在现代医疗技术日新月异的今天，双层探测器光谱CT（简称光谱CT）以其独特的技术优势，正在逐步改变放疗领域的面貌。本文详细探讨了双层探测器光谱CT在放疗中的应用优势，特别是在光子治疗和质子治疗中的应用，从基本原理到靶区勾画、剂量计算，再到预测疗效评估，为广大医生、读者提供全面的解答和指导。
光谱CT的基本原理与优势
光谱CT，是在传统CT的基础上增加了能量分辨的能力。它使用一个X射线球管和空间上对等的上、下两层探测器，分别检测低能和高能光子，从而生成两个不同光谱的数据集。这种技术无需增加剂量、不改变工作流程，即可从任何常规CT扫描中获得双能数据，为放疗提供了更为精准的信息。
根据《双层探测器光谱CT临床应用中国专家共识（第一版）》，光谱CT的主要优势体现在以下几个方面：
1.多参数成像：光谱CT能够提供常规CT成像所不具备的多参数信息，如虚拟单能量图像（VMI）、有效原子序数（Z-eff）图、碘密度（ID）图、电子云密度（ED）图等。这些参数图能够精确量化组织在能量学范畴的差异，反映病灶的本质特征。
2.物质成分判定：通过不同能量下的光子吸收差异，光谱CT能够区分不同物质的成分，为放疗靶区的确定提供了更为可靠的依据。
3.降低金属伪影：在含有金属植入物的患者中，光谱CT能够显著减少金属伪影的影响，提高图像的清晰度。
4.优化图像质量：光谱CT能够在保持全能谱低噪声的同时，显著提高图像质量，特别是在软组织密度分辨力方面表现出色。
光谱CT自面世以来已逾十年，然而，在放射治疗领域，光谱CT长期未能引起足够的关注。直到近几年，这一技术才开始逐渐受到放射治疗领域的瞩目。早在2021年，已有相关文献深入阐述了光谱CT在放射治疗领域的显著优势，预示着其在该领域具有巨大的应用潜力。该文献系统性地阐述了光谱CT在放射治疗领域的优势[1]（图1）：
物理信息的精确性
光谱CT能够提供更为定量的物理属性信息，这极大地提高了剂量计算的准确性。这一特性为放射治疗提供了更加可靠的基础数据，从而确保了治疗计划的科学性和有效性。肿瘤可视化的提升
光谱CT通过显著改善多种恶性肿瘤及风险器官的可视化效果，极大地降低了治疗过程中的不确定性。光谱CT通过提高肿瘤的对比度，显著改善了肿瘤的轮廓识别能力。在复杂解剖区域（如头颈部），光谱CT的应用使得医生能够更准确地识别和定位肿瘤。此外，研究表明，光谱CT在多种癌症（如淋巴瘤、肺癌、胰腺癌等）的可视化中均表现出色，为临床诊断和治疗提供了有力支持。定量生理信息的获取
光谱CT具备提供定量生理信息的能力，如碘密度、有效原子序数图等。这为实现更加个性化和量化的放射治疗方案提供了有力支持。医生可以根据患者的具体生理状况，制定更为贴合个体需求的治疗方案。剂量计算的改进
相较于传统CT，光谱CT的测量结果更为定量和精确。它能够提供更准确的电子密度（ED）和有效原子序数（Z-eff）图，从而在剂量计算中表现出显著优势。特别是在粒子治疗（如质子治疗）中，光谱CT的应用可以显著降低停止功率比（SPR）的计算误差，进一步提高了治疗的准确性和安全性个性化治疗的潜力
光谱CT具备定量分析肿瘤灌注情况的能力，这有助于医生制定更加个性化的放射治疗方案。同时，该技术还可以用于监测治疗反应，评估肿瘤对放疗的敏感性，为调整治疗方案提供及时、准确的依据。这些特性使得光谱CT在放射治疗领域具有巨大的潜力和广阔的应用前景。
光谱CT在放射治疗领域中的应用
近年来，随着研究的不断深入和技术的持续进步，光谱CT在放射治疗领域的应用更是受到了越来越广泛的关注，展现出广阔的发展前景。
一、靶区勾画
在放疗中，靶区勾画的精准性直接关系到治疗的效果和患者的安全性。光谱CT的多参数成像能力为靶区勾画提供了更为精细的手段。
1. 软组织分辨力提升：光谱CT的40~50keV图像具有良好的软组织密度分辨力，能够清晰地显示病灶及其周围组织的细微差异，有助于更准确地勾画靶区。
2. 物质成分识别：通过有效原子序数图等参数图，光谱CT能够识别不同组织的物质成分，进一步提高了靶区勾画的准确性。
3. 自动勾画靶区：光谱CT的多参数成像和物质成分判定能力，结合先进的图像处理和人工智能技术，可以实现靶区的自动勾画，提高勾画效率和准确性。
早在2018-2019年已经有基于光谱CT的深度学习算法进行组织分割的相关研究[2]（图2）。
二、淋巴结定性
在肿瘤放疗中，淋巴结的定性对于判断肿瘤分期和制定治疗方案至关重要。光谱CT的多参数成像能力为淋巴结的定性提供了更为可靠的依据[1]（图3）。
1. 物质成分分析：光谱CT能够准确分析淋巴结的物质成分，如碘含量和AEF（动脉增强分数），有助于区分炎性淋巴结和转移性淋巴结。
2. 增强扫描效果：光谱CT的虚拟单能量图像（VMI）技术，可以优化增强扫描的效果，使淋巴结的显示效果更加清晰，有助于准确判断淋巴结的性质。
三、鉴别肺不张与肿瘤
在肺部疾病的放疗中，准确鉴别肺不张与肿瘤对于制定治疗方案和评估治疗效果具有重要意义。光谱CT的多参数成像能力为鉴别肺不张与肿瘤提供了更为可靠的手段。
下面这个研究中展示了静脉期四种类型图像中肿瘤与肺不张的鉴别[3]（图4）。一名69岁男性，患有低分化鳞状细胞癌和肺不张。在静脉期，常规CT（A）未能识别肿瘤边界和肺不张。然而，当使用40 keV虚拟单能（MonoE）图像（B）、碘密度图（C）和MonoE-ID融合图像（D）时，可以清晰显示两者边界。
该文中还提到PET-CT可轻松区分肿瘤与肺不张区域，但是MRI和PET-CT仍有一定的局限性，空间分辨率低且存在部分容积效应，在PET和肿瘤的真实的边界之间存在7-9 mm的偏差。
与PET相比，光谱CT具有以下优势：
1. 空间分辨率更高：光谱CT的空间分辨率远高于PET，能够更清晰地显示肿瘤及其周围组织的细微结构。
2. 辐射剂量更低：与PET相比，光谱CT的辐射剂量更低，对患者更加安全。
3. 成本更低：光谱CT的设备和检查成本相对较低，更易于普及和应用。
与MR对比的优势
MR（磁共振成像）是另一种常用于肿瘤放疗的影像技术。与MR相比，光谱CT具有以下优势：
1. 成像速度更快：光谱CT的成像速度远高于MR，能够更快速地完成检查，减少患者的等待时间。
2. 对钙化敏感：光谱CT对钙化非常敏感，能够准确显示肿瘤中的钙化灶，而MR对钙化的显示效果相对较差。
3. 对金属植入物兼容性好：在含有金属植入物的患者中，光谱CT能够显著减少金属伪影的影响，而MR则可能受到金属植入物的严重干扰。
4. 减小融合误差：光谱CT单能量可直接进行靶区勾画，减小融合配准带来的误差。
四、剂量计算
放疗中的剂量计算是确保治疗效果和患者安全性的关键环节。光谱CT的多参数成像和物质成分判定能力为剂量计算提供了更为精确的基础。
1. 个性化剂量计划：基于光谱CT的多参数成像，放疗医生可以制定更为个性化的剂量计划，针对不同患者的具体情况进行优化。
2. 减少剂量误差：光谱CT能够准确识别不同组织的物质成分和密度差异，从而减少因组织不均质性导致的剂量误差。
3. 优化剂量分布：通过光谱CT的多参数成像，放疗医生可以更加精确地控制剂量分布，确保靶区得到足够剂量的照射，同时减少周围正常组织的损伤。
下面这篇文献展示了传统的单光谱CT只能通过制定校准曲线，简单地将HU值通过它们的相关性映射到ED值[4]（图5）。与依赖CT图像的常规治疗计划相比，使用ED图的计划显示出相似的剂量学质量。然而，后一种方法可以直接用于剂量计算而不需要建立和选择特定的HU值)对ED校准曲线的要求，为临床应用提供了优势。
五、质子治疗
质子治疗以其独特的深度剂量分布优势，在放疗领域受到广泛关注。光谱CT在质子治疗中的应用主要体现在以下几个方面：
1. 靶区剂量精准计算：光谱CT提供的电子密度和有效原子序数等参数，可以显著提高质子治疗中靶区剂量的计算精度。根据德国海德堡大学医院放射肿瘤科的研究，使用飞利浦双层光谱CT的电子密度及有效原子序数对阻止本领进行预测，结果显示质子阻止本领估算误差为0.7%（平均值）。
2. 靶区精准勾画：光谱CT的单能级图像（MonoE）技术，可以还原物体在单能X线源情况下可能获得的图像，有助于靶区的精准勾画。这对于质子治疗中需要精确控制照射范围的场景尤为重要。
3. 预测疗效评估：光谱CT的多参数成像能力有助于早期发现治疗效果的变化，及时调整治疗方案。这对于质子治疗中需要持续监测治疗效果的场景具有重要意义。
下面这篇文献展示了DLCT（第二代双层探测器能谱CT）比SECT（传统单能CT）减少了SPR预测的不确定性[5]（图6）。在组织等效材料中，基于DLCT和SECT的预测结果与SPR测量值的平均偏差分别为0.7 %和1.6 %。
六、预测疗效评估
在放疗过程中，预测疗效评估对于及时调整治疗方案、提高治疗效果具有重要意义。光谱CT的多参数成像能力为预测疗效评估提供了更为可靠的手段（图7）。
1. 早期发现疗效：通过光谱CT的多参数成像，放疗医生可以早期发现治疗效果的变化，及时调整治疗方案。
2. 评估肿瘤反应：光谱CT能够准确评估肿瘤对放疗的反应情况，为判断治疗效果提供重要依据。
3. 指导后续治疗：基于光谱CT的预测疗效评估结果，放疗医生可以更加科学地指导后续治疗方案的制定和实施。
结语
双层探测器光谱CT以其独特的技术优势，在放疗领域发挥着越来越重要的作用。从基本原理到靶区勾画、剂量计算，再到预测疗效评估，光谱CT都展现出了卓越的性能和广阔的应用前景。特别是在自动勾画靶区、淋巴结定性、鉴别肺不张与肿瘤、与PET和MR对比、光子治疗和质子治疗中，光谱CT的应用优势更加明显。相信随着技术的不断发展和完善，光谱CT将在未来的放疗实践中发挥更加重要的作用，为更多患者带来福音。
[1]Matthijs Ferdinand Kruis.Improving radiation physics, tumor visualisation, and treatment quantification in radiotherapy with spectral or dual-energy CT.J Appl Clin Med Phy. 2021;1–17.
[2]van der Heyden B, Wohlfahrt P,et al. Dual-energy CT for automatic organs-at-risk segmentation in brain-tumor patients using a multi-atlas and deep-learning approach. Sci Rep. 2019 Mar 11;9(1):4126.
[3]Li-Juan Wen.Application value of double-layer spectral detector CT in differentiating central lung cancer from atelectasis.Ann Palliat Med 2022;11(6):1990-1996.
[4]Qizhen Zhu.Feasibility of dose calculation for treatment plans using electron density maps from a novel dual-layer detector spectral CT Simulator. Radiation Oncology (2024)19:93.
[5]Longarino FK, Kowalewski.Potential of a SecondGeneration Dual-Layer Spectral CT for Dose Calculation in Particle Therapy Treatment Planning. Front. Oncol.(2022) 12:853495.
责任编辑：肿瘤资讯-刘恩茂
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