CT能譜成像對物質(zhì)內(nèi)碘含量測定的價值:體模研究

王明亮 ,林曉珠 ,繆 飛 ,陳克敏 ,鄭向鵬 ,滑炎卿 ,李劍穎 ,高 娜 ,沈 云

目前公認的CT診斷依據(jù)是CT值,但是由于成像的X射線能量具有一定的能譜范圍,不可避免地會導致CT值的不準確,進而影響各種定量診斷。CT能量成像是近來發(fā)展迅速的CT成像技術(shù),CT能量成像的數(shù)據(jù)采集方式可以是分次掃描采集、雙球管同時掃描、單球管高低能量快速切換掃描等模式[1]。寶石能譜CT技術(shù)采用球管瞬時進行高低能量切換成像模式,進行能量成像,可以獲得單能譜能成像,使CT檢查實現(xiàn)定量成像成為了可能。但是關(guān)于寶石CT能譜成像(gemstone spectral imaging,GSI)結(jié)果的可靠性和可信度尚缺乏相關(guān)的研究或者文獻可以參考。本研究通過基礎實驗,設計利用體模進行物質(zhì)密度的定量化研究,旨在探討CT能譜成像分析方法對物質(zhì)內(nèi)的特定成分含量測定的可信度和準確性。

方 法

1.實驗材料

將對比劑碘海醇溶液(碘含量300mg/ml)用蒸餾水稀釋成18種不同的濃度(mg/ml),裝于50m l硬塑料管體模中,依次標記為1～18號,濃度(mg/ml)依次為 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.掃描方法

使用GE公司寶石CT(Discovery CT 750 HD)進行掃描,選擇FOV=25cm,層厚=0.625mm,采用GSI掃描模式,按球管旋轉(zhuǎn)速度分為三組:0.6s/轉(zhuǎn)組,0.8s/轉(zhuǎn)組,1.0s/轉(zhuǎn)組,毫安固定設置為600mA。

3.圖像處理

GSI圖像利用GSI Viewer瀏覽器處理,以間距為10keV在40～140keV間進行11種不同能量的單光子能量圖像重建,基于碘/水對,選定相同層面,選取相同大小的感興趣區(qū)測量溶液中的碘含量。

4.統(tǒng)計學分析

采用SPSS13.0統(tǒng)計分析軟件,Pearson相關(guān)分析和配對 t檢驗方法進行統(tǒng)計學分析,分析GSI圖像碘含量測量值與碘含量真實值之間是否具有相關(guān)性,分析各組碘含量測量值與真實值之間有無差異以及各組測量值之間有無差異,以 P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

結(jié) 果

18個體模管中,17個體模管順利完成所有檢查,無側(cè)翻及溶液外溢;6號管(濃度0.5m g/ml)發(fā)生溶液外溢,少量氣體進入,故舍去該組數(shù)據(jù)。

17種不同的濃度的樣品測量結(jié)果:GSI掃描模式在三種不同的球管轉(zhuǎn)速下,得到的混合能量圖像上,隨著碘溶液濃度的增高,體模的圖像均逐漸由黑變白(圖1);GSI基于碘水對分析,可見三種轉(zhuǎn)速下,體模中不同濃度溶液的的碘含量測量值與真實值想吻合;隨著碘溶液濃度的增高,碘濃度測量值與真實值之間越接近,測量誤差越小;當?shù)馊芤簼舛容^低時,碘濃度測量值與真實值之間的偏差較大,碘溶液濃度在2.0m g/ml以下時,測量值均大于真實值(圖2,3)。GSI掃描模式0.6s/轉(zhuǎn)組、0.8s/轉(zhuǎn)組、1.0s/轉(zhuǎn)組三組碘濃度測量值與碘含量真實值之間均具有明顯相關(guān)性 (r均為0.999,P均為0.000)(表1,圖4);GSI掃描模式0.6s/轉(zhuǎn)組,0.8s/轉(zhuǎn)組,1.0s/轉(zhuǎn)組三組測量值與碘含量真實值之間無統(tǒng)計學差異(P＞0.05);GSI掃描模式0.6s/轉(zhuǎn)組與 0.8s/轉(zhuǎn)組,0.6s/轉(zhuǎn)組與 1.0s/轉(zhuǎn)組碘濃度測量值差異有統(tǒng)計學意義(P＜0.05),0.8s/轉(zhuǎn)組與1.0s/轉(zhuǎn)組碘濃度測量值之間無統(tǒng)計學差異 (P＞0.05)(表2)。

圖1 GSI掃描得到的混合能量圖像,隨著碘溶液濃度的增高,體模的圖像逐漸由黑變白(從右上到左下,體模的碘含量依次增高)。圖2 GSI基于碘水對分析,不同濃度的碘溶液測量值與真實值相吻合。

表1 三組碘濃度測量值與碘含量真實值之間的相關(guān)性

圖3 三組碘濃度測量值與碘含量真實值相吻合。

圖4 三組碘濃度測量值與碘含量真實值均具有明顯相關(guān)性。

表2 三組碘濃度測量值與真實值兩兩差異統(tǒng)計分析

討 論

以往CT診斷的依據(jù)是CT值,但是由于成像的X射線能量具有一定的能譜范圍,不可避免地會導致CT值的不準確,進而影響各種定量診斷。CT能量成像是近來發(fā)展迅速的CT成像技術(shù),CT能量成像的數(shù)據(jù)采集方式可以是分次掃描采集、雙球管同時掃描、單球管高低能量快速切換掃描等模式[1]。CT能譜成像把傳統(tǒng)CT成像的原理和細節(jié)進行解析和放大,使CT成像由原來的單參數(shù)成像變?yōu)槎鄥?shù)成像,由原來的混合能量成像變?yōu)槎嗄芰康淖V成像。但是關(guān)于寶石CT的能譜分析結(jié)果的可靠性和可信度并沒有相關(guān)研究可以參考。

通過本研究可以證實,利用寶石能譜CT的能譜成像(GSI),在0.6s/轉(zhuǎn)、0.8s/轉(zhuǎn)和1.0s/轉(zhuǎn)三種臨床常用的不同球管旋轉(zhuǎn)速度下,均可以得到比較準確的碘濃度;碘濃度測量值與碘含量真實值之間均具有非常顯著的相關(guān)性,同時碘含量的測量值與真實值之間在統(tǒng)計學上并無差異,說明寶石CT具有能譜成像能力,能準確地反映不同濃度溶液的碘含量,可以用于定量診斷,對物質(zhì)成分的評估優(yōu)于常規(guī)單純的CT值測量。

同時我們發(fā)現(xiàn),隨著碘溶液濃度的增高,碘濃度測量值與真實值之間越接近,測量誤差越小;當?shù)馊芤簼舛容^低時,碘濃度測量值與真實值之間的偏差較大,分析其原因可能有兩種,一種可能的原因是GSI測量物質(zhì)的濃度可能存在一個最小閾值限制,超過最小閾值限制時,測量值與真實值之間的偏差增大;另一種可能的原因是實驗中的體模采用的是硬塑料管,硬塑料管本身可以引起X射線的衰減,當?shù)馊芤簼舛容^低時,硬塑料管本身引起X射線的衰減相對增大,導致測量值偏大,這也可以解釋實驗結(jié)果中碘溶液濃度在2.0mg/ml以下時,測量值均大于真實值,這時硬塑料管本身引起X射線的衰減便轉(zhuǎn)換成碘溶液引起X射線的衰減,從而使碘濃度測量值大于真實值。

寶石能譜CT能夠進行CT能譜成像的主要技術(shù)在于它能夠在50cmFOV的范圍內(nèi)使用常規(guī)的CT成像模式,比如軸位和螺旋掃描模式進行高低兩種能量的成像。這樣的成像技術(shù)得益于下列各項技術(shù):①瞬時變能高壓發(fā)生器 ,能夠在 0.5m s內(nèi)實現(xiàn) 80～140kVp高速的切換;②寶石探測器:業(yè)內(nèi)最快的初始速度,比常規(guī)CT快100倍,確保兩次高速采樣之間的數(shù)據(jù)處理沒有影響;③寶石探測器的采樣率增加了2.5倍,使得空間分辨率可以大幅度的提高。同時,寶石CT能譜成像中還利用了很多其他先進的技術(shù),比如有效的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、閃爍體速度 (最快的初始速度,最低的余暉效應)、穩(wěn)定的球管X線焦點大小、高級重建引擎(adap tive statistical iterative reconstruction,ASiR)[2]和獨有的GSI瀏覽器(能譜圖像的分析觀察與工作流程優(yōu)化)。

寶石能譜CT能夠瞬時進行高能量與低能量的數(shù)據(jù)采集,球管在一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)實現(xiàn)兩種能量的瞬時切換,兩組數(shù)據(jù)瞬時同時采樣,采用原始數(shù)據(jù)投影的模式進行能量減影,用于能譜成像的重建/后處理引擎與GSI瀏覽器,能夠生成新的物質(zhì)密度圖像和單光子能量圖像,為CT成像開辟了全新的成像模式。在臨床應用中,根據(jù)要觀察的部位和病變要求,選擇合適的單光子能量圖像,能夠發(fā)現(xiàn)常規(guī)CT不能發(fā)現(xiàn)的病灶[3],并能夠?qū)Σ≡钸M行定性與定量分析,用于組織定性和鈣化定量、結(jié)石成分分析、器官重金屬元素如肝臟內(nèi)鐵的定量測定、腫瘤中的腫瘤分類與鑒別、血管斑塊的定性等研究方面,有望成為一種可靠的物質(zhì)成分的分析和疾病鑒別診斷的方法[4-6]。

本次聯(lián)合基礎實驗認證了寶石能譜CT能譜成像的優(yōu)越性,顯示了寶石能譜CT無限廣闊的臨床應用和臨床科研的前景,對于我們下一步利用GSI標準體模進行CT值定量化的基礎研究具有非常重要的意義。

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.林曉珠,李衛(wèi)俠,朱延波,等.寶石能譜CT在腫瘤診斷中的初步應用.診斷學理論與實踐,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