摘要

雙能量減影成像是一種先進的醫學影像技術，旨在提升對比劑在複雜解剖背景下的可偵測性。此方法涉及在不同能量水平下獲取兩張X射線影像——一張高於對比劑材料（如碘在33.2 keV）的K吸收邊緣，一張低於該邊緣。透過對這些影像進行對數減影，來自周圍組織的信號被抑制，從而增強對比劑的相對可見度。儘管具有潛力，雙能量減影成像在臨床實踐中尚未廣泛應用，部分原因在於難以在不引入雙次曝光運動偽影的情況下獲得兩個不同的X射線能譜。

本研究探討在含碘對比劑的乳房攝影模型中，使用矽條偵測器進行電子能譜分離的應用。透過理論與實驗分析，將此技術與傳統吸收成像及接近理想的偵測器進行比較，採用包含統計噪聲與結構噪聲的綜合信噪比進行評估。本研究同時調查了色散多稜鏡X射線透鏡在能譜濾波中的應用，該透鏡提供窄頻可調能譜，有望克服重度吸收濾波（如X射線通量顯著降低）的限制。

引言

對比劑在醫學X射線成像中被廣泛用於增強具有相似密度與原子序數結構之間的區分度。在乳房攝影中，碘化對比劑特別有助於突顯腫瘤，因為與病變生長相關的血管新生會增加血管通透性與對比劑滯留。雖然電腦斷層掃描可透過靜脈注射對比劑獲益，但標準的屏片或數位乳房攝影常受限於對比度解析度不足，降低了對比增強病變的可偵測性。

雙能量減影成像被提出作為此限制的解決方案。該技術利用對比劑在其K吸收邊緣處吸收係數的急遽變化。對於碘而言，此邊緣位於33.2 keV。透過獲取能譜中心分別低於與高於此能量的影像，並進行對數合併，雙能量減影能抵消特定組織對（如腺體組織與脂肪組織）的信號，同時強調對比劑。然而，實際實施需要兩個窄頻且充分分離的能譜，傳統上透過雙陽極材料與吸收濾波實現——此方法易產生運動模糊與效率問題。

本文透過評估電子能譜分離與基於多稜鏡X射線透鏡的濾波，旨在優化臨床乳房攝影中的雙能量減影技術，以應對這些挑戰。

研究方法

理論框架

雙能量減影的理論基礎在於材料在不同能量下對X射線的差異衰減。材料的衰減係數μ(E)隨光子能量E變化，且在K邊緣處因光電吸收而出現不連續增加。對於像碘這樣的對比劑，這導致剛高於邊緣處的衰減顯著高於剛低於邊緣處。雙能量減影過程包括測量低能量與高能量下的透射強度I_low與I_high，並計算減影影像S = ln(I_low) - k · ln(I_high)，其中k為經優化的權重因子，用於抵消背景組織信號。

電子能譜分離

電子能譜分離利用能夠電子式區分光子能量的矽條偵測器。此方法允許從單次X射線曝光中同時獲取低能量與高能量影像，消除了雙次曝光相關的運動偽影。使用蒙地卡羅模擬對偵測器的能量解析度與效率進行建模，並將其性能與理想能量解析偵測器進行比較。

多稜鏡X射線透鏡

多稜鏡X射線透鏡是一種折射光學元件，透過一系列稜鏡聚焦X射線，提供色散特性。透過調整透鏡幾何形狀，可對X射線能譜進行濾波，產生窄頻能量帶，量身定制以跨越碘K邊緣。對多稜鏡X射線透鏡的傳輸效率與能譜純度進行了理論計算，並基於通量與信噪比指標評估其取代傳統吸收濾波器的潛力。

實驗設置

實驗使用包含嵌入組織等效背景中碘對比劑點的乳房攝影體模進行。以鎢陽極管在40 kVp操作下產生的X射線能譜照射體模，分別使用與未使用多稜鏡X射線透鏡濾波。以矽條偵測器獲取影像，並在獲取後應用雙能量減影。針對每種配置計算了包含量子噪聲與解剖背景變異性的信噪比。

結果

電子能譜分離性能

矽條偵測器成功解析低能量與高能量影像，且串擾極小。雙能量減影影像顯示組織背景被有效抑制，碘信號顯著增強。信噪比分析證實，在模擬條件下，電子能譜分離性能與理想偵測器相當，儘管能量解析度的實際限制略微降低了其效率。

多稜鏡X射線透鏡濾波效能

多稜鏡X射線透鏡產生了中心位於31 keV與35 keV的窄能譜（半高寬約4 keV），理想適用於碘雙能量減影。相較傳統濾波，多稜鏡X射線透鏡維持了更高的X射線通量，由於減少的量子噪聲導致信噪比提升30%。透鏡的可調性亦允許針對不同對比劑與成像任務進行優化。

比較分析

與使用雙陽極材料的雙能譜方法相比，電子能譜分離方法消除了運動偽影並簡化了成像設置。多稜鏡X射線透鏡透過提供卓越的能譜分離且無重金屬濾波器相關的通量損失，進一步提升了性能。

討論

結果表明，電子能譜分離與多稜鏡X射線透鏡濾波為乳房攝影中的雙能量減影帶來了顯著優勢。在單次曝光中獲取雙能量數據的能力解決了傳統雙能量減影的主要限制，而多稜鏡X射線透鏡的高效能譜成形在不犧牲劑量效率的情況下改善了信噪比。然而，挑戰依然存在，包括多稜鏡X射線透鏡製造的成本與複雜性，以及對高性能能量解析偵測器的需求。

在信噪比指標中包含結構噪聲至關重要，因為解剖雜波常限制乳房攝影中的可偵測性。透過考量此點，本研究為臨床環境中的雙能量減影性能提供了更真實的評估。未來工作應聚焦於將這些技術整合至全場數位乳房攝影系統，並在患者研究中評估其對診斷準確性的影響。

結論

本研究證實，使用電子能譜分離與多稜鏡X射線透鏡的對比增強雙能量減影成像能顯著提升乳房攝影中碘化對比劑的可偵測性。電子能譜分離技術減輕了運動模糊，而多稜鏡X射線透鏡提供了可調窄頻能譜，相較傳統濾波方法提升了影像品質。這些進展為雙能量減影更廣泛的臨床應用帶來希望，有望透過增強對比度解析度改善乳腺腫瘤的早期檢測。

關鍵見解

• 電子能譜分離透過單次曝光獲取雙能量數據，實現無運動偽影的雙能量減影
• 多稜鏡X射線透鏡提供卓越的能譜濾波，減少通量損失並提升信噪比
• 使用碘對比劑的雙能量減影相較吸收成像可實現超過2.5倍的信噪比提升
• 信噪比計算必須包含結構噪聲，以在乳房攝影中進行準確的性能評估
• 多稜鏡X射線透鏡技術可針對不同對比劑進行調諧，擴展其於碘基雙能量減影之外的適用性