摘要

双能量减影成像是一种先进的医学成像技术，旨在提升复杂解剖背景下造影剂的检测能力。该方法通过获取两种不同能量水平的X射线图像——一幅高于造影剂材料（如碘在33.2 keV处）的K吸收边，一幅低于该能量——并对这些图像进行对数减影，从而抑制周围组织的信号，增强造影剂的相对可见度。尽管具有潜力，双能量减影成像在临床实践中尚未广泛应用，部分原因在于难以在不引入双次曝光运动伪影的情况下获得两个不同的X射线能谱。

本研究探索了在含碘造影剂的乳腺X线摄影模型中，使用硅条探测器的电子能谱分离技术。通过理论和实验分析，将该技术与传统吸收成像及近理想探测器进行比较，采用综合考虑统计噪声和结构噪声的信噪比进行全面评估。研究还探讨了色散多棱镜X射线透镜在能谱滤波中的应用，该透镜提供窄带可调谐能谱，有望克服重吸收滤波（如X射线通量显著降低）的局限性。

引言

造影剂在医学X射线成像中被广泛用于增强具有相似密度和原子序数结构之间的区分度。在乳腺X线摄影中，碘化造影剂对于突出肿瘤尤为宝贵，因为与病变生长相关的血管生成会增加血管通透性和造影剂滞留。虽然计算机断层扫描受益于静脉注射造影剂，但标准的屏片或数字乳腺X线摄影常受限于对比度分辨率，降低了造影增强病变的检测能力。

双能量减影成像被提出作为解决此限制的方案。该技术利用造影剂在其K吸收边处吸收系数的急剧变化。对于碘，该吸收边位于33.2 keV。通过获取能谱中心低于和高于此能量的图像，并进行对数组合，双能量减影可以抵消特定组织对（如腺体和脂肪组织）的信号，同时突出造影剂。然而，实际实施需要两个窄带且充分分离的能谱，传统上通过双阳极材料和吸收滤波实现——这种方法容易产生运动模糊和效率问题。

本文通过评估电子能谱分离和基于多棱镜X射线透镜的滤波技术，旨在优化临床乳腺X线摄影中的双能量减影应用。

方法论

理论框架

双能量减影的理论基础基于材料在不同能量下对X射线的差异衰减。材料的衰减系数μ(E)随光子能量E变化，在K边处由于光电吸收而出现不连续增加。对于碘等造影剂，这导致刚好高于吸收边的衰减显著高于刚好低于吸收边的情况。双能量减影过程包括测量低能量和高能量下的透射强度I_low和I_high，并计算减影图像S = ln(I_low) - k · ln(I_high)，其中k是优化以抵消背景组织信号的权重因子。

电子能谱分离

电子能谱分离利用能够电子识别光子能量的硅条探测器。该方法允许单次X射线曝光同时获取低能和高能图像，消除了与双次曝光相关的运动伪影。通过蒙特卡罗模拟对探测器的能量分辨率和效率进行建模，并将其性能与理想能量分辨探测器进行比较。

多棱镜X射线透镜

多棱镜X射线透镜是一种折射光学元件，通过一系列棱镜聚焦X射线，提供色散。通过调整透镜几何结构，可以滤波X射线能谱，产生定制的窄能带以跨越碘K边。对多棱镜X射线透镜的传输效率和光谱纯度进行了理论计算，并基于通量和信噪比指标评估其替代传统吸收滤波器的潜力。

实验设置

实验使用包含碘对比点嵌入组织等效背景的乳腺X线摄影体模进行。使用钨阳极X射线管在40 kVp下产生能谱，在有和无多棱镜X射线透镜滤波条件下照射体模。使用硅条探测器获取图像，并在采集后应用双能量减影。计算每种配置下包含量子噪声和解剖背景变异性的信噪比。

结果

电子能谱分离性能

硅条探测器成功解析了低能和高能图像，且串扰最小。双能量减影图像显示组织背景得到有效抑制，碘信号显著增强。信噪比分析证实，在模拟条件下，电子能谱分离性能与理想探测器相当，尽管能量分辨率的实际限制略微降低了其效率。

多棱镜X射线透镜滤波效果

多棱镜X射线透镜产生了以31 keV和35 keV为中心的窄能谱（半高宽约4 keV），非常适合碘双能量减影。与传统滤波相比，多棱镜X射线透镜保持了更高的X射线通量，由于量子噪声减少，信噪比提高了30%。透镜的可调谐性还允许针对不同造影剂和成像任务进行优化。

比较分析

与使用两种阳极材料的双能谱方法相比，电子能谱分离方法消除了运动伪影并简化了成像设置。多棱镜X射线透镜通过提供优异的光谱分离且无重金属滤波器的通量损失，进一步提升了性能。

讨论

结果表明，电子能谱分离和多棱镜X射线透镜滤波为乳腺X线摄影中的双能量减影提供了显著优势。单次曝光获取双能量数据的能力解决了传统双能量减影的主要限制，而多棱镜X射线透镜的高效能谱整形在不牺牲剂量效率的情况下提高了信噪比。然而，挑战依然存在，包括多棱镜X射线透镜制造的成本和复杂性，以及对高性能能量分辨探测器的需求。

在信噪比指标中包含结构噪声至关重要，因为解剖背景杂波常限制乳腺X线摄影的检测能力。通过考虑这一点，本研究为临床环境中双能量减影性能提供了更现实的评估。未来的工作应侧重于将这些技术集成到全视野数字乳腺X线摄影系统中，并在患者研究中评估其对诊断准确性的影响。

结论

本研究证实，使用电子能谱分离和多棱镜X射线透镜的对比度增强双能量减影成像可以显著提高乳腺X线摄影中碘造影剂的检测能力。电子能谱分离技术减轻了运动模糊，而多棱镜X射线透镜提供了可调谐的窄能谱，相比传统滤波方法提升了图像质量。这些进展有望推动双能量减影更广泛的临床采用，通过增强对比度分辨率潜在地改善乳腺肿瘤的早期检测。

核心洞见

• 电子能谱分离通过单次曝光获取双能量数据，实现无运动伪影的双能量减影。
• 多棱镜X射线透镜提供卓越的能谱滤波，减少通量损失并提高信噪比。
• 使用碘造影剂的双能量减影相比吸收成像可实现超过2.5倍的信噪比提升。
• 信噪比计算必须包含结构噪声，以在乳腺X线摄影中进行准确的性能评估。
• 多棱镜X射线透镜技术可针对不同造影剂进行调谐，扩展其超越碘基双能量减影的适用性。