雙能CT螺距和迭代重建權重對單能衰減和有效原子序數的影響：體模研究

田 璐，黃紅云，范 杰

(1.四川省醫學科學院·四川省人民醫院放射科，四川 成都 610072；2.中國測試技術研究院輻射研究所，四川 成都 610021)

CT值和有效原子序數(effective atomic number，Zeff)對于臨床診斷具有極其重要的價值。利用雙能CT可更加準確地獲取單能量CT值，并通過分離物質得出目標有效原子序數，進而準確判斷物質成分，目前已經成為極具前景的影像學診斷技術[1-2]。不同螺距及不同權重的迭代重建(iterative reconstruction，IR)算法均會對成像噪聲和圖像質量造成影響[3-6]，但其對雙能CT掃描所獲不同單能CT值與有效原子序數結果有無影響鮮見報道。本研究采用雙能CT不同螺距寶石能譜成像(gemstone spectral imaging，GSI)模式觀察能量、螺距和IR算法對體模CT值和Zeff測值的影響。

1 材料與方法

1.1 材料 Catphan500標準體模(The Phantom Laboratory公司)，包括4種材料所制直徑12.3 mm圓柱形插件，分別為聚四氟乙烯(Teflon)、空氣(Air)、低密度聚乙烯(low density polyethylene，LDPE)、丙烯酸(Acrylic)，見圖1。

圖1 CT圖示體模及其內插件位置(紅圈為測量數據區域)

1.2 儀器與方法 采用GE Healthcare Revolution 256排雙能CT掃描儀，于溫度20.5～22.5℃環境下對體模行GSI掃描，具體掃描和重建參數見表1，每種條件下均重復掃描5次。以GE Advantage Workstation 4.7軟件對原始數據進行后處理，生成單能圖(60、73和80 keV)及有效原子序數圖。于每個插件中心選取ROI(25 mm2，圖1)，測量單能量CT值和Zeff。以美國國家標準技術研究院(National Institute of Standards and Technology，NIST)標準數據為基礎，以幾何稱重法在(20±1)℃環境下測量材料實際質量密度，并以比重法驗證；將相應材料的相應單能量CT值計算結果作為CT理論值，以廠家提供的材料分子式為基礎，根據公式(1)計算相應材料的Zeff作為理論值[7](表2)，其中，誤差=測量結果-理論值，相對誤差(relative error，RE)=(測量結果-理論值)/理論值×100%；同時對(mean relative error，MRE)進行等級劃分，≤1%為A級，1%10%為D級。

表1 GSI掃描體模參數

表2 GSI所獲體模不同材料 CT值及Zeff理論值

(1)

式中fi指第i種元素的電子分數，Zi指第i種元素的原子序數。

1.3 統計學分析 采用SPSS 26.0統計分析軟件。以±s表示計量資料，以方差分析行多樣本比較，采用LSD檢驗進行兩兩比較。P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 CT值 所有能量、螺距和IR權重下，MRE-CT值均為Air0.05)。不同螺距下Teflon、Acrylic MRE-CT值總體差異有統計學意義(P均<0.05)，而Air、LDPE MRE-CT值差異均無統計學意義(P均>0.05)。不同ASIR-V權重下各種材料MRE-CT值差異均無統計學意義(P均>0.05)。見表4、5。

表3 構成體模的不同材料的CT值和Zeff MRE比較

表4 不同能量下體模各種材料CT值比較(HU)

表5 雙能CT所測不同材料體模MRE-CT值比較(%)

2.2 Zeff所有螺距和IR權重下，MRE-Zeff均為Acrylic0.05)，見表6。

表6 雙能CT所測體模各種材料MRE-Zeff比較(%)

3 討論

3.1 CT值 為獲取更精準的CT理論值，本研究僅對質量衰減系數直接采用NIST標準數據(73 keV點擬合插值獲取)，而將材料密度誤差控制在0.01 g/cm3以內；每種條件下均重復掃描5次，以減少隨機誤差和設備短期穩定器的影響，并將1.375大螺距作為影響因素考慮在內。本研究發現Air、LDPE及Acrylic 的CT值均隨能量增加而增高，Teflon則相反，與理論值趨勢及既往研究[8]結果相符，與各種材料不同能量衰減系數與水衰減系數比值增減趨勢有關；Air 的CT理論值不隨能量變化，但Air密度受溫度影響較大，故CT值隨能量增加而略有增高。

CT理論值絕對值較大材料，如Teflon及Air，其MRE-CT值<1%，分級列為A級，受能量、螺距和IR權重的綜合影響較小；CT理論值絕對值較小材料，如Acrylic及LDPE，其MRE-CT分別>5%和10%，分列C、D級，所受影響較大，提示臨床應根據實際掃描部位的組織成分盡量適當選取能量及螺距，以獲取更為精確的CT值[9-10]；尤其需關注CT理論值絕對值較小組織，如定量診斷非酒精性脂肪肝時，CT值誤差極易降低診斷正確率[11]。各種材料MRE-CT值隨能量變化總體出現一定差異，這是由于單能圖并非真正的單能成像[12]，使得探測器所獲物質衰減系數與實際存在一定差異。不同螺距對CT理論值為負值的材料如Air和LDPE無顯著影響，對其他材料MRE-CT值有一定影響但程度較小，可能與掃描射線停留于材料Z方向上的單位長度的時間、噪音和溫度有關；IR水平則僅影響噪聲水平，對CT值無顯著影響。

3.2 Zeff綜合螺距和IR權重，本組LDPE 的MRE-Zeff為12.80%，而Teflon與Acrylic的 MRE-Zeff分別為4.10%和2.47%，與GOODSITT等[12]的結果略有差異(LDPE 14.34%、Teflon 4.39%、Acrylic 0.16%)，可能與重復測量降低了隨機誤差和研究材料數量少有關；本組Teflon與Acrylic的 MRE-Zeff高于楊亞飛等[13]的報道(Teflon 0.84%、Acrylic 0.69%)，可能原因在于修正方法的差異及雙能CT自身提供的能譜信息少于光子計數探測器。Zeff誤差主要來源于Zeff理論值的經驗公式及雙能掃描獲取Zeff時的處理信息和計算方式：Zeff可由兩種不同能量下的衰減系數之比獲得，計算精度取決于各近似方法的標定模型，故在MRE-CT較大的LDPE，其MRE-Zeff同樣較大。

不同螺距下，LDPE 的MRE-Zeff變化趨勢與其他材料相反；螺距為1.375時，所有材料的MRE接近；而Zeff精度達0.1～0.2方能可靠識別流體與軟組織[14]，故臨床診斷膠體囊腫、皮樣囊腫和腦膜瘤等腦部疾患時，應合理選擇螺距[15-16]；測量低Zeff目標(如<6.4)時尤應慎重，例如為獲取脂肪更為精確的Zeff(脂肪的密度和CT值與LDPE相近)，可使用大螺距方式掃描，但可能增加其他組織的Zeff誤差。本研究發現改變IR對測量Zeff結果無顯著影響，提示在不得不降低能量照射的情況下，可考慮提高IR權重，以抵消由此引入的噪聲，獲得理想的信噪比。

本研究的局限性：①僅針對一種體模進行評估；②未與雙源CT或光子計數等其他成像方式進行對比；③實際操作時，環境溫度仍有較大變化，可致理論值與實驗測值有所差異。

綜上，雙能CT GSI掃描參數對不同材料的影響程度不同；測量CT值和Zeff精度受螺距影響而與IR強度無明顯相關；能量水平僅影響CT值測量精度。