以兩種不同的能量采集 CT 數據可提高用于放射治療計劃的圖像質量，并提供對體內功能過程的洞察
現在您看到了：從雙能 CT 獲得的單能重建可以提供更好的圖像對比度，以幫助臨床決策。在此示例中，40 keV(右)的大腦單能圖像比使用傳統 CT 獲得的等效圖像顯示更多細節。(禮貌：西班牙巴塞羅那德爾瑪醫院)
基于計算機斷層掃描 (CT) 的成像技術的快速發展為使用放射療法治療癌癥患者帶來了一場革命。只需幾秒鐘的 X 射線掃描即可獲得患者內部解剖結構的準確 3D 可視化，并提供醫學物理學家計算治療腫瘤的最佳劑量分布所需的關鍵信息。CT 技術的不斷進步使臨床團隊能夠獲得更高質量的圖像，從而能夠更精確地定位腫瘤，同時最大限度地減少對健康器官和組織的損害。
然而，傳統的 CT 圖像有時可能缺乏清晰區分不同類型軟組織所需的對比度。這使得放射腫瘤學家難以精確確定腫瘤的大小和形狀，并勾勒出需要保護免受電離輻射影響的附近器官、組織和血管的輪廓。放射治療部門常規使用的標準 CT 掃描的另一個顯著限制是它們僅提供解剖信息，因此無法揭示可能為治療計劃提供一些額外見解的功能過程。
對于需要增強軟組織對比度或功能信息的病例，CT 通常與其他成像方式相結合，例如磁共振成像 (MRI) 或正電子發射斷層掃描 (PET)。盡管 Siemens Healthineers 提供的 MRI 和 PET 解決方案已針對放射治療和預期治療位置的患者成像進行了優化，但在某些情況下，此類補充成像方法可能不可用。對于做出臨床決策，特別是當關鍵器官處于危險之中時——例如在頭頸部區域、胸部或腹部——改善軟組織對比度至關重要。
然而，現在，一種可以提高 CT 圖像質量的新方法開始在放射治療診所中發揮作用。該技術稱為雙能 CT 或 DECT，從兩個不同的 X 射線光譜而不是一個光譜中獲取 CT 圖像。傳統 CT 使用單個 X 射線束捕獲圖像，該束具有平均約 70 keV 的光子能量譜和 120 keV 的典型峰值能量。每種材料的圖像對比度取決于它對 X 射線的衰減程度，而這又取決于能量。
“在標準 CT 能量下，我們嘗試成像的大多數軟組織都具有非常相似的衰減系數，”西門子 Healthineers 的研究專家和研發合作科學家 Jainil Shah 解釋說。“這意味著大多數器官在 CT 圖像上顯示時看起來非常相似。”
放射治療中雙能 CT 的路徑
DECT 通過從兩個不同能量范圍內拍攝的 X 射線掃描生成圖像來緩解這個問題。自 1970 年代第一次實驗顯示雙能 CT 的潛力以來，已經出現了幾種不同的獲取 DECT 圖像的方法——每種方法都有其優點和缺點。最簡單的方法是以兩種不同的能量對患者進行兩次掃描，這種技術稱為“雙螺旋”或“雙螺旋”。這種連續掃描可以提供出色的圖像對比度，因為它允許兩個光譜之間的廣泛分離。由于兩次掃描之間患者的任何移動都可能引入錯誤，因此在后處理期間會自動執行兩個圖像之間的非剛性圖像配準，以解釋和補償位置的任何變化。
其他技術同時捕獲兩個光譜，在一次掃描中記錄所有信息并限制患者暴露于 X 射線輻射。Siemens Healthineers 提供的一種選擇是在掃描方向上使用過濾器將 X 射線束分開，從而產生兩個具有不同平均能量的獨立光束。這種 TwinBeam 技術提供了寬視場，但使用濾光片限制了光譜分離，因此限制了可以實現的圖像對比度。
Siemens Healthineers 提供的第三種選擇是 CT 掃描儀，它利用兩個以不同能量運行的 X 射線源，每個源都連接到自己的探測器。這種雙源方法比 TwinBeam 技術提供更好的光譜分離，因此為治療計劃提供更清晰的圖像，以及每個單獨光束中的更多 X 射線功率。視場略小，因為設備需要容納兩個單獨的 X 射線管，在對身體的較大區域進行成像時需要考慮這一點。
這些 DECT 系統已經在放射診所常規用于診斷成像，而掃描儀和軟件的不斷改進使放射治療中心更容易將該技術集成到他們的臨床工作流程中。“掃描可以由診所的任何技術人員獲取，放射腫瘤學家所需的所有信息都是自動生成的，”Shah 解釋說。“可以在軟件中設置臨床工作流程，通過單次掃描自動執行額外的后處理和圖像重建。”
捕獲具有兩種不同能量分布的 X 射線光譜可以在任何單一能量下重建圖像。這會產生一系列虛擬單能圖像 (VMI)，也稱為 Monoenergetic Plus——能量范圍從大約 40 keV 到 190 keV——可用于優化軟組織對比度。“可以通過軟件中的滑塊輕松更改能量，”Shah 解釋道。“放射腫瘤學家可以決定哪種能量為器官輪廓提供最佳對比度。”
比較和對比：頭頸部區域在 40 keV(右上)的 VMI 顯示了在正常 CT 圖像上看不到的細節(左上)。能量范圍為 40 到 100 keV(底部，從左到右)的 VMI 表明 40 keV 重建提供了最佳圖像對比度。(禮貌：西班牙巴塞羅那德爾瑪醫院)
Shah 說，雙能 CT 還能夠提供有關體內動態過程的一些功能信息，例如肺部灌注或不同器官和血管中碘的吸收。例如，捕獲兩個不同能量范圍內的 X 射線光譜可以確定材料成分，因為每種材料中 X 射線的衰減取決于能量。
“這意味著你可以做一些事情，比如從圖像中去除骨頭，或者區分脂肪和肝臟組織，”Shah 說。“從材料成分中，您可以預測材料的電子密度(Rho 圖像)，這是用于放射治療劑量計算的關鍵信息。” 與此同時，對于質子治療，Siemens Healthineers 提供了一種稱為“DirectSPR”的特定重建，它可以計算雙能 CT 的停止功率比。
走進診所
技術和軟件的不斷進步現在使醫療團隊能夠將雙能 CT 整合到他們的臨床實踐中。
Beth Bradshaw Ghavidel ，美國埃默里大學 – 用于頭頸部患者的 DECT
埃默里大學的首席醫學物理學家之一 Beth Bradshaw Ghavidel 表示，TwinBeam DECT 主要用于頭頸部患者，其中較高能量的 VMI 可以幫助去除體內金屬物體產生的偽影，例如牙科填充物(DECT 與迭代金屬人工制品重建兼容，iMAR)。“在掃描儀上設置所需的雙能 CT 工作流程并允許自動后處理很容易，”Bradshaw Ghavidel 說。“根據需要進行哪些 CT 掃描，劑量師可以選擇特定的研究進行導入。目前，我們不需要改變我們的臨床工作流程來進行額外的影像學研究。”
Lili Chen，Fox Chase 癌癥中心，美國 – DECT 用于顱內靶區勾畫和直腸腫瘤
Fox Chase 癌癥中心的 Lili Chen 也一直在探索雙能 CT 提高不同疾病部位圖像質量的潛力。在對頭部和頸部進行成像時，她發現 - 與 Bradshaw Ghavidel 一樣 - 190 keV 的 VMI 提供了一種有效的方法來減少由牙齒填充物和軟腭中的碘攝取引起的偽影。Chen 還將 34 名不同患者的腦腫瘤 DECT 圖像與 MRI 圖像進行了比較。當使用碘造影劑時，她發現 40 keV 的 VMI 可以揭示傳統 CT 或更高能量的 VMI 無法檢測到的腦轉移。更重要的是，在這項研究中，從 40 keV DECT 圖像得出的腦腫瘤體積與從 MRI 獲得的腦腫瘤體積相當。
低能量優勢：Fox Chase 癌癥中心的 Lili Chen 比較了腦轉移瘤在通過(從左到右)40 keV 的雙能 VMI、常規 CT 圖像、190 keV 的 VMI、T1 加權的 MR 圖像成像. 與 T1 加權 MR 圖像相比，具有對比度的 40 keV 圖像顯示出相似的腦轉移體積。(禮貌：Lili Chen，Fox Chase 癌癥中心)
“在具有對比度的 CT 圖像上發現了有意義的臨床差異，40 keV 圖像比其他能量下拍攝的圖像更清楚地描繪了腫瘤，”陳評論道。“我們的研究結果表明，具有對比的雙能 CT 可用于放射治療計劃中的顱內目標描繪。” 對直腸腫瘤的分析還揭示了在不同能量下拍攝的圖像之間的明顯差異，其中以 40 keV 拍攝的圖像清楚地顯示了腫瘤的壞死區域，并表明癌細胞已擴散到相鄰的精管。
埃默里大學醫院的楊曉峰 – DECT 圖像對比用于頭頸部輪廓的輪廓
同樣在埃默里大學，楊曉峰一直在與 Bradshaw Ghavidel 和其他同事合作，研究雙能 CT 是否可以提高他們為自動器官分割開發的深度學習模型的精度。在最近的一項研究中，他們設計了一個神經網絡，利用 DECT 數據自動分割頭部和頸部的 19 個危險器官，并使用為不同疾病部位的 66 名癌癥患者生成的手動輪廓訓練模型。然后將使用基于 DECT 的模型生成的自動輪廓與醫生生成的手動輪廓以及使用埃默里大學醫院開發的具有傳統 CT 數據的相同模型獲得的輪廓進行比較。“基于 DECT 的風險器官分割有可能促進當前頭頸癌放射治療工作流程中的治療計劃，”Yang 總結道。
美國威斯康星醫學院 (MCW) 的 George Noid – DECT 用于臨床常規和跟蹤治療效果
MCW 的醫學物理學家 George Noid 表示，雙能 CT 現在已用于幾乎所有癌癥患者的常規臨床應用，尤其是那些需要在腹部或胸部進行治療的患者。“我們使用 VMI 重建來增強圖像對比度，”他說。“除了腹部和胸部患者，我們發現它對術前乳腺癌和腹部其他罕見疾病部位(如腎上腺)非常有用。”
Noid 希望在未來解決的一個特別棘手的問題是改進用于規劃胰腺癌治療的圖像。“我們希望向胰頭提供盡可能多的輻射，但主要的限制因素是我們可以向相鄰十二指腸提供的輻射量，”他解釋說。“這使得準確定義胰頭和十二指腸之間的邊緣在臨床上很重要。” 在最近的一項研究中, Noid 及其同事將常規 CT 數據與 10 名正在接受胰腺癌治療的患者的雙能 CT 掃描進行了比較，在每種情況下，通過在掃描前向患者注射碘基造影劑來增強圖像對比度。他們發現，在 40 keV 的最低可能能量下，VMI 的圖像對比度提高了 2.8 倍，而圖像質量的另一個重要指標，即對比度噪聲比，也在該能量下最大化。來自其他治療部位的圖像，包括肝臟、乳房和胸腺，也顯示腫瘤在 40 keV 下比在更高能量下更清晰可見。
Noid 還在研究從雙能 CT 圖像中提取的定量數據是否可以用作衡量患者對治療反應程度的指標。“已經表明，胰腺癌的侵襲性與細胞外體積 (ECV) 分數相關，這可以從 DECT 掃描中計算出來，”他解釋說。在最近的一項研究中在 AAPM 2021 上獲得最佳物理學獎的 Noid 及其同事使用在每周治療期間獲取的 DECT 圖像來計算 ECV 分數。對于 12 名胰腺癌患者，該研究揭示了 ECV 分數與血液中發現的癌抗原濃度之間的相關性，這表明定期 DECT 掃描可用于跟蹤治療效果。“這提供了基于 ECV 分數計算對患者風險進行分層的潛力，”Noid 解釋說。“這些信息可能有助于推動您的臨床決策，例如給患有更具侵襲性疾病的患者提供更高的劑量。我們還沒有在我們的臨床工作流程中使用它，但這就是我們的想法。”
Noid 相信 DECT 有可能提供更多的定量數據，這些數據將來可用于分析腫瘤的特性。“解鎖這些信息在臨床上將非常有用，”他說。“我們開始看到 DECT 有能力訪問這些功能信息，我認為我們可以做的還有很多。”
