雙能CT螺距和迭代重建權(quán)重對(duì)單能衰減和有效原子序數(shù)的影響：體模研究

田 璐，黃紅云，范 杰

(1.四川省醫(yī)學(xué)科學(xué)院·四川省人民醫(yī)院放射科，四川 成都 610072；2.中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院輻射研究所，四川 成都 610021)

CT值和有效原子序數(shù)(effective atomic number，Zeff)對(duì)于臨床診斷具有極其重要的價(jià)值。利用雙能CT可更加準(zhǔn)確地獲取單能量CT值，并通過(guò)分離物質(zhì)得出目標(biāo)有效原子序數(shù)，進(jìn)而準(zhǔn)確判斷物質(zhì)成分，目前已經(jīng)成為極具前景的影像學(xué)診斷技術(shù)[1-2]。不同螺距及不同權(quán)重的迭代重建(iterative reconstruction，IR)算法均會(huì)對(duì)成像噪聲和圖像質(zhì)量造成影響[3-6]，但其對(duì)雙能CT掃描所獲不同單能CT值與有效原子序數(shù)結(jié)果有無(wú)影響鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究采用雙能CT不同螺距寶石能譜成像(gemstone spectral imaging，GSI)模式觀察能量、螺距和IR算法對(duì)體模CT值和Zeff測(cè)值的影響。

1 材料與方法

1.1 材料 Catphan500標(biāo)準(zhǔn)體模(The Phantom Laboratory公司)，包括4種材料所制直徑12.3 mm圓柱形插件，分別為聚四氟乙烯(Teflon)、空氣(Air)、低密度聚乙烯(low density polyethylene，LDPE)、丙烯酸(Acrylic)，見(jiàn)圖1。

圖1 CT圖示體模及其內(nèi)插件位置(紅圈為測(cè)量數(shù)據(jù)區(qū)域)

1.2 儀器與方法 采用GE Healthcare Revolution 256排雙能CT掃描儀，于溫度20.5～22.5℃環(huán)境下對(duì)體模行GSI掃描，具體掃描和重建參數(shù)見(jiàn)表1，每種條件下均重復(fù)掃描5次。以GE Advantage Workstation 4.7軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，生成單能圖(60、73和80 keV)及有效原子序數(shù)圖。于每個(gè)插件中心選取ROI(25 mm2，圖1)，測(cè)量單能量CT值和Zeff。以美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Technology，NIST)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以幾何稱(chēng)重法在(20±1)℃環(huán)境下測(cè)量材料實(shí)際質(zhì)量密度，并以比重法驗(yàn)證；將相應(yīng)材料的相應(yīng)單能量CT值計(jì)算結(jié)果作為CT理論值，以廠家提供的材料分子式為基礎(chǔ)，根據(jù)公式(1)計(jì)算相應(yīng)材料的Zeff作為理論值[7](表2)，其中，誤差=測(cè)量結(jié)果-理論值，相對(duì)誤差(relative error，RE)=(測(cè)量結(jié)果-理論值)/理論值×100%；同時(shí)對(duì)(mean relative error，MRE)進(jìn)行等級(jí)劃分，≤1%為A級(jí)，1%10%為D級(jí)。

表1 GSI掃描體模參數(shù)

表2 GSI所獲體模不同材料 CT值及Zeff理論值

(1)

式中fi指第i種元素的電子分?jǐn)?shù)，Zi指第i種元素的原子序數(shù)。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 26.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。以±s表示計(jì)量資料，以方差分析行多樣本比較，采用LSD檢驗(yàn)進(jìn)行兩兩比較。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 CT值 所有能量、螺距和IR權(quán)重下，MRE-CT值均為Air0.05)。不同螺距下Teflon、Acrylic MRE-CT值總體差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均<0.05)，而Air、LDPE MRE-CT值差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)。不同ASIR-V權(quán)重下各種材料MRE-CT值差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P均>0.05)。見(jiàn)表4、5。

表3 構(gòu)成體模的不同材料的CT值和Zeff MRE比較

表4 不同能量下體模各種材料CT值比較(HU)

表5 雙能CT所測(cè)不同材料體模MRE-CT值比較(%)

2.2 Zeff所有螺距和IR權(quán)重下，MRE-Zeff均為Acrylic0.05)，見(jiàn)表6。

表6 雙能CT所測(cè)體模各種材料MRE-Zeff比較(%)

3 討論

3.1 CT值 為獲取更精準(zhǔn)的CT理論值，本研究?jī)H對(duì)質(zhì)量衰減系數(shù)直接采用NIST標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)(73 keV點(diǎn)擬合插值獲取)，而將材料密度誤差控制在0.01 g/cm3以?xún)?nèi)；每種條件下均重復(fù)掃描5次，以減少隨機(jī)誤差和設(shè)備短期穩(wěn)定器的影響，并將1.375大螺距作為影響因素考慮在內(nèi)。本研究發(fā)現(xiàn)Air、LDPE及Acrylic 的CT值均隨能量增加而增高，Teflon則相反，與理論值趨勢(shì)及既往研究[8]結(jié)果相符，與各種材料不同能量衰減系數(shù)與水衰減系數(shù)比值增減趨勢(shì)有關(guān)；Air 的CT理論值不隨能量變化，但Air密度受溫度影響較大，故CT值隨能量增加而略有增高。

CT理論值絕對(duì)值較大材料，如Teflon及Air，其MRE-CT值<1%，分級(jí)列為A級(jí)，受能量、螺距和IR權(quán)重的綜合影響較?。籆T理論值絕對(duì)值較小材料，如Acrylic及LDPE，其MRE-CT分別>5%和10%，分列C、D級(jí)，所受影響較大，提示臨床應(yīng)根據(jù)實(shí)際掃描部位的組織成分盡量適當(dāng)選取能量及螺距，以獲取更為精確的CT值[9-10]；尤其需關(guān)注CT理論值絕對(duì)值較小組織，如定量診斷非酒精性脂肪肝時(shí)，CT值誤差極易降低診斷正確率[11]。各種材料MRE-CT值隨能量變化總體出現(xiàn)一定差異，這是由于單能圖并非真正的單能成像[12]，使得探測(cè)器所獲物質(zhì)衰減系數(shù)與實(shí)際存在一定差異。不同螺距對(duì)CT理論值為負(fù)值的材料如Air和LDPE無(wú)顯著影響，對(duì)其他材料MRE-CT值有一定影響但程度較小，可能與掃描射線(xiàn)停留于材料Z方向上的單位長(zhǎng)度的時(shí)間、噪音和溫度有關(guān)；IR水平則僅影響噪聲水平，對(duì)CT值無(wú)顯著影響。

3.2 Zeff綜合螺距和IR權(quán)重，本組LDPE 的MRE-Zeff為12.80%，而Teflon與Acrylic的 MRE-Zeff分別為4.10%和2.47%，與GOODSITT等[12]的結(jié)果略有差異(LDPE 14.34%、Teflon 4.39%、Acrylic 0.16%)，可能與重復(fù)測(cè)量降低了隨機(jī)誤差和研究材料數(shù)量少有關(guān)；本組Teflon與Acrylic的 MRE-Zeff高于楊亞飛等[13]的報(bào)道(Teflon 0.84%、Acrylic 0.69%)，可能原因在于修正方法的差異及雙能CT自身提供的能譜信息少于光子計(jì)數(shù)探測(cè)器。Zeff誤差主要來(lái)源于Zeff理論值的經(jīng)驗(yàn)公式及雙能掃描獲取Zeff時(shí)的處理信息和計(jì)算方式：Zeff可由兩種不同能量下的衰減系數(shù)之比獲得，計(jì)算精度取決于各近似方法的標(biāo)定模型，故在MRE-CT較大的LDPE，其MRE-Zeff同樣較大。

不同螺距下，LDPE 的MRE-Zeff變化趨勢(shì)與其他材料相反；螺距為1.375時(shí)，所有材料的MRE接近；而Zeff精度達(dá)0.1～0.2方能可靠識(shí)別流體與軟組織[14]，故臨床診斷膠體囊腫、皮樣囊腫和腦膜瘤等腦部疾患時(shí)，應(yīng)合理選擇螺距[15-16]；測(cè)量低Zeff目標(biāo)(如<6.4)時(shí)尤應(yīng)慎重，例如為獲取脂肪更為精確的Zeff(脂肪的密度和CT值與LDPE相近)，可使用大螺距方式掃描，但可能增加其他組織的Zeff誤差。本研究發(fā)現(xiàn)改變IR對(duì)測(cè)量Zeff結(jié)果無(wú)顯著影響，提示在不得不降低能量照射的情況下，可考慮提高IR權(quán)重，以抵消由此引入的噪聲，獲得理想的信噪比。

本研究的局限性：①僅針對(duì)一種體模進(jìn)行評(píng)估；②未與雙源CT或光子計(jì)數(shù)等其他成像方式進(jìn)行對(duì)比；③實(shí)際操作時(shí)，環(huán)境溫度仍有較大變化，可致理論值與實(shí)驗(yàn)測(cè)值有所差異。

綜上，雙能CT GSI掃描參數(shù)對(duì)不同材料的影響程度不同；測(cè)量CT值和Zeff精度受螺距影響而與IR強(qiáng)度無(wú)明顯相關(guān)；能量水平僅影響CT值測(cè)量精度。