CT能谱成像对物质内碘含量测定的价值:体模研究

王明亮 ,林晓珠 ,缪 飞 ,陈克敏 ,郑向鹏 ,滑炎卿 ,李剑颖 ,高 娜 ,沈 云

目前公认的CT诊断依据是CT值,但是由于成像的X射线能量具有一定的能谱范围,不可避免地会导致CT值的不准确,进而影响各种定量诊断。CT能量成像是近来发展迅速的CT成像技术,CT能量成像的数据采集方式可以是分次扫描采集、双球管同时扫描、单球管高低能量快速切换扫描等模式[1]。宝石能谱CT技术采用球管瞬时进行高低能量切换成像模式,进行能量成像,可以获得单能谱能成像,使CT检查实现定量成像成为了可能。但是关于宝石CT能谱成像(gemstone spectral imaging,GSI)结果的可靠性和可信度尚缺乏相关的研究或者文献可以参考。本研究通过基础实验,设计利用体模进行物质密度的定量化研究,旨在探讨CT能谱成像分析方法对物质内的特定成分含量测定的可信度和准确性。

方 法

1.实验材料

将对比剂碘海醇溶液(碘含量300mg/ml)用蒸馏水稀释成18种不同的浓度(mg/ml),装于50m l硬塑料管体模中,依次标记为1～18号,浓度(mg/ml)依次为 0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、2.0 、5.0 、10.0 、20.0 、30.0 、50.0 、100.00。

2.扫描方法

使用GE公司宝石CT(Discovery CT 750 HD)进行扫描,选择FOV=25cm,层厚=0.625mm,采用GSI扫描模式,按球管旋转速度分为三组:0.6s/转组,0.8s/转组,1.0s/转组,毫安固定设置为600mA。

3.图像处理

GSI图像利用GSI Viewer浏览器处理,以间距为10keV在40～140keV间进行11种不同能量的单光子能量图像重建,基于碘/水对,选定相同层面,选取相同大小的感兴趣区测量溶液中的碘含量。

4.统计学分析

采用SPSS13.0统计分析软件,Pearson相关分析和配对 t检验方法进行统计学分析,分析GSI图像碘含量测量值与碘含量真实值之间是否具有相关性,分析各组碘含量测量值与真实值之间有无差异以及各组测量值之间有无差异,以 P＜0.05为差异有统计学意义。

结 果

18个体模管中,17个体模管顺利完成所有检查,无侧翻及溶液外溢;6号管(浓度0.5m g/ml)发生溶液外溢,少量气体进入,故舍去该组数据。

17种不同的浓度的样品测量结果:GSI扫描模式在三种不同的球管转速下,得到的混合能量图像上,随着碘溶液浓度的增高,体模的图像均逐渐由黑变白(图1);GSI基于碘水对分析,可见三种转速下,体模中不同浓度溶液的的碘含量测量值与真实值想吻合;随着碘溶液浓度的增高,碘浓度测量值与真实值之间越接近,测量误差越小;当碘溶液浓度较低时,碘浓度测量值与真实值之间的偏差较大,碘溶液浓度在2.0m g/ml以下时,测量值均大于真实值(图2,3)。GSI扫描模式0.6s/转组、0.8s/转组、1.0s/转组三组碘浓度测量值与碘含量真实值之间均具有明显相关性 (r均为0.999,P均为0.000)(表1,图4);GSI扫描模式0.6s/转组,0.8s/转组,1.0s/转组三组测量值与碘含量真实值之间无统计学差异(P＞0.05);GSI扫描模式0.6s/转组与 0.8s/转组,0.6s/转组与 1.0s/转组碘浓度测量值差异有统计学意义(P＜0.05),0.8s/转组与1.0s/转组碘浓度测量值之间无统计学差异 (P＞0.05)(表2)。

图1 GSI扫描得到的混合能量图像,随着碘溶液浓度的增高,体模的图像逐渐由黑变白(从右上到左下,体模的碘含量依次增高)。图2 GSI基于碘水对分析,不同浓度的碘溶液测量值与真实值相吻合。

表1 三组碘浓度测量值与碘含量真实值之间的相关性

图3 三组碘浓度测量值与碘含量真实值相吻合。

图4 三组碘浓度测量值与碘含量真实值均具有明显相关性。

表2 三组碘浓度测量值与真实值两两差异统计分析

讨 论

以往CT诊断的依据是CT值,但是由于成像的X射线能量具有一定的能谱范围,不可避免地会导致CT值的不准确,进而影响各种定量诊断。CT能量成像是近来发展迅速的CT成像技术,CT能量成像的数据采集方式可以是分次扫描采集、双球管同时扫描、单球管高低能量快速切换扫描等模式[1]。CT能谱成像把传统CT成像的原理和细节进行解析和放大,使CT成像由原来的单参数成像变为多参数成像,由原来的混合能量成像变为多能量的谱成像。但是关于宝石CT的能谱分析结果的可靠性和可信度并没有相关研究可以参考。

通过本研究可以证实,利用宝石能谱CT的能谱成像(GSI),在0.6s/转、0.8s/转和1.0s/转三种临床常用的不同球管旋转速度下,均可以得到比较准确的碘浓度;碘浓度测量值与碘含量真实值之间均具有非常显著的相关性,同时碘含量的测量值与真实值之间在统计学上并无差异,说明宝石CT具有能谱成像能力,能准确地反映不同浓度溶液的碘含量,可以用于定量诊断,对物质成分的评估优于常规单纯的CT值测量。

同时我们发现,随着碘溶液浓度的增高,碘浓度测量值与真实值之间越接近,测量误差越小;当碘溶液浓度较低时,碘浓度测量值与真实值之间的偏差较大,分析其原因可能有两种,一种可能的原因是GSI测量物质的浓度可能存在一个最小阈值限制,超过最小阈值限制时,测量值与真实值之间的偏差增大;另一种可能的原因是实验中的体模采用的是硬塑料管,硬塑料管本身可以引起X射线的衰减,当碘溶液浓度较低时,硬塑料管本身引起X射线的衰减相对增大,导致测量值偏大,这也可以解释实验结果中碘溶液浓度在2.0mg/ml以下时,测量值均大于真实值,这时硬塑料管本身引起X射线的衰减便转换成碘溶液引起X射线的衰减,从而使碘浓度测量值大于真实值。

宝石能谱CT能够进行CT能谱成像的主要技术在于它能够在50cmFOV的范围内使用常规的CT成像模式,比如轴位和螺旋扫描模式进行高低两种能量的成像。这样的成像技术得益于下列各项技术:①瞬时变能高压发生器 ,能够在 0.5m s内实现 80～140kVp高速的切换;②宝石探测器:业内最快的初始速度,比常规CT快100倍,确保两次高速采样之间的数据处理没有影响;③宝石探测器的采样率增加了2.5倍,使得空间分辨率可以大幅度的提高。同时,宝石CT能谱成像中还利用了很多其他先进的技术,比如有效的数据采集系统、闪烁体速度 (最快的初始速度,最低的余晖效应)、稳定的球管X线焦点大小、高级重建引擎(adap tive statistical iterative reconstruction,ASiR)[2]和独有的GSI浏览器(能谱图像的分析观察与工作流程优化)。

宝石能谱CT能够瞬时进行高能量与低能量的数据采集,球管在一个旋转周期内实现两种能量的瞬时切换,两组数据瞬时同时采样,采用原始数据投影的模式进行能量减影,用于能谱成像的重建/后处理引擎与GSI浏览器,能够生成新的物质密度图像和单光子能量图像,为CT成像开辟了全新的成像模式。在临床应用中,根据要观察的部位和病变要求,选择合适的单光子能量图像,能够发现常规CT不能发现的病灶[3],并能够对病灶进行定性与定量分析,用于组织定性和钙化定量、结石成分分析、器官重金属元素如肝脏内铁的定量测定、肿瘤中的肿瘤分类与鉴别、血管斑块的定性等研究方面,有望成为一种可靠的物质成分的分析和疾病鉴别诊断的方法[4-6]。

本次联合基础实验认证了宝石能谱CT能谱成像的优越性,显示了宝石能谱CT无限广阔的临床应用和临床科研的前景,对于我们下一步利用GSI标准体模进行CT值定量化的基础研究具有非常重要的意义。

1.Yeh BM,Shepherd JA,Wang ZJ,et al.Dual-energy and lowk Vp CT in the abdomen.AJR,2009,193:47-54

2.Marin D,Nelson RC,Schindera ST,et al.Low-tube-voltage,high-tube-current multidetector abdominal CT:improved image quality and decreased radiation dose with adaptive statistical iterative reconstruction algorithm--initial clinical experience.Radiology,2010,254:145-153

3.林晓珠,李卫侠,朱延波,等.宝石能谱CT在肿瘤诊断中的初步应用.诊断学理论与实践,2010,9:155-160

4.Graser A,Johnson TR,Bader M,et al.Dual energy CT characterization of urinary calculi:initial in vitro and clinical experience.Invest Radiol,2008,43:112-119

5.Hidas G,Eliahou R,Duvdevani M,et al.Determination of renal stone composition with dual-energy CT:in vivo analysis and comparison with x-ray diffraction.Radiology,2010,257:394-401

6.Brown CL,Hartman RP,Dzyubak OP,et al.Dual-energy CT iodine overlay technique for characterization of renal masses as cyst or solid:a phantom feasibility study.Eur Radiol,2009,19:1289-1295