能譜CT GSI掃描不同材質試管對水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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·實驗研究·

能譜CT GSI掃描不同材質試管對水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進行模體掃描，模體有9個直徑相同的孔(中心1孔，外周8孔)，外周8孔放置與模體相同材質的試管，中心孔放置不同材質的試管。根據中心孔放置的試管材質不同分為四組：A組為5 mL醫用注射器(聚丙烯，PP)，B組為有機玻璃試管(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)，掃描時試管內均充滿蒸餾水，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層圖像數據)，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)濃度值并進行統計學分析。結果：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，統計學分析結果顯示A、B、D三組CT值差異無統計學意義(P>0.05)，C組CT值與其他三組比較差異均有統計學意義(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)濃度值差異均無統計學意義(P>0.05)。結論：有機玻璃試管、醫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；不同材質試管對GSI掃描的水(碘)濃度值沒有影響。

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

能譜CT的誕生，使得物質鑒別、組織成分分析成為可能，與常規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成像為基礎的綜合診斷模式，如基物質圖像、單能量圖像、能譜曲線等。

表1　四組CT值、水(碘)值比較

其獨特的多參數成像模式給長期習慣于單一診斷模式的影像科醫生提出了前所未有的挑戰[1]。在實際科研工作中，可能會遇到用不同材料容器盛裝體液、組織、實驗試劑進行能譜掃描的情況。不同材料的容器是否會對上述物質的測量分析結果產生影響至關重要。本研究利用單源雙能CT能譜成像對不同材質試管內的蒸餾水進行測量、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.實驗材料

9孔模體(中心1孔，外周8孔)中心孔放置不同材質試管，根據中心孔試管材料不同分為四組：A組為5 mL醫用注射器(聚丙烯，PP)，B組為有機玻璃試管(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，所有試管內均充滿蒸餾水。

2.設備及檢查方法

采用GE寶石能譜CT機(Discovery HD750)對四組模體分別進行相同條件的3次掃描。GSI掃描參數：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層數據。

3.圖像處理

圖像測量與分析均在AW4.5工作站進行，由兩位分別有5年和7年閱片經驗的影像診斷醫師進行圖像分析，測量時設定同樣大小的感興趣區(regions of interest,ROI)，ROI面積44.66 mm2， ROI測量區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，同時測量水(碘)濃度值(圖1～8)。

4.統計學分析

采用SPSS 17.0軟件進行統計學分析，四組數據采用單因素方差分析進行組間比較，以P<0.05為差異有統計學意義。

結　果

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

表2　四組數據CT值兩兩比較結果(P值)

討　論

CT能譜成像的實現，是基于能量CT物理基礎，CT是通過測量X光在物體中的吸收進行成像的，而物質的吸收隨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，如骨胳和增強CT中使用的對比劑(以碘為主)，隨能量變化則比較強烈。任何物質都有對應的特征吸收曲線，這種吸收曲線能夠用兩個能量點來完整表達，所以當對同一物體用兩種不同能量的X射線進行成像，就能確定一個吸收曲線，從而找到與吸收曲線對應的物質。人們能夠通過能量成像方法來區分不同的物質，物理實驗表明，任何一個物質對X射線的吸收都可以由任何另外兩個物質(基物質對)的吸收來表達[1]。本研究采用GE HD 750能譜CT的GSI掃描模式，研究不同材質試管中水的CT值、水(碘)值的影響。

本研究中4種不同試管材質分別為有機玻璃試管(聚甲基丙烯酸甲酯)、玻璃試管(二氧化硅)、醫用注射器(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，其強度因受檢層面組織、器官和病變等密度的不同，而產生相應的吸收衰減。通過檢測X線穿過人體后減弱的程度、物質的厚度等，最終計算出物質的衰減系數，即CT值。CT圖像上各個像素的CT值代表相應單位容積的平均CT值，國際上規定了以HU為CT值的單位，作為表達組織密度的統一單位。通過公式計算得出水的CT值為0，骨骼為1000 HU，空氣為-1000 HU[2]。常規CT僅以CT值進行組織的鑒別。當前常規CT中球管產生的X線具有連續的能量分布，用于成像的X線為混合能量射線，獲得的圖像體現的是混合能量的平均效應，因不同能量的X射線在人體內的吸收系數不同，連續能譜的X射線經過人體后，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[3]。對原子量較高的物質如骨骼和碘對比劑等，這種選擇吸收更明顯，硬化現象更嚴重，影響診斷，有時較難消除，導致物質的CT值不準確，圖像產生偽影，即射束硬化偽影(beam hardening artifact,BHA)[4]。硬化現象的另一個問題是在很多情況下不同物質具有相近或相似的CT值，無法對物質進行區分。本研究所選用的材料除了玻璃試管的密度遠高于水外，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，但在掃描時是兩種混合能量的掃描，采集的數據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水的CT值。

圖1醫用注射器內水的CT值。

圖2有機玻璃內水的CT值。

圖3玻璃試管內水的CT值。

圖4模體試管內水的CT值。

圖5醫用注射器內水的水(碘)值。

圖6有機玻璃內水的水(碘)值。

圖7玻璃試管內水的水(碘)值。

圖8模體試管內水的水(碘)值。

從能譜成像的原理可以得知，任何物質的 X線吸收系數可由任意2個基物質的 X 線吸收系數來決定， 因此可將一種物質的衰減轉化為產生同樣衰減的 2 種物質的密度， 這樣可以實現物質組成分析與物質的分離[5]。分離后的物質密度圖像中每一個體素反映了相應的物質密度信息。原則上物質對的選擇是沒有局限的，但有研究發現水-碘基物質對是最穩定的基物質對，其平均值更接近于標準水模的水濃度值(1000 mg/mL)，并且標準差較小，說明水-碘基物質對測量數值離散度小，穩定性好[6]，因此，本研究選擇水-碘作為基物質對，可以利用GSI技術掃描得到碘基圖像，并且在基物質圖像上準確測量水(碘)濃度[7]。能譜CT以瞬時雙kVp技術為核心，即在0.5 ms內實現80 kVp與140 kVp的高速切換，通過單源、瞬時、同向雙能采集而獲取能譜圖像[8]。通過對能譜圖像進行后處理，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分離得到的碘濃度測量值，結果差異小，說明能譜CT基物質對-水(碘)濃度不受試管材質的影響。

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

[1]沈云.寶石CT能譜成像原理及其掃描射線劑量[J].中國醫療設備，2012,27(9):12-16.

[2]張云亭,于茲喜.醫學影像檢查技術學[M].北京：人民衛生出版社,2000：60.

[3]Barrett JF,Keat N.Artifacts in CT:recognition and avoidance[J].Radiographics,2004,24(6):1679-1691.

[4]Demirpolat G,Yuksel M,Kavukcu G,et al.Carotid CT angiography:comparison of image quality for left versus right arm injections[J].Diagn Interv Radiol,2011,17(3):195-198．

[5]Wang XL,Meier D,Taguchi K,et al.Material separation in X-ray CT with energy resolved photon-counting detectors[J].Med Phys,2011,38(3):1534-1546.

[6]韓錚,劉愛連,劉靜紅,等.能譜CT掃描水模不同基物質對準確性研究[J].放射學實踐,2016,31(1):86-88.

[7]王樂,劉斌,汪杰,王萬勤,等. 能譜CT對碘含量測量準確性的實驗研究[J].放射學實踐, 2012,27(3):264-267.

[8]鄭盛,唐映梅,楊晉輝,等.CT能譜成像鑒別肝癌和肝臟局灶性結節增生的臨床價值[J]．實用肝臟病雜志,2013,16(5):411-415.

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，大連醫科大學附屬第一醫院放射科

方鑫(1990-)，男，遼寧沈陽人，住院醫師，主要從事雙低劑量掃描工作。

國家自然科學基金(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)