能譜CT GSI掃描不同材質(zhì)試管對水CT值及水(碘)濃度值影響的模體研究

方鑫， 劉義軍， 劉愛連， 劉靜紅， 浦仁旺， 申佳庚

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·實(shí)驗(yàn)研究·

能譜CT GSI掃描不同材質(zhì)試管對水CT值及水(碘)濃度值影響的模體研究

方鑫， 劉義軍， 劉愛連， 劉靜紅， 浦仁旺， 申佳庚

目的：探討在單源雙能CT的能譜成像中，不同材質(zhì)試管對蒸餾水CT值及水(碘)濃度值的影響。方法：采用GE HD750能譜CT進(jìn)行模體掃描，模體有9個(gè)直徑相同的孔(中心1孔，外周8孔)，外周8孔放置與模體相同材質(zhì)的試管，中心孔放置不同材質(zhì)的試管。根據(jù)中心孔放置的試管材質(zhì)不同分為四組：A組為5 mL醫(yī)用注射器(聚丙烯，PP)，B組為有機(jī)玻璃試管(聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA)，C組為玻璃試管，D組為模體自帶試管(聚乙烯，PE)，掃描時(shí)試管內(nèi)均充滿蒸餾水，采用GSI掃描方式，每組掃描條件相同，各掃描3次，每組均掃描12層面(共獲得36層圖像數(shù)據(jù))，重建70 keV的單能量圖像。分別測量各組中心孔試管蒸餾水的CT值及水(碘)濃度值并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。結(jié)果：A、B、C、D四組試管中心的蒸餾水CT值分別為(-2.08±2.19)、( -2.77±1.63)、(15.16±0.89)和(-2.43±1.27) HU，統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)果顯示A、B、D三組CT值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，C組CT值與其他三組比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。四組圖像水(碘)濃度值分別為(1000.74±1.85)、(1001.37±2.51)、(1002.48±3.28)和(1001.71±1.46) mg/cm3，四組水(碘)濃度值差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。結(jié)論：有機(jī)玻璃試管、醫(yī)用注射器與模體自帶的聚乙烯試管，對蒸餾水的CT值沒有影響，而玻璃試管使蒸餾水的CT值明顯提高；不同材質(zhì)試管對GSI掃描的水(碘)濃度值沒有影響。

試管材質(zhì); CT值; 水(碘)濃度值; 能譜CT; 體層攝影術(shù)，X線計(jì)算機(jī)； 模體

能譜CT的誕生，使得物質(zhì)鑒別、組織成分分析成為可能，與常規(guī)CT相比，能譜CT最顯著的特征就是提供了多種定量分析工具和以多參數(shù)成像為基礎(chǔ)的綜合診斷模式，如基物質(zhì)圖像、單能量圖像、能譜曲線等。

表1　四組CT值、水(碘)值比較

其獨(dú)特的多參數(shù)成像模式給長期習(xí)慣于單一診斷模式的影像科醫(yī)生提出了前所未有的挑戰(zhàn)[1]。在實(shí)際科研工作中，可能會(huì)遇到用不同材料容器盛裝體液、組織、實(shí)驗(yàn)試劑進(jìn)行能譜掃描的情況。不同材料的容器是否會(huì)對上述物質(zhì)的測量分析結(jié)果產(chǎn)生影響至關(guān)重要。本研究利用單源雙能CT能譜成像對不同材質(zhì)試管內(nèi)的蒸餾水進(jìn)行測量、分析，旨在探討不同試管材料對蒸餾水的CT值及水(碘)濃度的影響。

材料與方法

1.實(shí)驗(yàn)材料

9孔模體(中心1孔，外周8孔)中心孔放置不同材質(zhì)試管，根據(jù)中心孔試管材料不同分為四組：A組為5 mL醫(yī)用注射器(聚丙烯，PP)，B組為有機(jī)玻璃試管(聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA)，C組為玻璃試管，D組為模體自帶試管(聚乙烯，PE)，外周8孔放置模體自帶的試管，所有試管內(nèi)均充滿蒸餾水。

2.設(shè)備及檢查方法

采用GE寶石能譜CT機(jī)(Discovery HD750)對四組模體分別進(jìn)行相同條件的3次掃描。GSI掃描參數(shù)：管電壓80 kVp與140 kVp瞬切，螺距1.375，層厚5 mm，層間距5 mm，管電流275 mA，重建方式為stnd，掃描野為M，共掃描12層，每組獲得36層數(shù)據(jù)。

3.圖像處理

圖像測量與分析均在AW4.5工作站進(jìn)行，由兩位分別有5年和7年閱片經(jīng)驗(yàn)的影像診斷醫(yī)師進(jìn)行圖像分析，測量時(shí)設(shè)定同樣大小的感興趣區(qū)(regions of interest,ROI)，ROI面積44.66 mm2， ROI測量區(qū)域選擇在各組中央試管的中心位置，測量70 keV單能量條件下四組中心孔試管各層面的蒸餾水CT值，同時(shí)測量水(碘)濃度值(圖1～8)。

4.統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，四組數(shù)據(jù)采用單因素方差分析進(jìn)行組間比較，以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

結(jié)　果

A、B、C、D四組試管中央?yún)^(qū)CT值及水(碘)值采用單因素方差分析，比較結(jié)果見表1，四組之間CT值差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.000)，C組CT值明顯高于其他三組。四組間水(碘)值差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P=0.090)。CT值的兩兩比較結(jié)果見表2，結(jié)果表明C組中央?yún)^(qū)試管CT值與其他三組比較差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P值均<0.05)，其它各組間差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

表2　四組數(shù)據(jù)CT值兩兩比較結(jié)果(P值)

討　論

CT能譜成像的實(shí)現(xiàn)，是基于能量CT物理基礎(chǔ)，CT是通過測量X光在物體中的吸收進(jìn)行成像的，而物質(zhì)的吸收隨X線能量變化而變化，如軟組織和血液隨能量變化的程度小，相反高原子量的物質(zhì)，如骨胳和增強(qiáng)CT中使用的對比劑(以碘為主)，隨能量變化則比較強(qiáng)烈。任何物質(zhì)都有對應(yīng)的特征吸收曲線，這種吸收曲線能夠用兩個(gè)能量點(diǎn)來完整表達(dá)，所以當(dāng)對同一物體用兩種不同能量的X射線進(jìn)行成像，就能確定一個(gè)吸收曲線，從而找到與吸收曲線對應(yīng)的物質(zhì)。人們能夠通過能量成像方法來區(qū)分不同的物質(zhì)，物理實(shí)驗(yàn)表明，任何一個(gè)物質(zhì)對X射線的吸收都可以由任何另外兩個(gè)物質(zhì)(基物質(zhì)對)的吸收來表達(dá)[1]。本研究采用GE HD 750能譜CT的GSI掃描模式，研究不同材質(zhì)試管中水的CT值、水(碘)值的影響。

本研究中4種不同試管材質(zhì)分別為有機(jī)玻璃試管(聚甲基丙烯酸甲酯)、玻璃試管(二氧化硅)、醫(yī)用注射器(聚丙烯)、模體自帶試管(聚乙烯)，玻璃試管的密度約為2.5 g/cm3，其他三種試管構(gòu)成成分有相似之處，密度約為1.2 g/cm3，相對于玻璃試管而言密度較低。水的密度為1 g/cm3,玻璃與水的密度差異較大，其余試管材質(zhì)與水的密度近似，對水的影響程度較小。

CT成像依賴于人體組織對X線的吸收作用。X線通過人體時(shí)，其強(qiáng)度因受檢層面組織、器官和病變等密度的不同，而產(chǎn)生相應(yīng)的吸收衰減。通過檢測X線穿過人體后減弱的程度、物質(zhì)的厚度等，最終計(jì)算出物質(zhì)的衰減系數(shù)，即CT值。CT圖像上各個(gè)像素的CT值代表相應(yīng)單位容積的平均CT值，國際上規(guī)定了以HU為CT值的單位，作為表達(dá)組織密度的統(tǒng)一單位。通過公式計(jì)算得出水的CT值為0，骨骼為1000 HU，空氣為-1000 HU[2]。常規(guī)CT僅以CT值進(jìn)行組織的鑒別。當(dāng)前常規(guī)CT中球管產(chǎn)生的X線具有連續(xù)的能量分布，用于成像的X線為混合能量射線，獲得的圖像體現(xiàn)的是混合能量的平均效應(yīng)，因不同能量的X射線在人體內(nèi)的吸收系數(shù)不同，連續(xù)能譜的X射線經(jīng)過人體后，低能量射線易被吸收，高能量射線較易穿過，在射線傳播過程中，平均能量變高，射線逐漸變硬，稱為射束硬化效應(yīng)[3]。對原子量較高的物質(zhì)如骨骼和碘對比劑等，這種選擇吸收更明顯，硬化現(xiàn)象更嚴(yán)重，影響診斷，有時(shí)較難消除，導(dǎo)致物質(zhì)的CT值不準(zhǔn)確，圖像產(chǎn)生偽影，即射束硬化偽影(beam hardening artifact,BHA)[4]。硬化現(xiàn)象的另一個(gè)問題是在很多情況下不同物質(zhì)具有相近或相似的CT值，無法對物質(zhì)進(jìn)行區(qū)分。本研究所選用的材料除了玻璃試管的密度遠(yuǎn)高于水外，其他三種的密度均略高于水。GSI掃描雖然是兩種能量的掃描，但在掃描時(shí)是兩種混合能量的掃描，采集的數(shù)據(jù)同樣受到上述因素的影響，形成的單keV圖像水的CT值高于其他三種材料試管內(nèi)水的CT值。

圖1醫(yī)用注射器內(nèi)水的CT值。

圖2有機(jī)玻璃內(nèi)水的CT值。

圖3玻璃試管內(nèi)水的CT值。

圖4模體試管內(nèi)水的CT值。

圖5醫(yī)用注射器內(nèi)水的水(碘)值。

圖6有機(jī)玻璃內(nèi)水的水(碘)值。

圖7玻璃試管內(nèi)水的水(碘)值。

圖8模體試管內(nèi)水的水(碘)值。

從能譜成像的原理可以得知，任何物質(zhì)的 X線吸收系數(shù)可由任意2個(gè)基物質(zhì)的 X 線吸收系數(shù)來決定， 因此可將一種物質(zhì)的衰減轉(zhuǎn)化為產(chǎn)生同樣衰減的 2 種物質(zhì)的密度， 這樣可以實(shí)現(xiàn)物質(zhì)組成分析與物質(zhì)的分離[5]。分離后的物質(zhì)密度圖像中每一個(gè)體素反映了相應(yīng)的物質(zhì)密度信息。原則上物質(zhì)對的選擇是沒有局限的，但有研究發(fā)現(xiàn)水-碘基物質(zhì)對是最穩(wěn)定的基物質(zhì)對，其平均值更接近于標(biāo)準(zhǔn)水模的水濃度值(1000 mg/mL)，并且標(biāo)準(zhǔn)差較小，說明水-碘基物質(zhì)對測量數(shù)值離散度小，穩(wěn)定性好[6]，因此，本研究選擇水-碘作為基物質(zhì)對，可以利用GSI技術(shù)掃描得到碘基圖像，并且在基物質(zhì)圖像上準(zhǔn)確測量水(碘)濃度[7]。能譜CT以瞬時(shí)雙kVp技術(shù)為核心，即在0.5 ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)80 kVp與140 kVp的高速切換，通過單源、瞬時(shí)、同向雙能采集而獲取能譜圖像[8]。通過對能譜圖像進(jìn)行后處理，獲得水基圖像和碘基圖像，可以判斷病灶是否有碘攝入以及囊性病灶是否含水。本研究采用GSI掃描模式，通過水基與碘基物質(zhì)分離得到的碘濃度測量值，結(jié)果差異小，說明能譜CT基物質(zhì)對-水(碘)濃度不受試管材質(zhì)的影響。

本研究屬于初步的實(shí)驗(yàn)研究，仍存在一定局限性：本研究只選用275 mA進(jìn)行GSI掃描，輻射劑量相對偏低，后續(xù)的研究將在此基礎(chǔ)上進(jìn)行不同輻射劑量的研究，通過能譜曲線進(jìn)行對比分析；同時(shí)本研究只針對能譜CT基物質(zhì)成像中的水(碘)濃度值進(jìn)行了測量、分析，后續(xù)將對其他能譜基物質(zhì)，如鈣、脂肪等進(jìn)行分析測定。

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GSI phantom study with using test tubes made by different materials for the impact on the CT value of water and water-iodine concentration

FANG Xin,LIU Yi-jun,LIU Ai-lian,et al.

Department of Radiology,the First Affiliated Hospital of Dalian Medical University,Dalian 116011,China

Objective:To investigate the impact of test tubes made by different materials on the CT value of distilled water and water (iodine) concentration during spectral imaging with mono-source dual energy CT.Methods:GE HD750 CT was used for scanning.The phantom had totally 9 holes,with 8 holes at periphery and 1 hole at the center.Eight test tubes made by the same material as the phantom was placed in the peripheral hole,while the test tube placed in the center was made by different material.They were divided into four groups according to the material:Group A,5mL injector (poly propylene,PP);Group B,organic glass (poly methyl meth acrylate,PMMA);Group C,glass and Group D,the same material as the phantom (poly ethylene,PE).The test tubes were fulfilled with distilled water.3 times were scanned for each group,using GSI mode and with the same technique.Data of twelve layers were acquired in each group (totally images of 36 layers).Mono-energy image of 70keV was used for reconstruction.The CT values of distilled water and water (iodine) concentration in each central test tube were measured respectively statistic analysis was performed.Results:The CT value of the distilled water in the central test tubes in group A,B,C,D was (-2.08±2.19)HU,(-2.77±1.63)HU,(15.16±0.89)HU and (-2.43±1.27)HU,respectively with no statistical difference among Group A,B and D (P>0.05).Yet there was statistical significant difference between group C and the other three groups (P<0.05).The water(iodine) concentration of Group A,B,C and D was (1000.74±1.85)mg/cm3,(1001.37±2.51)mg/cm3,(1002.48±3.28)mg/cm3and (1001.71±1.46)mg/cm3respectively,with no statistical difference (P>0.05).Conclusion:There were no impact to the CT value of distilled water when using test tubes made by organic glass,injector and test tube made by the same material as the phantom,while test tube made by glass could obviously increase the CT value of distilled water.Test tubes made by different materials had no influence to the water (iodine) concentration during GSI scanning.

Test tube material; CT value; Water(iodine) concentration; Dual energy CT; Tomography,X-ray computed; Model

116011遼寧，大連醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院放射科

方鑫(1990-)，男，遼寧沈陽人，住院醫(yī)師，主要從事雙低劑量掃描工作。

國家自然科學(xué)基金(81470078)

R814.42

A

1000-0313(2016)09-0853-04

10.13609/j.cnki.1000-0313.2016.09.013

2015-10-22

2015-03-11)