不同雙能量組合對(duì)Rho/Z檢測(cè)準(zhǔn)確性的模體研究

王鵬朝，單春輝，郭方凱，黃曉穎，暴云鋒，陳英敏

河北省人民醫(yī)院 醫(yī)學(xué)影像科，河北 石家莊 050051

引言

自2006年以來(lái)，雙能量CT（Dual-Energy CT，DECT）的許多功能已經(jīng)被開(kāi)發(fā)并應(yīng)用于臨床，包括：① 自動(dòng)直接去骨技術(shù)；② 從增強(qiáng)CT中分離碘濃度圖；③ 虛擬平掃技術(shù)；④ 識(shí)別肺實(shí)質(zhì)或心肌中的灌注血容量；⑤ 根據(jù)材料的元素組成確定材料的特征等[1-6]。隨著CT設(shè)備硬件與軟件技術(shù)的發(fā)展，雙能量成像技術(shù)逐漸實(shí)現(xiàn)了對(duì)物質(zhì)的特性分析[7]和定量分析[8]，為臨床醫(yī)生提供了更多的信息。電子密度及有效原子序數(shù)就是其中一種。

腫瘤質(zhì)子治療作為一種高端技術(shù)，自1988年問(wèn)世以來(lái)，治療腫瘤有效率達(dá)95%以上，早期腫瘤5年存活率達(dá)80%以上[9]。為準(zhǔn)確了解質(zhì)子束所穿過(guò)的組織對(duì)質(zhì)子束的阻止能力，雙能技術(shù)利用質(zhì)子束“Bragg峰”的特性，實(shí)現(xiàn)腫瘤的“立體定向精準(zhǔn)爆破”，這個(gè)過(guò)程中準(zhǔn)確測(cè)量組織的電子密度和原子序數(shù)就顯得尤為重要[10]。為了克服單能CT對(duì)病變組織測(cè)量的局限性，雙能CT被用來(lái)計(jì)算電子密度的分布圖Rho和有效原子數(shù)Z，為接受質(zhì)子治療的腫瘤患者提供個(gè)性化和精準(zhǔn)化治療方案。

電子密度與有效原子序數(shù)的CT雙能量測(cè)量，作為一種新開(kāi)發(fā)的技術(shù)，測(cè)量時(shí)可能會(huì)受設(shè)備性能，雙能量組合和算法等因素的影響[11]。測(cè)量值與實(shí)際值的誤差有多大，不同能量組合下測(cè)量的電子密度與有效原子序數(shù)一致性是否良好，目前無(wú)此類(lèi)文獻(xiàn)的相關(guān)報(bào)道。本研究利用標(biāo)準(zhǔn)模體在不同雙能量組合下的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，探討臨床最實(shí)用的雙能量掃描模式，為電子密度和有效原子序數(shù)的臨床應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究采用美國(guó)模體實(shí)驗(yàn)室Catphan 600標(biāo)準(zhǔn)模體（圖1）中的CTP404檢測(cè)模塊。CTP404模塊為層厚、CT值線(xiàn)性、模體位置驗(yàn)證模塊。封裝在Catphan 600標(biāo)準(zhǔn)模體中，材質(zhì)為固態(tài)水，直徑150 mm，厚32.5 mm。其內(nèi)有8個(gè)直徑為10 mm的圓柱狀填充條，填充物質(zhì)分別為純水（需灌裝）、Polystyrene（聚苯乙烯）、LDPE（低密度聚乙烯）、PMP（熱塑性樹(shù)脂）、Air（空氣）、Teflon（特氟龍）、DelrinTM（聚甲醛）、Acrylic（丙烯酸塑料）。已知物質(zhì)CT值，電子密度和有效原子序數(shù)。

圖1 Catphan 600標(biāo)準(zhǔn)模體

1.2 掃描方法

采用西門(mén)子SOMATOM Force CT雙能量掃描模式對(duì)Catphan 600檢測(cè)模體進(jìn)行掃描，采用不同的能量組合，參考管電流采用系統(tǒng)默認(rèn)值。掃描條件分別為： ① A球管80 kV、參考管電流為132 mAs，B球管140 kV、參考管電流為24 mAs；② A球管70 kV、參考管電流為380 mAs，B球管Sn150 kV、參考管電流為95 mAs；③ A球管80 kV、參考管電流為190 mAs，B球管Sn150 kV、參考管電流為95 mAs；④ A球管90 kV、參考管電流為152 mAs，B球管Sn150 kV、參考管電流為95 mAs；⑤ A球管100 kV、參考管電流為190 mAs，B球管Sn150 kV、參考管電流為95 mAs。球管轉(zhuǎn)速為0.5 s/r，螺距0.7，準(zhǔn)直器寬度64 mm×0.6 mm，矩陣512×512，開(kāi)啟實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)曝光劑量調(diào)節(jié)Care Dose 4D技術(shù)，掃描長(zhǎng)度為65 mm，掃描中點(diǎn)為CTP404模塊中心點(diǎn)。重建野（DFov）設(shè)置為200 mm，卷積核為Hr40，迭代強(qiáng)度ADMIRE為3，窗寬為350 HU，窗位為40 HU，重建層厚5 mm，層距5 mm。每次掃描均重建高能量、低能量及加權(quán)（加權(quán)系數(shù)為系統(tǒng)默認(rèn)值0.6）三組數(shù)據(jù)。5種能量組合均重復(fù)掃描10次，共計(jì)掃描50次。并記錄每次的容積CT劑量指數(shù)（Volumetric CT Dose Index，CTDIvol）和劑量長(zhǎng)度乘積（Dose Length Product，DLP）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

將所有掃描的高、低能量數(shù)據(jù)及加權(quán)數(shù)據(jù)導(dǎo)入syngo.via工作站。使用工作站中雙能量程序下的“Rho/Z”模式進(jìn)行電子密度與有效原子序數(shù)測(cè)量，測(cè)量層面選取每個(gè)序列的中間層。測(cè)量時(shí)在8種物質(zhì)中心位置設(shè)置圓形感興趣區(qū)（Region of Interest，ROI），大小為 50 mm2，記錄各ROI所測(cè)的有效原子序數(shù)值，計(jì)算物質(zhì)的電子密度。電子密度公式如公式(1) 所示。

Rhox為物質(zhì)X的電子密度；CTx為物質(zhì)X在雙能量模式下ROI內(nèi)測(cè)量的CT值；Rho水為水的電子密度。

使用工作站中的“MM閱片”模式對(duì)加權(quán)數(shù)據(jù)進(jìn)行CT值的測(cè)量，測(cè)量層面選取每個(gè)序列的中間層。測(cè)量時(shí)在8種物質(zhì)中心位置設(shè)置圓形ROI，大小為50 mm2，記錄各ROI所測(cè)的CT值（圖2）。

圖2 不同類(lèi)型圖

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

運(yùn)用SPSS 24.0軟件組內(nèi)相關(guān)系數(shù)分別檢驗(yàn)計(jì)量各組重復(fù)掃描的電子密度、有效原子序數(shù)、CT值、CTDIVol和DLP的一致性，得出電子密度、有效原子序數(shù)、CT值、CTDIVol和DLP的一致性較好。故取重復(fù)測(cè)量的均值作為每組數(shù)據(jù)的確定值。根據(jù)結(jié)果使用單獨(dú)樣本t檢驗(yàn)分別比較五種模式下電子密度、有效原子序數(shù)、CT值的測(cè)量值與實(shí)際值的差別；并分析結(jié)果的差異度。使用優(yōu)劣解距離法（Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution，TOPSIS）綜合10種因素評(píng)價(jià)5種能量組合的優(yōu)劣程度，并選出最佳、最劣方案。

2 結(jié)果

2.1 組內(nèi)一致性分析

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，不同能量組合下CTP404模塊內(nèi)8種物質(zhì)的電子密度、CT值、CTDIVol和DLP組內(nèi)一致性較好，有效原子序數(shù)組內(nèi)一致性一般，詳見(jiàn)表1。

表1 組內(nèi)一致性分析

通過(guò)表1可見(jiàn)，不同能量組合測(cè)得的電子密度、CT值、CTDIVol和DLP高度一致，有效原子序數(shù)組內(nèi)一致性較高，所以可以使用組內(nèi)均值代表各組情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.2 5種模式下電子密度、有效原子序數(shù)測(cè)量值與實(shí)際值差異性分析

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，分別對(duì)5種能量下的8種物質(zhì)經(jīng)單獨(dú)樣本t檢驗(yàn)可見(jiàn)，五種能量組合下，電子密度測(cè)量值與實(shí)際值有明顯差別（P＜0.05）的占90%，無(wú)明顯差別（P＞0.05）的情況占10%；有效原子序數(shù)測(cè)量值與實(shí)際值有明顯差別（P＜0.05）的情況占48.6%，無(wú)明顯差別（P＞0.05）的情況占51.4%，由于空氣為氣體狀態(tài)，有效原子序數(shù)無(wú)法計(jì)量。綜合5種雙能量模式，當(dāng)測(cè)量均值與實(shí)際值有明顯差別時(shí)。除空氣外，電子密度測(cè)量均值與實(shí)際值最大偏差為2.620%，有效原子序數(shù)測(cè)量均值與實(shí)際最大偏差為4.447%。各組CT值取均數(shù)代表測(cè)量CT值與物質(zhì)實(shí)際CT值相比均無(wú)明顯差別。整體而言，有效原子序數(shù)與實(shí)際值的符合度比電子密度更好；而電子密度測(cè)量穩(wěn)定性比有效原子序數(shù)更高，詳見(jiàn)表2。

表2 五種模式下電子密度、有效原子序數(shù)測(cè)量均值與實(shí)際值差異性分析

2.3 5種模式測(cè)量電子密度與有效原子序數(shù)優(yōu)劣程度排名

使用TOPSIS法綜合5種雙能組合中10種因素，得出電子密度數(shù)據(jù)的優(yōu)劣排名：最優(yōu)方案為80/Sn150 kV組（與最優(yōu)方案接近程度為0.939），最劣方案為100/Sn150 kV組（與最優(yōu)方案接近程度為0.007）；有效原子序數(shù)的最優(yōu)方案為80/Sn150 kV組（與最優(yōu)方案接近程度為0.920），最劣方案為100/Sn150 kV組（與最優(yōu)方案接近程度為0.062），詳見(jiàn)表3。

表3 五種模式測(cè)量電子密度與有效原子序數(shù)優(yōu)劣程度排名

3 討論

Rho/Z作為物質(zhì)的固有屬性，可以在一定程度上反映物質(zhì)的理化特性[12]。理論上Rho/Z并不會(huì)實(shí)時(shí)變化。但是在CT檢查中由于管電壓的瞬時(shí)變化和測(cè)量的誤差等，測(cè)量值會(huì)與實(shí)際值存在一定差別[13]。經(jīng)過(guò)測(cè)量統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，同一能量組合重復(fù)掃描時(shí)，電子密度、原子序數(shù)、CT值、CTDIVol和DLP均一致性良好。所以同一能量組合下的重復(fù)性較好。同一患者掃描不會(huì)出現(xiàn)較大差異，可信度較高。由于不同物質(zhì)的Rho/Z值相差不大，且絕對(duì)值均不高，所以測(cè)量時(shí)誤差的影響較大。而CT值的范圍較寬，物質(zhì)的對(duì)比度更高，所以8種物質(zhì)密度上很小差別就可以在CT值上體現(xiàn)。CT值的測(cè)量值與實(shí)際值之間的誤差較小，一致性更好。

不同能量組合的管電壓、管電流不同，所以組間的CTDIVol和DLP會(huì)有差別。研究發(fā)現(xiàn)80/140 kV能量組輻射劑量?jī)H低于100/Sn150 kV組，高于其余組?？赡芤?yàn)楸窘M高能量球管未經(jīng)過(guò)錫（Sn）板濾過(guò)低能射線(xiàn)，使得低能射線(xiàn)較多，影響輻射劑量[14]。而且當(dāng)高能線(xiàn)束的低能部分被Sn濾過(guò)后，可以使高能量與低能量的能譜重合較少，物質(zhì)分離時(shí)可以更徹底[15]。所以日常掃描過(guò)程中推薦使用有Sn濾過(guò)的能量組。掃描時(shí)發(fā)現(xiàn)，低能球管的管電流均比高能球管管電流參考值要高。這是為了讓低能射線(xiàn)有足夠穿透人體的量，到達(dá)探測(cè)器，與高能數(shù)據(jù)按比例重建混合。

隨著不同能量組合的管電壓的提高，CTDIVol和DLP逐步提高，最低值為最高值的77%。80/140 kV組、70/Sn150 kV組、80/Sn150 kV組與90/Sn150 kV組相差不大。100/Sn150 kV組輻射劑量顯著提高。所以除非特別肥胖患者，其余情況不推薦使用100/Sn150 kV能量組[16]。

針對(duì)不同腫瘤患者實(shí)施質(zhì)子精準(zhǔn)化治療來(lái)說(shuō)，雙能CT能為臨床提供更多的有用信息—加權(quán)圖像CT值與實(shí)際CT值一致，還能夠提供電子密度與有效原子序數(shù)的定量值[17]。雙能量成像保證了CT值的穩(wěn)定性，還能夠使質(zhì)子的“Bragg峰”計(jì)算更精確[18]。本研究就是在雙能量應(yīng)用日益廣泛的情況下，來(lái)確定現(xiàn)階段能夠提供更準(zhǔn)確電子密度和有效原子序數(shù)信息的能量組合。由于醫(yī)用設(shè)備的限制，雙能量成像僅有五種組合。故本實(shí)驗(yàn)采用所有能量組合進(jìn)行驗(yàn)證。除此之外，在CT檢查中，CT值的準(zhǔn)確性、輻射劑量、圖像質(zhì)量等都是同等重要的因素，依然需要考慮驗(yàn)證。自動(dòng)管電流調(diào)節(jié)技術(shù)已被眾多研究證實(shí)可在保證圖像質(zhì)量前提下有效降低輻射劑量[19]，這個(gè)條件在雙能量成像中同樣適用，降低患者的輻射劑量。

本研究的不足在于受模體限制，模型厚度單一，無(wú)法模擬實(shí)際檢查中受檢者的實(shí)際情況。本實(shí)驗(yàn)使用物質(zhì)均為單一物質(zhì)，無(wú)法模擬混合物的實(shí)際值。電子密度和原子序數(shù)值的測(cè)量都是基于不同能量下X線(xiàn)的穿透數(shù)量，X線(xiàn)在固體和液體中傳播時(shí)，會(huì)與物質(zhì)發(fā)生相互作用，可以通過(guò)后期計(jì)算得到固體和液體的Rho/Z值。由于氣體分子間距離較大，對(duì)X線(xiàn)的阻擋效果有限，所以DECT無(wú)法測(cè)量純氣體的Rho/Z值。這都是我們今后努力的方向。

4 結(jié)論

綜上所述，本研究通過(guò)模體對(duì)第三代雙源CT不同能量組合下測(cè)量的Rho/Z值進(jìn)行分析得出，經(jīng)過(guò)Sn濾過(guò)后的測(cè)量準(zhǔn)確性要優(yōu)于未經(jīng)Sn濾過(guò)組。100/Sn150 kV組輻射劑量明顯大于其余4組，且測(cè)量準(zhǔn)確性未見(jiàn)明顯提高。80/Sn150 kV為最優(yōu)組，電子密度與最優(yōu)結(jié)果接近程度為0.939，有效原子序數(shù)與最優(yōu)結(jié)果接近程度為0.920。綜合劑量和圖像的準(zhǔn)確度因素進(jìn)行排名，80/Sn150 kV組既可以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，又可以最大限度地縮減輻射劑量，且可重復(fù)性較好，值得應(yīng)用推廣。