双能CT螺距和迭代重建权重对单能衰减和有效原子序数的影响：体模研究
2023-01-31黄红云
田 璐，黄红云，范 杰
(1.四川省医学科学院·四川省人民医院放射科，四川 成都 610072；2.中国测试技术研究院辐射研究所，四川 成都 610021)
CT值和有效原子序数(effective atomic number，Zeff)对于临床诊断具有极其重要的价值。利用双能CT可更加准确地获取单能量CT值，并通过分离物质得出目标有效原子序数，进而准确判断物质成分，目前已经成为极具前景的影像学诊断技术[1-2]。不同螺距及不同权重的迭代重建(iterative reconstruction，IR)算法均会对成像噪声和图像质量造成影响[3-6]，但其对双能CT扫描所获不同单能CT值与有效原子序数结果有无影响鲜见报道。本研究采用双能CT不同螺距宝石能谱成像(gemstone spectral imaging，GSI)模式观察能量、螺距和IR算法对体模CT值和Zeff测值的影响。
1 材料与方法
1.1 材料 Catphan500标准体模(The Phantom Laboratory公司)，包括4种材料所制直径12.3 mm圆柱形插件，分别为聚四氟乙烯(Teflon)、空气(Air)、低密度聚乙烯(low density polyethylene，LDPE)、丙烯酸(Acrylic)，见图1。
图1 CT图示体模及其内插件位置(红圈为测量数据区域)
1.2 仪器与方法 采用GE Healthcare Revolution 256排双能CT扫描仪，于温度20.5～22.5℃环境下对体模行GSI扫描，具体扫描和重建参数见表1，每种条件下均重复扫描5次。以GE Advantage Workstation 4.7软件对原始数据进行后处理，生成单能图(60、73和80 keV)及有效原子序数图。于每个插件中心选取ROI(25 mm2，图1)，测量单能量CT值和Zeff。以美国国家标准技术研究院(National Institute of Standards and Technology，NIST)标准数据为基础，以几何称重法在(20±1)℃环境下测量材料实际质量密度，并以比重法验证；将相应材料的相应单能量CT值计算结果作为CT理论值，以厂家提供的材料分子式为基础，根据公式(1)计算相应材料的Zeff作为理论值[7](表2)，其中，误差=测量结果-理论值，相对误差(relative error，RE)=(测量结果-理论值)/理论值×100%；同时对(mean relative error，MRE)进行等级划分，≤1%为A级，1%
表1 GSI扫描体模参数
表2 GSI所获体模不同材料 CT值及Zeff理论值
(1)
式中fi指第i种元素的电子分数，Zi指第i种元素的原子序数。
1.3 统计学分析 采用SPSS 26.0统计分析软件。以±s表示计量资料，以方差分析行多样本比较，采用LSD检验进行两两比较。P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 CT值 所有能量、螺距和IR权重下，MRE-CT值均为Air
表3 构成体模的不同材料的CT值和Zeff MRE比较
表4 不同能量下体模各种材料CT值比较(HU)
表5 双能CT所测不同材料体模MRE-CT值比较(%)
2.2 Zeff所有螺距和IR权重下，MRE-Zeff均为Acrylic
表6 双能CT所测体模各种材料MRE-Zeff比较(%)
3 讨论
3.1 CT值 为获取更精准的CT理论值，本研究仅对质量衰减系数直接采用NIST标准数据(73 keV点拟合插值获取)，而将材料密度误差控制在0.01 g/cm3以内；每种条件下均重复扫描5次，以减少随机误差和设备短期稳定器的影响，并将1.375大螺距作为影响因素考虑在内。本研究发现Air、LDPE及Acrylic 的CT值均随能量增加而增高，Teflon则相反，与理论值趋势及既往研究[8]结果相符，与各种材料不同能量衰减系数与水衰减系数比值增减趋势有关；Air 的CT理论值不随能量变化，但Air密度受温度影响较大，故CT值随能量增加而略有增高。
CT理论值绝对值较大材料，如Teflon及Air，其MRE-CT值<1%，分级列为A级，受能量、螺距和IR权重的综合影响较小；CT理论值绝对值较小材料，如Acrylic及LDPE，其MRE-CT分别>5%和10%，分列C、D级，所受影响较大，提示临床应根据实际扫描部位的组织成分尽量适当选取能量及螺距，以获取更为精确的CT值[9-10]；尤其需关注CT理论值绝对值较小组织，如定量诊断非酒精性脂肪肝时，CT值误差极易降低诊断正确率[11]。各种材料MRE-CT值随能量变化总体出现一定差异，这是由于单能图并非真正的单能成像[12]，使得探测器所获物质衰减系数与实际存在一定差异。不同螺距对CT理论值为负值的材料如Air和LDPE无显著影响，对其他材料MRE-CT值有一定影响但程度较小，可能与扫描射线停留于材料Z方向上的单位长度的时间、噪音和温度有关；IR水平则仅影响噪声水平，对CT值无显著影响。
3.2 Zeff综合螺距和IR权重，本组LDPE 的MRE-Zeff为12.80%，而Teflon与Acrylic的 MRE-Zeff分别为4.10%和2.47%，与GOODSITT等[12]的结果略有差异(LDPE 14.34%、Teflon 4.39%、Acrylic 0.16%)，可能与重复测量降低了随机误差和研究材料数量少有关；本组Teflon与Acrylic的 MRE-Zeff高于杨亚飞等[13]的报道(Teflon 0.84%、Acrylic 0.69%)，可能原因在于修正方法的差异及双能CT自身提供的能谱信息少于光子计数探测器。Zeff误差主要来源于Zeff理论值的经验公式及双能扫描获取Zeff时的处理信息和计算方式：Zeff可由两种不同能量下的衰减系数之比获得，计算精度取决于各近似方法的标定模型，故在MRE-CT较大的LDPE，其MRE-Zeff同样较大。
不同螺距下，LDPE 的MRE-Zeff变化趋势与其他材料相反；螺距为1.375时，所有材料的MRE接近；而Zeff精度达0.1～0.2方能可靠识别流体与软组织[14]，故临床诊断胶体囊肿、皮样囊肿和脑膜瘤等脑部疾患时，应合理选择螺距[15-16]；测量低Zeff目标(如<6.4)时尤应慎重，例如为获取脂肪更为精确的Zeff(脂肪的密度和CT值与LDPE相近)，可使用大螺距方式扫描，但可能增加其他组织的Zeff误差。本研究发现改变IR对测量Zeff结果无显著影响，提示在不得不降低能量照射的情况下，可考虑提高IR权重，以抵消由此引入的噪声，获得理想的信噪比。
本研究的局限性：①仅针对一种体模进行评估；②未与双源CT或光子计数等其他成像方式进行对比；③实际操作时，环境温度仍有较大变化，可致理论值与实验测值有所差异。
综上，双能CT GSI扫描参数对不同材料的影响程度不同；测量CT值和Zeff精度受螺距影响而与IR强度无明显相关；能量水平仅影响CT值测量精度。
