光譜CT頭部虛擬平掃圖像：不同單能量圖像質(zhì)量的對(duì)比

付永春，江濱，周一楠，陳紅燕，陳緒珠

CT是診斷腦外傷和腦卒中疾病的首選影像檢查之一。近年來(lái)能譜CT技術(shù)迅速拓展，利用其單能量圖像來(lái)改善不同組織的對(duì)比度，提高圖像質(zhì)量，擴(kuò)大CT在頭頸部和神經(jīng)系統(tǒng)的應(yīng)用范圍[1-5]。能譜CT的顯著特征是實(shí)現(xiàn)了多參數(shù)的診斷，相比常規(guī)混合能量CT其具有更高的信噪比和更低的圖像噪聲[6]。與以往能譜CT不同，近期進(jìn)入臨床應(yīng)用的雙層探測(cè)器光譜CT具備獨(dú)特的上下兩層探測(cè)器結(jié)構(gòu)，分別接收低能量和高能量X射線光子，這樣就可以在一次常規(guī)掃描中同時(shí)獲取混合能量的常規(guī)影像和高-低能量分離的光譜影像[2,7-15]。

本研究通過(guò)對(duì)比雙層探測(cè)器光譜CT頭部平掃的虛擬單能圖像和常規(guī)混合多能量圖像，旨在探討最佳單能量圖像在優(yōu)化圖像質(zhì)量、增加灰白質(zhì)對(duì)比度及減少由顱骨造成的線束硬化偽影等方面的價(jià)值。

材料與方法

1.資料與分組

回顧性分析2019年6-12月因頭暈、暈厥及頭痛等原因在本院行頭部CT平掃檢查的38例患者的臨床和影像資料。其中，女17例，男21例，年齡7～88歲，平均(41.3±19.4)歲。排除標(biāo)準(zhǔn)：①有金屬植入物；②圖像上有明顯運(yùn)動(dòng)偽影；③影像學(xué)檢查顯示有腦出血、腦梗死、腦萎縮和明顯顱內(nèi)占位；④進(jìn)行過(guò)開(kāi)顱手術(shù)或其它原因引起的腦結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形，影響數(shù)據(jù)的測(cè)量。

2.掃描和重建方法

使用Philips IQon雙層探測(cè)器光譜CT機(jī)。患者取仰臥體位，掃描范圍自顱底至顱頂，掃描參數(shù)：120 kV，300 mA，螺距0.390，0.58 s/r；重建層厚1.0 mm，層間距1.0 mm，卷積核UB 。分別使用iDose4 Level 3和Spectral Level 3迭代水平進(jìn)行常規(guī)圖像和光譜圖像的薄層重建。單能量光譜重建的能級(jí)水平：在40～120 keV范圍內(nèi)以5 keV間隔進(jìn)行重建圖像，共獲得17組單能級(jí)圖像。

3.圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)

將所有圖像傳輸至IntelliSpace Portal(ISP)V9工作站進(jìn)行分析和后處理。所有圖像采用相同的窗寬(70 HU)和窗位(35 HU)。圖像質(zhì)量的客觀評(píng)估由2位分別具有10年和15年以上工作經(jīng)驗(yàn)的神經(jīng)方向影像科技師完成。首先，在基底節(jié)層面的腦灰質(zhì)和腦白質(zhì)區(qū)域放置ROI(region of interest,ROI)，盡量選擇密度比較均勻的區(qū)域，測(cè)量ROI的CT值和標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation,SD)，以其SD作為圖像噪聲，計(jì)算ROI的信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)和腦白質(zhì)(white matter，WM)與腦灰質(zhì)(gray matter,GM)之間的對(duì)比噪聲比(CNR)[2]：

(1)

(2)

其次，在偽影最大的顱底層面選擇2個(gè)位置勾畫(huà)ROI，1個(gè)位于射線硬化偽影最重的區(qū)域，ROI大小應(yīng)小于偽影范圍，第2個(gè)位于沒(méi)有偽影干擾的區(qū)域(作為參照)，分別測(cè)量其CT值和SD。

圖像質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià)：由2位分別具有10年和15年以上神經(jīng)影像診斷經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)師采用單盲法(對(duì)掃描機(jī)型和重建參數(shù)均不知情，且不參與后續(xù)的分析)對(duì)圖像質(zhì)量和偽影進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)。對(duì)圖像質(zhì)量的評(píng)分采用4級(jí)評(píng)分法，意見(jiàn)不同時(shí)經(jīng)協(xié)商達(dá)成一致意見(jiàn)。評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)[2]：1分，圖像質(zhì)量?jī)?yōu)良，組織周?chē)鷮?duì)比度好，腦部的灰白質(zhì)界限分明顯示好，圖像噪聲微小；2分，圖像質(zhì)量良，組織周?chē)鷮?duì)比度好，腦部的灰白質(zhì)界限較分明顯示較好，圖像噪聲較小：3分，圖像質(zhì)量不好，組織周?chē)鷮?duì)比度欠佳，腦部的灰白質(zhì)界限分明顯示不清晰，圖像噪聲較大；4分，圖像質(zhì)量差，組織周?chē)鷮?duì)比度差，腦部的灰白質(zhì)界限無(wú)法分辨，圖像噪聲大。對(duì)圖像偽影的評(píng)分亦采用4分法[2]：1分，無(wú)偽影顯示；2分，顯示有少量偽影；3分，較多偽影，對(duì)評(píng)價(jià)周?chē)慕M織結(jié)構(gòu)有一定干擾；4分，有明顯偽影，影響對(duì)周?chē)M織結(jié)構(gòu)的觀察，無(wú)法進(jìn)行正確診斷。

表1 各組中灰質(zhì)和白質(zhì)圖像質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)值

表2 65KeV圖像與其它單能級(jí)圖像和常規(guī)圖像質(zhì)量客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)的比較

4.統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

使用IBM SPSS Statistics 21.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。計(jì)量資料采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。對(duì)CT值、SD、SNR和CNR的組間比較采用Bonferroni法，進(jìn)一步兩兩比較采用LSD-t檢驗(yàn)(方差齊)或Dunnett’s T3法(方差不齊)。以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(雙側(cè)檢驗(yàn))。

結(jié) 果

1.圖像質(zhì)量的客觀評(píng)價(jià)

各單能級(jí)圖像及常規(guī)混合能量圖像的各項(xiàng)客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)值及組間比較結(jié)果見(jiàn)表1～2。各組圖像之間腦白質(zhì)CT值的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=1.450，P=0.107)；而各組圖像之間腦灰質(zhì)CT值(F=159.625，P<0.001)、灰質(zhì)噪聲(F=1.963，P=0.012)和 CNR(F=16.514，P<0.001)的差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。65keV圖像的CNR高于其它單能級(jí)圖像和常規(guī)混合能量圖像，組間差異大部分具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，詳見(jiàn)表2。

2.硬化性偽影的客觀評(píng)價(jià)

與常規(guī)圖像相比，在單能級(jí)圖像上顱底偽影的CT值、噪聲、SNR和CNR均較低，尤其是120 keV單能級(jí)圖像上，2組間差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，詳見(jiàn)表3。

圖1 顱底層面CT圖像，單能120kev圖像上由顱骨引起的X線束硬化偽影(箭)較常規(guī)混合能量圖像明顯減少。a)常規(guī)圖像；b)120 keV圖像。

表3 常規(guī)圖像與120keV單能圖像硬化偽影區(qū)域的客觀評(píng)價(jià)

3.圖像質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià)

在偽影干擾較重的顱底層面，120 keV單能級(jí)圖像的圖像質(zhì)量評(píng)分和偽影評(píng)分均高于常規(guī)混合能量圖像(表4、圖1)，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義影像(P<0.001)。

表4 顱底常規(guī)圖像和單能120keV圖像的主觀影像質(zhì)量評(píng)估

討 論

CT是最常用的影像學(xué)檢查手段之一，具有安全、快捷和準(zhǔn)確性較高等諸多優(yōu)點(diǎn)[11]。能譜CT成像的最大優(yōu)勢(shì)是能夠獲得虛擬平掃圖像，不再是僅僅基于形態(tài)學(xué)的診斷模式[12]。雙層探測(cè)器光譜CT將能譜從探索階段推至真正的臨床應(yīng)用，發(fā)揮出能譜技術(shù)的獨(dú)特作用。光譜CT的常規(guī)掃描可同步獲得光譜結(jié)果，通過(guò)多模態(tài)光譜數(shù)據(jù)，提高顱內(nèi)組織的分辨率，同時(shí)得到形態(tài)學(xué)和功能性信息，可快速獲得全面診斷信息，單次掃描的診斷效能明顯提高，是神經(jīng)系統(tǒng)檢查的新型綜合診斷平臺(tái)[13-14]。

光譜CT圖像的常規(guī)解剖圖像是由所有患者的上層原始數(shù)據(jù)和下層原始數(shù)據(jù)的總和生成的。將底層和上層的原始數(shù)據(jù)分別分解成光電和康普頓散射圖，并將其重建為光譜基圖，從而得到所有的光譜結(jié)果。由于光譜數(shù)據(jù)的獲取依賴(lài)于雙層探測(cè)器而非X線管，因此無(wú)需特殊模式即可在一次掃描中獲得光譜結(jié)果。所有的光譜結(jié)果顯示的方式與我院使用的GE公司的后處理軟件(ADW4.6)處理后的常規(guī)CT圖像相同。虛擬單能圖像是用于回顧性光譜分析的光譜圖像。在虛擬單能圖像上，每個(gè)圖像序列都是在一個(gè)能量級(jí)別獲得的，該能量級(jí)別由一個(gè)值表示，范圍從40 keV到200 keV。虛擬單能圖像的質(zhì)量和圖像特點(diǎn)會(huì)隨著keV值的變化而變化，即使在圖像的窗寬和窗位等條件不變的情況下[11]。因此無(wú)需增加輻射劑量即可獲得虛擬單能圖像。

研究表明，能譜CT在分解物質(zhì)成分和提高影像質(zhì)量方面比常規(guī)CT具有明顯的優(yōu)勢(shì)[13]。高keV單能重建圖像能最大限度的降低射線束硬化偽影的干擾，清晰顯示偽影周?chē)媒M織結(jié)構(gòu)[15]。光譜CT單能成像和常規(guī)CT圖像相比噪聲更低、對(duì)比噪聲比(CNR)更高，在顯示物質(zhì)衰減特征方面更加準(zhǔn)確；及能測(cè)量消除偽影后的更接近準(zhǔn)確的CT值[16]。Noguchi等[17]研究顯示，能譜CT技術(shù)的運(yùn)用有助于提高臨床醫(yī)師的在腦部疾病方面的診斷能力。有利于疾病的鑒別診斷，是CT成像的發(fā)展方向。

在頭部CT檢查中最常見(jiàn)的后顱窩偽影，經(jīng)常會(huì)影響臨床醫(yī)生的正確診斷并可能造成誤診或漏診[18]。后顱窩偽影通常由設(shè)備、物理因素和不同重建算法以及患者本身因素所導(dǎo)致，其中以射束硬化引起的偽影影響最大，例如亨氏暗區(qū)呈低密度，主要是因?yàn)榛旌夏芰縓線照射時(shí)，低能量射線易于被物質(zhì)吸收衰減所致，通常通過(guò)軟件計(jì)算代償和硬件改良來(lái)加以解決[19-21]。

因顱內(nèi)結(jié)構(gòu)和組織對(duì)比分辨率較低，例如腦灰白質(zhì)之間的密度差異僅5～10 HU，所以在常規(guī)掃描中采用的5～10 mm層厚的圖像上，由于受部分容積效應(yīng)等因素的影響，對(duì)于微小病灶的評(píng)估有較大限度，這也一直是CT在顱腦病變應(yīng)用方面的瓶頸。Nakaura等[22]的研究結(jié)果顯示，層厚1.0 mm的薄層CT圖像能很好地顯示顱內(nèi)微小病灶。

本研究結(jié)果顯示：光譜CT獲得的不同能級(jí)的單能量頭部圖像中，65 keV單能級(jí)圖像的質(zhì)量顯著優(yōu)于常規(guī)圖像，腦組織結(jié)構(gòu)顯示更清晰，同時(shí)CNR更低，圖像噪聲更小；而在120 keV單能級(jí)薄層圖像上，射線束硬化偽影較常規(guī)圖像明顯降低。而在組織結(jié)構(gòu)和偽影對(duì)比度方面，單能級(jí)圖像與常規(guī)圖像之間的差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。因此，筆者認(rèn)為在臨床實(shí)踐中，光譜CT的65 keV單能量圖像可以作為首選，應(yīng)用于頭部CT的臨床診斷。

本研究存在的不足之處：(1)患者的樣本量有限；(2)沒(méi)有進(jìn)一步分析其它能級(jí)圖像對(duì)圖像質(zhì)量的影響和改善情況。

綜上所述，與常規(guī)重建薄層圖像相比雙層探測(cè)器光譜CT薄層重建的65 keV單能圖像能夠更好改善圖像質(zhì)量，優(yōu)化灰、白質(zhì)的對(duì)比度，降低射線光束強(qiáng)度。同時(shí)在 120 keV單能薄層圖像中頭部平掃CT的射線硬化偽影明顯減少了。在不增加任何輻射劑量的情況下，顯著提高了圖像的影像質(zhì)量，豐富了臨床診斷醫(yī)師對(duì)微小病灶檢出的分析診斷信息和圖像處理方法，能有效提高微小病灶的診斷準(zhǔn)確性，同時(shí)增加了臨床醫(yī)師的診療信心，在神經(jīng)系統(tǒng)的檢查中可推廣使用。