不同双能量组合对Rho/Z检测准确性的模体研究

王鹏朝，单春辉，郭方凯，黄晓颖，暴云锋，陈英敏

河北省人民医院 医学影像科，河北 石家庄 050051

引言

自2006年以来，双能量CT（Dual-Energy CT，DECT）的许多功能已经被开发并应用于临床，包括：① 自动直接去骨技术；② 从增强CT中分离碘浓度图；③ 虚拟平扫技术；④ 识别肺实质或心肌中的灌注血容量；⑤ 根据材料的元素组成确定材料的特征等[1-6]。随着CT设备硬件与软件技术的发展，双能量成像技术逐渐实现了对物质的特性分析[7]和定量分析[8]，为临床医生提供了更多的信息。电子密度及有效原子序数就是其中一种。

肿瘤质子治疗作为一种高端技术，自1988年问世以来，治疗肿瘤有效率达95%以上，早期肿瘤5年存活率达80%以上[9]。为准确了解质子束所穿过的组织对质子束的阻止能力，双能技术利用质子束“Bragg峰”的特性，实现肿瘤的“立体定向精准爆破”，这个过程中准确测量组织的电子密度和原子序数就显得尤为重要[10]。为了克服单能CT对病变组织测量的局限性，双能CT被用来计算电子密度的分布图Rho和有效原子数Z，为接受质子治疗的肿瘤患者提供个性化和精准化治疗方案。

电子密度与有效原子序数的CT双能量测量，作为一种新开发的技术，测量时可能会受设备性能，双能量组合和算法等因素的影响[11]。测量值与实际值的误差有多大，不同能量组合下测量的电子密度与有效原子序数一致性是否良好，目前无此类文献的相关报道。本研究利用标准模体在不同双能量组合下的数据进行对比分析，探讨临床最实用的双能量扫描模式，为电子密度和有效原子序数的临床应用提供指导。

1 材料与方法

1.1 材料

本研究采用美国模体实验室Catphan 600标准模体（图1）中的CTP404检测模块。CTP404模块为层厚、CT值线性、模体位置验证模块。封装在Catphan 600标准模体中，材质为固态水，直径150 mm，厚32.5 mm。其内有8个直径为10 mm的圆柱状填充条，填充物质分别为纯水（需灌装）、Polystyrene（聚苯乙烯）、LDPE（低密度聚乙烯）、PMP（热塑性树脂）、Air（空气）、Teflon（特氟龙）、DelrinTM（聚甲醛）、Acrylic（丙烯酸塑料）。已知物质CT值，电子密度和有效原子序数。

图1 Catphan 600标准模体

1.2 扫描方法

采用西门子SOMATOM Force CT双能量扫描模式对Catphan 600检测模体进行扫描，采用不同的能量组合，参考管电流采用系统默认值。扫描条件分别为： ① A球管80 kV、参考管电流为132 mAs，B球管140 kV、参考管电流为24 mAs；② A球管70 kV、参考管电流为380 mAs，B球管Sn150 kV、参考管电流为95 mAs；③ A球管80 kV、参考管电流为190 mAs，B球管Sn150 kV、参考管电流为95 mAs；④ A球管90 kV、参考管电流为152 mAs，B球管Sn150 kV、参考管电流为95 mAs；⑤ A球管100 kV、参考管电流为190 mAs，B球管Sn150 kV、参考管电流为95 mAs。球管转速为0.5 s/r，螺距0.7，准直器宽度64 mm×0.6 mm，矩阵512×512，开启实时动态曝光剂量调节Care Dose 4D技术，扫描长度为65 mm，扫描中点为CTP404模块中心点。重建野（DFov）设置为200 mm，卷积核为Hr40，迭代强度ADMIRE为3，窗宽为350 HU，窗位为40 HU，重建层厚5 mm，层距5 mm。每次扫描均重建高能量、低能量及加权（加权系数为系统默认值0.6）三组数据。5种能量组合均重复扫描10次，共计扫描50次。并记录每次的容积CT剂量指数（Volumetric CT Dose Index，CTDIvol）和剂量长度乘积（Dose Length Product，DLP）。

1.3 数据处理

将所有扫描的高、低能量数据及加权数据导入syngo.via工作站。使用工作站中双能量程序下的“Rho/Z”模式进行电子密度与有效原子序数测量，测量层面选取每个序列的中间层。测量时在8种物质中心位置设置圆形感兴趣区（Region of Interest，ROI），大小为 50 mm2，记录各ROI所测的有效原子序数值，计算物质的电子密度。电子密度公式如公式(1) 所示。

Rhox为物质X的电子密度；CTx为物质X在双能量模式下ROI内测量的CT值；Rho水为水的电子密度。

使用工作站中的“MM阅片”模式对加权数据进行CT值的测量，测量层面选取每个序列的中间层。测量时在8种物质中心位置设置圆形ROI，大小为50 mm2，记录各ROI所测的CT值（图2）。

图2 不同类型图

1.4 统计学分析

运用SPSS 24.0软件组内相关系数分别检验计量各组重复扫描的电子密度、有效原子序数、CT值、CTDIVol和DLP的一致性，得出电子密度、有效原子序数、CT值、CTDIVol和DLP的一致性较好。故取重复测量的均值作为每组数据的确定值。根据结果使用单独样本t检验分别比较五种模式下电子密度、有效原子序数、CT值的测量值与实际值的差别；并分析结果的差异度。使用优劣解距离法（Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution，TOPSIS）综合10种因素评价5种能量组合的优劣程度，并选出最佳、最劣方案。

2 结果

2.1 组内一致性分析

统计发现，不同能量组合下CTP404模块内8种物质的电子密度、CT值、CTDIVol和DLP组内一致性较好，有效原子序数组内一致性一般，详见表1。

表1 组内一致性分析

通过表1可见，不同能量组合测得的电子密度、CT值、CTDIVol和DLP高度一致，有效原子序数组内一致性较高，所以可以使用组内均值代表各组情况进行统计分析。

2.2 5种模式下电子密度、有效原子序数测量值与实际值差异性分析

统计发现，分别对5种能量下的8种物质经单独样本t检验可见，五种能量组合下，电子密度测量值与实际值有明显差别（P＜0.05）的占90%，无明显差别（P＞0.05）的情况占10%；有效原子序数测量值与实际值有明显差别（P＜0.05）的情况占48.6%，无明显差别（P＞0.05）的情况占51.4%，由于空气为气体状态，有效原子序数无法计量。综合5种双能量模式，当测量均值与实际值有明显差别时。除空气外，电子密度测量均值与实际值最大偏差为2.620%，有效原子序数测量均值与实际最大偏差为4.447%。各组CT值取均数代表测量CT值与物质实际CT值相比均无明显差别。整体而言，有效原子序数与实际值的符合度比电子密度更好；而电子密度测量稳定性比有效原子序数更高，详见表2。

表2 五种模式下电子密度、有效原子序数测量均值与实际值差异性分析

2.3 5种模式测量电子密度与有效原子序数优劣程度排名

使用TOPSIS法综合5种双能组合中10种因素，得出电子密度数据的优劣排名：最优方案为80/Sn150 kV组（与最优方案接近程度为0.939），最劣方案为100/Sn150 kV组（与最优方案接近程度为0.007）；有效原子序数的最优方案为80/Sn150 kV组（与最优方案接近程度为0.920），最劣方案为100/Sn150 kV组（与最优方案接近程度为0.062），详见表3。

表3 五种模式测量电子密度与有效原子序数优劣程度排名

3 讨论

Rho/Z作为物质的固有属性，可以在一定程度上反映物质的理化特性[12]。理论上Rho/Z并不会实时变化。但是在CT检查中由于管电压的瞬时变化和测量的误差等，测量值会与实际值存在一定差别[13]。经过测量统计分析发现，同一能量组合重复扫描时，电子密度、原子序数、CT值、CTDIVol和DLP均一致性良好。所以同一能量组合下的重复性较好。同一患者扫描不会出现较大差异，可信度较高。由于不同物质的Rho/Z值相差不大，且绝对值均不高，所以测量时误差的影响较大。而CT值的范围较宽，物质的对比度更高，所以8种物质密度上很小差别就可以在CT值上体现。CT值的测量值与实际值之间的误差较小，一致性更好。

不同能量组合的管电压、管电流不同，所以组间的CTDIVol和DLP会有差别。研究发现80/140 kV能量组辐射剂量仅低于100/Sn150 kV组，高于其余组。可能因为本组高能量球管未经过锡（Sn）板滤过低能射线，使得低能射线较多，影响辐射剂量[14]。而且当高能线束的低能部分被Sn滤过后，可以使高能量与低能量的能谱重合较少，物质分离时可以更彻底[15]。所以日常扫描过程中推荐使用有Sn滤过的能量组。扫描时发现，低能球管的管电流均比高能球管管电流参考值要高。这是为了让低能射线有足够穿透人体的量，到达探测器，与高能数据按比例重建混合。

随着不同能量组合的管电压的提高，CTDIVol和DLP逐步提高，最低值为最高值的77%。80/140 kV组、70/Sn150 kV组、80/Sn150 kV组与90/Sn150 kV组相差不大。100/Sn150 kV组辐射剂量显著提高。所以除非特别肥胖患者，其余情况不推荐使用100/Sn150 kV能量组[16]。

针对不同肿瘤患者实施质子精准化治疗来说，双能CT能为临床提供更多的有用信息—加权图像CT值与实际CT值一致，还能够提供电子密度与有效原子序数的定量值[17]。双能量成像保证了CT值的稳定性，还能够使质子的“Bragg峰”计算更精确[18]。本研究就是在双能量应用日益广泛的情况下，来确定现阶段能够提供更准确电子密度和有效原子序数信息的能量组合。由于医用设备的限制，双能量成像仅有五种组合。故本实验采用所有能量组合进行验证。除此之外，在CT检查中，CT值的准确性、辐射剂量、图像质量等都是同等重要的因素，依然需要考虑验证。自动管电流调节技术已被众多研究证实可在保证图像质量前提下有效降低辐射剂量[19]，这个条件在双能量成像中同样适用，降低患者的辐射剂量。

本研究的不足在于受模体限制，模型厚度单一，无法模拟实际检查中受检者的实际情况。本实验使用物质均为单一物质，无法模拟混合物的实际值。电子密度和原子序数值的测量都是基于不同能量下X线的穿透数量，X线在固体和液体中传播时，会与物质发生相互作用，可以通过后期计算得到固体和液体的Rho/Z值。由于气体分子间距离较大，对X线的阻挡效果有限，所以DECT无法测量纯气体的Rho/Z值。这都是我们今后努力的方向。

4 结论

综上所述，本研究通过模体对第三代双源CT不同能量组合下测量的Rho/Z值进行分析得出，经过Sn滤过后的测量准确性要优于未经Sn滤过组。100/Sn150 kV组辐射剂量明显大于其余4组，且测量准确性未见明显提高。80/Sn150 kV为最优组，电子密度与最优结果接近程度为0.939，有效原子序数与最优结果接近程度为0.920。综合剂量和图像的准确度因素进行排名，80/Sn150 kV组既可以保证测量的准确性，又可以最大限度地缩减辐射剂量，且可重复性较好，值得应用推广。