不同雙能量組合對Rho/Z檢測準確性的模體研究

王鵬朝，單春輝，郭方凱，黃曉穎，暴云鋒，陳英敏

河北省人民醫院 醫學影像科，河北 石家莊 050051

引言

自2006年以來，雙能量CT（Dual-Energy CT，DECT）的許多功能已經被開發并應用于臨床，包括：① 自動直接去骨技術；② 從增強CT中分離碘濃度圖；③ 虛擬平掃技術；④ 識別肺實質或心肌中的灌注血容量；⑤ 根據材料的元素組成確定材料的特征等[1-6]。隨著CT設備硬件與軟件技術的發展，雙能量成像技術逐漸實現了對物質的特性分析[7]和定量分析[8]，為臨床醫生提供了更多的信息。電子密度及有效原子序數就是其中一種。

腫瘤質子治療作為一種高端技術，自1988年問世以來，治療腫瘤有效率達95%以上，早期腫瘤5年存活率達80%以上[9]。為準確了解質子束所穿過的組織對質子束的阻止能力，雙能技術利用質子束“Bragg峰”的特性，實現腫瘤的“立體定向精準爆破”，這個過程中準確測量組織的電子密度和原子序數就顯得尤為重要[10]。為了克服單能CT對病變組織測量的局限性，雙能CT被用來計算電子密度的分布圖Rho和有效原子數Z，為接受質子治療的腫瘤患者提供個性化和精準化治療方案。

電子密度與有效原子序數的CT雙能量測量，作為一種新開發的技術，測量時可能會受設備性能，雙能量組合和算法等因素的影響[11]。測量值與實際值的誤差有多大，不同能量組合下測量的電子密度與有效原子序數一致性是否良好，目前無此類文獻的相關報道。本研究利用標準模體在不同雙能量組合下的數據進行對比分析，探討臨床最實用的雙能量掃描模式，為電子密度和有效原子序數的臨床應用提供指導。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究采用美國模體實驗室Catphan 600標準模體（圖1）中的CTP404檢測模塊。CTP404模塊為層厚、CT值線性、模體位置驗證模塊。封裝在Catphan 600標準模體中，材質為固態水，直徑150 mm，厚32.5 mm。其內有8個直徑為10 mm的圓柱狀填充條，填充物質分別為純水（需灌裝）、Polystyrene（聚苯乙烯）、LDPE（低密度聚乙烯）、PMP（熱塑性樹脂）、Air（空氣）、Teflon（特氟龍）、DelrinTM（聚甲醛）、Acrylic（丙烯酸塑料）。已知物質CT值，電子密度和有效原子序數。

圖1 Catphan 600標準模體

1.2 掃描方法

采用西門子SOMATOM Force CT雙能量掃描模式對Catphan 600檢測模體進行掃描，采用不同的能量組合，參考管電流采用系統默認值。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。球管轉速為0.5 s/r，螺距0.7，準直器寬度64 mm×0.6 mm，矩陣512×512，開啟實時動態曝光劑量調節Care Dose 4D技術，掃描長度為65 mm，掃描中點為CTP404模塊中心點。重建野（DFov）設置為200 mm，卷積核為Hr40，迭代強度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（加權系數為系統默認值0.6）三組數據。5種能量組合均重復掃描10次，共計掃描50次。并記錄每次的容積CT劑量指數（Volumetric CT Dose Index，CTDIvol）和劑量長度乘積（Dose Length Product，DLP）。

1.3 數據處理

將所有掃描的高、低能量數據及加權數據導入syngo.via工作站。使用工作站中雙能量程序下的“Rho/Z”模式進行電子密度與有效原子序數測量，測量層面選取每個序列的中間層。測量時在8種物質中心位置設置圓形感興趣區（Region of Interest，ROI），大小為 50 mm2，記錄各ROI所測的有效原子序數值，計算物質的電子密度。電子密度公式如公式(1) 所示。

Rhox為物質X的電子密度；CTx為物質X在雙能量模式下ROI內測量的CT值；Rho水為水的電子密度。

使用工作站中的“MM閱片”模式對加權數據進行CT值的測量，測量層面選取每個序列的中間層。測量時在8種物質中心位置設置圓形ROI，大小為50 mm2，記錄各ROI所測的CT值（圖2）。

圖2 不同類型圖

1.4 統計學分析

運用SPSS 24.0軟件組內相關系數分別檢驗計量各組重復掃描的電子密度、有效原子序數、CT值、CTDIVol和DLP的一致性，得出電子密度、有效原子序數、CT值、CTDIVol和DLP的一致性較好。故取重復測量的均值作為每組數據的確定值。根據結果使用單獨樣本t檢驗分別比較五種模式下電子密度、有效原子序數、CT值的測量值與實際值的差別；并分析結果的差異度。使用優劣解距離法（Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution，TOPSIS）綜合10種因素評價5種能量組合的優劣程度，并選出最佳、最劣方案。

2 結果

2.1 組內一致性分析

統計發現，不同能量組合下CTP404模塊內8種物質的電子密度、CT值、CTDIVol和DLP組內一致性較好，有效原子序數組內一致性一般，詳見表1。

表1 組內一致性分析

通過表1可見，不同能量組合測得的電子密度、CT值、CTDIVol和DLP高度一致，有效原子序數組內一致性較高，所以可以使用組內均值代表各組情況進行統計分析。

2.2 5種模式下電子密度、有效原子序數測量值與實際值差異性分析

統計發現，分別對5種能量下的8種物質經單獨樣本t檢驗可見，五種能量組合下，電子密度測量值與實際值有明顯差別（P＜0.05）的占90%，無明顯差別（P＞0.05）的情況占10%；有效原子序數測量值與實際值有明顯差別（P＜0.05）的情況占48.6%，無明顯差別（P＞0.05）的情況占51.4%，由于空氣為氣體狀態，有效原子序數無法計量。綜合5種雙能量模式，當測量均值與實際值有明顯差別時。除空氣外，電子密度測量均值與實際值最大偏差為2.620%，有效原子序數測量均值與實際最大偏差為4.447%。各組CT值取均數代表測量CT值與物質實際CT值相比均無明顯差別。整體而言，有效原子序數與實際值的符合度比電子密度更好；而電子密度測量穩定性比有效原子序數更高，詳見表2。

表2 五種模式下電子密度、有效原子序數測量均值與實際值差異性分析

2.3 5種模式測量電子密度與有效原子序數優劣程度排名

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

表3 五種模式測量電子密度與有效原子序數優劣程度排名

3 討論

Rho/Z作為物質的固有屬性，可以在一定程度上反映物質的理化特性[12]。理論上Rho/Z并不會實時變化。但是在CT檢查中由于管電壓的瞬時變化和測量的誤差等，測量值會與實際值存在一定差別[13]。經過測量統計分析發現，同一能量組合重復掃描時，電子密度、原子序數、CT值、CTDIVol和DLP均一致性良好。所以同一能量組合下的重復性較好。同一患者掃描不會出現較大差異，可信度較高。由于不同物質的Rho/Z值相差不大，且絕對值均不高，所以測量時誤差的影響較大。而CT值的范圍較寬，物質的對比度更高，所以8種物質密度上很小差別就可以在CT值上體現。CT值的測量值與實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會有差別。研究發現80/140 kV能量組輻射劑量僅低于100/Sn150 kV組，高于其余組。可能因為本組高能量球管未經過錫（Sn）板濾過低能射線，使得低能射線較多，影響輻射劑量[14]。而且當高能線束的低能部分被Sn濾過后，可以使高能量與低能量的能譜重合較少，物質分離時可以更徹底[15]。所以日常掃描過程中推薦使用有Sn濾過的能量組。掃描時發現，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有足夠穿透人體的量，到達探測器，與高能數據按比例重建混合。

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]。

針對不同腫瘤患者實施質子精準化治療來說，雙能CT能為臨床提供更多的有用信息—加權圖像CT值與實際CT值一致，還能夠提供電子密度與有效原子序數的定量值[17]。雙能量成像保證了CT值的穩定性，還能夠使質子的“Bragg峰”計算更精確[18]。本研究就是在雙能量應用日益廣泛的情況下，來確定現階段能夠提供更準確電子密度和有效原子序數信息的能量組合。由于醫用設備的限制，雙能量成像僅有五種組合。故本實驗采用所有能量組合進行驗證。除此之外，在CT檢查中，CT值的準確性、輻射劑量、圖像質量等都是同等重要的因素，依然需要考慮驗證。自動管電流調節技術已被眾多研究證實可在保證圖像質量前提下有效降低輻射劑量[19]，這個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，無法模擬實際檢查中受檢者的實際情況。本實驗使用物質均為單一物質，無法模擬混合物的實際值。電子密度和原子序數值的測量都是基于不同能量下X線的穿透數量，X線在固體和液體中傳播時，會與物質發生相互作用，可以通過后期計算得到固體和液體的Rho/Z值。由于氣體分子間距離較大，對X線的阻擋效果有限，所以DECT無法測量純氣體的Rho/Z值。這都是我們今后努力的方向。

4 結論

綜上所述，本研究通過模體對第三代雙源CT不同能量組合下測量的Rho/Z值進行分析得出，經過Sn濾過后的測量準確性要優于未經Sn濾過組。100/Sn150 kV組輻射劑量明顯大于其余4組，且測量準確性未見明顯提高。80/Sn150 kV為最優組，電子密度與最優結果接近程度為0.939，有效原子序數與最優結果接近程度為0.920。綜合劑量和圖像的準確度因素進行排名，80/Sn150 kV組既可以保證測量的準確性，又可以最大限度地縮減輻射劑量，且可重復性較好，值得應用推廣。