通过减少对额外成像的需求来描述偶然发现而发挥关键作用。最近有一项研究评估了单期DECT与多期CT和磁共振成像在肾脏小病变特征诊断中的成本-效益，发现单相DECT更具成本-效益比。
03
光子计数CT
传统的能量积分探测器（EID）基于间接转换过程。x射线光子首先被转换成光光子，然后被光电二极管吸收并转换成电信号。利用反射材料和间隔板反射和捕获色散光子，减小了探测器的几何面积和剂量效率。相反，光子计数探测器（PCD）由直接将x射线光子转换成电信号的半导体组成。因此，不需要反射材料，从而提高了剂量效率。在PCD中，通过比较器电路进一步修改每个像素的读出，比较器电路对达到预定能量阈值的光子进行计数。能量箱可以通过减去这些通道相关能量阈值中2个的计数光子来定义。能量箱的数量取决于比较器通道的数量。光子计数探测器可以理想地同时检测分离能量箱中的光子，理论上减少了能量重叠，改善了光谱分离。因此，与能量谱之间存在相当多重叠的传统DECT系统相比，理想PCD具有更高的剂量效率。与双源或快速kVp切换DECT相比，PCD系统的另一个优点是在每次CT扫描时都能捕获光谱信息。此外，光谱信息在空间上是完全配准的。这两个优点也存在于双层和TBDE滤波器DECT中。然而，与这些系统相反，PCD允许从2个以上的能谱中获取光谱信息。这使得能够同时量化1种或多种k-边界对比剂（如碘、钆或钨），从而允许在单个CT扫描期间将静脉对比剂与口服对比剂或多个对比剂阶段的成像区分开来。在这里，单扫描多相成像有可能大大减少患者的辐射负荷。
首次对PCD原型CT扫描仪（PCD-CTs）进行了体模和动物实验研究，证明了用不同k-边界对比剂进行单扫描多相成像的可行性。动物实验的初步结果显示，碘和钆的单扫描双期肝脏和肾脏成像有很好的结果。PCD-CT不同对比剂同时成像为功能成像提供了一个新的维度，这在磁共振成像或核医学中是不可用的。使用多种对比剂并评估其空间和时间分辨率有助于理解和表征血流实体瘤的动态和肿瘤血管。光子计数探测器CT与DECT相比具有提高材料定量的潜力。与传统的EID相比，PCD-ctd对碘的定量有了改进。此外，在牛脑中成功地区分了血液和碘。PCD-CT的K-边界成像为治疗后成像提供了潜在的新领域。最近的一项体模研究报告了区分液体栓塞材料（钽）和碘的可行性，这可能改善血管治疗的评估。与传统的DECT相比，PCD-CT可扩展肌肉骨骼放射学中晶体性关节病的诊断。体外实验表明，PCD-CT不仅可以定量尿酸盐，而且可以区分钙化半月板中焦磷酸钙和羟基磷灰石沉积。然而，早期的PCD系统受到物理效应的影响，这会削弱完美的光谱分离并引入光谱重叠。两个重要的效应是光子电荷共享和脉冲堆积。如果光子击中像素边缘附近的探测器，使某些光子能量分布在相邻像素上，则会发生电荷共享。这里，在每个像素中检测到的能量比真实光子能量低。此外，如果光子被半导体通过光电效应吸收，则可以在离开探测器的相邻像素中检测到二次发射光子，这也导致低能量光子的错误计数。（a）传统EID和（b）PCD系统的原理图。能量积分探测器基于一个间接转换过程，在这个过程中，x射线光子首先被闪烁体转换成光光子，然后被光电二极管转换成电信号。反射材料用于捕获每个探测器元件内的光子。超高分辨率（UHR）滤波器可以用来提高空间分辨率。在PCD中，半导体被用来直接将x射线光子转换成电信号。在专用集成电路（ASIC）中，输出信号由多个比较器和计数器进一步处理，这些比较器和计数器根据预定义的能量阈值计算光子。如果探测到的光子的光子能量超过这个单独的能量阈值（c），则由单个计数器进行计数。由于不需要反射材料，几何剂量效率比EID有所提高。此外，可以细分检测器像素。
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04
CT灌注
CT灌注-心脏
动态负荷心肌灌注成像(MPI)是在药物引起的充血过程中，注射对比剂后获得一系列的CT图像。为了使辐射剂量尽可能低，这种重复扫描通常在较低的管电压下进行。进行这种MPI检查需要CT扫描仪，其探测器宽度在最多两次采集中覆盖左心室。这意味着，最新一代宽探测器CT扫描仪或第二代或第三代双源CT系统是以适当质量进行此类高级CT检查的最低技术要求。通过测量左心室心肌随时间的动态衰减，计算心肌灌注的绝对定量测量，通常显示为参数灌注图(心肌灌注检查流程参见：一站式动态负荷CT心肌灌注成像检查流程)。
多个动物研究评估了MPI-CT的诊断性能，并在多个研究中将其性能与基于导管的流量储备分数(FFR)测量和其他人类MPI技术进行了比较。结果表明，通过CT半自动分析MPI获得的灌注参数可以在导致缺血和非缺血的冠状动脉之间进行稳健的鉴别(ROC曲线，0.87)。最近的荟萃分析发现，MPI结合CT可识别血流动力学显著的冠状动脉疾病，每支血管的敏感性为85%，特异性为81%，MPI-CT也可能具有预后意义。研究表明，与单独的CT冠状动脉造影相比，在2.5年的随访时间内，将MPI-CT纳入分析中，对合并终点心源性死亡、非致命性心肌梗死、不稳定心绞痛或充血性心力衰竭住院的预测得到了改善。最后，一项前瞻性随机对照试验引入了一个分层的CT方案，包括钙化积分、CT冠状动脉造影，并通过改良分流至心导管术(I级血运重建指征)显示对稳定胸痛患者的益处。除了需要在更大的队列中进行前瞻性研究以确定MPI在CT中的最有效作用外，未来的技术发展必须着眼于通过更有效和更稳健的扫描协议将该技术集成到日常临床常规中，以实现最大价值和最低可能的辐射剂量。
CT灌注-大脑
脑动脉大血管闭塞常导致脑组织不可逆性死亡。核心梗死周围的脑组织可能缺乏足够的血流量，无法正常工作，但在出现时通常仍能存活。这种低灌注组织被称为半影，快速恢复血流量可保留半影，防止进展为不可逆梗死。因此，立即确定核心梗死和半影是必要的，因为治疗动脉闭塞恢复血流是治疗的首要目标。脑CT灌注可获得脑血流量、脑血容量、平均通过时间、峰值时间和最大残留功能时间等定量指标。脑血容量或脑血流量严重减少的脑组织对应于核心梗死，平均转运时间或其衍生物（TTP或Tmax）延长的区域描绘出半影。因此，脑灌注CT能够识别核心梗死、半影以及核心和半影之间是否存在不匹配。此外，灌注CT能准确检测和定位急性缺血性卒中患者的大血管闭塞，为优化血管重建治疗开辟了道路。从目前所有灌注CT的应用来看，脑的动态成像可以被认为是近年来灌注CT已经融入临床常规的最标准化、最稳健的应用。（更多关于脑卒中的内容参见：CT神经灌注的参数解读）
CT灌注-体部
肿瘤患者的晚期手术通常需要进行体部CT灌注检查。灌注CT可以预测和监测治疗对肿瘤血管系统的下游影响。从静脉注射碘对比剂后肿瘤和血管增强的动态变化中，可以得到反映肿瘤灌注、血容量和治疗相关微循环变化的定性和定量参数。成功的治疗通常伴随着肿瘤灌注、血容量和/或血管渗漏的减少。
56岁男性肝癌射频消融术后1天动态增强CT肝脏灌注成像。四维时间最大强度投影图像（a）和肝动脉灌注图（b）显示肿瘤完全消融和典型的周围充血（箭头）。
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使用低管电压设置和现代低光子通量探测器技术，最大限度地降低CT灌注的辐射剂量，使其符合ALARA原则。现代CT扫描仪可实现高时间采样和相对短的扫描时间，优化的对比剂注射方案产生准确的定量灌注CT结果。体部CT灌注的另一个潜在用途是替代传统的增强CT，因为它能在一个单一的组织内提供高质量的形态学图像和健康组织和肿瘤组织的定量功能信息检查。然而，肿瘤患者的灌注CT成像仍然是一个相对较新和发展的领域。目前尚未完全成熟，有几个障碍必须克服，才能纳入临床应用程序。例如，目前对适当的指示缺乏共识。特别是当预期的治疗效果不是很大时，可靠性研究对于区分真实的治疗效果和个体内和个体间血管动力学的变化是很重要的，要求不同制造商的不同CT机器之间的标准化稳健采集协议和数据处理模型的标准化。另一个悬而未决的问题是灌注CT与DECT相比的效率。
3
精准成像
现代医学为各种疾病提供了早期有效的治疗选择。这推动了对精确诊断成像的需求，使亚毫米病变检测和治疗反应的可靠评估成为可能。为了实现这一目标，需要通过降低图像噪声和提高空间分辨率来优化图像质量。考虑到这两个质量参数，PCD-CT最有可能在医学成像中引入新的图像质量水平。与传统的EID系统相比，PCD将光子直接转换成电信号可以降低统计噪声。此外，可以在PCD中定义能量阈值，以便滤除低于该阈值的电子噪声，并且不影响图像信息（或退化）。一些活体研究表明，与EID-CT相比，PCD-CT可将图像噪声降低20%，将CNR提高33%，根据身体区域的不同，电子噪声的消除在低检测信号的检查中尤其有利，例如低辐射剂量的CT扫描或肥胖患者的扫描。使用附加的Sn滤波器与高能量阈值图像相结合可以进一步提高主观图像质量，与EID-CT相比减少了金属伪影。光子计数探测器从根本上改变了不同能量光子信号的加权方式。传统上，EIDs根据探测到的光子的能量对信号进行加权。高能光子对对比度信息的贡献很小，与低能光子相比，高能光子接收到很强的权重，因此信号更强。光子计数探测器对所有光子的重量相等，这使得携带碘等高原子材料对比度信息的低能光子的重量更大，从而提高了对比度。原型PCD-CT已经证明了临床可行性，如前所述，探测器元件尺寸小至0.25mm，空间分辨率为μm，PCD不需要反射材料，这使得每个探测器区域的探测器像素尺寸更小。提高空间分辨率可以改善亚毫米解剖结构的描绘，并提高体积材料的量化。
右（a，c）和左（b，d）颞骨模型的轴位CT图像，用（a，b）EID（等中心体素大小，0.5mmx0.5mmx0.5mm；标准分辨率，卷积核H70h）和（c，d）PCD（等中心体素大小，0.2mmx0.2mmx0.5mm；超高分辨率，卷积核U90）获得。请注意，在使用PCD获得的图像中，空间分辨率的提高和精细细节（如内耳解剖结构）的更好描绘。
AlkadhiH,EulerA.TheFutureofComputedTomography:Personalized,Functional,andPrecise.InvestRadiol.Mar20.[Epubaheadofprint]
心血管、肺、骨骼肌肉和大脑成像是最有可能受益于空间分辨率提高的区域。钙化斑块、血管狭窄、肺结节体积测定以及胸膜下间隙纤维化的评估是可能的临床应用。光子计数探测器CT可能通过提高空间分辨率和减少晕染伪影来促进小支架成像。体外研究表明，与传统的EID-CT相比，支架腔内显示效果更好。一个体模研究表明，与双层CT系统相比，PCD-CT对冠状动脉支架内再狭窄的描述有所改善。此外，PCD-CT可显著改善冠状动脉钙化积分的图像质量或减少辐射剂量。光子计数探测器CT将提高x像素的高图像像素矩阵和超锐利卷积核的有效性，这些方面目前受到EID-CT系统有限的空间分辨率的限制。体内实验报告，与传统的CT相比，通过将像素的矩阵与PCD相结合，改善了对气道和高阶支气管的评价。胸膜下纤维化改变的改进描述为间质性肺病的检测和特征化提供了新的可能性。在脑成像中，PCD-CT的分辨能力，结合锐利的卷积核，可以很好地描绘鼻窦和颞骨的骨结构。4
结论
今天和将来，CT可以最好地描述为一种个性化、功能性和精准的成像工具。扫描条件、图像采集和数据分析的自动化将逐步增强从每个CT扫描中收集的信息。尽管如此，我们并没有走到发展的尽头，而是走到了CT技术新时代的门口。未来的PCD-CT系统，结合基于人工智能的图像处理，将引入一个新的图像质量水平，为每个患者个性化提供大量的功能成像选项。
戈弗雷·霍恩斯菲尔德爵士（Sir.GodfreyHounsfield）的工作仍然有着惊人的影响。
让我们拭目以待吧！
本文编译自：AlkadhiH,EulerA.TheFutureofComputedTomography:Personalized,Functional,andPrecise.InvestRadiol.Mar20.[Epubaheadofprint]文章所述内容为原作者观点，仅用于专业人士交流目的，不作为商业用途。
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